一种基于重力蓄能的大出力机器人柔性储能关节制造技术

一种基于重力蓄能的大出力机器人柔性储能关节，它涉及一种用于机器人的柔性驱动装置，以解决现有用于机器人关节的串联弹性驱动器为直线型力输出，结构不紧凑，占用体积较大，电机需求功率较大，以及不利于关节的精确的力输出控制和位置控制的问题，它包括上肢连板、上肢电机外壳、关节齿轮箱、下肢连板、下肢支架、减速器、旋转变压器、带有编码器的电机、串联弹性体和扭簧；所述齿轮箱包括壳体、第三锥齿轮、第四锥齿轮、第一锥齿轮、第二锥齿轮和关节轴；所述串联弹性体包括同心的内外双环本体和至少四组波浪形弹片，同心的内外双环本体的内外环之间沿其周向连接有制成一体的至少四组波浪形弹片。本发明专利技术用于机器人领域。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】一种基于重力蓄能的大出力机器人柔性储能关节，它涉及一种用于机器人的柔性驱动装置，以解决现有用于机器人关节的串联弹性驱动器为直线型力输出，结构不紧凑，占用体积较大，电机需求功率较大，以及不利于关节的精确的力输出控制和位置控制的问题，它包括上肢连板、上肢电机外壳、关节齿轮箱、下肢连板、下肢支架、减速器、旋转变压器、带有编码器的电机、串联弹性体和扭簧；所述齿轮箱包括壳体、第三锥齿轮、第四锥齿轮、第一锥齿轮、第二锥齿轮和关节轴；所述串联弹性体包括同心的内外双环本体和至少四组波浪形弹片，同心的内外双环本体的内外环之间沿其周向连接有制成一体的至少四组波浪形弹片。本专利技术用于机器人领域。【专利说明】—种基于重力蓄能的大出力机器人柔性储能关节
本专利技术涉及一种用于机器人的柔性驱动装置，具体涉及一种用于机器人的柔性储能关节。
技术介绍
关节仿生驱动技术已成为机器人领域中的一个重要研究方向，而作为一种具有柔性驱动和仿生驱动能力的力输出驱动装置，基于串并联理论的柔性关节设计逐渐兴起。基于骨骼肌宏观力学特性研究，设计一种模拟肌肉生理性能的高效弹性储能驱动单元显得尤为重要。传统的串联弹性驱动器(Series Elastic Actuator, SEA)在步行机器人、康复机器人、机械外骨骼以及医疗辅助器械等领域得到了广泛应用，它具有高功率/重量比、自然柔顺性、与生物肌肉类似的力学特性及具有较好的缓冲功能等优点，受到越来越多研究者的关注，但忽略了生物肌肉自身的并联弹性元储能特性。生物体肌肉在收缩的过程中，肌腱和结缔组织都可以进行能量的存储，而这正是生物体肌肉可以产生爆发力的原因。目前，机器人关节柔性驱动技术中，对并联弹性环节的研究较少，因此，综合研究串联特性和并联特性，对设计出具有弹性储能的，可以大出力的柔性关节具有重要的意义。经文献检索，申请号为200810064917.2的中国专利技术申请提出一种双串联弹性驱动器，就是在传统的电机输出动力压缩单一的串联弹簧的设计基础上，把单一的串联弹簧改为一软一硬的两个弹簧，当电机输出动力小时，先压缩软的弹簧，软的弹簧被压到极限，电机输出力继续增大，就压缩硬弹簧，是一种直线输出型的串联弹性驱动器，且串联弹性环节的体积较大，对机器人的转动关节不太适用。经文献检索，专利号为201010261842.4的中国专利技术专利提出了一种含柔性动力踝关节和脚趾关节的动力膝下假肢，应用到了一种串联弹性驱动，但其结构仍是电机输出端压缩串联弹簧，压缩的弹簧输出动力提供给关节的转动，这种三角形的动力驱动并不利于关节的精确力输出控制和位置控制。
