[發明專利]用于串聯式彈性致動器的彎曲元件及相關方法

有效

• 申請號: 201380019809.2
• 申請日: 2013-04-09
• 公開（公告）號: CN104245247A
• 公開（公告）日: 2014-12-24
• 發明（設計）人: 約西亞·羅斯瑪琳;本·波克維茨
• 申請（專利權）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: 北京泛華偉業知識產權代理有限公司 11280
• 代理人: 譚彥聞;胡強

相關申請

本申請要求于2012年4月13日遞交的美國專利申請號US13/446,564的權益和優先權，在此其全部公開內容均被援引納入本文。

發明領域

本發明的各實施例總體涉及串聯式彈性致動器(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式彈性致動器(SEAs)。

背景技術

機器人被設計用于操縱物體并與環境相互作用。安全地檢測和控制機器人致動器施加到機器人元件和/或環境上的力避免了不必要的危害。傳統地，剛性致動器已被用于產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中的應用。

串聯式彈性致動器(SEAs)提供了更精確檢測和控制機器人力的經濟可行的方法。串聯式彈性致動器(SEAs)通常在機器人齒輪箱與從動負載之間使用順應元件，如圖1所示，以降低致動器的剛性。由于串聯式彈性致動器(SEA)具有相對高的順應性，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式彈性致動器中的順應元件。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系導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域處的滑移運動通常產生顯著摩擦。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，導致元件的多個部分的永久變形或疲勞失效。

因此，設計這樣的一種順應性的串聯式彈性致動器(SEA)仍然是一個挑戰，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)。

發明內容

在多個實施例中，本發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(如關節)之間和/或在機器人與環境之間的力。該弧形彎曲元件在施加力的作用下可產生均勻的應力或變形并呈現低能耗。根據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。這兩個端部區域可被夾緊在旋轉的機器人元件(例如齒輪箱臂或關節輸出機構)上。結果，在彎曲元件的端部區域處不發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，可應用“單沖壓”技術來制造彎曲元件，因此降低了制造成本；或者，可應用結合了多種制造工藝(如穿孔、壓印加工和切斷)的“級進模沖壓”技術來制造彎曲元件來提高生產效率和經濟性。

因此，一方面，本發明涉及機器人系統中的致動器。在多個實施例中，該致動器包括用于驅動負載的馬達、用于從馬達向負載傳遞力的齒輪傳動機構、用于檢測力并響應于該力而發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節，例如彎曲關節或扭轉關節的構件。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。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(如通孔)。此外，弧形元件可被如此構造，以使得在第一和第二端部之間的部段是懸空的、不與任何其它構件接觸。

機器人系統內的致動器還可包括第二弧形金屬元件，用于檢測力并響應于該力而發生變形；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于力而發生均勻變形。