一種適用于高承載機器人串聯(lián)彈性驅(qū)動器的平面彈性體的制作方法
【專利摘要】一種適用于高承載機器人串聯(lián)彈性驅(qū)動器的平面彈性體，包括彈性體外圈(1)、彈性體內(nèi)圈(2)、內(nèi)圈彈性支撐梁(6)、外圈彈性支撐梁(5)和波形變形體(7)；至少三個內(nèi)圈光孔(3)周向均布在彈性體內(nèi)圈(2)外端面，與內(nèi)圈光孔(3)數(shù)量一致的外圈光孔(4)周向均布在彈性體外圈(1)的內(nèi)端面，內(nèi)圈光孔(3)與外圈光孔(4)交錯分布，分別與負載和驅(qū)動器輸出端的連接；內(nèi)圈光孔(3)徑向向外設(shè)置內(nèi)圈彈性支撐梁(6)，外圈光孔(4)徑向向內(nèi)設(shè)置外圈彈性支撐梁(5)，內(nèi)圈彈性支撐梁(6)和外圈彈性支撐梁(5)之間通過波形變形體(7)連接。
【專利說明】
一種適用于高承載機器人串聯(lián)彈性驅(qū)動器的平面彈性體
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于機器人技術(shù)領(lǐng)域，尤其適用于高承載的機器人串聯(lián)彈性關(guān)節(jié)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著服務(wù)機器人、醫(yī)護機器人、康復(fù)助殘機器人以及助力機器人的快速發(fā)展，機器 人和人類之間的協(xié)作、交互以及用戶使用的安全性、舒適程度越來越成為人們關(guān)注的焦點； 目前，運用于機器人關(guān)節(jié)處的串聯(lián)彈性驅(qū)動器(Series Elastic Actuator，SEA)是解決機 器人與人交互協(xié)作過程中安全問題的最佳方案，SEA作為一種具有柔性和仿生驅(qū)動能力的 驅(qū)動設(shè)備，能夠使機器人具有人體肌肉的彈性和儲能特性。
[0003] 串聯(lián)彈性驅(qū)動器的性能直接決定這機器人系統(tǒng)的綜合性能，驅(qū)動器的彈性體直接 決定了機器人、機械臂的最大負載能力、功率等參數(shù);傳統(tǒng)的SEA多采用直線彈簧作為直線 和扭轉(zhuǎn)輸出環(huán)節(jié)中的柔性環(huán)節(jié)，將彈簧串聯(lián)放置于驅(qū)動器出力端與負載之間，利用彈簧自 身的剛度實現(xiàn)驅(qū)動器的柔性，例如專利號CN102152319A彈性驅(qū)動轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)、CN101318331雙 串聯(lián)彈性驅(qū)動器等驅(qū)動關(guān)節(jié)，這類驅(qū)動器將彈簧安裝在直線行程中，在直線運動中增加了 剛度環(huán)節(jié);又例如專利號CN104924320A，這類驅(qū)動器將彈簧安裝在旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處，通過旋轉(zhuǎn)運 動擠壓彈簧，這兩類基于螺旋彈簧的串聯(lián)彈性驅(qū)動器很難設(shè)計出空間小，重量輕和結(jié)構(gòu)緊 湊的關(guān)節(jié)；目前國內(nèi)也有幾種適用于機器人的關(guān)節(jié)的平面扭簧，例如專利號CN 102632508， 這種平面扭簧雖然設(shè)計緊湊，具有一定的柔性，但能空間利用率低，承載能力差，不適用于 負載較大的機器人串聯(lián)彈性驅(qū)動器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種適用于高承載機器人 串聯(lián)彈性驅(qū)動器的平面彈性體。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種適用于高承載機器人串聯(lián)彈性驅(qū)動器的平面彈性 體，包括彈性體外圈、彈性體內(nèi)圈、內(nèi)圈彈性支撐梁、外圈彈性支撐梁和波形變形體;至少三 個內(nèi)圈光孔周向均布在彈性體內(nèi)圈外端面，與內(nèi)圈光孔數(shù)量一致的外圈光孔周向均布在彈 性體外圈的內(nèi)端面，內(nèi)圈光孔與外圈光孔交錯分布，分別與負載和驅(qū)動器輸出端的連接；內(nèi) 圈光孔徑向向外設(shè)置內(nèi)圈彈性支撐梁，外圈光孔徑向向內(nèi)設(shè)置外圈彈性支撐梁，內(nèi)圈彈性 支撐梁和外圈彈性支撐梁之間通過波形變形體連接。
