[發明專利]一種混合控制的柔性關節

有效

• 申請號: 201410070478.1
• 申請日: 2014-02-28
• 公開（公告）號: CN103817694A
• 公開（公告）日: 2014-05-28
• 發明（設計）人: 朱秋國;熊蓉
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: B25J9/18
• 分類號: B25J9/18;B25J19/00
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

技術領域

本發明涉及機器人技術領域，具體涉及一種混合控制的柔性關節。

背景技術

經過近60年的發展，工業機器人的技術已經比較成熟，并在眾多領域得到了廣泛的應用。但目前工業機器人的智能化程度偏低，在實際工業生產中，工業機器人與操作人員必須物理隔離，這樣可以保證生產過程中操作人員的人身安全，卻無法通過人機協作提高作業效率，阻礙了工業機器人在中小企業以及高端裝配中的推廣應用。近些年，以KUKA、ABB和BAXTER為代表的機器人公司，已經立足全新一代工業機器人交互方式的研發，人機協作已經成為新一代工業機器人智能化的目標和代表。因此，提高機器人的智能化水平，實現機器人與人協助的安全性，對我國機器人產業的發展具有重要的戰略意義。

設計一種具有順從性的柔性關節是提升機器人智能化水平和實現人機安全交互的物理基礎。1995年，Gill?Pratt等人發表論文“Series?Elastic?Actuator”（串聯彈性驅動關節）之后，提出了在執行器輸出端與負載之間串聯一個彈簧，通過檢測兩者的轉動角度差（或位置差），乘以彈簧的彈性系數，便可得到施加在負載上的力矩，這種方式較好地實現了關節的力矩控制。其中，串聯的彈簧還能作為抵抗外部沖擊的濾波器，因此在抗擊外部沖擊時具有一定的優勢。這種串聯彈性關節在MIT實驗室的雙足機器人和六自由度機械臂中得到了應用。

時隔20年，當人們又開始把目光聚焦在柔性關節時，需要面臨兩個問題：第一、由于串聯彈性驅動器需要檢測兩個部位的角度差，通常會采用兩個角度傳感器，使得結構設計比較復雜，成本較高；第二、通過控制力或力矩來實現關節的位置軌跡跟蹤，這比沒有串聯彈簧時的控制要難得多。

如申請公布號為CN102632509A的專利文獻公開了一種具有力反饋控制的彈性驅動模塊化關節，它包括關節傳動裝置和力信號檢測裝置兩部分，其中力信號檢測裝置由彈性扭簧、第一絕對式角度傳感器和第二絕對式角度傳感器組成；第一絕對式角度傳感器由第一轉子和第一定子組成，第一轉子通過波形墊圈和卡簧固定在輸出軸上，第一定子經過安裝扣固定在關節外殼上，第二絕對式角度傳感器由第二轉子和第二定子組成，第二轉子通過端蓋法蘭固定在輸出端蓋上，第二定子經套筒固定在關節法蘭上。通過兩個絕對式角度傳感器能測量出彈性扭簧的角度差，但是這會使得結構設計比較復雜，成本較高；且彈性扭簧沒有限位裝置，如果扭矩超出限定范圍，會導致扭簧過度扭轉，極大的影響了測量的精度。

發明內容

針對上述問題，本發明提供了一種混合控制的柔性關節。這種柔性關節結合了實際應用的需求，解決了現有柔性關節設計復雜、成本高和沒有限位裝置的問題。

本發明采取的技術方案如下:

一種混合控制的柔性關節，包括：

帶有諧波傳動減速器的電機；

與所述諧波傳動減速器的輸出軸相連的扭簧；

受所述扭簧驅動的旋轉機構；

用于測試旋轉機構扭矩的測量機構；

所述測量機構由用于測量電機轉軸轉角的電機編碼器，以及用于測量旋轉機構轉角的絕對式角度傳感器構成。

所述諧波傳動減速器包括波發生器、剛輪、柔輪，所述柔輪連接有輸出軸。

所述絕對式角度傳感器包括相互配合的傳感器轉子和傳感器定子，傳感器定子固定在電機殼體上，傳感器轉子固定在旋轉機構上。

作為優選，所述扭簧包括：

外環，與電機殼體的內壁轉動配合；

內環，與所述諧波傳動減速器的輸出軸固定；

若干彈性體，固定在外環和內環之間，所述彈性體沿內環周沿均勻分布，彈性體為往復折彎的帶狀。扭簧可以為關節提高了柔順和存儲能量的機制，而往復折彎的帶狀的彈性體加工、安裝方便，在扭簧內外環相互轉動時，可靠性好、精度高。

所述旋轉機構包括傳動盤，所述傳動盤與所述外環固定。扭簧通過轉動盤來驅動旋轉機構。

作為優選，所述外環和內環之間設有用于限定極限轉角的限位索。限位索有一定的長度，在外環和內環轉動到一定位置時，限位索被拉直從而限制外環和內環進一步相對轉動，防止扭矩過大時對扭簧產生破壞，從而起到限位保護的作用。

作為優選，所述殼體內壁設有延伸至外環和內環之間的限位塊。在外環和內環轉動到一定位置時，彈性體與限位塊接觸，從而限制外環和內環進一步相對轉動。

作為優選，所述限位塊上套設有緩沖套。起到緩沖作用，保護彈性體和限位塊。

作為優選，電機轉軸遠離旋轉機構的一端為穿出電機殼體的延伸段；

所述電機編碼器包括：