点。通过将中心端插入带开槽的输出轴与上一级传动连接。
[0034]弹性元件为一种线性元件，其由于发生弹性形变所产生的恢复力的大小与所发生的形变的大小成正比，且方向相反，并可采用如下公式计算:
[0035]τ=Κ(θι-θ2)
[0036]其中，τ是弹性元件由于发生弹性形变而产生施加于连杆上的恢复力，Κ为恢复力大小与弹性元件所发生弹性形变大小的比例系数，θ:为减速箱输出轴所转过的绝对角度值，θ2为机器人关节连杆转角的绝对位置。
[0037]如图6所示为本实用新型的用于机器人关节的串联弹性驱动器的弹性元件安装示意图。弹簧连杆转接件5负责将机器人关节连杆6与弹性元件4外端进行固定。弹簧外端通过将自身插入弹簧连杆转接件5上的槽孔进行固定，弹簧连杆转接件5与机器人关节连杆6通过螺纹连接进行固定。
[0038]本实用新型通过在机器人关节驱动器的传动环节中串联安装弹性元件的方式使得机器人在与人和环境互动的过程中获得被动的机械柔性。该机器人关节驱动器包括:依次串联的光电脉冲编码器、带霍尔传感器的直流无刷电机、减速箱、弹性元件、弹簧连杆转接器、机器人手臂连杆，其特征在于还包括:电机控制器，连接到光电脉冲编码器的数据线并为其提供电源，同时连接到直流无刷电机的霍尔传感器数据线和电源线，并连接到无刷电机的电力线，通过霍尔传感器信号检测当前电机转子位置从而生成对应方向的激励电流驱动无刷电机转动，电机的转动将带动同轴安装的光电脉冲编码器产生相应的脉冲信号输入到电机控制器，电机控制器通过对编码器的脉冲信号进行计数从而精确地控制电机转子的转动速度和位置，通过控制流过电机电力线的电流从而控制电机的输出转矩。直流无刷电机转子通常具有较高的额定转速，通过在电机输出轴上安装一个适当减速比的减速箱，来降低关节转速，提高驱动力矩。
[0039]弹性元件采用优质弹簧钢60Si2MnA作为材料，其外形为一种平面阿基米德螺旋线形，其截面为矩形。使用这种平面涡卷形式的弹性元件，其弹性形变一一恢复力为近似线性关系，
[0040]该驱动器在减速箱输出轴和机器人关节连杆轴上分别安装有角度传感器，用来测量在机器人手臂运动过程中减速箱输出轴的位置和机器人手臂的位置。该传感器为输出量为绝对值，其值掉电不丢失，任何时候机器人接通电源后均可以随时获得减速箱输出轴和关节连杆轴的绝对位置。其中减速箱输出轴的上电位置同时用来补充光电脉冲编码器提供的位置信息给电机控制器，从而实现减速器输出轴的绝对位置控制。
[0041]该驱动器还包括一个二选一模拟多路选择器，用于选通哪个角度传感器处于工作状态，其型号为ADG1419，该选择器具有三个输入端口，分别是选通端口，模拟输入端口和模拟输入端口，一个输出端口，为模拟输出端口。当选通端口为低电平时，模拟输出端口与模拟输入端口导通，与模拟输入端口断开，当选通端口为高电平时，模拟输出端口与模拟输入端口导通，与模拟输入端口断开，该多路选择器的两个模拟输入端口分别与两个绝对角度传感器输出端相连。
[0042]该驱动器还包括一个单通道数据采集系统，内部包含一个A/D转换器，和一个通用数字I/O。其模拟输入通道与二选一模拟多路选择器输出端口相连，通用数字I/O与选择器的选通端口相连，用于将被选通的绝对角度传感器信号转换成数字信号。
[0043]该驱动器还包括一个实时计算机控制系统，其中电机控制器与数据采集系统通过总线与实时计算机系统相连。该实时计算机系统为一个硬实时系统，具有固定的采样周期和控制周期。在每个采样周期内，计算机通过总线控制数据采集系统分别选通两个绝对角度传感器，并发送指令要求数据采集系统对所选通的角度传感器信号进行转换，转换完成后将数字量结果通过总线发回给计算机进行处理，在一个采样周期内，该过程对每个角度传感器分别进行一次。在每个控制周期内，计算机运行一遍控制算法，该算法根据期望的关节刚度、系统当前状态，包括连杆当前位置、电位器输出轴当前位置、弹性元件实际刚度计算电机控制量。
