具备故障检测和参数校正功能的平面扭簧装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于机器人技术领域，涉及一种具备故障检测和参数校正功能的平面扭簧
目.0
【背景技术】
[0002]随着机器人技术的发展，机器人产业得到了迅速发展，并将在智能制造、医疗、月艮务和军事等领域对人们的生产和生活产生积极而深远的影响。比尔盖茨曾预言，机器人正经历“PC式发展”之路，未来家家都有机器人。因此，未来在面向家庭环境、医疗服务和智能制造等人机交互和协同作业环境下的服务机器人将有更加广阔的应用需求和商业前景。从技术角度来看，要实现这个目标急需解决的一个重要问题是机器人与人和环境的安全交互问题。
[0003]针对以上这个问题，国内外已经开发了很多机器人样机和产品，比较典型的机器人包括了 ABB集团的双臂机器人YuMi，这台被ABB视为“世界上首台真正实现人机协作”的机器人快被人接近时，会自动放慢速度或停止运动，实现了与工人协作生产而不必像其他工业机器人一样被关在笼子里。Rethink公司相继推出了 Baxter和Sawyer机器人，这两款机器人通过独特的柔顺控制技术，保证其能和人类并肩进行安全高效的工作。其中，Sawyer机器人可以完成机器操控、电路板测试以及其他高精度的任务。德国航空航天中心(DLR)的Justin机器人可以通过视觉和触觉实现精细地动作，完成诸如接球和泡咖啡等任务，同时机械臂也具备柔顺安全地控制能力。其他诸如此类的机器人还有google旗下的meka机器人，国内的哈工大灵巧臂等。
[0004]近年来，在机器人领域逐渐推广应用的串联弹性执行器(SEA)受到了广泛关注。这种关节执行器相比传统关节的优势在于它在电机与负载端嵌入了低阻抗的弹簧，通过结合弹簧的物理柔顺以及控制柔顺两方面的特性，为机器人进行人机交互提供了安全保障。弹簧元件作为关键部件，也出现了很多研究成果，归纳起来也包括两种方式。一种是通过采用传统的螺旋弹簧设计的弹簧装置，另一种是通过有限元分析设计出的平面扭簧。后者由于结构简单，设计灵活等优势，已经出现了很多种设计方式，比如专利号JP2001-304316A，US6983924, US8176809B2, US2014/0045600A1，CN102632508B, CN103836101A 等，以及学术论文 A Novel Compact Tors1nal Spring for Series Elastic Actuator for AssistiveWearable Robots 和 Actuator Control for NASA-JSC Valkyrie Humanoid Robot:ADecouple Dynamics Approach for Torque Control of Series Elastic Robots 中都有提到平面扭簧的各种设计。然而，平面扭簧无论采用哪种设计形式，它仍然会出现以下两方面的问题:(I)平面扭簧的弹性体(或弹性梁)由于反复交变应力作用，容易导致材料疲劳而断裂；(2)平面扭簧的弹性体(或弹性梁)的弹性系数随着使用时间变化而发生改变，结合SEA关节的控制原理，如果弹性系数发生率改变，那么转动相同的角度输出的力矩也将改变，如未能进行参数校正，。这两个问题分别带来的问题是如何对断裂的弹簧进行故障检测，以及如何实现对弹性系数的定期检测和校正。目前，针对这一问题尚未见相关的研究成果和装置。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种具备故障检测和参数校正功能的平面扭簧装置，通过对平面扭簧各个弹性体的通断检测，判断各弹性体的工作状态；通过力传感器的力矩检测，实时校正弹性体的弹性系数。前者检测弹性体的工作状态，可以为弹性体的使用寿命和设计提供依据，而后者可以补偿弹性体弹性系数的变化以减少对力控制精度的影响，以及实现在部分弹性体断裂情况下对弹性系数的检测并改变控制器参数以实现特殊环境下对关节的正常控制，确保关节的正常运行。本发明改变通过对平面扭簧进行故障检测和参数校正，对关节的正常运行起到了实时监测和调整的作用，有助于进一步提高在空间机械臂、安全交互臂等机器人上应用的稳定性、安全性和可靠性，也有助于设计人员观察平面扭簧的参数性能变化，以提高迭代设计的质量。
[0006]本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:一种具备故障检测和参数校正功能的平面扭簧装置，它由平面扭簧、故障检测电路和力矩传感器三部分组成；平面扭簧由固定环、若干安装环和若干弹性体组成，其中固定环和安装环上开有安装孔分别通过螺钉固定力矩传感器和负载端，固定环和安装环之间通过弹性体连接，安装环间彼此隔离；固定环通过接地端子连接到故障检测电路的GND 口，安装环通过信号端子连接到故障检测电路的1口 ；力矩传感器的另一端与电机输出端连接。
[0007]进一步地，1 口 12设置成3.3V的上拉电阻高电平输出；当弹性体处于正常状态时，接地端子和信号端子通过弹性体短接，1 口读到的信号是被拉低的低电平信号，当弹性体发生断裂，1 口信号处于高电平，通过检测固定环和安装环之间的通断对弹性体进行故障检测，检测结果由MCU发送给计算机进行处理。
