机电一体化被动柔顺控制机器人关节的制作方法

本发明涉及机器人技术领域，涉及一种使用旋转弹性体与旋转磁流变阻尼器并联而成的机电一体化被动柔顺控制机器人关节。

背景技术

随着人类社会向高度自动化、信息化和机械化方向发展，机器人对人类生活的影响越来越深，机器人一般因其用途的不同被分为工业机器人和服务机器人两大类，无论是工业机器人还是服务业机器人，柔顺、安全的人机交互性显得尤为重要。

目前机器人设计仍采用“电机+减速器+负载”的刚性设计，它们借助安装在关节或执行器末端的力传感器来感知环境的接触信息。这类机械臂尽管可以实现一定的柔顺性，但由于缺乏物理柔顺元件，在受到外部冲击时，对机械臂电机本身和环境都容易造成损伤。考虑到机器人交互性的提高，近年来，越来越多的专家学者关注柔性关节的设计，而串联弹性驱动器作为一种新型的关节驱动器，在机器人领域已经得到了较多的应用，但多数应用机器人关节柔顺性有限、抗冲击能力较差、反应滞后等缺点，同时一些产品结构尺寸大、关节自重量高，很难满足人们正常需求。有些串联弹性驱动器受到重力、摩擦和阻尼等非线性因素的影响，导致控制的精确度和鲁棒性下降，国内外常用的串联弹性驱动器速度控制方法并没有结合串联弹性驱动器自身的结构特点，较大地限制了串联弹性驱动器应用场景。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种机电一体化被动柔顺控制机器人关节，解决了现有技术存在的上述问题。本发明度集成高、结构紧凑、低重量、柔顺性高、阻尼可调。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

机电一体化被动柔顺控制机器人关节，包括驱动系统、传感系统、连接传动系统，所述驱动系统包括电机驱动器1、电机2和谐波减速器3，所述传感系统包括第一角度传感器4、电机编码器5、第二角度传感器6，所述连接传动系统包括输出法兰盘7、左侧关节外壳体8、右侧关节外壳体9、旋转磁流变阻尼器10、旋转弹性体11、第一连接法兰盘12、第二连接法兰盘13、第一圆柱滚子轴承15第二圆柱滚子轴承16；

所述输出法兰盘7与左侧关节外壳体8固定连接，旋转磁流变阻尼器10设置于左侧关节外壳体8内部，并且与输出法兰盘7连接，同时，旋转磁流变阻尼器10另一端与第一连接法兰盘12固定连接，所述第一连接法兰盘12与旋转弹性体11连接；第一角度传感器4安装在第一连接法兰盘12与旋转弹性体11之间，所述旋转弹性体11与第二连接法兰盘13连接，所述第二连接法兰盘13内圈与谐波减速器3的柔轮3-2连接，第二角度传感器6安装在第二连接法兰盘13与旋转弹性体11之间；电机2的电机中心轴固定在电机转子上，电机中心轴左端固定设置在谐波减速器3的波发生器3-3上，所述谐波减速器3通过刚轮3-1固定安装在电机壳体上，电机中心轴右端与电机编码器5的电机编码器转子5-2固定套装，所述电机编码器转子5-2与电机编码器定子5-3相配合，所述电机编码器定子5-3固定在电机编码器支座5-1上，所述电机编码器支座5-1固定安装在电机壳体上；电机驱动器1固定设置在右侧关节外壳体9上，所述右侧关节外壳体9与关节右端盖14固定连接。

所述的旋转弹性体11由内圈11-1、外圈11-2、弹性单元11-3组成；所述内圈11-1与外圈11-2同轴心，所述弹性单元11-3固定在内圈11-1与外圈11-2之间；三组弹性单元沿着内圈11-1的圆周均匀分布，所述内圈11-1与第一连接法兰盘12连接，所述外圈11-2与第二连接法兰盘13连接。

所述的弹性单元11-3为层叠圆环状。

所述的旋转磁流变阻尼器10由阻尼器外壳体10-1、非导磁垫圈10-2、导磁垫圈10-3、线圈10-4、阻尼片10-5、输入轴10-6、输出轴10-7及阻尼器端盖10-8组成，所述阻尼器端盖10-8安装在阻尼器外壳体10-1上，所述阻尼片10-5固定在输入轴10-6上，所述线圈10-4和导磁垫圈10-3安装在阻尼片10-5两侧；所述输出轴10-7与输出法兰盘7连接，输入轴10-6与第一连接法兰盘12固定连接；所述非导磁垫圈10-2设置在阻尼器外壳体10-1的内壁上；所述磁流变液阻尼器10的磁回路依次由阻尼器外壳体10-1、线圈10-4、导磁垫圈10-3、磁流变液、阻尼片10-5、磁流变液、导磁垫圈10-3、线圈10-4、阻尼器外壳体10-1形成。

