一种用于机器人的一体化柔性关节制造技术

本发明专利技术提供了一种用于机器人的一体化柔性关节，包括外壳体、输入机构和输出机构，输入机构包括主传递轴、无框力矩电机、谐波减速器和连接法兰，无框力矩电机的定子设置于外壳体上，主传递轴设置于无框力矩电机的转子中，谐波减速器的输入部分与主传递轴连接，连接法兰设置于谐波减速器的输出部分；输出机构包括输入构件、输出构件、支架杆、弹簧和连接座，输入构件连接在连接法兰上，输出构件通过交叉滚子轴承设置于外壳体上，连接座设置于输出构件上，支架杆的一端支撑在连接座上，弹簧套设于支架杆上，其中转动的输入构件能够通过弹簧将扭矩传递给输出构件。本发明专利技术能够同时满足大扭矩输出和较好的柔顺性能，有助于机器人关节的一体化设计。

【技术实现步骤摘要】
一种用于机器人的一体化柔性关节
本专利技术属于机器人
，具体涉及一种用于机器人的一体化柔性关节。
技术介绍
在机器人与周围环境进行交互作业时，柔顺性能是机器人的一个重要指标，它可保护机器人及周围环境免受损害，在机器人关节中增加柔性模块，是提高机器人柔顺性能的一种方式。在设计含柔性模块的机器人关节时，在保证扭矩需求的同时，尽可能使得关节的结构紧凑。目前，含柔性模块的机器人关节已经有较多的成果，但是如何同时保证机器人关节具有较大扭矩和紧凑的结构，仍然是亟待解决的难题。由于机器人关节内部存在柔性模块，需要采用额外的编码器来检测内部弹性元件的变形程度，编码器种类的选取及布置方式直接约束着机器人关节的结构紧凑性；此外，弹性元件的选取及布置方式，也是影响关节结构紧凑性的重要因素。机器人关节往往需要内部中空结构，方便电线从关节内部穿过，使关节更加美观、一体化。许多已有的含柔性模块的机器人关节，采用直流电机与行星减速器一体化结构，或者无中空结构的直流电机和谐波减速器组合的方式，虽然该类电机往往末端自带编码器，但是无法实现中空走线，不利于机器人关节一体化设计。此外，在该类结构中，用于检测柔性模块变形的编码器，需要单独设计，增加了关节的整体尺寸。无框力矩电机和带中空结构的谐波减速器的组合，可使得机器人关节输出较大的扭矩，具有较高的功率密度，同时仍然可以实现中空走线结构，有助于机器人关节一体化设计。此外，机器人关节的中空结构，也可使得检测柔性模块变形的编码器放置在无框力矩电机端，大大增强了结构的紧凑性。如何将无框力矩电机、谐波减速器和柔性模块组合成一体化机器人关节，使关节具有大输出扭矩和柔顺性能，同时具有中空结构方便电线通过，实现一体化设计，是设计机器人关节的一个发展方向。中国专利201611059925.9公开了一种用于柔顺关节的双层平面扭簧，该双层平面扭簧包括第一平面扭簧、第二平面扭簧、花键轴、中间垫圈和输出件组成；第一平面扭簧和第二平面扭簧的外环相对端之间设置中间垫圈；花键轴与第一平面扭簧和第二平面扭簧的花键孔均连接。上述现有技术中的关节没有体现无框力矩电机、减速器及编码器的安装方式，此外，该种结构无法实现中空走线，不利于机器人关节的一体化设计。中国专利201910868465.1公布了一种基于对装平面扭簧的柔顺关节，该关节包括固定壳体、输出壳体、轴和与轴相连的旋转装置；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。上述现有技术中的关节没有中空结构，无法实现电线内部穿过，不利于机器人关节的一体化设计。此外，该种结构不利于编码器的安装，会增大整体结构尺寸，不利于结构的紧凑性。现有技术中的含柔性模块的机器人关节，难以使关节同时满足大扭矩输出、较好的柔顺性能和中空走线结构，不利于机器人关节的一体化设计，基于此，本申请提供了一种含柔性模块的一体化机器人关节，以解决现有技术的缺陷。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术提供了一种用于机器人的一体化柔性关节，能够同时满足大扭矩输出和较好的柔顺性能，有助于机器人关节的一体化设计。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种用于机器人的一体化柔性关节，其包括：外壳体；输入机构，包括主传递轴、无框力矩电机、谐波减速器和连接法兰，无框力矩电机的定子设置于外壳体上，主传递轴设置于无框力矩电机的转子中，谐波减速器的输入部分与主传递轴连接，连接法兰设置于谐波减速器的输出部分；输出机构，包括输入构件、输出构件、支架杆、弹簧和连接座，输入构件连接在连接法兰上，输出构件通过交叉滚子轴承设置于外壳体上，连接座设置于输出构件上，支架杆的一端支撑在连接座上，弹簧套设于支架杆上，弹簧的两端分别抵接连接座和输入构件，其中转动的输入构件能够通过弹簧将扭矩传递给输出构件。根据本专利技术的另一种具体实施方式，输入构件包括呈盘状的主体、位于主体周向上的至少一个连接耳部，主体与连接法兰连接，支架杆的一端以螺纹方式设置在连接座上，支架杆的另一端悬空并位于连接座与连接耳部之间。根据本专利技术的另一种具体实施方式，连接耳部和连接座均设有抵接端面，弹簧的两端分别抵在两个抵接端面上，弹簧在主体转动时能够被压缩。根据本专利技术的另一种具体实施方式，连接座设有多个槽，多个槽沿所述输出构件的回转中心线性分布，每一槽内均设有支架杆，每一支撑杆上均设有弹簧。本方案中形成层叠结构的弹簧，可根据实际扭矩需求，对层叠结构的层数、弹簧数量进行合理设计，从而满足机器人关节的扭矩需求。