[发明专利]一种基于对装平面扭簧的柔顺关节

说明书

本发明提供了一种基于对装平面扭簧的柔顺关节，包括固定壳体、输出壳体、轴和与轴相连的至少一组单向旋转装置；输出壳体通过转动体一连接至固定壳体；轴位于输出壳体的回转中心，其通过转动体二连接至输出壳体；单向旋转装置包括两个对装的单向平面扭簧以及装配在单向平面扭簧上的单向旋转构件，两个单向平面扭簧的旋转方向相反，单向平面扭簧包括能够进行相对旋转的内圈和外圈，单向旋转构件固定连接至单向平面扭簧的内圈和/或外圈，并且单向旋转构件的止动方向，与和其相连接的单向平面扭簧的止动方向相同。本发明能够在进行单向的力矩输出的同时，避免反向空回程的缺陷，同时使得关节具有柔性。

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种基于对装平面扭簧的柔顺关节。

背景技术

传统机器人关节具有高刚性的特点，机器人关节的高刚性可以保证机器人末端运动的精确性和执行动作的高可重复性，这让机器人在制造业等领域发挥了极大的作用。但在服务机器人、护理机器人等涉及人机协作的领域，机器人关节的高刚性会给人的安全带来潜在的威胁，当机器人与人类发生碰撞时，刚性关节无法吸收碰撞的能量，这可能会造成人员伤亡和财产损失。

近年来，人们通过阻抗控制、传感器感知、串联弹性驱动器等方式，来实现在人类与机器人之间建立安全交互的系统。其中，采用串联弹性驱动的关节具有较好的抗冲击性，使得关节从机械结构上具备柔性，得到广泛的应用，这种柔性关节的主要方式是采用平面扭簧形式的串联弹性驱动形式，具有关节的紧凑化、小型化的优点。

基于平面扭簧特性的柔性关节是依靠内外圈的相对旋转、配合弹性部分的变形实现关节的柔性，平面扭簧的结构形式主要为内圈、外圈以及中间的扭簧弹性体的结构，基于平面扭簧特性的柔性关节是依靠扭簧内、外圈的相对旋转，弹性体变形实现关节的柔性。

在扭簧应用于关节的开发上，哈尔滨工业大学的杨德财等人提出了一种基于扭簧特性的变刚度关节(公开号CN105345839A)，哈尔滨工程大学的王立权等人提出了双串联弹性驱动器(公开号CN101318331A)，这些扭簧均为传统螺旋状弹簧，难以实现机器人关节结构的紧凑化。

浙江大学的朱秋国等人提出了一种适用于机器人关节的平面扭簧(公开号CN102632508A)，在国内第一次开发出适用于机器人关节的平面扭簧，旨在解决了传统扭簧占用空间大、结构松散的问题。

浙江大学的林群祐等人公开了柔性关节的平面扭簧(公开号CN103836101A)，旨在提升最大扭矩值和相对旋转角度，同时增加限位索来保护平面扭簧。

前述的平面扭簧的工作模式一般为，在关节正向驱动时，内圈带动弹性部分正向变形，当产生的力矩大于负载力矩时，外圈正向转动；当关节反向驱动时，内圈先反向转动，带动弹性部分首先回到平衡位置，随后继续反向旋转变形，当产生的力矩大于负载力矩时，驱动外圈反向转动。

现有技术中的平面扭簧为满足双向变形的要求，采用对称结构，这样的平面扭簧在设计时需要考虑双向变形时弹性体所需的变形，并为之预留足够的变形空间，在关节反向旋转时，由于弹性部分需要先返回平衡位置，故会不可避免的产生反向空回程，随后关节才能被反向驱动，这样的反向空回程很难满足要求系统响应时间短、机器人运动精度高的场合。

基于此，本申请提供了一种基于对装平面扭簧的柔顺关节。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于对装平面扭簧的柔顺关节，通过采用旋转方向不同的两个单向平面扭簧与单向旋转构件之间的配合，使得本发明能够在进行单向的力矩输出的同时，避免反向空回程的缺陷，同时使得关节具有柔性。