一种串联弹性驱动器制造技术

本发明专利技术公开一种串联弹性驱动器，包括交流伺服电机、法兰盘、谐波减速器和弹性单元；弹性单元包括外轮、轮辐、轮芯、3组压簧、3个固定块、深沟球轴承、推力轴承和分体式旋转编码器。交流伺服电机通过法兰盘与谐波减速器相连，弹性单元通过外轮与谐波减速器相连。轮芯为中空结构并通过长螺栓连接在外轮上，轮辐通过推力轴承和深沟球轴承固定在轮芯上，使其在轴向载荷和倾覆力矩下可以绕轮芯正常转动，3个连接块固定于外轮内侧并呈120°均布，连接块通过压簧和轮辐相连，分体式编码器的码盘固定于轮芯上，解码器固定于轮辐上；电机的驱动力矩通过谐波减速器传至弹性单元外轮，外轮通过压簧驱动轮辐转动，并通过分体式旋转编码器读出轮辐相对于外轮的转角，从而计算输出力矩。

A series of elastic actuator

The invention discloses a series elastic actuator, including AC servo motor, harmonic reducer flange, and the elastic element; elastic unit includes an outer wheel, wheel spokes, core, 3 groups of compression spring, 3 fixed block, deep groove ball bearings, thrust bearings and split type rotary encoder. The AC servo motor is connected with the harmonic reducer through the flange plate, and the elastic element is connected with the harmonic reducer through the foreign ship. The wheel core is a hollow structure and connected to the outer through bolts, spokes are fixed on a wheel core through the thrust bearing and deep groove ball bearing, the axial load and overturning moment under normal rotation around the wheel core, a connecting block 3 is fixed on the outer side and a 120 degree uniform, a connecting block through a pressure spring and spoke with the encoder split encoder is fixed on the wheel core, the decoder is fixed on the wheel spokes; driving torque of the motor through reducer to the outer elastic unit, driven by the pressure spring outer spokes rotate, and through the split type rotary encoder readout angle relative to the outer spokes, and calculate the output torque.