根据本专利技术的另一种具体实施方式，输出构件呈筒状，其套设在输入构件的外周上。根据本专利技术的另一种具体实施方式，进一步包括双编码器机构，双编码器机构包括用于检测主传递轴转动角度的第一组件和用于检测输出构件转动角度的第二组件；第一组件包括大编码器磁环和第一连接件，大编码器磁环通过第一连接件设置于主传递轴上并与主传递轴同步转动；第二组件包括小编码器磁环和第二连接件，小编码器磁环通过第二连接件设置于输出构件上并与输出构件同步转动。根据本专利技术的另一种具体实施方式，第二组件包括连接用的支架，无框力矩电机、主传递轴、谐波减速器、连接法兰和输入构件均为中空结构以形成通道，支架穿过通道，大编码器磁环、第一连接件、小编码器磁环和第二连接件均位于靠近无框力矩电机的一端。其中支架两端分别与第二连接件和输出构件连接。根据本专利技术的另一种具体实施方式，支架设有用于电线穿过的孔。根据本专利技术的另一种具体实施方式，双编码器机构还包括用于数据处理的PCB板，通过该PCB板分别获取小编码器磁环的转动角度和大编码器磁环的转动角度；其中小编码器磁环的转动角度即为输出构件所输出的转动角度；其中通过大编码器磁环的转动角度和谐波减速器的减速比计算得到谐波减速器输出部分所输出的转动角度，即为输入构件所输入的转动角度；其中通过输出构件所输出的转动角度和主传递轴所输入的转动角度计算得到弹簧的压缩量，进而获得输出构件所承受的力矩大小，即为柔性关节所承受的力矩大小。本专利技术具备以下有益效果：本专利技术采用的输出机构为柔性输出机构，其中输出机构中的通过独特设计的弹簧结构将扭矩进行传递的同时实现柔性化，以在具有较好的柔顺性的同时，兼备大扭矩的输出传递。此外本专利技术采用便于走线的中空结构，方便电线从关节中穿过，使关节更加美观，同时将用于检测转动角度的双编码器结构同时置于关节一端，整体结构更加紧凑，有助于机器人关机的一体化设计。下面结合附图对本专利技术作进一步的详细说明。附图说明图1是本专利技术柔性关节的整体结构示意图；图2是图1的正面示意图；图3是图1的爆炸示意图；图4是图1的局部剖面示意图；图5是本专利技术柔性关节中输出机构的结构示意图；图6是图5的剖面示意图；图7是本专利技术输出机构中输入构件的结构示意图；图8是本专利技术输出机构中输出构件的结构示意图；图9是本专利技术输出机构中交叉滚本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于机器人的一体化柔性关节，其包括：/n外壳体；/n输入机构，包括主传递轴、无框力矩电机、谐波减速器和连接法兰，所述无框力矩电机的定子设置于所述外壳体上，所述主传递轴设置于所述无框力矩电机的转子中，所述谐波减速器的输入部分与所述主传递轴连接，所述连接法兰设置于所述谐波减速器的输出部分；/n输出机构，包括输入构件、输出构件、支架杆、弹簧和连接座，所述输入构件连接在所述连接法兰上，所述输出构件通过交叉滚子轴承设置于所述外壳体上，所述连接座设置于所述输出构件上，所述支架杆的一端支撑在所述连接座上，所述弹簧套设于所述支架杆上，所述弹簧的两端分别抵接所述连接座和所述输入构件，其中转动的所述输入构件能够通过所述弹簧将扭矩传递给所述输出构件。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于机器人的一体化柔性关节，其包括：
外壳体；
输入机构，包括主传递轴、无框力矩电机、谐波减速器和连接法兰，所述无框力矩电机的定子设置于所述外壳体上，所述主传递轴设置于所述无框力矩电机的转子中，所述谐波减速器的输入部分与所述主传递轴连接，所述连接法兰设置于所述谐波减速器的输出部分；
输出机构，包括输入构件、输出构件、支架杆、弹簧和连接座，所述输入构件连接在所述连接法兰上，所述输出构件通过交叉滚子轴承设置于所述外壳体上，所述连接座设置于所述输出构件上，所述支架杆的一端支撑在所述连接座上，所述弹簧套设于所述支架杆上，所述弹簧的两端分别抵接所述连接座和所述输入构件，其中转动的所述输入构件能够通过所述弹簧将扭矩传递给所述输出构件。


2.如权利要求1所述的用于机器人的一体化柔性关节，其中，所述输入构件包括呈盘状的主体、位于所述主体周向上的至少一个连接耳部，所述主体与所述连接法兰连接，所述支架杆的一端以螺纹方式设置在所述连接座上，所述支架杆的另一端悬空并位于所述连接座与所述连接耳部之间。


3.如权利要求2所述的用于机器人的一体化柔性关节，其中，所述连接耳部和所述连接座均设有抵接端面，所述弹簧的两端分别抵在两个所述抵接端面上，所述弹簧在所述主体转动时能够被压缩。


4.如权利要求2所述的用于机器人的一体化柔性关节，其中，所述连接座设有多个所述槽，多个槽沿所述输出构件的回转中心线性分布，每一所述槽内均设有所述支架杆，每一所述支撑杆上均设有所述弹簧。


5.如权利要求2所述的用于机器人的一体化柔性关节，其中，所述输出构件呈筒状，其套设在所述输入构件的外周上。
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【专利技术属性】
技术研发人员：李兵，宁英豪，刘一帆，黄海林，徐文福，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳，
类型：发明
国别省市：广东;44