[發(fā)明專利]用于串聯(lián)式彈性致動器的彎曲元件及相關(guān)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201380019809.2
• 申請日: 2013-04-09
• 公開（公告）號: CN104245247A
• 公開（公告）日: 2014-12-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 約西亞·羅斯瑪琳;本·波克維茨
• 申請（專利權(quán)）人: 睿信科機器人有限公司;約西亞·羅斯瑪琳;本·波克維茨
• 主分類號: B25J13/08
• 分類號: B25J13/08;B25J17/00
• 代理公司: 北京泛華偉業(yè)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11280
• 代理人: 譚彥聞;胡強

相關(guān)申請

本申請要求于2012年4月13日遞交的美國專利申請?zhí)朥S13/446,564的權(quán)益和優(yōu)先權(quán)，在此其全部公開內(nèi)容均被援引納入本文。

發(fā)明領(lǐng)域

本發(fā)明的各實施例總體涉及串聯(lián)式彈性致動器(SEAs)，且尤其涉及制造成本低且在機器人操作過程中能量損耗最小化的串聯(lián)式彈性致動器(SEAs)。

背景技術(shù)

機器人被設(shè)計用于操縱物體并與環(huán)境相互作用。安全地檢測和控制機器人致動器施加到機器人元件和/或環(huán)境上的力避免了不必要的危害。傳統(tǒng)地，剛性致動器已被用于產(chǎn)生可被力傳感器測得的、大的力/扭矩。但由剛性致動器施加的力很難精確測量：傳感器檢測到的撓曲小誤差可能導(dǎo)致大的力誤差。因此，可能需要昂貴的高精度的力傳感器與剛性致動器協(xié)同工作。此外，剛性致動器通常不能吸收震動荷載，從而限制了它們在機器人系統(tǒng)中的應(yīng)用。

串聯(lián)式彈性致動器(SEAs)提供了更精確檢測和控制機器人力的經(jīng)濟可行的方法。串聯(lián)式彈性致動器(SEAs)通常在機器人齒輪箱與從動負載之間使用順應(yīng)元件，如圖1所示，以降低致動器的剛性。由于串聯(lián)式彈性致動器(SEA)具有相對高的順應(yīng)性，其在力/扭矩作用下的撓曲大且因此易于測量。因此基于位置撓曲、利用例如胡克定律的力計算精確度高。高順應(yīng)性的SEA降低了該致動器對SEA位置撓曲的小變化的敏感性；可應(yīng)用反饋回路來精確控制致動器達到所期望的輸出力/扭矩。

許多配置，包括扭簧、拉簧、平面彎曲元件和其它彈性元件已被用作串聯(lián)式彈性致動器中的順應(yīng)元件。扭簧通常不具有足夠的剛度；扭簧的撓曲可能較大并且由于大撓曲的力和變形量之間的非線性關(guān)系導(dǎo)致在力測量中的誤差。此外，大變形量可顯著增加庫倫摩擦力和/或其它非守恒力，從而消耗額外的能量。拉簧因在彈簧端部區(qū)域處的滑移運動通常產(chǎn)生顯著摩擦。平面彎曲元件能夠提供所期望的剛度和元件撓曲度。但這些元件的制造方法通常昂貴且所施加的力可能是非均勻地分布于其上，導(dǎo)致元件的多個部分的永久變形或疲勞失效。

因此，設(shè)計這樣的一種順應(yīng)性的串聯(lián)式彈性致動器(SEA)仍然是一個挑戰(zhàn)，即其制造成本低、能量損失(例如因摩擦)有限且達到所期望的剛度和可檢測的位置撓曲之間的最佳平衡同時不超出材料的疲勞極限(或線性力范圍)。

發(fā)明內(nèi)容

在多個實施例中，本發(fā)明涉及很好適用于機器人用途的弧形金屬彎曲元件，如用于檢測在機器人元件(如關(guān)節(jié))之間和/或在機器人與環(huán)境之間的力。該弧形彎曲元件在施加力的作用下可產(chǎn)生均勻的應(yīng)力或變形并呈現(xiàn)低能耗。根據(jù)本文的彎曲元件可在長度上具有非均勻的橫截面尺寸(通常為寬度)，從而所施加的力均勻地分布于其上。更具體地，彎曲元件的兩個末端可具有較寬的橫截面寬度，而彎曲元件的中間部段可具有較窄的橫截面寬度。這兩個端部區(qū)域可被夾緊在旋轉(zhuǎn)的機器人元件(例如齒輪箱臂或關(guān)節(jié)輸出機構(gòu))上。結(jié)果，在彎曲元件的端部區(qū)域處不發(fā)生滑移運動且因此顯著降低了動摩擦。此外，由于僅彎曲元件上的兩端部區(qū)域被附接至機器人元件，故在該彎曲元件的其它部分中不存在摩擦且因此也不存在能量損耗。如本文所述，可應(yīng)用“單沖壓”技術(shù)來制造彎曲元件，因此降低了制造成本；或者，可應(yīng)用結(jié)合了多種制造工藝(如穿孔、壓印加工和切斷)的“級進模沖壓”技術(shù)來制造彎曲元件來提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟性。

因此，一方面，本發(fā)明涉及機器人系統(tǒng)中的致動器。在多個實施例中，該致動器包括用于驅(qū)動負載的馬達、用于從馬達向負載傳遞力的齒輪傳動機構(gòu)、用于檢測力并響應(yīng)于該力而發(fā)生變形的弧形金屬元件。該弧形金屬元件在施加力時的變形可以是沿其長度均勻的。該致動器還可包括限定出關(guān)節(jié)，例如彎曲關(guān)節(jié)或扭轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的構(gòu)件。該弧形金屬元件可以是或包括對向角大于180°的C形開口環(huán)。在多個實施例中，弧形金屬元件具有變化的橫截面尺寸且該弧形元件終止于第一端部和第二端部，第一端部和第二端部中的每個均包括用于幫助夾緊該元件的機構(gòu)(如通孔)。此外，弧形元件可被如此構(gòu)造，以使得在第一和第二端部之間的部段是懸空的、不與任何其它構(gòu)件接觸。

機器人系統(tǒng)內(nèi)的致動器還可包括第二弧形金屬元件，用于檢測力并響應(yīng)于該力而發(fā)生變形；這些元件可疊置。在一些實施例中，第二元件具有沿其長度變化的橫截面尺寸并且也響應(yīng)于力而發(fā)生均勻變形。