一种模块化机械臂柔性关节的制作方法

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种模块化机器臂柔性关节。

背景技术：

传统的工业机器人技术已经比较成熟，能够实现较高精度的轨迹跟踪和力控制。工业机器人的适用场合比较简单，部分生产线人机交互程度低，对安全性的要求比较低。近几年，人机协作机器人成为机器人的主要研究方向之一。学者围绕机器人怎么直接和人类进行人机交互，一起协作完成一定任务而展开了大量的研究。限制协作机器人发展的主要因素是场合多变性，安全性能难以保证。为了实现机器人在未知环境下的可靠性和安全性，国内外提出柔性机器人的概念，其中串联弹性驱动器就是柔性机器人的重要组成。

对于传统的工业机器人，要求驱动器刚性越大越好，响应速度越快越好。但是对于人机协作机器人，对安全性又提出了新的要求。现阶段人机协作机器人一部分是采用一定的控制算法使得提高机器人的安全性，还有一部分是在机械结构中引入弹簧，在发生碰撞时，不仅保护了机器人本身，还同时保护了操作者的安全。同时，柔性机械臂关节也体现出来很多优势，如能量消耗低、输出响应快、适用范围广等优点。上述优点使得柔性机械臂关节成为国内外研究的热点。

目前国内研究的机械臂，由于各关节结构都大不相同，各关节无法完成组合和替换，灵活性较差，机械臂采用刚性连接，使得安全性低，环境适应性低，同时对电机输出端力矩测量大多采用力矩传感器，价格昂贵。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种模块化机械臂柔性关节，采用模块化的设计思想，解决了现有机械臂关节结构都大不相同，各关节无法完成组合和替换，灵活性较差，机械臂采用刚性连接，使得安全性低，环境适应性低，同时对电机输出端力矩测量大多采用力矩传感器，价格昂贵的问题。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种模块化机械臂柔性关节，包括关节输入装置1、减速装置2、串联弹性驱动器3、关节输出装置4、关节外壳5及底座6；所述关节输入装置1的一端与减速装置2相连，另一端与底座6相连，所述减速装置2与串联弹性驱动器3相连，所述串联弹性驱动器3与关节输出装置4相连，所述关节输出装置4与关节外壳5相连；

所述关节输入装置1包括无框中空电机转子111、无框中空电机定子112、电机输出轴113、无框中空电机固定套114、电机定子压板套115、电机转子压板116、磁编码器感应齿轮固定架121、磁编码器感应齿轮122、磁编码器感应头123、磁编码器感应头固定架124、连接盘一131、连接盘二132及连接盘三133；

所述减速装置2包括谐波减速器波发生器21、谐波减速器柔轮22及谐波减速器刚轮23；

所述串联弹性驱动器3包括谐波减速器垫板31、圆盘式弹簧32、直滑式位移传感器连接架331、直滑式位移传感器调整块332、直滑式位移传感器333及直滑式位移传感器固定架334；

所述关节输出装置4包括关节输出轴41、输出法兰盘42及十字交叉轴承43；

所述关节外壳5包括关节外壳一51及关节外壳二52。

优选地，所述磁编码器感应齿轮122通过螺钉安装于磁编码器感应齿轮固定架121，磁编码器感应齿轮固定架121和电机输出轴113通过紧定螺钉进行周向固定，磁编码器感应头123通过螺钉安装于磁编码器感应头固定架124，磁编码器感应头固定架124黏贴于电机定子压板套115，无框中空电机转子111一端通过电机输出轴113轴肩轴向固定，另一端通过电机转子压板116压紧，无框中空电机定子112一端通过无框中空电机固定套114轴肩轴向固定，另一端通过电机定子压板套115压紧；所述电机定子压板套115与连接盘一131通过螺栓连接，连接盘一131、连接盘二132及连接盘三133依次连接用于连接关节输入装置1和底座6。

