[发明专利]用于串联式弹性致动器的弯曲元件及相关方法

说明书

相关申请

本申请要求于2012年4月13日递交的美国专利申请号US13/446,564的权益和优先权，在此其全部公开内容均被援引纳入本文。

发明领域

本发明的各实施例总体涉及串联式弹性致动器(SEAs)，且尤其涉及制造成本低且在机器人操作过程中能量损耗最小化的串联式弹性致动器(SEAs)。

背景技术

机器人被设计用于操纵物体并与环境相互作用。安全地检测和控制机器人致动器施加到机器人元件和/或环境上的力避免了不必要的危害。传统地，刚性致动器已被用于产生可被力传感器测得的、大的力/扭矩。但由刚性致动器施加的力很难精确测量：传感器检测到的挠曲小误差可能导致大的力误差。因此，可能需要昂贵的高精度的力传感器与刚性致动器协同工作。此外，刚性致动器通常不能吸收震动荷载，从而限制了它们在机器人系统中的应用。

串联式弹性致动器(SEAs)提供了更精确检测和控制机器人力的经济可行的方法。串联式弹性致动器(SEAs)通常在机器人齿轮箱与从动负载之间使用顺应元件，如图1所示，以降低致动器的刚性。由于串联式弹性致动器(SEA)具有相对高的顺应性，其在力/扭矩作用下的挠曲大且因此易于测量。因此基于位置挠曲、利用例如胡克定律的力计算精确度高。高顺应性的SEA降低了该致动器对SEA位置挠曲的小变化的敏感性；可应用反馈回路来精确控制致动器达到所期望的输出力/扭矩。

许多配置，包括扭簧、拉簧、平面弯曲元件和其它弹性元件已被用作串联式弹性致动器中的顺应元件。扭簧通常不具有足够的刚度；扭簧的挠曲可能较大并且由于大挠曲的力和变形量之间的非线性关系导致在力测量中的误差。此外，大变形量可显著增加库伦摩擦力和/或其它非守恒力，从而消耗额外的能量。拉簧因在弹簧端部区域处的滑移运动通常产生显著摩擦。平面弯曲元件能够提供所期望的刚度和元件挠曲度。但这些元件的制造方法通常昂贵且所施加的力可能是非均匀地分布于其上，导致元件的多个部分的永久变形或疲劳失效。

因此，设计这样的一种顺应性的串联式弹性致动器(SEA)仍然是一个挑战，即其制造成本低、能量损失(例如因摩擦)有限且达到所期望的刚度和可检测的位置挠曲之间的最佳平衡同时不超出材料的疲劳极限(或线性力范围)。

发明内容

在多个实施例中，本发明涉及很好适用于机器人用途的弧形金属弯曲元件，如用于检测在机器人元件(如关节)之间和/或在机器人与环境之间的力。该弧形弯曲元件在施加力的作用下可产生均匀的应力或变形并呈现低能耗。根据本文的弯曲元件可在长度上具有非均匀的横截面尺寸(通常为宽度)，从而所施加的力均匀地分布于其上。更具体地，弯曲元件的两个末端可具有较宽的横截面宽度，而弯曲元件的中间部段可具有较窄的横截面宽度。这两个端部区域可被夹紧在旋转的机器人元件(例如齿轮箱臂或关节输出机构)上。结果，在弯曲元件的端部区域处不发生滑移运动且因此显著降低了动摩擦。此外，由于仅弯曲元件上的两端部区域被附接至机器人元件，故在该弯曲元件的其它部分中不存在摩擦且因此也不存在能量损耗。如本文所述，可应用“单冲压”技术来制造弯曲元件，因此降低了制造成本；或者，可应用结合了多种制造工艺(如穿孔、压印加工和切断)的“级进模冲压”技术来制造弯曲元件来提高生产效率和经济性。

因此，一方面，本发明涉及机器人系统中的致动器。在多个实施例中，该致动器包括用于驱动负载的马达、用于从马达向负载传递力的齿轮传动机构、用于检测力并响应于该力而发生变形的弧形金属元件。该弧形金属元件在施加力时的变形可以是沿其长度均匀的。该致动器还可包括限定出关节，例如弯曲关节或扭转关节的构件。该弧形金属元件可以是或包括对向角大于180°的C形开口环。在多个实施例中，弧形金属元件具有变化的横截面尺寸且该弧形元件终止于第一端部和第二端部，第一端部和第二端部中的每个均包括用于帮助夹紧该元件的机构(如通孔)。此外，弧形元件可被如此构造，以使得在第一和第二端部之间的部段是悬空的、不与任何其它构件接触。

机器人系统内的致动器还可包括第二弧形金属元件，用于检测力并响应于该力而发生变形；这些元件可叠置。在一些实施例中，第二元件具有沿其长度变化的横截面尺寸并且也响应于力而发生均匀变形。