串联弹性驱动器及机器人关节的制作方法

本发明属于机器人技术领域，具体地来说，是一种串联弹性驱动器及机器人关节。

背景技术：

机器人是自动执行工作的机器装置。随着人工智能技术的发展，机器人有了长足的进步，其功能日益丰富。机器人可以协助或取代人类的工作，极大地提高了生活质量和生产效率，避免人工操作的危险，因而越来越多地被应用于各个领域。

机器人一般由执行机构、驱动器、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。其中，驱动器是驱使机器人发出动作的动力机构，是机器人关节不可或缺的关键部件。

目前的驱动器由于其设计结构所限，结构尺寸过于庞大，导致机器人关节整体尺寸偏大，对机器人的应用场合形成了很大的限制。同时，其结构尺寸偏大造成传动效率低下，传动可靠性较差。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种串联弹性驱动器，通过紧凑的结构实现了可靠的机械传动。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种串联弹性驱动器，包括电机驱动组、传动组与驱动器输出组，其中：

所述电机驱动组的输出端与所述传动组的输入端连接；

所述传动组包括形成绳传动关系的主动回转机构、从动回转机构及柔索，所述主动回转机构可在所述电机驱动组驱动下实现旋转运动，所述主动回转机构的旋转中心轴与所述从动回转机构的旋转中心轴垂直，所述柔索分别紧绕于所述主动回转机构与所述从动回转机构的回转表面上；

所述驱动器输出组的输入端与所述从动回转机构连接，可在所述从动回转机构的驱动下实现旋转运动，所述驱动器输出组的输出端设有用于连接外部执行件的连接部；

所述串联弹性驱动器还包括第一传感器、第二传感器；

所述第一传感器用于测量所述传动组输入端的角位移与角速度；

所述第二传感器用于测量所述驱动器输出组的角位移与角速度。

作为上述技术方案的改进，所述主动回转机构与所述从动回转机构之间设有柔索支撑轴，所述柔索支撑轴的中心轴与所述从动回转机构的中心轴平行，所述柔索张紧于所述柔索支撑轴外表面。

作为上述技术方案的进一步改进，所述柔索支撑轴上设有支撑轴承，所述柔索张紧于所述支撑轴承外表面。

作为上述技术方案的进一步改进，所述驱动器输出组包括驱动弹簧与驱动器输出杆，所述驱动弹簧两端分别连接所述从动回转机构与所述驱动器输出杆，所述驱动器输出杆上设有所述连接部。

作为上述技术方案的进一步改进，所述驱动弹簧为弧形弹簧、盘式弹簧、扭转弹簧、直线弹簧中的一种。

作为上述技术方案的进一步改进，所述从动回转机构包括一体转动的从动转轮与弹簧支架，所述弹簧支架与所述驱动弹簧连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述主动回转机构包括绕线筒及绕线筒支架，所述绕线筒的回转轴端与所述电机驱动组的输出端连接，所述柔索紧绕于所述绕线筒的回转表面上。

作为上述技术方案的进一步改进，所述柔索上设有用于张紧所述柔索的张紧轮。

作为上述技术方案的进一步改进，所述电机驱动组的输出端通过齿轮传动组与所述第一传感器连接。

一种机器人关节，包括第一关节部及第二关节部，所述第一关节部包括串联弹性驱动器及外壳，所述串联弹性驱动器包括电机驱动组、传动组与驱动器输出组：

所述电机驱动组的输出端与所述传动组的输入端连接，所述电机驱动组的输出端设有第一传感器；

所述传动组包括形成绳传动关系的主动回转机构、从动回转机构及柔索，所述主动回转机构可在所述电机驱动组驱动下实现旋转运动，所述主动回转机构的旋转中心轴与所述从动回转机构的旋转中心轴垂直，所述柔索分别紧绕于所述主动回转机构与所述从动回转机构的回转表面上；

所述驱动器输出组的输入端与所述从动回转机构连接，可在所述从动回转机构的驱动下实现旋转运动，所述驱动器输出组的输出端设有用于连接所述第二关节部的连接部，所述驱动器输出组上设有第二传感器。

本发明的有益效果是：通过设置具有垂直布置的主动回转机构与从动回转机构的传动组，进而形成绳传动关系，有效地减小了传动组的空间尺寸，同时通过设置传感器控制其传动精度，进而设置包括具有串联弹性驱动器的第一关节部及第二关节部，提供了一种结构紧凑、传动可靠的串联弹性驱动器及机器人关节。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例1提供的串联弹性驱动器的整体结构透视图；