优选地，所述谐波减速器波发生器21通过螺钉和电机输出轴113固定，谐波减速器柔轮22通过螺钉和无框电机固定套114固定。

优选地，所述圆盘式弹簧32、谐波减速器刚轮23、减速器垫板31三者通过螺钉固定在一起，直滑式位移传感器固定架334一端和减速器垫板31黏贴在一起，另一端和直滑式位移传感器333黏贴在一起，直滑式位移传感器调整块332和直滑式位移传感器333黏贴在一起，直滑式位移传感器连接架331和关节输出轴41通过紧定螺钉进行周向固定。

优选地，所述关节输出轴41通过螺钉和圆盘式弹簧32固定在一起，关节输出轴41通过螺钉和输出法兰盘42固定在一起，输出法兰盘42通过螺钉和关节外壳一51固定在一起，关节外壳一51通过螺栓和关节外壳二52固定在一起，十字交叉轴承43内圈分别采用无框中空电机固定套114轴肩和电机定子压板套115轴肩进行轴向固定，十字交叉轴承43外圈分别采用关节外壳一51轴肩和关节外壳二52轴肩进行轴向固定。

优选地，所述关节输入装置1采用无框中空电机作为动力源，采用磁编码器对关节位置进行测量，磁编码器、无框中空电机、电机输出轴113三者联动，均采用中空式结构；所述关节输入装置1、减速装置2、串联弹性驱动器3和关节输出装置4均为同轴度。

优选地，所述减速装置2中谐波减速器波发生器21通过螺钉和电机输出轴113固定作为谐波减速器的输入端，谐波减速器柔轮22通过螺钉和无框中空电机固定套114固定作为谐波减速器的固定端，谐波减速器刚轮23、减速器垫板31、圆盘式弹簧32三者通过螺钉固定在一起作为谐波减速器的输出端。

优选地，所述圆盘式弹簧32内外圈角度差是通过转化为直线位移进行计算，其直线位移是通过直滑式位移传感器333进行测量，通过圆盘式弹簧内外圈旋转角度差对电机输出端的力矩进行估计计算。

优选地，所述直滑式位移传感器333始终相切于圆盘式弹簧32的外圈光孔位置。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明设计了一种新型的机械臂柔性关节，将模块化思想融入到新型机械臂柔性关节的设计中，使得能够任意的拼接成不同自由度的模块化机械臂。合理的设计思路，将关节所有部件均集成在关节内部，将编码器和传感器布置在剩余的空间里，使空间得到合理的利用。在电机减速器输出端引入串联弹性驱动器，降低了机械臂的刚性，使得人机协作的安全性得到了提高。

2、本发明整体采用中空结构，如编码器、电机、减速器均采用中空型结构，方便内部走线。

3、本发明采用了测量圆盘式弹簧内外圈旋转角度差估计电机输出端力矩，圆盘式弹簧内外圈位置信息是通过将旋转信息转化为直线位移信息，在利用直滑式位移传感器进行测量计算，这样使得测量精度得到提升，也更方便对机械臂关节进行力控制，同时采用直滑式位移传感器，比力矩传感器价格更便宜。相比于Universal Robots公司的机械臂，我们的优势是采用了在柔性关节处引入圆盘式弹簧，使得机械臂具有机械上的柔性，而UR机械臂采用控制电流的方控制关节末端力矩大小，电流本身带有不稳定因素，精度相对较差，鲁棒性差。