[0006] 內(nèi)圈彈性支撐梁和外圈彈性支撐梁之間的波形變形體由多個U形彈性結(jié)構(gòu)組成，U 形彈性結(jié)構(gòu)首尾相連，U形彈性結(jié)構(gòu)的開口端朝向彈性體內(nèi)圈，U形彈性結(jié)構(gòu)對稱分布在內(nèi) 圈彈性支撐梁或者外圈彈性支撐梁兩端且根據(jù)所處空間的扇形特性適形收口。
[0007] U形彈性結(jié)構(gòu)的數(shù)量及長度根據(jù)平面彈性體需要承受的扭矩大小，在滿足強度要 求的前提下，最接近U形彈性結(jié)構(gòu)的極限變形量。
[0008] 外圈彈性支撐梁的頂端所在圓弧面直徑小于U形彈性結(jié)構(gòu)的開口端所處圓弧面的 直徑，在滿足強度前提下，最大化施加在支撐梁頂部的切向力，最接近外圈彈性支撐梁的極 限變形量。
[0009] 內(nèi)圈彈性支撐梁的頂端與U形彈性結(jié)構(gòu)的圓弧頂端處于同一圓弧面，在滿足強度 前提下，最大化施加在支撐梁頂部的切向力，最接近內(nèi)圈彈性支撐梁的極限變形量。
[0010] 所述的內(nèi)圈彈性支撐梁的頂端呈T形結(jié)構(gòu)，保證內(nèi)圈彈性支撐梁的頂端一直受到 垂直于梁末端方向的拉壓力，使梁更易產(chǎn)生彎曲變形。T形結(jié)構(gòu)兩側(cè)延徑向設(shè)置連接結(jié)構(gòu)， 與U形彈性結(jié)構(gòu)連接，保證與之相連的U形彈性體在強度允許的情況下，產(chǎn)生最大變形。
[0011] 所述的彈性體采用高強度彈簧鋼材料。
[0012] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果為：
[0013] (1)平面彈性體以內(nèi)圈固定，外圈旋轉(zhuǎn)時，外圈彈性支撐梁壓縮一端波形變形體， 使四個U型彈性結(jié)構(gòu)發(fā)生內(nèi)縮變形，同時外圈彈性支撐梁拉伸另一端波形變形體，使另一端 四個U型彈性結(jié)構(gòu)產(chǎn)生外展變形，整個過程中，外圈彈性支撐梁和它兩端的內(nèi)圈彈性支撐梁 也會發(fā)生彈性變形，實現(xiàn)平面彈性體擁有高承載的同時，能夠發(fā)生大角度的變形;本發(fā)明在 保證關(guān)節(jié)擁有柔順性的基礎(chǔ)上，充分利用空間，提高承載能力，適用于機器人串聯(lián)彈性關(guān) To
[0014] (2)該彈性體放置與驅(qū)動器出力端和負載端之間，能夠有效的解決人機交互過程 中的安全問題，減少機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動器受到的外部沖擊，使驅(qū)動關(guān)節(jié)具有儲能特性，降低關(guān) 節(jié)功率等級，減輕機器人關(guān)節(jié)重量，具有設(shè)計緊湊、安裝靈活方便的特點，減小驅(qū)動器的體 積。
[0015] (3)本發(fā)明通過對內(nèi)外彈性支撐梁的長度進行合理控制，使得整個彈性體承受的 轉(zhuǎn)矩盡可能的傳遞到U形結(jié)構(gòu)的頂端并且沿垂直方向施加于U形結(jié)構(gòu)兩端，在整個設(shè)計過程 中，通過合理配置U形結(jié)構(gòu)寬度、收縮角度、間隔角度以及內(nèi)外圈彈性支撐梁的長度、寬度， 能夠保證在滿足強度的要求下，彈性體各變形處應(yīng)力分布較為均勻，整體最接近其極限變 形量，在有限的空間下提高了承載能力。
【附圖說明】
[0016] 圖1是平面彈性體的立體圖；
[0017] 圖2是平面彈性體的平面圖；
[0018] 圖中，彈性體外圈1，彈性體內(nèi)圈2，內(nèi)圈光孔3，外圈光孔4，外圈彈性支撐梁5，內(nèi)圈 彈性支撐梁6，波形變形體7，U型彈性結(jié)構(gòu)8。
【具體實施方式】
[0019] 下面結(jié)合實例對本發(fā)明做詳細說明。
