一種模塊化機械臂柔性關節制造技術

本發明專利技術提出了一種模塊化機械臂柔性關節，包括關節輸入裝置、減速裝置、串聯彈性驅動器、關節輸出裝置、關節外殼及底座，所述關節輸入裝置的一端與減速裝置相連，另一端與底座相連，所述減速裝置與串聯彈性驅動器相連，所述串聯彈性驅動器與關節輸出裝置相連，所述關節輸出裝置與關節外殼相連。本發明專利技術將模塊化思想融入到柔性機械臂的設計中，根據實際需要可進行任意組合成不同自由度的柔性機械臂，通過測量圓盤式彈簧內外圈旋轉角度差估計關節輸出端力矩，圓盤式彈簧內外圈旋轉角度差轉化為直滑式位移傳感器進行測量。

Flexible joint of modular mechanical arm

The present invention provides a modular manipulator of flexible joint, including joint input device, a speed reducer, the series elastic actuator, joint output device, joint shell and a base, wherein one end of the joint input device is connected with the speed reducer, and the other end is connected to the base, the speed reducer is connected with the series elastic actuator. The series elastic actuator and joint output device is connected, the output device is connected with the joint shell joint. The modular idea into the design of the flexible manipulator, according to any combination of a flexible manipulator with different degrees of freedom of the actual needs, through the measurement of disc spring outer ring rotation angle estimation joint output torque, disc spring outer ring rotation angle difference into the sliding type displacement sensor for measuring.