4、本发明采用直滑式位移传感器固定架和减速器垫板采用胶黏的方式，装配简单。

5、本发明采用特殊结构的法兰盘输出，方便拆卸和装配。

6、本发明采用密封圈材质为橡胶材料，富有弹性和回弹性，易加工成型，性能稳定。

7、本发明采用整体结构紧凑，安装方便，外壳采用硬铝，质量体积小。

8、本发明采用电机驱动，无需外接气缸等大体积设备来提供动力。

附图说明

图1是本发明模块化机械臂柔性关节整体剖视图；

图2是本发明模块化机械臂柔性关节整体轴侧图；

图3是本发明模块化机械臂柔性关节中圆盘式弹簧结构图；

图4是本发明模块化机械臂柔性关节中直滑式位移传感器安装示意图；

图5是本发明模块化机械臂柔性关节中直滑式位移传感器测试原理图；

图6是本发明模块化机械臂柔性关节中连接盘三结构示意图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1、图2、图3、图4及图6，一种模块化机械臂柔性关节，包括关节输入装置1、减速装置2、串联弹性驱动器3、关节输出装置4、关节外壳5及底座6；所述关节输入装置1的一端与减速装置2相连，另一端与底座6相连，所述减速装置2与串联弹性驱动器3相连，所述串联弹性驱动器3与关节输出装置4相连，所述关节输出装置4与关节外壳5相连；

所述关节输入装置1包括无框中空电机转子111、无框中空电机定子112、电机输出轴113、无框中空电机固定套114、电机定子压板套115、电机转子压板116、磁编码器感应齿轮固定架121、磁编码器感应齿轮122、磁编码器感应头123、磁编码器感应头固定架124、连接盘一131、连接盘二132及连接盘三133；

所述减速装置2包括谐波减速器波发生器21、谐波减速器柔轮22及谐波减速器刚轮23；

所述串联弹性驱动器3包括谐波减速器垫板31、圆盘式弹簧32、直滑式位移传感器连接架331、直滑式位移传感器调整块332、直滑式位移传感器333及直滑式位移传感器固定架334；

所述关节输出装置4包括关节输出轴41、输出法兰盘42及十字交叉轴承43；

所述关节外壳5包括关节外壳一51及关节外壳二52。

所述磁编码器感应齿轮122通过螺钉安装于磁编码器感应齿轮固定架121，磁编码器感应齿轮固定架121和电机输出轴113通过紧定螺钉进行周向固定，磁编码器感应头123通过螺钉安装于磁编码器感应头固定架114，磁编码器感应头固定架114黏贴于电机定子压板套115，无框中空电机转子111一端通过电机输出轴113轴肩轴向固定，另一端通过电机转子压板116压紧，无框中空电机定子112一端通过无框中空电机固定套114轴肩轴向固定，另一端通过电机定子压板套115压紧；所述电机定子压板套115与连接盘一131通过螺栓连接，连接盘一131、连接盘二132及连接盘三133依次连接用于连接关节输入装置1和底座6；连接盘一131、连接盘二132及连接盘三133三者之间通过螺栓连接，连接盘三133与底座6连接。

所述谐波减速器波发生器21通过螺钉和电机输出轴113固定，谐波减速器柔轮22通过螺钉和无框电机固定套114固定。

所述圆盘式弹簧32、谐波减速器刚轮23、减速器垫板31三者通过螺钉固定在一起，直滑式位移传感器固定架334一端和减速器垫板31黏贴在一起，另一端和直滑式位移传感器333黏贴在一起，直滑式位移传感器调整块332和直滑式位移传感器333黏贴在一起，直滑式位移传感器连接架331和关节输出轴41通过紧定螺钉进行周向固定。

所述关节输出轴41通过螺钉和圆盘式弹簧32固定在一起，关节输出轴41通过螺钉和输出法兰盘42固定在一起，输出法兰盘42通过螺钉和关节外壳一51固定在一起，关节外壳一51通过螺栓和关节外壳二52固定在一起，十字交叉轴承43内圈分别采用无框中空电机固定套114轴肩和电机定子压板套115轴肩进行轴向固定，十字交叉轴承43外圈分别采用关节外壳一51轴肩和关节外壳二52轴肩进行轴向固定。

所述关节输入装置1采用无框中空电机作为动力源，采用磁编码器对关节位置进行测量，磁编码器、无框中空电机、电机输出轴113三者联动，均采用中空式结构；所述关节输入装置1、减速装置2、串联弹性驱动器3和关节输出装置4均为同轴度。