[0020] 如圖1、圖2所示，本發(fā)明由彈性體外圈1、彈性體內(nèi)圈2、內(nèi)、外圈彈性支撐梁5、6和 波形變形體7組成;彈性體內(nèi)、外光孔3、4均勻分布內(nèi)、外圈1、2上，實現(xiàn)與負載和驅(qū)動器輸出 端連接；內(nèi)圈光孔3徑向?qū)?yīng)內(nèi)圈彈性支撐梁6,外圈光孔4徑向?qū)?yīng)外圈彈性支撐梁5,波形 變形體7連接相鄰的兩個內(nèi)、外圈彈性支撐梁5、6;每個波形變形體7由四個U形彈性結(jié)構(gòu)8組 成，四個U形彈性結(jié)構(gòu)8首尾相連，對稱分布在彈性支撐梁5、6兩端。
[0021] 內(nèi)圈彈性支撐梁6和外圈彈性支撐梁5之間的波形變形體7由多個U形彈性結(jié)構(gòu)8組 成，U形彈性結(jié)構(gòu)8首尾相連，U形彈性結(jié)構(gòu)的開口端朝向彈性體內(nèi)圈2，U形彈性結(jié)構(gòu)8對稱分 布在內(nèi)圈彈性支撐梁或者外圈彈性支撐梁兩端且根據(jù)所處空間的扇形特性適形收口。
[0022] U形彈性結(jié)構(gòu)8的數(shù)量及長度根據(jù)平面彈性體需要承受的扭矩大小，可以通過仿 真，在滿足強度要求的前提下，使得彈性體的變形量最接近U形彈性結(jié)構(gòu)的極限變形量。
[0023] 外圈彈性支撐梁5的頂端所在圓弧面直徑小于或者等于U形彈性結(jié)構(gòu)8的開口端所 處圓弧面的直徑。圖中給出了外圈彈性支撐梁5的頂端與U形彈性結(jié)構(gòu)8的開口端處于同一 圓弧面的情形。內(nèi)圈彈性支撐梁6的頂端呈T形結(jié)構(gòu)，T形結(jié)構(gòu)兩側(cè)延徑向設(shè)置連接結(jié)構(gòu)，在 不發(fā)生干涉的前提下盡可能向圓心延伸，與U形彈性結(jié)構(gòu)連接，保證與之相連的U形彈性體 在強度允許的情況下，產(chǎn)生最大變形。這種設(shè)計能夠使得整個彈性體承受的轉(zhuǎn)矩盡可能的 傳遞到U形結(jié)構(gòu)的頂端并且沿垂直方向施加于U形結(jié)構(gòu)兩端，保證在滿足強度的要求下，彈 性體各變形處應(yīng)力分布較為均勻，整體最接近其極限變形量，在有限的空間下提高了承載 能力。
[0024] 彈性體采用高強度彈簧鋼材料，例如55Si2Mn、60Si2MnA、60Si2CrA等。
[0025]圖中，內(nèi)、外光孔3、4的數(shù)量為三個，實際過程中可以根據(jù)安裝需求，調(diào)整具體個 數(shù);對于不同的剛度需求，可以改變內(nèi)外徑比例，延長或縮短U形彈性結(jié)構(gòu)8的長度。
[0026]本發(fā)明的具體工作過程如下:平面彈性體內(nèi)圈光孔3固定，外圈光孔4旋轉(zhuǎn)，外圈彈 性支撐梁5壓縮一端波形變形體7,使四個U型彈性結(jié)構(gòu)8發(fā)生內(nèi)縮變形，同時外圈彈性支撐 梁5拉伸另一端波形變形體7,使另一端四個U型彈性結(jié)構(gòu)8產(chǎn)生外展變形，整個過程中，外圈 彈性支撐梁5和它兩端的內(nèi)圈彈性支撐梁6也會發(fā)生彈性變形，實現(xiàn)平面彈性體擁有高承載 的同時，能夠發(fā)生大角度的變形。實現(xiàn)將轉(zhuǎn)矩從驅(qū)動端柔順地傳遞到負載端，同時降低沖擊 負載對驅(qū)動器的影響，適用于高承載機器人串聯(lián)彈性驅(qū)動器。
[0027] 應(yīng)用例
[0028] 根據(jù)人體運動學(xué)，重載外骨骼機器人關(guān)節(jié)功率仿真與試驗數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，初步 設(shè)計串聯(lián)彈性體單片最大承載15Nm，最大承載時扭轉(zhuǎn)角度5度左右，即剛度為170Nm/rad左 右。尺寸參數(shù)受機器人關(guān)節(jié)限制，彈性體外徑小于70mm。實際應(yīng)用視具體情況單片彈性體能 夠多個并聯(lián)使用。
