一种用于柔性机器人关节上能测力矩的被动减振弹性元件的制作方法

本发明涉及一种旋转型减振弹性元件，具体涉及一种用于柔性机器人关节上的能测量力矩的被动减振弹性元件，属于机器人领域。

背景技术：

随着机器人应用领域不断拓展，越来越多的机器人走出隔离间，工作在有人类存在的环境中，这对机器人运行的安全性提出了很高要求。为了保证人类的安全，采用串联弹性驱动器的柔性机器人不断问世。通过在机器人关节的电机减速器输出端和负载之间串联扭簧等柔性元件，减小了机器人的输出阻抗，提高了机器人的安全性。但是，机器人关节柔性的提高，使机器人运作时产生振动，从而大大降低了机器人位置控制的精确性。为了抑制机器人振动，可采用主动、半主动和被动三种减振方法。主动振动控制是利用控制算法减小振动，可靠性差。半主动振动控制需要额外增加电机等控制元件，体积大，构造复杂。哈尔滨工业大学机器人研究所曾采用扇形橡胶片设计一款被动减振的柔性元件，但由于橡胶材料在受到周期性载荷时具有滞回特性，其承受的力矩和弹性变形不具有一一对应关系，因此不能准确估计其承受的力矩。

综上所述，现有抑制柔性机器人振动采用主动振动控制存在可靠性差的问题；采用半主动振动控制需要额外增加电机等控制元件，存在体积大，构造复杂的问题；采用普通橡胶材料做成的被动减振弹性元件存在不能准确估计承受的力矩的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有抑制柔性机器人振动采用主动振动控制存在可靠性差的问题；采用半主动振动控制需要额外增加电机等控制元件，存在体积大，构造复杂的问题；采用普通橡胶材料做成的被动减振弹性元件存在不能准确估计承受的力矩的问题。进而提供一种用于柔性机器人关节上能测力矩的被动减振弹性元件。

本发明的技术方案是：一种用于柔性机器人关节上能测力矩的被动减振弹性元件，它包括金属材料本体、多个电阻式应变片和多个橡胶片，金属材料本体包括外圈钢体、两个应变梁、凹凸曲线形簧片和内圈钢体，外圈钢体同轴套装在内圈钢体上，外圈钢体和内圈钢体之间通过凹凸曲线形簧片和两个应变梁连接，多个橡胶片安装在凹凸曲线形簧片上，电阻式应变片安装在应变梁上。

进一步地，外圈钢体、两个应变梁、凹凸曲线形簧片和内圈钢体制成一体。

进一步地，两个应变梁的一端均与外圈钢体连接，两个应变梁的另一端与凹凸曲线形簧片连接，凹凸曲线形簧片与内圈钢体连接。

进一步地，两个应变梁对称分布并与外圈钢体连接。

进一步地，多个橡胶片通过激光焊接技术粘贴在凹凸曲线形簧片上。

进一步地，多个电阻式应变片的数量为四个，每个应变梁的两侧各安装有一个电阻式应变片。

进一步地，外圈钢体上设有多个外圈连接通孔。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1、本发明的弹性元件采用的橡胶材料，即作为弹性体使机器人关节产生柔性，又作为阻尼减振材料，减小机器人关节运动时产生的振动。作为被动减振方案，使得本发明结构简单，工作可靠，是理想的振动控制方案。

2、本发明设有应变梁，其上贴有电阻式应变片，能够感知弹性元件承受的扭转载荷，起到力矩传感器的作用。即本发明的弹性元件是集柔性变形和力矩感知于一体的。

3、本发明的整体结构为盘状结构，使得本发明的体积小，其径向尺寸与普通机器人关节相当，轴向尺寸由所驱动负载决定，本发明直径为15mm，结构简单，容易实现紧凑化、集成化、模块化设计。

4、本发明具有较大的输出力矩，由于本发明采用了模块化设计，通过弹性元件串联连接，能实现几十nm到几百nm的扭矩输出。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；图2为外圈基本体的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式的一种用于柔性机器人关节上能测力矩的被动减振弹性元件，它包括金属材料本体1、多个电阻式应变片3和多个橡胶片2，金属材料本体1包括外圈钢体1-1、两个应变梁1-2、凹凸曲线形簧片1-3和内圈钢体1-4，外圈钢体1-1同轴套装在内圈钢体1-4上，外圈钢体1-1和内圈钢体1-4之间通过凹凸曲线形簧片1-3和两个应变梁1-2连接，多个橡胶片2安装在凹凸曲线形簧片1-3上，电阻式应变片3安装在应变梁1-2上。

本实施方式在结构上采用盘状设计。

本实施方式的内圈刚体1-4上设有多个内圈连接通孔1-4-1，便于与柔性机器人其他构件进行连接。

具体实施方式二：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式的外圈钢体1-1、两个应变梁1-2、凹凸曲线形簧片1-3和内圈钢体1-4制成一体。如此设置，结构简单，便于生产制造。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式的两个应变梁1-2的一端均与外圈钢体1-1连接，两个应变梁1-2的另一端与凹凸曲线形簧片1-3连接，凹凸曲线形簧片1-3与内圈钢体1-4连接。如此设置，结构更加紧凑。其它组成和连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式的两个应变梁1-2对称分布并与外圈钢体1-1连接。如此设置，便于电阻式应变片3的布置，找到准确的位置感知弹性元件承受的力矩。其它组成和连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式的多个橡胶片2通过激光焊接技术粘贴在凹凸曲线形簧片1-3上。如此设置，为弹性元件提供弹性变形。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式的多个电阻式应变片3的数量为四个，每个应变梁1-2的两侧各安装有一个电阻式应变片3。如此设置，用于感知弹性元件承受的力矩。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

具体实施方式七：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式的外圈钢体1-1上设有多个外圈连接通孔1-1-2。如此设置，用于与机器人关节负载端相连。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

本发明的工作原理：

在机器人关节中，电机输出的动力经减速器传到弹性元件的内圈刚体1-4上，内圈刚体1-4是弹性元件的动力输入端口。动力传递到内圈刚体1-4后，经由凹凸曲线形簧片1-3、橡胶片2、应变梁1-2传递到外圈刚体1-1上。由于凹凸曲线形簧片1-3和橡胶片2的弹性作用，整个弹性元件在动力传递过程中会产生弹性变形，赋予机器人柔性特性。由于橡胶片2具有阻尼特性，在动力传递的过程中会损耗掉部分能量，实现了弹性元件被动减振功能。同时，应变梁1-2上贴有电阻式应变片3，能够感知弹性元件承受的力矩，起到扭矩传感器的作用。

技术特征：

技术总结
一种用于柔性机器人关节上能测力矩的被动减振弹性元件，它涉及一种被动减振弹性元件。本发明为了解决现有抑制柔性机器人振动采用主动振动控制存在可靠性差的问题；采用半主动振动控制需要额外增加电机等控制元件，存在体积大，构造复杂的问题；采用普通橡胶材料做成的被动减振弹性元件存在不能准确估计承受的力矩的问题。本发明的金属材料本体包括外圈钢体、两个应变梁、凹凸曲线形簧片和内圈钢体，外圈钢体同轴套装在内圈钢体上，外圈钢体和内圈钢体之间通过凹凸曲线形簧片和两个应变梁连接，多个橡胶片安装在凹凸曲线形簧片上，电阻式应变片安装在应变梁上。本发明用于柔性机器人关节的关节驱动，兼具力矩感知和被动减振作用。

技术研发人员：赵杰;张赫;王继龙;朱延河;刘玉斌;樊继壮;刘刚峰
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2017.11.23
技术公布日：2018.04.27