【技术实现步骤摘要】
一种串联弹性驱动器
本专利技术涉及一种用于机器人关节的串联弹性驱动器，属于机器人领域。
技术介绍
柔顺驱动技术是目前机器人行业亟需解决的一个难题。由于传统驱动器主要以集成伺服电机为主的刚性驱动，整体柔顺性能不足，在使用过程中易造成二次伤害；而目前对机器人的柔顺控制大多采用六维力传感器作为反馈单元，但是由于六维力传感器价格昂贵，并没有得到广泛的应用。串联弹性驱动器是一种能够实现柔性输出的驱动单元，在驱动和执行模块之间添加弹性元件，来使驱动和负载之间具有柔性缓冲。其本质上属于被动柔顺结构，但是与电机控制技术和基于压簧变形量的关节力检测技术相结合，可以实现可控可调的柔顺性能。
技术实现思路
针对传统的刚性驱动柔顺性能不足，以及六维力传感器价格昂贵，应用不广泛等缺点，提供一种可用于人机交互的串联弹性驱动器。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种串联弹性驱动器，其特征在于：包括伺服电机、法兰盘、谐波减速器、弹性单元；电机的驱动力矩通过谐波减速器传至弹性单元，然后由弹性单元传至负载；所述弹性单元包括外轮、轮辐、轮芯、3组压簧、3个固定块、深沟球轴承、推力轴承和分体式旋转编码器；轮芯通过螺栓连接于外轮上；轮芯上套装轴承，轮辐内侧通孔与所述轴承外侧配合；轮辐外侧设置三支间隔为120°的扫臂，每支扫臂下端有螺纹孔用于连接负载或是末端执行器；所述扫臂上设置限位柱，外轮内侧设置三个间隔为120°的连接块，所述连接块上也设置限位柱，所述连接块上的限位柱与扫臂上的限位块间安装弹簧；分体式旋转编码器的读码器固定于轮辐上部，码盘固定于轮芯上。3组压簧初始装配时保持一定的预压缩，每个压簧的预压缩量相同，每组压簧的轴线与轮辐扫臂垂直且距弹性单元轴线距离相等。每组的2个压簧对称布置，实现双向弹性缓冲，使正转和反转都具有柔顺功能。轮芯为空心阶梯轴，相应地，所述轮辐内侧为阶梯孔。所述轴承分别为深沟球轴承和推力轴承。通过分体式旋转编码器测量轮辐相对于外轮的转角进而计算出输出到负载的转矩为：上式中：T为电机输出到负载的力矩，Ks为压簧的弹性系数，R为压簧中心到弹性单元的中心距，rs为压簧外径，θs为轮辐相对于外轮的偏转角度。在外轮与轮芯的连接处设计沉头孔，沉头孔直径等于轮芯，轮芯插入所述沉头孔中。本专利技术的优点在于，分体式旋转编码器嵌入弹性单元内部，集成度高，成本低，可以实现对输出到负载转矩的测量，便于实际用于机器人领域。附图说明图1为本专利技术串联弹性驱动器整体结构图；图2为本专利技术串联弹性驱动器弹性单元结构示意图；图3为本专利技术串联弹性驱动器弹性单元俯视图的剖视图；图4为本专利技术串联弹性驱动器弹性单元简化图；图5为本专利技术串联弹性驱动器弹性单元单根压簧受力分析图。具体实施方式下面结合说明书附图对本专利技术作进一步阐述。如图1所示，本专利技术串联弹性驱动器，包括伺服电机1、法兰盘2、谐波减速器3、弹性单元4，伺服电机1和谐波减速器3通过法兰盘2连接为一体，弹性单元4通过螺钉与谐波减速器3的输出端相连。如图2、图3所示，本专利技术串联弹性驱动器的弹性单元4，包括外轮41、轮芯42、轮辐43、连接块44、压簧45、分体式旋转编码器46、深沟球轴承47、推力轴承48；轮芯42通过螺栓连接于外轮上，在外轮41与轮芯42的连接处设计沉头孔，沉头孔直径等于轮芯42，装配中轮芯42插入沉头孔中；轮芯42的结构设计为阶梯轴，轮辐43内部设计为阶梯孔，用于安装深沟球轴承47和推力轴承48；轮辐43包括三个间隔为120°扫臂49，每支扫臂49两侧分别有一个限位柱，用于固定压簧45，每支扫臂下端有螺纹孔，可用于连接负载或是末端执行器；3个连接块44固定于外轮内侧并呈120°均布，连接块44两侧分别有一个限位柱；压簧45的一端套在连接块44一侧的限位柱上，另一端套在对应的轮辐43扫臂一侧的限位柱上；分体式旋转编码器46的读码器通过螺钉固定于轮辐上部，码盘通过紧定螺钉固定于轮芯42上。