所述减速装置2中谐波减速器波发生器21通过螺钉和电机输出轴113固定作为谐波减速器的输入端，谐波减速器柔轮22通过螺钉和无框中空电机固定套114固定作为谐波减速器的固定端，谐波减速器刚轮23、减速器垫板31、圆盘式弹簧32三者通过螺钉固定在一起作为谐波减速器的输出端。

所述圆盘式弹簧32内外圈角度差是通过转化为直线位移进行计算，其直线位移是通过直滑式位移传感器333进行测量，通过圆盘式弹簧内外圈旋转角度差对电机输出端的力矩进行估计计算。

所述直滑式位移传感器333始终相切于圆盘式弹簧32的外圈光孔位置。

上述安装连接关系均可通过螺栓连接进行固定。

本发明的原理为：

无框中空电机和电机末端的磁编码器实现对关节末端位置的控制。磁编码器感应齿轮122通过螺钉和磁编码器固定架121固定在一起，磁编码器感应头123通过螺钉和磁编码器感应头固定架124固定在一起，电机输出轴113通过紧定螺钉和磁编码器固定架121固定在一起，无框电机转子111通过螺钉使得电机转子压板116和电机输出轴113轴肩压紧在一起，无框电机定子112通过螺钉电机固定套114和电机定子压板套115轴肩压紧在一起，当无框电机运转时，无框中空电机转子111带动电机输出轴113运转。电机输出轴113通过螺钉和谐波减速器波发生器21固定在一起，作为谐波减速器的输入端，谐波减速器柔轮22通过螺栓和无框中空电机固定套114固定在一起，作为谐波减速器的固定端，谐波减速器刚轮23通过螺钉和减速器垫片31、圆盘式弹簧32外圈三者安装在一起，作为谐波减速器的输出端。无框电机的运动信息和力矩信息传递给了谐波减速器刚轮23输出，如图5所示，dy代表直滑式位移传感器333测量的直线位移，dx代表直滑式位移传感器连接架331在半径为r的圆上的圆弧长度，对应旋转中心转角dθ，由于圆盘式弹簧32旋转角度极小，所以就有dx＝dy、dθ＝dy/r。圆盘式弹簧32内圈通过螺钉和关节输出轴41固定在一起，输出法兰盘42通过螺钉和关节输出轴41固定在一起，输出法兰盘42通过螺钉和关节外壳一51固定在一起，关节外壳一51和关节外壳二52通过螺钉固定在一起，作为关节输出，将动力传递给下一关节。

为了更好的对关节进行力控制，所以必须得到关节输出转矩，这就是引入圆盘式弹簧32的原因，一方面能够根据圆盘式弹簧32内外圈旋转角度差估计出关节输出转矩，另一方面当外界受到冲击时，能够更好的减缓对电机、减速器的外界冲击。引入弹簧使得整个关节具有一定柔顺性，但弹簧的弹性系数在运动过程中是不变的，是最开始根据具体的应用场合进行设计计算出来的。关节输出转矩即是圆盘式弹簧32的刚度乘以圆盘式弹簧的内外圈旋转角度差，圆盘式弹簧32内外圈旋转角度由于弹簧自身刚度值较大，导致内圈变化小，所以通过旋转类编码器无法进行精确地测量，这里我们转化为直滑式位移传感器333进行测量。在旋转角度小时，弧长就可以看成直线，即弧长等于弧度乘以半径。直滑式位移传感器333黏贴在直滑式位移传感器固定架334上，直滑式位移传感器固定架334黏贴在减速器垫板31上，关节输出轴41通过紧定螺钉和直滑式位移传感器连接件331固定在一起，关节输出轴41运动时带动直滑式位移传感器连接架331运动，拨动直滑式位移传感器333，使得估计计算出圆盘式弹簧内外圈旋转角度值。

以上对本发明所提供的一种模块化机械臂柔性关节，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。