[发明专利]一种串联弹性驱动器

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

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，本发明采用的技术方案是：

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，K_s为压簧的弹性系数，R为压簧中心到弹性单元的中心距，r_s为压簧外径，θ_s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。

本发明的优点在于，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为本发明串联弹性驱动器整体结构图；

图2为本发明串联弹性驱动器弹性单元结构示意图；

图3为本发明串联弹性驱动器弹性单元俯视图的剖视图；

图4为本发明串联弹性驱动器弹性单元简化图；

图5为本发明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发明作进一步阐述。

如图1所示，本发明串联弹性驱动器，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，本发明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。