技术实现思路
本专利技术的目的是为解决现有用于机器人关节的串联弹性驱动器为直线型力输出，结构不紧凑，占用体积较大，电机需求功率较大，以及不利于关节的精确的力输出控制和位置控制的问题，进而提供一种基于重力蓄能的大出力机器人柔性储能关节。本专利技术采取的技术方案是:本专利技术的一种基于重力蓄能的大出力机器人柔性储能关节包括上肢连板、上肢电机外壳、关节齿轮箱、下肢连板、下肢支架、减速器、旋转变压器、带有编码器的电机、串联弹性体和扭簧；所述齿轮箱包括壳体、第三锥齿轮、第四锥齿轮、第一锥齿轮、第二锥齿轮和关节轴；壳体与上肢连板连接，上肢电机外壳安装在上肢连杆上，壳体和上肢电机外壳将带有编码器的电机和减速器包覆，带有编码器的电机与减速器连接，减速器的输出端安装有第三锥齿轮；关节轴通过轴承水平安装在壳体上，第一锥齿轮与第二锥齿轮分别安装在关节轴的两端，扭簧位于第一锥齿轮与第二锥齿轮之间，第三锥齿轮分别与第一锥齿轮和第二锥齿轮啮合，第一锥齿轮与第四锥齿轮啮合，第四锥齿轮与第二锥齿轮啮合；所述串联弹性体包括同心的内外双环本体和至少四组波浪形弹片，同心的内外双环本体的内外环之间沿其周向连接有制成一体的至少四组波浪形弹片；串联弹性体穿设在关节轴上，第二锥齿轮安装在同心的内外双环本体的内环上，下肢连板盖合在壳体的侧面上，下肢连板与内外双环本体的外环活动连接，关节轴与下肢连板相邻的一端内安装有旋转变压器，下肢支架盖合在壳体的与下肢连板相对侧面上，下肢支架分别与关节轴和下肢连板活动连接。本专利技术的有益效果是:一、本专利技术适用于机器人领域应用的柔性储能关节，电机动力经过减速，换向，直接变为关节的旋转动力输出；上肢连杆对电机和行星轮减速器半包围型设计，配合上肢电机外壳形成全包围防尘保护，使结构承重能力强的同时结构紧凑。二、对于关节的控制方法上，本专利技术的串联弹性体仍相当于传统的串联弹性驱动器中的串联弹簧，但结构更加紧凑，具有缓冲减震等功能。三、通过电机自带的编码器，和关节内部安装的旋转变压器，可以精确的测量电机的输出位置，扭簧(相当于并联弹簧)的压缩位置，串联弹性体的扭转位置，以及柔性关节的转动位置，进而进行精确的位置控制和/或力输出控制。四、本专利技术利用了齿轮箱中位置相对的第一锥齿轮和第二锥齿轮的转向相反这一特性，和相反转向的角度与关节转动角度之间的对应关系，安装了扭簧，进行关节转动时的蓄能和释能；齿轮箱内的第一锥齿轮和第二锥齿轮进行扭矩分流，使每个锥齿轮仅传递纯扭矩，消除了锥齿轮的径向分力，同时第一锥齿轮和第二锥齿轮相反转向为扭簧提供了安装空间和扭转动力，从而实现了关节的储能和大输出扭矩。五、扭簧除了当机器人重心变化时可以进行蓄能和释能，在其他的任何工况下，关节在弯曲后的伸展的过程中，关节的输出力矩始终是扭簧的扭矩和电机的输出扭矩的叠力口，因此，合理的设计扭簧的平衡位置，保证关节在需要出力的角度范围内扭簧释能，机器人关节就可以获得远大于电机本身所能提供的峰值扭矩，电机的需求功率较小，实现关节可以大出力的效果。六、采用自行设计的串联弹性体，弹性体的内环和外环之间设计一种波浪形弹片，起到柔性变形和传递扭矩的作用，改变串联弹性体的厚度和波浪形弹片的壁厚，就可以得到不同的弹性体刚度和动力响应特性，以适应不同的机器人关节对动力控制等方面的需求。