所述的第一角度传感器包括第一角度传感器转子4-1和第一角度传感器定子4-2，所述第一角度传感器转子4-1与旋转弹性体11的内圈11-1连接，第一角度传感器定子4-2与左侧关节外壳体8固定连接；第一圆柱滚子轴承15安装在第一角度传感器转子4-1上；所述的第二角度传感器6包括第二角度传感器转子6-1和第二角度传感器定子6-2，所述第二角度传感器转子6-1与旋转弹性体11的外圈11-2连接，第二角度传感器定子6-2与第二角度传感器转子6-1配合连接，第二圆柱滚子轴承16安装在第二角度传感器转子6-1上。

所述的第一圆柱滚子轴承15与第二圆柱滚子轴承16分别通过电机中心轴的上轴肩进行轴向定位。

所述的旋转磁流变阻尼器10通过第一连接法兰12与旋转弹性体11并联连接。

所述的旋转磁流变阻尼器10为外置双桶式结构。

所述的关节右端盖14上设有com串行接口14-1和关节电源线输出孔14-2。

本发明的有益效果在于：与现有的串联弹性机器人关节相比，本发明能够取得以下技术效果：

1、高度集成一体化设计。考虑到机器人空间和重量的限制，机器人关节采用集成化的设计思想，将驱动电机、减速器、传感器、扭转弹簧和磁流变旋转阻尼器都集成在机器人关节内部，这样有助于完善关节的小型化、轻量化和高功率密度等设计。

2、模块化设计。集驱动、传动、传感和通讯于一体的模块化关节，通过模块化设计，方便应用到多关节机械臂中，有效缩短开发设计和加工周期，并且模块间的安装孔统一性也有助于系统的维护和调试。

3、多传感器感知。采用了测量弹性体形变的角度传感器和电机编码器传感检测，极大地提高了关节的控制精确度和作业水平。

4、本发明充分利用旋转弹性体结构特性，结合磁流变液毫秒级别的反应特性，通过调整磁流变阻尼器供电电流改变阻尼大小，确保机器人关节反应快速柔顺性高且阻尼可调。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的整体结构剖视示意图；

图2为本发明的整体结构等轴测视图示意图；

图3为本发明的旋转弹性体的主视结构示意图；

图4为本发明的旋转弹性体的上下等轴测视图；

图5为本发明的旋转磁流变阻尼器结构等轴测视图。

图中：1、电机驱动器；2、电机；3、谐波减速器；4、第一角度传感器；5、电机编码器；6、第二角度传感器；7、输出法兰盘；8、左侧关节外壳体；9、右侧关节外壳体；10、旋转磁流变阻尼器；11、旋转弹性体；12、第一连接法兰盘；13、第二连接法兰盘；14、关节右端盖；15、第一圆柱滚子轴承；16、第二圆柱滚子轴承；3-1、刚轮；3-2、柔轮；3-3、波发生器；4-1、第一角度传感器转子；4-2第一角度传感器定子；5-1、电机编码器支座；5-2、电机编码器转子；5-3、电机编码器定子；6-1、第二角度传感器转子；6-2第二角度传感器定子；10-1、阻尼器外壳体；10-2、非导磁垫圈；10-3、导磁垫圈；10-4、线圈；10-5、阻尼片；10-6、输入轴；10-7、输出轴；10-8阻尼器端盖；11-1、内圈；11-2、外圈；11-3、弹性单元；14-1、com串行接口；14-2、关节电源线输出孔。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图5所示，本发明的机电一体化被动柔顺控制机器人关节，包括驱动系统、传感系统、连接传动系统。所述驱动系统由电机驱动器、电机和谐波减速器组成；所述传感系统由角度传感器、电机编码器组成；所述旋转弹性体由内圈、外圈、弹性单元组成；所述旋转磁流变阻尼器由外壳、非导磁垫圈、导磁垫圈、线圈、阻尼片、输入轴、输出轴及端盖组成。本发明高度集成弹性体与磁流变阻尼器物理柔顺性，机器人关节体积小、重量轻，不仅与环境之间具有良好的交互性和安全性，还可以承受外部冲击和扰动，便于各类机器人安装使用，通用性和实用性较强。

参见图1及图2所示，本发明的机电一体化被动柔顺控制机器人关节，包括驱动系统、传感系统、连接传动系统，所述

驱动系统包括电机驱动器1、电机2和谐波减速器3，所述伺服电机包括电机转子、电机定子、电机中心轴及电机壳体，所述谐波减速器3包括刚轮3-1、柔轮3-2和波发生器3-3；所述传感系统包括第一角度传感器4、电机编码器5、第二角度传感器6，所述电机电机编码器包括电机编码器支座5-1、电机编码器转子5-2和电机编码器定子5-3；所述连接传动系统包括输出法兰盘7、左侧关节外壳体8、右侧关节外壳体9、旋转磁流变阻尼器10、旋转弹性体11、第一连接法兰盘12、第二连接法兰盘13、第一圆柱滚子轴承15第二圆柱滚子轴承16；

