一種適用于高承載機器人串聯彈性驅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彈性驅動器的平面彈性體，包括彈性體外圈(1)、彈性體內圈(2)、內圈彈性支撐梁(6)、外圈彈性支撐梁(5)和波形變形體(7)；至少三個內圈光孔(3)周向均布在彈性體內圈(2)外端面，與內圈光孔(3)數量一致的外圈光孔(4)周向均布在彈性體外圈(1)的內端面，內圈光孔(3)與外圈光孔(4)交錯分布，分別與負載和驅動器輸出端的連接；內圈光孔(3)徑向向外設置內圈彈性支撐梁(6)，外圈光孔(4)徑向向內設置外圈彈性支撐梁(5)，內圈彈性支撐梁(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彈性驅動器的平面彈性體
技術領域
[0001] 本發明屬于機器人技術領域，尤其適用于高承載的機器人串聯彈性關節。
【背景技術】
[0002] 隨著服務機器人、醫護機器人、康復助殘機器人以及助力機器人的快速發展，機器 人和人類之間的協作、交互以及用戶使用的安全性、舒適程度越來越成為人們關注的焦點； 目前，運用于機器人關節處的串聯彈性驅動器(Series Elastic Actuator，SEA)是解決機 器人與人交互協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動能力的 驅動設備，能夠使機器人具有人體肌肉的彈性和儲能特性。
[0003] 串聯彈性驅動器的性能直接決定這機器人系統的綜合性能，驅動器的彈性體直接 決定了機器人、機械臂的最大負載能力、功率等參數;傳統的SEA多采用直線彈簧作為直線 和扭轉輸出環節中的柔性環節，將彈簧串聯放置于驅動器出力端與負載之間，利用彈簧自 身的剛度實現驅動器的柔性，例如專利號CN102152319A彈性驅動轉動關節、CN101318331雙 串聯彈性驅動器等驅動關節，這類驅動器將彈簧安裝在直線行程中，在直線運動中增加了 剛度環節;又例如專利號CN104924320A，這類驅動器將彈簧安裝在旋轉關節處，通過旋轉運 動擠壓彈簧，這兩類基于螺旋彈簧的串聯彈性驅動器很難設計出空間小，重量輕和結構緊 湊的關節；目前國內也有幾種適用于機器人的關節的平面扭簧，例如專利號CN 102632508， 這種平面扭簧雖然設計緊湊，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彈性驅動器。
【發明內容】
[0004] 本發明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提供一種適用于高承載機器人 串聯彈性驅動器的平面彈性體。
[0005] 本發明的技術解決方案是:一種適用于高承載機器人串聯彈性驅動器的平面彈性 體，包括彈性體外圈、彈性體內圈、內圈彈性支撐梁、外圈彈性支撐梁和波形變形體;至少三 個內圈光孔周向均布在彈性體內圈外端面，與內圈光孔數量一致的外圈光孔周向均布在彈 性體外圈的內端面，內圈光孔與外圈光孔交錯分布，分別與負載和驅動器輸出端的連接；內 圈光孔徑向向外設置內圈彈性支撐梁，外圈光孔徑向向內設置外圈彈性支撐梁，內圈彈性 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形彈性結構組成，U 形彈性結構首尾相連，U形彈性結構的開口端朝向彈性體內圈，U形彈性結構對稱分布在內 圈彈性支撐梁或者外圈彈性支撐梁兩端且根據所處空間的扇形特性適形收口。
[0007] U形彈性結構的數量及長度根據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形彈性結構的極限變形量。
[0008] 外圈彈性支撐梁的頂端所在圓弧面直徑小于U形彈性結構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] 內圈彈性支撐梁的頂端與U形彈性結構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，最接近內圈彈性支撐梁的極限變形量。
[0010] 所述的內圈彈性支撐梁的頂端呈T形結構，保證內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，使梁更易產生彎曲變形。T形結構兩側延徑向設置連接結構， 與U形彈性結構連接，保證與之相連的U形彈性體在強度允許的情況下，產生最大變形。
[0011] 所述的彈性體采用高強度彈簧鋼材料。
[0012] 本發明與現有技術相比有益效果為：
[0013] (1)平面彈性體以內圈固定，外圈旋轉時，外圈彈性支撐梁壓縮一端波形變形體， 使四個U型彈性結構發生內縮變形，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型彈性結構產生外展變形，整個過程中，外圈彈性支撐梁和它兩端的內圈彈性支撐梁 也會發生彈性變形，實現平面彈性體擁有高承載的同時，能夠發生大角度的變形;本發明在 保證關節擁有柔順性的基礎上，充分利用空間，提高承載能力，適用于機器人串聯彈性關 To
[0014] (2)該彈性體放置與驅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，減少機器人關節驅動器受到的外部沖擊，使驅動關節具有儲能特性，降低關 節功率等級，減輕機器人關節重量，具有設計緊湊、安裝靈活方便的特點，減小驅動器的體 積。
[0015] (3)本發明通過對內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 轉矩盡可能的傳遞到U形結構的頂端并且沿垂直方向施加于U形結構兩端，在整個設計過程 中，通過合理配置U形結構寬度、收縮角度、間隔角度以及內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，彈性體內圈2，內圈光孔3，外圈光孔4，外圈彈性支撐梁5，內圈 彈性支撐梁6，波形變形體7，U型彈性結構8。