图2是本发明实施例1提供的串联弹性驱动器的第一局部透视图；

图3是本发明实施例1提供的串联弹性驱动器的第二局部透视图；

图4是本发明实施例1提供的串联弹性驱动器的第三局部透视图；

图5是本发明实施例1提供的机器人关节的结构示意图。

主要元件符号说明：

10000-机器人关节，1001-第一关节部，1000-串联弹性驱动器，0100-电机驱动组，0110-驱动电机，0120-电机支架，0130-减速器，0140-联轴器，0200-传动组，0210-主动回转机构，0211-绕线筒，0212-绕线筒支架，0220-从动回转机构，0221-从动转轮，0222-弹簧支架，0230-柔索，0240-柔索支撑轴，0241-支撑轴承，0300-驱动器输出组，0310-驱动弹簧，0320-驱动器输出杆，0321-连接部，0400-第一传感器，0500-第二传感器，0600-齿轮传动组，0610-主动齿轮，0620-从动齿轮，0700-带传动组，0710-主动带轮，0720-传动带，0730-从动带轮，2001-第二关节部。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对串联弹性驱动器进行更全面的描述。附图中给出了串联弹性驱动器的优选实施例。但是，串联弹性驱动器可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对串联弹性驱动器的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在串联弹性驱动器的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

请参阅图1，串联弹性驱动器1000包括电机驱动组0100、传动组0200、驱动器输出组0300、第一传感器0400、第二传感器0500，其中：

电机驱动组0100的输出端与传动组0200的输入端连接。具体而言，电机驱动组0100包括驱动电机0110与用于固定驱动电机0110的电机支架0120。

在一个较佳的实施例中，驱动电机0110输出轴端还设有减速器0130。减速器0130可降低驱动电机0110的输出转速，同时增加驱动电机0110的输出转矩，使串联弹性驱动器1000在低转速高转矩场合下具有良好的应用效果。

第一传感器0400用于测量传动组0200输入端的角位移与角速度，实现对传动组0200输入端状态的精确测量，进而输出反馈信号，实现精确控制。由于传动组0200输入端与电机驱动组0100的角位移与角速度具有一致性与同步性，换言之，第一传感器0400对对电机驱动组0100的角位移与角速度的精确测量，亦属于对传动组0200输入端的角位移与角速度进行测量的一种实施方式。

在一个较佳的实施例中，第一传感器0400设于电机驱动组0100的输出端。电机驱动组0100的输出端通过齿轮传动组0600与第一传感器0400连接。齿轮传动组0600包括相互啮合的主动齿轮0610与从动齿轮0620，主动齿轮0610连接于电机驱动组0100的输出端，从动齿轮0620连接于第一传感器0400的输入端。

由此，驱动电机0110带动主动齿轮0610旋转，主动齿轮0610驱动从动齿轮0620旋转，从而将驱动电机0110的运动状态传递予第一传感器0400，实现第一传感器0400对驱动电机0110的测量。

在另一个实施例中，第一传感器0400亦可直接设于传动组0200的输入端上。

请结合参阅图2及图3，传动组0200包括形成绳传动关系的主动回转机构0210、从动回转机构0220及柔索0230，主动回转机构0210可在电机驱动组0100的驱动下实现旋转运动，主动回转机构0210的旋转中心轴与从动回转机构0220的旋转中心轴垂直，柔索0230分别紧绕于主动回转机构0210与从动回转机构0220的回转表面上。

具体而言，柔索0230十分柔软，只能承受张力。当其保持张紧状态时，其上只会发生沿其本身的拉伸力。当主动回转机构0210发生旋转运动时，其与紧绕于其上的柔索0230之间的作用力将对柔索0230施加拉伸力。由此，柔索0230对从动回转机构0220施加拉伸力，使从动回转机构0220旋转。

在此结构下，主动回转机构0210与从动回转机构0220的空间排布十分紧凑，避免过长的传动链导致的尺寸庞大问题。同时，柔索0230始终保持张紧，有效地保证了传动过程的可靠性与配合精度。

进一步地，主动回转机构0210包括绕线筒0211及绕线筒支架0212，绕线筒0211的回转轴端与电机驱动组0100的输出端连接，柔索0230紧绕于绕线筒0211的回转表面上。

在一个较佳的实施例中，绕线筒0211通过联轴器0140与减速器0130的输出端连接，在电机驱动组0100的驱动下可在绕线筒支架0212上实现旋转运动，其旋转轴沿竖直方向。柔索0230在绕线筒0211上互不重叠地绕有多圈。