【技術實現步驟摘要】
一種模塊化機械臂柔性關節
本專利技術屬于機器人
，特別涉及一種模塊化機器臂柔性關節。
技術介紹
傳統的工業機器人技術已經比較成熟，能夠實現較高精度的軌跡跟蹤和力控制。工業機器人的適用場合比較簡單，部分生產線人機交互程度低，對安全性的要求比較低。近幾年，人機協作機器人成為機器人的主要研究方向之一。學者圍繞機器人怎么直接和人類進行人機交互，一起協作完成一定任務而展開了大量的研究。限制協作機器人發展的主要因素是場合多變性，安全性能難以保證。為了實現機器人在未知環境下的可靠性和安全性，國內外提出柔性機器人的概念，其中串聯彈性驅動器就是柔性機器人的重要組成。對于傳統的工業機器人，要求驅動器剛性越大越好，響應速度越快越好。但是對于人機協作機器人，對安全性又提出了新的要求。現階段人機協作機器人一部分是采用一定的控制算法使得提高機器人的安全性，還有一部分是在機械結構中引入彈簧，在發生碰撞時，不僅保護了機器人本身，還同時保護了操作者的安全。同時，柔性機械臂關節也體現出來很多優勢，如能量消耗低、輸出響應快、適用范圍廣等優點。上述優點使得柔性機械臂關節成為國內外研究的熱點。目前國內研究的機械臂，由于各關節結構都大不相同，各關節無法完成組合和替換，靈活性較差，機械臂采用剛性連接，使得安全性低，環境適應性低，同時對電機輸出端力矩測量大多采用力矩傳感器，價格昂貴。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供了一種模塊化機械臂柔性關節，采用模塊化的設計思想，解決了現有機械臂關節結構都大不相同，各關節無法完成組合和替換，靈活性較差，機械臂采用剛性連接，使得安全性低，環境適應性低，同時對電機輸出端力矩測量大多采用力矩傳感器，價格昂貴的問題。本專利技術的目的通過以下技術方案實現：一種模塊化機械臂柔性關節，包括關節輸入裝置1、減速裝置2、串聯彈性驅動器3、關節輸出裝置4、關節外殼5及底座6；所述關節輸入裝置1的一端與減速裝置2相連，另一端與底座6相連，所述減速裝置2與串聯彈性驅動器3相連，所述串聯彈性驅動器3與關節輸出裝置4相連，所述關節輸出裝置4與關節外殼5相連；所述關節輸入裝置1包括無框中空電機轉子111、無框中空電機定子112、電機輸出軸113、無框中空電機固定套114、電機定子壓板套115、電機轉子壓板116、磁編碼器感應齒輪固定架121、磁編碼器感應齒輪122、磁編碼器感應頭123、磁編碼器感應頭固定架124、連接盤一131、連接盤二132及連接盤三133；所述減速裝置2包括諧波減速器波發生器21、諧波減速器柔輪22及諧波減速器剛輪23；所述串聯彈性驅動器3包括諧波減速器墊板31、圓盤式彈簧32、直滑式位移傳感器連接架331、直滑式位移傳感器調整塊332、直滑式位移傳感器333及直滑式位移傳感器固定架334；所述關節輸出裝置4包括關節輸出軸41、輸出法蘭盤42及十字交叉軸承43；所述關節外殼5包括關節外殼一51及關節外殼二52。優選地，所述磁編碼器感應齒輪122通過螺釘安裝于磁編碼器感應齒輪固定架121，磁編碼器感應齒輪固定架121和電機輸出軸113通過緊定螺釘進行周向固定，磁編碼器感應頭123通過螺釘安裝于磁編碼器感應頭固定架124，磁編碼器感應頭固定架124黏貼于電機定子壓板套115，無框中空電機轉子111一端通過電機輸出軸113軸肩軸向固定，另一端通過電機轉子壓板116壓緊，無框中空電機定子112一端通過無框中空電機固定套114軸肩軸向固定，另一端通過電機定子壓板套115壓緊；所述電機定子壓板套115與連接盤一131通過螺栓連接，連接盤一131、連接盤二132及連接盤三133依次連接用于連接關節輸入裝置1和底座6。優選地，所述諧波減速器波發生器21通過螺釘和電機輸出軸113固定，諧波減速器柔輪22通過螺釘和無框電機固定套114固定。優選地，所述圓盤式彈簧32、諧波減速器剛輪23、減速器墊板31三者通過螺釘固定在一起，直滑式位移傳感器固定架334一端和減速器墊板31黏貼在一起，另一端和直滑式位移傳感器333黏貼在一起，直滑式位移傳感器調整塊332和直滑式位移傳感器333黏貼在一起，直滑式位移傳感器連接架331和關節輸出軸41通過緊定螺釘進行周向固定。優選地，所述關節輸出軸41通過螺釘和圓盤式彈簧32固定在一起，關節輸出軸41通過螺釘和輸出法蘭盤42固定在一起，輸出法蘭盤42通過螺釘和關節外殼一51固定在一起，關節外殼一51通過螺栓和關節外殼二52固定在一起，十字交叉軸承43內圈分別采用無框中空電機固定套114軸肩和電機定子壓板套115軸肩進行軸向固定，十字交叉軸承43外圈分別采用關節外殼一51軸肩和關節外殼二52軸肩進行軸向固定。優選地，所述關節輸入裝置1采用無框中空電機作為動力源，采用磁編碼器對關節位置進行測量，磁編碼器、無框中空電機、電機輸出軸113三者聯動，均采用中空式結構；所述關節輸入裝置1、減速裝置2、串聯彈性驅動器3和關節輸出裝置4均為同軸度。優選地，所述減速裝置2中諧波減速器波發生器21通過螺釘和電機輸出軸113固定作為諧波減速器的輸入端，諧波減速器柔輪22通過螺釘和無框中空電機固定套114固定作為諧波減速器的固定端，諧波減速器剛輪23、減速器墊板31、圓盤式彈簧32三者通過螺釘固定在一起作為諧波減速器的輸出端。優選地，所述圓盤式彈簧32內外圈角度差是通過轉化為直線位移進行計算，其直線位移是通過直滑式位移傳感器333進行測量，通過圓盤式彈簧內外圈旋轉角度差對電機輸出端的力矩進行估計計算。優選地，所述直滑式位移傳感器333始終相切于圓盤式彈簧32的外圈光孔位置。本專利技術由于采取以上技術方案，其具有以下優點：1、本專利技術設計了一種新型的機械臂柔性關節，將模塊化思想融入到新型機械臂柔性關節的設計中，使得能夠任意的拼接成不同自由度的模塊化機械臂。合理的設計思路，將關節所有部件均集成在關節內部，將編碼器和傳感器布置在剩余的空間里，使空間得到合理的利用。在電機減速器輸出端引入串聯彈性驅動器，降低了機械臂的剛性，使得人機協作的安全性得到了提高。2、本專利技術整體采用中空結構，如編碼器、電機、減速器均采用中空型結構，方便內部走線。3、本專利技術采用了測量圓盤式彈簧內外圈旋轉角度差估計電機輸出端力矩，圓盤式彈簧內外圈位置信息是通過將旋轉信息轉化為直線位移信息，在利用直滑式位移傳感器進行測量計算，這樣使得測量精度得到提升，也更方便對機械臂關節進行力控制，同時采用直滑式位移傳感器，比力矩傳感器價格更便宜。相比于UniversalRobots公司的機械臂，我們的優勢是采用了在柔性關節處引入圓盤式彈簧，使得機械臂具有機械上的柔性，而UR機械臂采用控制電流的方控制關節末端力矩大小，電流本身帶有不穩定因素，精度相對較差，魯棒性差。4、本專利技術采用直滑式位移傳感器固定架和減速器墊板采用膠黏的方式，裝配簡單。5、本專利技術采用特殊結構的法蘭盤輸出，方便拆卸和裝配。6、本專利技術采用密封圈材質為橡膠材料，富有彈性和回彈性，易加工成型，性能穩定。7、本專利技術采用整體結構緊湊，安裝方便，外殼采用硬鋁，質量體積小。8、本專利技術采用電機驅動，無需外接氣缸等大體積設備來提供動力。附圖說明圖1是本專利技術模塊化機械臂柔性關節整體剖視圖；圖2是本專利技術模塊化機械臂柔本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種模塊化機械臂柔性關節，其特征在于：包括關節輸入裝置(1)、減速裝置(2)、串聯彈性驅動器(3)、關節輸出裝置(4)、關節外殼(5)及底座(6)；所述關節輸入裝置(1)的一端與減速裝置(2)相連，另一端與底座(6)相連，所述減速裝置(2)與串聯彈性驅動器(3)相連，所述串聯彈性驅動器(3)與關節輸出裝置(4)相連，所述關節輸出裝置(4)與關節外殼(5)相連；所述關節輸入裝置(1)包括無框中空電機轉子(111)、無框中空電機定子(112)、電機輸出軸(113)、無框中空電機固定套(114)、電機定子壓板套(115)、電機轉子壓板(116)、磁編碼器感應齒輪固定架(121)、磁編碼器感應齒輪(122)、磁編碼器感應頭(123)、磁編碼器感應頭固定架(124)、連接盤一(131)、連接盤二(132)及連接盤三(133)；所述減速裝置(2)包括諧波減速器波發生器(21)、諧波減速器柔輪(22)及諧波減速器剛輪(23)；所述串聯彈性驅動器(3)包括諧波減速器墊板(31)、圓盤式彈簧(32)、直滑式位移傳感器連接架(331)、直滑式位移傳感器調整塊(332)、直滑式位移傳感器(333)及直滑式位移傳感器固定架(334)；所述關節輸出裝置(4)包括關節輸出軸(41)、輸出法蘭盤(42)及十字交叉軸承(43)；所述關節外殼(5)包括關節外殼一(51)及關節外殼二(52)。...