【具體實施方式】
[0019] 下面結合實例對本發明做詳細說明。
[0020] 如圖1、圖2所示，本發明由彈性體外圈1、彈性體內圈2、內、外圈彈性支撐梁5、6和 波形變形體7組成;彈性體內、外光孔3、4均勻分布內、外圈1、2上，實現與負載和驅動器輸出 端連接；內圈光孔3徑向對應內圈彈性支撐梁6,外圈光孔4徑向對應外圈彈性支撐梁5,波形 變形體7連接相鄰的兩個內、外圈彈性支撐梁5、6;每個波形變形體7由四個U形彈性結構8組 成，四個U形彈性結構8首尾相連，對稱分布在彈性支撐梁5、6兩端。
[0021] 內圈彈性支撐梁6和外圈彈性支撐梁5之間的波形變形體7由多個U形彈性結構8組 成，U形彈性結構8首尾相連，U形彈性結構的開口端朝向彈性體內圈2，U形彈性結構8對稱分 布在內圈彈性支撐梁或者外圈彈性支撐梁兩端且根據所處空間的扇形特性適形收口。
[0022] U形彈性結構8的數量及長度根據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形彈性結構的極限變形量。
[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形彈性結構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形彈性結構8的開口端處于同一 圓弧面的情形。內圈彈性支撐梁6的頂端呈T形結構，T形結構兩側延徑向設置連接結構，在 不發生干涉的前提下盡可能向圓心延伸，與U形彈性結構連接，保證與之相連的U形彈性體 在強度允許的情況下，產生最大變形。這種設計能夠使得整個彈性體承受的轉矩盡可能的 傳遞到U形結構的頂端并且沿垂直方向施加于U形結構兩端，保證在滿足強度的要求下，彈 性體各變形處應力分布較為均勻，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、外光孔3、4的數量為三個，實際過程中可以根據安裝需求，調整具體個 數;對于不同的剛度需求，可以改變內外徑比例，延長或縮短U形彈性結構8的長度。
[0026]本發明的具體工作過程如下:平面彈性體內圈光孔3固定，外圈光孔4旋轉，外圈彈 性支撐梁5壓縮一端波形變形體7,使四個U型彈性結構8發生內縮變形，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型彈性結構8產生外展變形，整個過程中，外圈 彈性支撐梁5和它兩端的內圈彈性支撐梁6也會發生彈性變形，實現平面彈性體擁有高承載 的同時，能夠發生大角度的變形。實現將轉矩從驅動端柔順地傳遞到負載端，同時降低沖擊 負載對驅動器的影響，適用于高承載機器人串聯彈性驅動器。
[0027] 應用例
[0028] 根據人體運動學，重載外骨骼機器人關節功率仿真與試驗數據的分析結果，初步 設計串聯彈性體單片最大承載15Nm，最大承載時扭轉角度5度左右，即剛度為170Nm/rad左 右。尺寸參數受機器人關節限制，彈性體外徑小于70mm。實際應用視具體情況單片彈性體能 夠多個并聯使用。
[0029] 在設計過程中根據彈性體外徑要求(小于70mm)，結合彈性體的具體安裝位置即彈 性體內外光孔的位置確定，在剩余空間內，按照上面描述的彈性體外圈1、彈性體內圈2、內 圈彈性支撐梁6、外圈彈性支撐梁5和波形變形體7的結構及之間的關系，設置彈性體的初始 變量，例如設置某段梁的寬度，彈性體的厚度，U形U型彈性結構8的個數及相應尺寸等，然后 根據加工（線切割）的難易程度結合上述空間限制，確定每個參數的變化范圍，在ProE中建 立三維模型，導入Ansys進行有限元分析，在參數變化的范圍內進行優化迭代，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參數如下：
[0032]本發明未詳細說明部分屬于本領域技術人員公知常識。
【主權項】
1. 一種適用于高承載機器人串聯彈性驅動器的平面彈性體，其特征在于:包括彈性體 外圈（1)、彈性體內圈（2)、內圈彈性支撐梁(6)、外圈彈性支撐梁(5)和波形變形體(7); 至少三個內圈光孔(3)周向均布在彈性體內圈（2)外端面，與內圈光孔(3)數量一致的 外圈光孔(4)周向均布在彈性體外圈（1)的內端面，內圈光孔(3)與外圈光孔(4)交錯分布， 分別與負載和驅動器輸出端的連接； 內圈光孔(3)徑向向外設置內圈彈性支撐梁(6)，外圈光孔(4)徑向向內設置外圈彈性 支撐梁(5)，內圈彈性支撐梁(6)和外圈彈性支撐梁(5)之間通過波形變形體(7)連接。2. 根據權利要求1所述的平面彈性體，其特征在于：內圈彈性支撐梁(6)和外圈彈性支 撐梁(5)之間的波形變形體(7)由多個U形彈性結構(8)組成，U形彈性結構(8)首尾相連，U形 彈性結構的開口端朝向彈性體內圈（2)，U形彈性結構(8)對稱分布在內圈彈性支撐梁或者 外圈彈性支撐梁兩端且根據所處空間的扇形特性適形收口。3. 根據權利要求2所述的平面彈性體，其特征在于:U形彈性結構(8)的數量及長度根據 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形彈性結構的極限變 形量。4. 根據權利要求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形彈性結構(8)的開口端所處圓弧面的直徑。5. 根據權利要求1或2所述的平面彈性體，其特征在于：內圈彈性支撐梁(6)的頂端與U 形彈性結構(8)的圓弧頂端處于同一圓弧面。6. 根據權利要求1或2所述的平面彈性體，其特征在于:所述的內圈彈性支撐梁(6)的頂 端呈T形結構，T形結構兩側延徑向設置連接梁，與U形彈性結構相連。7. 根據權利要求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備研究所