[0008]进一步地，通过力矩传感器检测弹性体上产生的力矩信号，实时补偿和校正弹性体的弹性系数，数据由计算机通过专用数据采集卡进行采集，为测试弹性体性能参数和校正弹性系数变化提供依据。
[0009]进一步地，所述故障检测电路为MCU、DSP或ARM。
[0010]本发明的有益效果是，本发明充分利用各种平面扭簧的优势，通过检测固定环和安装环间的通断对弹性体进行故障检测，可以有效判断弹性体的使用寿命，为改进设计和加工工艺提供依据，有助于缩短迭代开发的周期，提高对平面扭簧设计质量的观测和分析；通过力矩传感器的精确力矩检测，可以实时补偿和校正弹性体的弹性系数，以提高对力矩控制的性能，为了降低成本，在关节设计中可以去除力矩传感器，而在定期检查时可以使用一个力矩传感器对所有关节进行校正即可。本发明的平面扭簧装备检测方法和结构简单，适合应用于各种机器人和机械臂关节。
【附图说明】
[0011]图1是平面扭簧装置的立体图；
[0012]图2是平面扭簧的平面图；
[0013]图3是接地/信号端子的示意图；
[0014]图4是力矩传感器的示意图；
[0015]图中，故障检测电路1、固定环2、安装环3、弹性体4、螺孔5、螺钉6、接地端子7、信号端子8、力矩传感器9、MCUlO、GND 口 11、1 口 12、数据采集卡13、计算机14。
【具体实施方式】
[0016]以下结合附图进一步说明本发明。
[0017]如图1-4所示，本发明一种具备故障检测和参数校正功能的平面扭簧装置，它由平面扭簧、故障检测电路I和力矩传感器9三部分组成；平面扭簧由固定环2、若干安装环3和若干弹性体4组成，其中固定环2和安装环3上开有安装孔分别通过螺钉6固定力矩传感器9和负载端，固定环2和安装环3之间通过弹性体4连接，安装环3间彼此隔离，弹性体4可以采用各种设计形式；故障检测电路I可以是MCU10、ARM或DSP等，当为MCU时，固定环2通过接地端子7连接到MCUlO的GND 口 11，安装环3通过信号端子8连接到MCUlO的1 口 12，1 口 12设置成3.3V的上拉电阻高电平输出，当弹性体4处于正常状态时，由于接地端子7和信号端子8通过弹性体4短接，因此1 口 12读到的信号是被拉低的低电平信号，一旦弹性体4发生断裂，1 口 12信号就处于高电平，通过检测固定环2和安装环3之间的通断对弹性体4进行故障检测，可以有效判断弹性体4的使用寿命，为改进设计和加工工艺提供依据，有助于缩短迭代开发的周期，提高对平面扭簧设计质量的观测和分析，检测结果由MCUlO发送给计算机14进行处理；力矩传感器9通过螺钉6与平面扭簧的固定环2螺孔5连接，另一端与电机输出端连接，在弹性体4上产生的力矩信号同样可以通过力矩传感器9精确地检测出来，数据由计算机14通过专用数据采集卡13进行采集，通过力矩传感器9的精确力矩检测，可以实时补偿和校正弹性体4的弹性系数，以提高对力矩控制的性能，如果需要降低成本，在关节设计中可以去除力矩传感器9，而在定期检查时可以使用一个力矩传感器9对所有关节进行校正。
【主权项】
1.一种具备故障检测和参数校正功能的平面扭簧装置，其特征在于，它由平面扭簧、故障检测电路⑴和力矩传感器(9)三部分组成；平面扭簧由固定环(2)、若干安装环(3)和若干弹性体⑷组成，其中固定环⑵和安装环(3)上开有安装孔分别通过螺钉(6)固定力矩传感器(9)和负载端，固定环(2)和安装环(3)之间通过弹性体(4)连接，安装环(3)间彼此隔离；固定环⑵通过接地端子(7)连接到故障检测电路⑴的GND 口(11)，安装环⑶通过信号端子⑶连接到故障检测电路⑴的1 口(12);力矩传感器(9)的另一端与电机输出端连接。2.根据权利要求1所述一种具备故障检测和参数校正功能的平面扭簧装置，其特征在于，1 口(12)设置成3.3V的上拉电阻高电平输出；当弹性体(4)处于正常状态时，接地端子(7)和信号端子⑶通过弹性体⑷短接，1 口(12)读到的信号是被拉低的低电平信号，当弹性体(4)发生断裂时，1 口(12)信号将处于高电平，通过检测固定环(2)和安装环(3)之间的通断对弹性体(4)进行故障检测。3.根据权利要求1所述一种具备故障检测和参数校正功能的平面扭簧装置，其特征在于，通过力矩传感器(9)检测弹性体(4)上产生的力矩信号，实时补偿和校正弹性体(4)的弹性系数变化。4.根据权利要求1所述一种具备故障检测和参数校正功能的平面扭簧装置，其特征在于，所述故障检测电路⑴为MCU (10)、DSP或ARM。
【专利摘要】本发明公开了一种具备故障检测和参数校正功能的平面扭簧装置，它由平面扭簧、故障检测电路和力矩传感器三部分组成。本发明充分利用各种平面扭簧的优势，通过检测固定环和安装环间的通断对弹性体进行故障检测，可以有效判断弹性体的使用寿命，为改进设计和加工工艺提供依据，有助于缩短迭代开发的周期，提高对平面扭簧设计质量的观测和分析；通过力矩传感器的精确力矩检测，可以实时补偿和校正弹性体的弹性系数变化，以提高对力矩控制的性能，为了降低成本，在关节设计中可以去除力矩传感器，而在定期检查时可以使用一个力矩传感器对所有关节进行校正即可。本发明的平面扭簧装备结构简单，适合应用于各种机器人和机械臂关节。
【IPC分类】B25J19/00, B25J17/00
【公开号】CN105058414
【申请号】CN201510556755
【发明人】朱秋国, 赵逸栋, 熊蓉, 吴俊
【申请人】浙江大学
【公开日】2015年11月18日
【申请日】2015年9月2日