[发明专利]具有力位控制的高柔性模块化关节

说明书

本发明提供一种具有力位控制的高柔性模块化关节，包括输入反馈组件以及输出反馈组件，高柔性弹性体包括在高柔性弹性体的输入端以及高柔性弹性体的输出端之间的弹性体，高柔性弹性体的输入端与输出大齿轮同步运动，高柔性弹性体的输出端与关节输出轴同步运动；输入反馈组件与输出大齿轮配合，从而获得输出大齿轮的角位移信号；输出反馈组件与关节输出轴配合，从而获得关节输出轴的角位移信号，两部分角位移信号之差乘以高柔性弹性体的扭转刚度系数，得到关节的输出扭矩。本发明使关节能简单通过检测力矩大小而实现碰撞检测，增加关节实际应用的安全。同时降低关节刚度和增加关节储能，使得机器人具有本质柔顺性，并且在运动时具有较高的效率。

技术领域

本发明涉及一种具有力位控制的高柔性模块化关节，属于机器人技术领域。

背景技术

机器人目前越来越频繁地出现在我们的生活和工作中，“人机共存”和“人机协作”成为当前研究的热点。在这种情形下，如何保证人类的安全成为机器人研究的重点。当前，为提高机器人的安全性，机器人往往会引入力矩控制。由于传统的力矩传感器存在价格昂贵，集成性差的问题，在机器人关节设计时加入串联弹性机构，通过引入双位移编码器等效为力矩传感器。串联弹性机构主要为金属弹性元件，金属弹性元件普遍存在加工与设计复杂、储能低和刚度高等问题。为了实现关节的紧凑性设计，等效的力矩传感器也存在分辨率低的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术为实现关节的柔性，存在刚度高、设计与加工复杂、储能低等缺点，同时为了实现关节的力矩控制，力矩传感器的分辨率和紧凑性不能协调统一的缺陷，提供一种具有力位控制的高柔性模块化关节。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种具有力位控制的高柔性模块化关节，其特点在于，所述高柔性模块化关节包括高柔性弹性体和反馈组件，所述反馈组件包括输入反馈组件以及输出反馈组件，所述高柔性弹性体包括设置在所述高柔性弹性体的输入端以及所述高柔性弹性体的输出端之间的弹性体，其中，

所述高柔性弹性体的输入端与输出大齿轮同步运动，所述高柔性弹性体的输出端与关节输出轴同步运动；

所述输入反馈组件与所述输出大齿轮配合，从而获得所述输出大齿轮的角位移信号；

所述输出反馈组件与所述关节输出轴配合，从而获得所述关节输出轴的角位移信号。

高柔性模块化关节内部装有高柔性弹性体，极大地降低了关节的刚度。与金属弹性体相比较，高柔性弹性体刚度通常比金属弹性体刚度小2～3个数量级，使得力传感装置自身的力传感精度得到提升。同时，高柔性弹性体中的弹性元件可以采用例如橡胶等材料。

在本技术方案中，第一反馈大齿轮和第一反馈小齿轮配合使用，用于放大高柔性弹性体的输入端的角位移信号，从而提高了角度编码器对高柔性弹性体输入信号的传感精度。

第二反馈大齿轮和第二反馈小齿轮配合使用，用于放大高柔性弹性体输出端的角位移信号，从而提高了角度编码器对高柔性弹性体输出信号的传感精度。

通过两个角度编码器分别准确地检测高柔性弹性体输入端和输出端的角位移信号，输出角度与输入角度之差乘以高柔性弹性体的扭转刚度系数，得到关节输出力矩，从而将力控制问题转化为位移控制问题。将输出端的角位移信号进行差分，从而得到关节输出端的速度信号。因此，该高柔性模块化关节能够实现位移、速度和力矩控制。

较佳地，所述输入反馈组件包括第一反馈小齿轮、反馈输出轴、第一磁铁以及第一反馈大齿轮，其中，

所述第一反馈大齿轮与所述输出大齿轮配合；

所述第一反馈小齿轮固定于所述反馈输出轴，且所述第一反馈小齿轮与所述大齿轮啮合；

所述反馈输出轴的底部连接有所述第一磁铁。