所述输出法兰盘7与左侧关节外壳体8固定连接，旋转磁流变阻尼器10设置于左侧关节外壳体8内部，并且与输出法兰盘7连接，同时，旋转磁流变阻尼器10另一端与第一连接法兰盘12固定连接，所述第一连接法兰盘12与旋转弹性体11连接；第一角度传感器4安装在第一连接法兰盘12与旋转弹性体11之间，所述旋转弹性体11与第二连接法兰盘13连接，所述第二连接法兰盘13内圈与谐波减速器3的柔轮3-2连接，第二角度传感器6安装在第二连接法兰盘13与旋转弹性体11之间；电机2的电机中心轴固定在电机转子上，电机中心轴左端固定设置在谐波减速器3的波发生器3-3上，谐波减速器3通过刚轮3-1固定安装在电机壳体上，电机中心轴右端与电机编码器5的电机编码器转子5-2固定套装，所述电机编码器转子5-2与电机编码器定子5-3相配合，所述电机编码器定子5-3固定在电机编码器支座5-1上，所述电机编码器支座5-1固定安装在电机壳体上；电机驱动器1固定设置在右侧关节外壳体9上，所述右侧关节外壳体9与关节右端盖14固定连接。

参见图3及图4所示，本发明所述的旋转弹性体11由内圈11-1、外圈11-2、弹性单元11-3组成；所述内圈11-1与外圈11-2同轴心，所述弹性单元11-3固定在内圈11-1与外圈11-2之间；三组弹性单元沿着内圈11-1的圆周均匀分布，所述内圈11-1与第一连接法兰盘12连接，所述外圈11-2与第二连接法兰盘13外圈连接，旋转弹性体11可以有效提高机器人关节柔顺性，同时旋转弹性体11作为机械滤波器，可以吸收负载所受的冲击。当冲击频率大于机器人关节频率时，系统阻抗将降至为旋转弹性体11的刚度。

所述的弹性单元11-3为层叠圆环状。

参见图5所示，本发明所述的旋转磁流变阻尼器10为外置双桶式结构，旋转磁流变阻尼器10通过第一连接法兰12与旋转弹性体11并联连接。所述的旋转磁流变阻尼器10由阻尼器外壳体10-1、非导磁垫圈10-2、导磁垫圈10-3、线圈10-4、阻尼片10-5、输入轴10-6、输出轴10-7及阻尼器端盖10-8组成，所述阻尼器端盖10-8安装在阻尼器外壳体10-1上，所述阻尼片10-5固定在输入轴10-6上，所述线圈10-4和导磁垫圈10-3安装在阻尼片10-5两侧；所述输出轴10-7与输出法兰盘7连接，输入轴10-6与第一连接法兰盘12固定连接；所述非导磁垫圈10-2设置在阻尼器外壳体10-1的内壁上。所述磁流变液阻尼器10形成了阻尼器外壳体10-1－线圈10-4－导磁垫圈10-3－磁流变液－阻尼片10-5―磁流变液―导磁垫圈10-3－线圈10-4－阻尼器外壳体10-1这样的磁回路，旋转磁流变阻尼器10可进一步提高机器人关节的柔顺性、人机交互安全性。

参见图2所示，本发明所述的第一角度传感器包括第一角度传感器转子4-1和第一角度传感器定子4-2，所述第一角度传感器转子4-1与旋转弹性体11的内圈11-1连接，第一角度传感器定子4-2与左侧关节外壳体8固定连接；第一圆柱滚子轴承15安装在第一角度传感器转子4-1上；所述的第二角度传感器6包括第二角度传感器转子6-1和第二角度传感器定子6-2，所述第二角度传感器转子6-1与旋转弹性体11的外圈11-2连接，第二角度传感器定子6-2与第二角度传感器转子6-1配合连接，第二圆柱滚子轴承16安装在第二角度传感器转子6-1上。

所述的第一圆柱滚子轴承15与第二圆柱滚子轴承16分别通过电机中心轴的上轴肩进行轴向定位。

所述的关节右端盖14上设有com串行接口14-1和关节电源线输出孔14-2。

参见图1至图5所示，本发明的工作原理如下：

机器人关节通电后，电机2接收电机驱动器1控制指令，电机转子带动电机中心轴转动，将电机动力传输到谐波减速器3上，经谐波减速器3减速后将动力传输至旋转弹性体11上，作用在旋转弹性体的外圈11-2的动力通过三组层叠圆状的弹性单元11-3弹性变性后，将动力输送到内圈11-1，内圈11-1通过第一连接法兰盘12将动力经输入轴传送至旋转磁流变阻尼器10上，旋转磁流变阻尼器10通电后线圈10-4产生的磁场经阻尼器外壳体10-1－磁流变液－阻尼片10-5－磁流变液－阻尼器外壳体10-1形成磁回路，动力经过磁流变阻尼器10过滤后通过输出轴最终将动力经输出法兰盘7作用在机器人关节负载上，第一角度传感器4与第二角度传感器6检测旋转弹性体11变形，通过胡克定律即可算出经旋转弹性体作用后所输出力矩大小。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。