在一个较佳的实施例中，第一传感器0400还可直接设于绕线筒0211远离电机驱动组0100的一端。

进一步地，主动回转机构0210与从动回转机构0220之间设有柔索支撑轴0240，柔索支撑轴0240的中心轴与从动回转机构0220的中心轴平行，柔索0230张紧于柔索支撑轴0240外表面。由此，主动回转机构0210与从动回转机构0220的空间排布关系更为稳定，进一步地改善了其紧凑程度与传动精度。

进一步地，从动回转机构0220包括一体转动的从动转轮0221与弹簧支架0222，弹簧支架0222与驱动弹簧0310连接。由此，从动回转机构0220通过弹簧支架0222作用于驱动弹簧0310，进而实现对驱动器输出组0300的传动。

进一步地，柔索支撑轴0240上设有支撑轴承0241，柔索0230张紧于支撑轴承0241外表面。支撑轴承0241能够承受源于柔索0230的作用力，降低柔索0230与柔索支撑轴0240的摩擦损害，改善柔索0230与柔索支撑轴0240的使用寿命。此外，支撑轴承0241能够自动调整传动过程的配合误差，提高绳传动的传动精度。

进一步地，柔索0230上设有用于张紧柔索0230的张紧轮，使柔索0230始终保持张紧状态，避免其出现松动脱落而影响传动精度。

驱动器输出组0300的输入端与从动回转机构0220连接，可在从动回转机构0220的驱动下实现旋转运动。驱动器输出组0300的输出端设有用于连接外部执行件的连接部0321，以实现串联弹性驱动器1000对外的运动和动力传递。

请参阅图4，第二传感器0500用于测量驱动器输出组0300的角位移与角速度。具体而言，驱动器输出组0300上设有第二传感器0500。进而，第二传感器0500输出反馈信号，同时结合第一传感器0400的反馈信号，串联弹性驱动器1000可精确实现其本身的反馈调节，保证其传动过程的可靠性。

在一个较佳的实施例中，驱动器输出组0300通过带传动组0700与第二传感器0500连接。

具体而言，带传动组0700包括主动带轮0710、传动带0720与从动带轮0730，主动带轮0710的轴端与驱动器输出组0300连接，传动带0720包覆于主动带轮0710与从动带轮0730的圆周表面上，从动带轮0730的轴端与第二传感器0500的输入端连接。

由此，驱动器输出组0300的运动状态可传递予第二传感器0500，使第二传感器0500得以进行精确测量。

进一步地，带传动组0700上设有用于张紧传动带0720的张紧轮，使传动带0720保持张紧，避免其松动脱落。

驱动器输出组0300包括驱动弹簧0310与驱动器输出杆0320，驱动弹簧0310两端分别连接从动回转机构0220与驱动器输出杆0320，驱动器输出杆0320上设有连接部0321。

具体而言，从动回转机构0220旋转而使驱动弹簧0310发生变形。此时，驱动弹簧0310上形成弹性力，并将之施加于驱动器输出杆0320，使驱动器输出杆0320发生旋转运动。进而，驱动器输出杆0320通过连接部0321带动外接执行件旋转，实现串联弹性驱动器1000的驱动功能。

驱动弹簧0310为弧形弹簧、盘式弹簧、扭转弹簧、直线弹簧中的一种，其数量可为正整数个。

在本实施例中，驱动弹簧0310为弧形弹簧，其数量为2个并呈对称分布。弧形弹簧的外形轮廓为弧形，其与弹簧支架0222具有同轴关系。由此，弹簧支架0222转动时压迫弧形弹簧，使之变形而驱动驱动器输出杆0320旋转。在此结构下，串联弹性驱动器1000的空间结构得以进一步压缩，十分紧凑小巧。

请参阅图5，机器人关节10000包括第一关节部1001及第二关节部2001。第一关节部1001包括串联弹性驱动器1000及包覆于串联弹性驱动器1000外部的外壳，串联弹性驱动器1000通过连接部0321与第二关节部2001连接。

由此，第一关节部1001通过串联弹性驱动器1000驱动第二关节部2001旋转，从而实现机器人关节10000的转动功能。具体而言，电机驱动组0100通过传动组0200驱动驱动器输出组0300旋转。驱动器输出杆0320随之旋转，进而通过连接部0321带动第二关节部2001旋转。

由于串联弹性驱动器1000结构紧凑，第一关节部1001的结构尺寸大为缩减。在较短的传动链中，第一关节部1001与第二关节部2001的连接结构稳定、传动误差较小，使机器人关节10000具有结构紧凑、传动可靠的优点。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。