[0029] 在設(shè)計過程中根據(jù)彈性體外徑要求(小于70mm)，結(jié)合彈性體的具體安裝位置即彈 性體內(nèi)外光孔的位置確定，在剩余空間內(nèi)，按照上面描述的彈性體外圈1、彈性體內(nèi)圈2、內(nèi) 圈彈性支撐梁6、外圈彈性支撐梁5和波形變形體7的結(jié)構(gòu)及之間的關(guān)系，設(shè)置彈性體的初始 變量，例如設(shè)置某段梁的寬度，彈性體的厚度，U形U型彈性結(jié)構(gòu)8的個數(shù)及相應(yīng)尺寸等，然后 根據(jù)加工（線切割）的難易程度結(jié)合上述空間限制，確定每個參數(shù)的變化范圍，在ProE中建 立三維模型，導(dǎo)入Ansys進行有限元分析，在參數(shù)變化的范圍內(nèi)進行優(yōu)化迭代，使得最終確 定彈性體滿足扭矩要求，并且變形量接近極限變形量。
[0030] 最終確定的彈性體有關(guān)參數(shù)如下：

[0032]本發(fā)明未詳細說明部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識。
【主權(quán)項】
1. 一種適用于高承載機器人串聯(lián)彈性驅(qū)動器的平面彈性體，其特征在于:包括彈性體 外圈（1)、彈性體內(nèi)圈（2)、內(nèi)圈彈性支撐梁(6)、外圈彈性支撐梁(5)和波形變形體(7); 至少三個內(nèi)圈光孔(3)周向均布在彈性體內(nèi)圈（2)外端面，與內(nèi)圈光孔(3)數(shù)量一致的 外圈光孔(4)周向均布在彈性體外圈（1)的內(nèi)端面，內(nèi)圈光孔(3)與外圈光孔(4)交錯分布， 分別與負載和驅(qū)動器輸出端的連接； 內(nèi)圈光孔(3)徑向向外設(shè)置內(nèi)圈彈性支撐梁(6)，外圈光孔(4)徑向向內(nèi)設(shè)置外圈彈性 支撐梁(5)，內(nèi)圈彈性支撐梁(6)和外圈彈性支撐梁(5)之間通過波形變形體(7)連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面彈性體，其特征在于：內(nèi)圈彈性支撐梁(6)和外圈彈性支 撐梁(5)之間的波形變形體(7)由多個U形彈性結(jié)構(gòu)(8)組成，U形彈性結(jié)構(gòu)(8)首尾相連，U形 彈性結(jié)構(gòu)的開口端朝向彈性體內(nèi)圈（2)，U形彈性結(jié)構(gòu)(8)對稱分布在內(nèi)圈彈性支撐梁或者 外圈彈性支撐梁兩端且根據(jù)所處空間的扇形特性適形收口。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的平面彈性體，其特征在于:U形彈性結(jié)構(gòu)(8)的數(shù)量及長度根據(jù) 平面彈性體需要承受的扭矩大小，在滿足強度要求的前提下，最接近U形彈性結(jié)構(gòu)的極限變 形量。4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的平面彈性體，其特征在于:外圈彈性支撐梁(5)的頂端所在 圓弧面直徑小于等于U形彈性結(jié)構(gòu)(8)的開口端所處圓弧面的直徑。5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的平面彈性體，其特征在于：內(nèi)圈彈性支撐梁(6)的頂端與U 形彈性結(jié)構(gòu)(8)的圓弧頂端處于同一圓弧面。6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的平面彈性體，其特征在于:所述的內(nèi)圈彈性支撐梁(6)的頂 端呈T形結(jié)構(gòu)，T形結(jié)構(gòu)兩側(cè)延徑向設(shè)置連接梁，與U形彈性結(jié)構(gòu)相連。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面彈性體，其特征在于:所述的彈性體采用高強度彈簧鋼材 料。
【文檔編號】B25J17/00GK106078791SQ201610544421
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月12日
【發(fā)明人】劉旭亮, 鄭繼貴, 王春明, 朱曉榮, 盧二寶, 何程函, 郭雅靜
【申請人】北京精密機電控制設(shè)備研究所