[发明专利]一种旋转式可调刚度串联弹性机器人关节

说明书

技术领域

本发明涉及一种机器人关节，属于机器人技术领域。

背景技术

在科技高度发达的今天，机器人已经渗入到各行各业，执行各种各样的任务，机器人关节就是机器人领域中一个非常重要的模块，机器人柔性关节可以有效的起到减小冲击，提高机器人使用寿命的作用，但是传统的柔性关节柔性主要来自谐波减速器的柔性变形，或者扭矩传感器的自身变形，变形量较小，难以实现精确的力控制。现阶段对柔性关节的研究不光注重于柔性关节减小冲击的作用，还注重关节的适应性，稳定性和精度。因此，随着柔性驱动技术的发展，加大对关节适应性，稳定性和精度，以及柔性控制方法的研究可以有效的提高机器人的各种性能，减少各种问题发生的频率。

发明内容

本发明是为解决现有机器人关节存在难以实现精确的力输出控制以及传动精度和传动稳定性较差的问题，进而提供一种旋转式可调刚度串联弹性机器人关节。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

本发明的一种旋转式可调刚度串联弹性机器人关节包括谐波减速器，所述谐波减速器包括钢轮、波形发生器和柔轮，波形发生器插装在柔轮的大直径端内，钢轮与柔轮啮合；它还包括带有编码器的电机、支撑罩、端盖、立式输出臂、传动轴、机箱、角度传感器、立式连接板和多个串联弹性体；带有编码器的电机与钢轮可拆卸连接，钢轮与支撑壳可拆卸连接，带有编码器的盘式电机的输出轴与波形发生器连接，柔轮的小直径端装在支撑罩内且二者转动连接，柔轮的小直径端内安装有立式连接板，机箱位于支撑罩和端盖之间，机箱内安装有多个串联弹性体；

每个串联弹性体包括同心的内环、外环和十条弹簧，内环的外壁上沿其周向均布设置有五个外卡座，外环的内壁上沿其周向均布设置有五个内卡座，外环套装在内环上，五个外卡座和五个内卡座相间布置，每个内卡座与相邻的一个外卡座之间安装有一个弹簧，相邻两个串联弹性体的其中一个串联弹性体的外环上沿轴向加工有多个卡爪，相邻两个串联弹性体中余下的一个串联弹性体的外环上沿轴向加工有与卡爪相插接的卡槽，多个串联弹性体通过卡爪和卡槽的插接相连为一个组合体；

所述组合体的一端与装在支撑罩内的柔轮的小直径端可拆卸连接，传动轴的一端穿过所述组合体的通孔与柔轮转动连接，传动轴的一端安装有角度传感器，角度传感器的检测轴插入立式连接板的中部，传动轴的另一端与端盖转动连接，所述组合体固套在传动轴上，传动轴的另一端固装在立式输出臂的下部。

本发明的有益效果是：本发明基于对传统柔性驱动机器人关节和串联弹性驱动器（SEA）机理的研究，在此基础上进行了改进，去掉了扭矩传感器，依靠角度传感器和串联弹簧来进行扭矩检测，修改了串联弹簧的连接形式，把串联弹簧设计成多个独立的串联弹性体，每个串联弹性体由十个弹簧及其内外环组成，外环和内环结构简单，易于加工，可以减小突然启动或者突然接触对关节以及电机的冲击；每个串联弹性体的变形量和扭矩之间的线性关系是多对弹簧线性度的平均值，串联弹性体传动平稳，线性度较高，直接进行旋转式扭矩输出，具有很高的传动精度和稳定性，传动精度提高了15%以上，使用使用寿命提高了3倍，输入和输出通过多个串联弹性体相连接，通过增减串联弹性体的个数来达到适应不同程度缓冲和改变系统刚度的目的。

本发明适用于各种机器人的关节，能够保持较高的传动精度和传动稳定性，准确的计算出关节输出臂所转的角度及输出力大小，同时还具有方便的刚度调节功能，通过加减弹性单元的个数能够使该关节适应各种各样的场合，起到很好的减震缓冲作用，具有很高的线性度。本发明是一种用于减小关节冲击，提高传动精度和稳定性的柔性机器人关节，可以应用于多种场合。

附图说明

图1为本发明的整体结构立体图，图2为本发明的一种旋转式可调刚度串联弹性机器人关节的局部剖视图，图3为本发明的一种旋转式可调刚度串联弹性机器人关节的主剖视结构示意图，图4为带有编码器的电机、谐波减速器与支撑罩的连接结构的分解示意图，图5为多个串联弹性体连接为组合体的结构示意图，图6为多个串联弹性体的分解示意图。

具体实施方式