【技術特征摘要】
1.一種模塊化機械臂柔性關節，其特征在于：包括關節輸入裝置(1)、減速裝置(2)、串聯彈性驅動器(3)、關節輸出裝置(4)、關節外殼(5)及底座(6)；所述關節輸入裝置(1)的一端與減速裝置(2)相連，另一端與底座(6)相連，所述減速裝置(2)與串聯彈性驅動器(3)相連，所述串聯彈性驅動器(3)與關節輸出裝置(4)相連，所述關節輸出裝置(4)與關節外殼(5)相連；所述關節輸入裝置(1)包括無框中空電機轉子(111)、無框中空電機定子(112)、電機輸出軸(113)、無框中空電機固定套(114)、電機定子壓板套(115)、電機轉子壓板(116)、磁編碼器感應齒輪固定架(121)、磁編碼器感應齒輪(122)、磁編碼器感應頭(123)、磁編碼器感應頭固定架(124)、連接盤一(131)、連接盤二(132)及連接盤三(133)；所述減速裝置(2)包括諧波減速器波發生器(21)、諧波減速器柔輪(22)及諧波減速器剛輪(23)；所述串聯彈性驅動器(3)包括諧波減速器墊板(31)、圓盤式彈簧(32)、直滑式位移傳感器連接架(331)、直滑式位移傳感器調整塊(332)、直滑式位移傳感器(333)及直滑式位移傳感器固定架(334)；所述關節輸出裝置(4)包括關節輸出軸(41)、輸出法蘭盤(42)及十字交叉軸承(43)；所述關節外殼(5)包括關節外殼一(51)及關節外殼二(52)。2.根據權利要求1所述的模塊化機械臂柔性關節，其特征在于：所述磁編碼器感應齒輪(122)通過螺釘安裝于磁編碼器感應齒輪固定架(121)，磁編碼器感應齒輪固定架(121)和電機輸出軸(113)通過緊定螺釘進行周向固定，磁編碼器感應頭(123)通過螺釘安裝于磁編碼器感應頭固定架(124)，磁編碼器感應頭固定架(124)黏貼于電機定子壓板套(115)，無框中空電機轉子(111)一端通過電機輸出軸(113)軸肩軸向固定，另一端通過電機轉子壓板(116)壓緊，無框中空電機定子(112)一端通過無框中空電機固定套(114)軸肩軸向固定，另一端通過電機定子壓板套(115)壓緊；所述電機定子壓板套(115)與連接盤一(131)通過螺栓連接，連接盤一(131)、連接盤二(132)及連接盤三(133)依次連接用于連接關節輸入裝置(1)和底座(6)。3.根據權利要求1所述的模塊化機械臂柔性關節，其特征在于：所述諧波減速器波發生器(21)通過螺釘和電機輸出軸(113)固定，...

【專利技術屬性】
技術研發人員：趙立軍，劉星，王珂，李瑞峰，羅盼，
申請(專利權)人：哈爾濱工業大學，
類型：發明
國別省市：黑龍江,23