[发明专利]转动型串联弹性致动器

说明书

适于机器人应用的转动型串联弹性致动器(SEA)。SEA包括电机、齿轮传动组件、弹簧组件及传感器。在一个实例中，机器人接头包括SEA、和在接头组件处相互耦合的两个连杆。所述两个连杆被指定为输入连杆和输出连杆。每个连杆具有接头壳体，接头壳体通过接头轴承同心地连接，以使得每个连杆相对于彼此自由地转动。SEA的壳体框架固定在输入连杆的接头壳体处，SEA的弹簧组件的输出安装座与输出连杆的接头壳体同心地耦合。电机转子的转动使输出连杆相对输入连杆的转动叠加弹簧组件的弹簧形变。当在两个连杆之间施加外力或转矩时，控制回路的控制动作引起电动机的转动和起动力，使弹簧组件的形变平衡自和连杆一同移动的体质量产生的外力/转矩及惯性力。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年3月28日所提交的申请号为62/649,034且题为《TORSIONALSERIES ELASTIC ACTUATOR》的美国临时专利申请的优先权，上述美国临时专利申请的全部内容通过引用并入本申请。

背景技术

除非本申请说明书另有指出，否则本部分中所描述的材料并非本申请权利要求的现有技术，并且本节中的结论也并不承认这些材料是现有技术。

在许多情况下，机器人是由多个可移动本体部分构成的自动化机器，而这些可移动本体部分由诸如直流电机、交流电机、液压致动器和气动致动器之类的致动器来驱动。在许多应用中，可对机器人进行设计与控制，借以根据机器人本体部分的位置、轨迹或速度执行任务。通常，致动器配备有齿轮传动装置，进而，对于给定的任务而言，可减小输出速度并增大输出力。同时，通常可安装用于检测致动器输出位置或速度的传感器，借以向控制致动器运动的计算设备提供反馈信号。

而在其他应用中，需要机器人对外界施加精确的力或转动力，或被寄希望于根据力来执行任务，以获得更为优益的稳定性、安全性或效率。例如，当与刚性环境进行物理接触时，位控机器人极有可能变得不稳定，而力控机器人则并非如此。而当与人进行互动或发生碰撞时，由于符合物理上的相互作用，所以力控机器人更为安全。而当辅助人类运动时，由于人类机体由作为肌肉的力控致动器提供能量，所以力控机器人可提供更为自然的互动。

由于齿轮减速阶段中的诸如摩擦力与静摩擦力等力是非线性的，因此使用齿轮减速的位控定向致动器通常会因其控制回路中缺少力量反馈而无法对输出力进行精确控制。串联弹性致动器(SEA)是一种配备有用于力量感测的兼容性元件的致动器结构，这种串联弹性致动器可在力量控制方面具有优异的性能并具有包括固有稳定性，耐冲击性及安全性在内的诸多优点。SEA由致动器、齿轮传动组件、弹性元件(例如弹簧或一组弹簧)和传感器构成。SEA中的一个或多个传感器用于检测弹性元件的变形。弹性元件通常是其形变与其上所施加力成比例的弹簧或一组弹簧。带有传感器的弹性元件或弹簧可与致动器进行串联，借以对抗SEA的输出并作为力传感器。使用力反馈信号的控制计算机中的反馈控制回路可对SEA的输出力进行控制。本发明包括能够控制精确的转动力(转矩)的转动串联弹性致动器。

附图说明

下面，将结合本发明说明书附图进行详细的描述。在本发明说明书附图中，附图标记的最左侧的数字表示此附图标记首次出现的附图。同时，不同说明书附图用相同的附图标记表示相同或相似的组件或部件。

图1示出了本发明某些实施方式的转动型串联弹性致动器(SEA)的示例。

图2示出了本发明某些实施方式中具有SEA的示例性机器人接头组件。

图3示出了本发明某些实施方式中未配备SEA 10的示例性机器人接头组件。

图4示出了本发明某些实施方式中具有机器人接头组件的示例性SEA的截面图。

图5示出了本发明某些实施方式中不包括机器人接头组件的示例性SEA的横截面图。

图6示出了本发明某些实施方式中未配备接头组件的SEA的另一示例截面图。