[0044]本实用新型所述的驱动器具有可被反向驱动的能力，通过角度位置传感器测量驱动器输出轴与连杆端的角度并输入实时计算机控制系统，经过换算可得所串联弹性元件的变形量以及连杆端输出力矩的大小。同时控制系统将使用所得的关节角度与输出力矩信息，并根据所设置的关节等效柔性与连杆角度位置指令对直流电机输出轴进行伺服控制。
【主权项】
1.一种用于机器人关节的串联弹性驱动器，其特征在于:包括电机控制器通过信号线与旋转编码器连接，电机控制器通过电力线与直流电机连接，对直流电机进行伺服控制； 电机控制器通过总线连接实时计算机控制系统，接收计算机在每个控制周期所生成的控制量，并对直流电机进行实时控制； 数据采集系统的输出端连接实时计算机控制系统，输入端连接模拟多路选择器，接收选择信号； 旋转编码器、直流电机和减速箱依次连接； 换向器的输入端连接减速箱，输出端的输出轴线上设置由依次固定连接的弹性元件、弹簧连杆转接件和机器人关节连杆组成的传动机构； 第一绝对角度传感器同轴设置于弹性元件上，用于测量换向器输出轴的绝对位置;第二绝对角度传感器设置于所述机器人关节连杆，用于测量机器人关节连杆的绝对位置;所述第一绝对角度传感器和第二绝对角度传感器的输出端连接所述模拟多路选择器的模拟输入端。2.根据权利要求1所述的用于机器人关节的串联弹性驱动器，其特征在于:所述弹性元件为一种平面螺旋线形的线性元件，截面为矩形。3.根据权利要求1所述的用于机器人关节的串联弹性驱动器，其特征在于:所述直流电机为内置霍尔传感器的直流无刷电机，所述霍尔传感器通过信号线连接电机控制器。4.根据权利要求1所述的用于机器人关节的串联弹性驱动器，其特征在于:所述模拟多路选择器为二选一模拟多路选择器，具有三个输入端口，分别是选通端口、第一模拟输入端口和第二模拟输入端口，具有一个输出端口为模拟输出端口。5.根据权利要求1所述的用于机器人关节的串联弹性驱动器，其特征在于:所述数据采集系统包括一个A/D转换器和一个通用数字I/O端口，A/D转换器的输入通道与模拟多路选择器的模拟输出端口相连，通用数字I/O端口与模拟多路选择器的选通端口相连，用于选通相应的绝对角度传感器，并将被选通的绝对角度传感器输出的模拟信号转换成数字信号。6.根据权利要求1或5所述的用于机器人关节的串联弹性驱动器，其特征在于:绝对角度传感器的输出量在系统掉电的情况下不丢失。
【专利摘要】本实用新型涉及一种用于机器人关节的串联弹性驱动器，包括电机控制器连接旋转编码器，电机控制器连接直流电机；电机控制器连接实时计算机控制系统；数据采集系统的输出端连接实时计算机控制系统，输入端连接模拟多路选择器；旋转编码器、直流电机和减速箱依次连接；换向器的输入端连接减速箱，输出端的输出轴线上设置由依次固定连接的弹性元件、弹簧连杆转接件和机器人关节连杆组成的传动机构；第一绝对角度传感器同轴设置于弹性元件上；第二绝对角度传感器设置于所述机器人关节连杆。本实用新型可应用于需要与人或环境产生直接物理接触的机器人的关节驱动，可以保证人与环境以及机器人自身的安全性和人机接触时的舒适性。
【IPC分类】B25J17/00, B25J9/16, B25J11/00
【公开号】CN205097207
【申请号】CN201520894992
【发明人】韩建达, 赵新刚, 赵忆文, 林光模
【申请人】中国科学院沈阳自动化研究所
【公开日】2016年3月23日
【申请日】2015年11月10日