[实用新型]一种具有力矩测量能力的串联弹性机构

说明书

一种具有力矩测量能力的串联弹性机构,属于机器人技术领域。包括力矩输入端，连接外部关节减速器的输出端；力矩输出端Ⅰ，和力矩输入端的对应连接孔Ⅱ间分别连接拉簧，每两个拉簧形成八字形的拉簧组，沿圆周对称设置；力矩输出端Ⅱ内圈和外圈间沿圆周均匀设置有多个连接筋，内圈设交叉滚子轴承，通过交叉滚子轴承连接力矩输入端的连接轴，交叉滚子轴承上分别设置内外端盖，力矩输出端Ⅱ与力矩输入端转动连接；力矩输出端Ⅰ和力矩输出端Ⅱ通过螺栓连接，与机器人的连杆相连；整体形成扭转弹性机构。通过对本发明力矩输出特性的设计，将力矩测量转化为变形角度的测量，使其测量的力矩平稳，无需滤波直接用于控制系统。

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别是涉及一种具有力矩测量能力的串联弹性机构。

背景技术

目前人机协同正成为机器人发展的一个重要方向。传统机器人的特点是高刚性、高精度，并且一般不具备力感知能力。高刚性会给附近的人员带来危险，没有力感使传统机器人无法完成人机协作动作。如果在传统机器人的基础上加入力传感器来增加机器人的力感，也会同时增加成本，增加系统复杂性，并且力测量效果通常不理想。利用传统高刚性机器人构建人机协同系统一般不会达到良好的效果。传统机器人的高刚性主要是由其高精度要求衍生而来，而在人机协同系统中对于机器人精度的要求通常可以降低。当采用动力学控制方法克服了机器人关节柔性增加带来的不稳定问题时，就可以在人机协同系统中采用柔性很大的关节。大柔性关节需要在关节中引入一种串联弹性机构，这将极大提高机器人的安全性，并且可以将串联弹性机构设计为具有力矩测量能力的，以使得机器人具有力感知能力。

本申请的发明人申请的专利号为201410664469.5的发明专利，一种能够测力输出扭矩的柔性传动装置，具体公开了如下技术特征：包括扭矩传感器、定子、动子及柔性连接件，其中扭矩传感器与动子转动连接，所述定子设置于动子的外侧、并与扭矩传感器固联，所述定子通过柔性连接件与动子连接；所述扭矩传感器通过轴承与动子连接；所述扭矩传感器包括内圈和外圈，其中内圈的一侧中心设有用于嵌装轴承的圆形凹槽，所述圆形凹槽的底部中心设有螺纹孔，所述内圈和外圈通过多个沿周向均布的连接梁连接，各连接梁上粘贴有应变片，所述扭矩传感器通过外圈与定子连接。其工作原理是：所述动子与电机输出端过盈配合，通过拉簧将输出扭矩传递给定子，定子与扭矩传感器固连，将扭矩进一步输出到减速机或其他外围设备。利用传动装置定子、动子之间拉簧的柔性，可以减小冲击力对电机以及外围设备的伤害。但是，该发明专利为概念性结构设计，其设计距离可实用的程度有较大差距，设计细节存在不合理之处。并且未涉及串联弹性机构各种关键参数的设计方法，在实际应用中无法达到特定的输入-输出效果，如特定的变形角度、特定的输出转矩特性、特定的刚度特性。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明提供一种具有力矩测量能力的串联弹性机构及其设计方法，该弹性机构可以安装在机器人旋转关节输出端和关节负载之间，大幅提高机器人关节的柔性。通过对该弹性机构力矩输出特性的研究与设计，使其具有力矩测量能力。将力矩测量转化为变形角度的测量，使得该弹性机构测量的力矩非常平稳，无需滤波可直接应用于控制系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明一种具有力矩测量能力的串联弹性机构，包括：

力矩输入端，为外周带有连接孔，中心一侧带有连接轴的圆盘，连接外部关节减速器的输出端；

力矩输出端Ⅰ为一圆环，其内圈设置多个与力矩输入端相对应的连接孔Ⅱ，力矩输入端和力矩输出端Ⅰ的对应连接孔Ⅱ间分别连接拉簧，形成沿圆周对称设置的拉簧组合结构；

力矩输出端Ⅱ为带有内圈和外圈的圆环结构，内圈和外圈间沿圆周均匀设置有多个连接筋，内圈内设交叉滚子轴承，通过交叉滚子轴承连接力矩输入端的连接轴，交叉滚子轴承上分别设置内外端盖，力矩输出端Ⅱ与力矩输入端转动连接；

力矩输出端Ⅰ和力矩输出端Ⅱ通过螺栓连接为一体，与机器人的连杆相连；整体形成扭转弹性机构。