串联弹性驱动器的动力传输过程为：伺服电机1作为动力源，谐波减速器3与外轮41连接在一起，伺服电机1转动带动外轮41转动，连接块44随着外轮41一起转动，从而压缩压簧45，压簧45受到压缩后会推动轮辐43运动，轮辐43在转动的同时，由于压簧45的收缩产生相对于外轮41的转角差，分体式旋转编码器46的读码器随着轮辐43运动也会相对码盘产生相同的转角差。通过压簧刚度和转角差就可以计算输出到负载的力矩值。所述每组弹簧需保证其轴线与相连的轮辐扫臂垂直以及相同的预压缩量，这样才能保证力的传递均匀。串联弹性驱动器输出到负载转矩的计算方法为：为了能更直观地呈现力矩测量原理及弹性单元的受力分析，故将弹性单元4简化为如图4所示的结构，六个直线压簧45分为三组受力单元，对于每个受力单元，在不受外力时，每个压簧45的压缩量相同。当受到外力驱动后，由于轮辐43和外轮41的相对运动，而导致每个受力单元内的两个压簧45产生相同的位移变化，进而对轮辐43产生作用力。对于单个压簧45，其受力简化图如图5所示。初始状态下，轮辐43会在压簧45预压缩量xp下保持自平衡。其中，点A1(0,R)为自平衡时的初始位置，R为压簧45中心到弹性单元4的中心距，点A2为弹性单元4在受到外力偏转后达到的位置，θs为受到外力后轮辐相对于外轮的偏转角度。因此根据胡克定律可知：F1＝Ks(xp+x(θs))(1)F2＝Ks(xp-x(θs))(2)其中，Ks为压簧45弹性系数，x(θs)＝Rsin(θs)是在转角θs的作用下引起的压簧45弹性形变量。因此一组压簧45施加在轮辐43上的合外力为：F＝F1-F2＝2KsRsin(θs)(3)则由一组受力单元对轮辐43产生的力矩为：Tk＝FRcos(θs)＝2KsR2sin(θs)cos(θs)(4)然而，上述讨论是以图5所示的受力模型为基础进行的分析，此模型将压簧45与轮辐43的接触简化为点接触。而实际情况是由于压簧45直径的影响，压簧45与轮辐43是面接触，因而压簧45每个部分的形变量并不完全相同，即越靠近轮辐43中心的部分形变量越小，因此，考虑到压簧45不同部分形变量的不同后，由一组受力单元对轮辐43的产生的力矩可通过对压簧45直径的积分得到，因此公式(4)可改写为：其中rs为压簧45外径。因此轮辐受到的总力矩为：因此，通过分体式旋转编码器46测量轮辐43相对于外轮41的转角θs就可以计算出输出到负载的转矩。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种串联弹性驱动器，其特征在于：包括伺服电机、法兰盘、谐波减速器、弹性单元；电机的驱动力矩通过谐波减速器传至弹性单元，然后由弹性单元传至负载；所述弹性单元包括外轮、轮辐、轮芯、3组压簧、3个固定块、深沟球轴承、推力轴承和分体式旋转编码器；轮芯通过螺栓连接于外轮上；轮芯上套装轴承，轮辐内侧通孔与所述轴承外侧配合；轮辐外侧设置三支间隔为120°的扫臂，每支扫臂下端有螺纹孔用于连接负载或是末端执行器；所述扫臂上设置限位柱，外轮内侧设置三个间隔为120°的连接块，所述连接块上也设置限位柱，所述连接块上的限位柱与扫臂上的限位块间安装压簧；分体式旋转编码器的读码器固定于轮辐上部，码盘固定于轮芯上；通过分体式旋转编码器测量轮辐相对于外轮的转角进而计算输出到负载的转矩为：

【技术特征摘要】
1.一种串联弹性驱动器，其特征在于：包括伺服电机、法兰盘、谐波减速器、弹性单元；电机的驱动力矩通过谐波减速器传至弹性单元，然后由弹性单元传至负载；所述弹性单元包括外轮、轮辐、轮芯、3组压簧、3个固定块、深沟球轴承、推力轴承和分体式旋转编码器；轮芯通过螺栓连接于外轮上；轮芯上套装轴承，轮辐内侧通孔与所述轴承外侧配合；轮辐外侧设置三支间隔为120°的扫臂，每支扫臂下端有螺纹孔用于连接负载或是末端执行器；所述扫臂上设置限位柱，外轮内侧设置三个间隔为120°的连接块，所述连接块上也设置限位柱，所述连接块上的限位柱与扫臂上的限位块间安装压簧；分体式旋转编码器的读码器固定于轮辐上部，码盘固定于轮芯上；通过分体式旋转编码器测量轮辐相对于外轮的转角进而计算输出到负载的转矩为：

【专利技术属性】
技术研发人员：郝丽娜，许允杰，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21