七、本专利技术的柔性储能关节应用于各种各样的双足，如四足行走机器人，康复机器人，动力外骨骼等领域的关节驱动，利用扭簧扭转蓄力来减小机器人关节运动时所需的扭矩，从而降低电机所需功率，减小功耗，同时继承了串联弹性驱动器的优点，自行设计了结构紧凑的串联弹性体，在保证功能要求的情况下降低成本，提高了关节驱动系统的响应速度，控制精度以及系统的稳定性。【专利附图】【附图说明】图1为本专利技术的整体结构示意图，图2为本专利技术的局部剖视结构示意图，图3为去掉上肢电机外壳后的整体结构示意图，图4为本专利技术的分解图，图5为本专利技术的串联弹性体的主视结构示意图，图6为本专利技术的串联弹性体的立体结构示意图，图7为本专利技术的关节的动力传递示意图(空心箭头表示力矩传递方向，实线箭头表示运动方向)。【具体实施方式】【具体实施方式】一:结合图1-图6说明本实施方式,本实施方式的一种基于重力蓄能的大出力机器人柔性储能关节包括上肢连板1、上肢电机外壳2、关节齿轮箱3、下肢连板4、下肢支架5、减速器7、旋转变压器13、带有编码器的电机8、串联弹性体16和扭簧24 ；所述齿轮箱3包括壳体30、第三锥齿轮9、第四锥齿轮23、第一锥齿轮25、第二锥齿轮17和关节轴14 ;壳体30与上肢连板I连接，上肢电机外壳2安装在上肢连杆I上，壳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于重力蓄能的大出力机器人柔性储能关节，其特征在于：所述关节包括上肢连板（1）、上肢电机外壳（2）、关节齿轮箱（3）、下肢连板（4）、下肢支架（5）、减速器（7）、旋转变压器（13）、带有编码器的电机（8）、串联弹性体（16）和扭簧（24）；所述齿轮箱（3）包括壳体（30）、第三锥齿轮（9）、第四锥齿轮（23）、第一锥齿轮（25）、第二锥齿轮（17）和关节轴（14）；壳体（30）与上肢连板（1）连接，上肢电机外壳（2）安装在上肢连杆（1）上，壳体（30）和上肢电机外壳（2）将带有编码器的电机（8）和减速器（7）包覆，带有编码器的电机（8）与减速器（7）连接，减速器（7）的输出端安装有第三锥齿轮（9）；关节轴（14）通过轴承水平安装在壳体（30）上，第一锥齿轮（25）与第二锥齿轮（17）分别安装在关节轴（14）的两端，扭簧（24）位于第一锥齿轮（25）与第二锥齿轮（17）之间，第三锥齿轮（9）分别与第一锥齿轮（25）和第二锥齿轮（17）啮合，第一锥齿轮（25）与第四锥齿轮（23）啮合，第四锥齿轮（23）与第二锥齿轮（17）啮合；所述串联弹性体（16）包括同心的内外双环本体（16?1）和至少四组波浪形弹片（16?2），同心的内外双环本体（16?1）的内外环之间沿其周向连接有制成一体的至少四组波浪形弹片（16?2）；串联弹性体（16）穿设在关节轴（14）上，第二锥齿轮（17）安装在同心的内外双环本体（16?1）的内环上，下肢连板（4）盖合在壳体（30）的侧面上，下肢连板（4）与内外双环本体（16?1）的外环活动连接，关节轴（14）与下肢连板（4）相邻的一端内安装有旋转变压器（13），下肢支架（5）盖合在壳体（30）的与下肢连板（4）相对侧面上，下肢支架（5）分别与关节轴（14）和下肢连板（4）活动连接。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱延河，赵杰，张超，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：