柔性机器人关节上能测力矩的紧凑型金属橡胶弹性元件

摘要

柔性机器人关节上能测力矩的紧凑型金属橡胶弹性元件，它涉及一种被动减振弹性元件。本发明为了解决现有抑制柔性机器人振动采用主动振动控制存在可靠性差；采用半主动振动控制需要额外增加电机等控制元件，存在体积大，构造复杂；采用普通橡胶材料做成的被动减振弹性元件存在性质不稳定、寿命有限。只采用金属橡胶无应变片设计的被动减振弹性元件不能准确估计力矩的问题。本发明的多个电阻式应变片安装在外圈基本体上，内圈基本体扣装在外圈基本体上，多个金属橡胶片安装在外圈基本体和内圈基本体扣合后所围合的区域空间内，挡板盖装在外圈基本体上。本发明用于柔性机器人关节的关节驱动，兼具力矩感知和被动减振作用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种旋转型减振弹性元件，具体涉及一种用于柔性机器人关节上的集力矩感知和减振特性于一体的被动减振弹性元件，属于机器人领域。

背景技术

随着机器人应用领域不断拓展，越来越多的机器人走出隔离间，工作在有人类存在的环境中，这对机器人运行的安全性提出了很高要求。为了保证人类的安全，采用串联弹性驱动器的柔性机器人不断问世。通过在机器人关节的电机减速器输出端和负载之间串联扭簧等柔性元件，减小了机器人的输出阻抗，提高了机器人的安全性。但是，机器人关节柔性的提高，使机器人运作时产生振动，从而大大降低了机器人位置控制的精确性。为了抑制机器人振动，可采用主动、半主动和被动三种减振方法。主动振动控制是利用控制算法减小振动，可靠性差。半主动振动控制需要额外增加电机等控制元件，体积大，构造复杂。哈尔滨工业大学机器人研究所曾设计多款被动减振的柔性元件，有的元件采用普通橡胶作为阻尼减振材料，结构简单，但橡胶材料本身性质不稳定，易氧化，在周期载荷作用下工作寿命有限，有的采用金属橡胶作为阻尼减震材料，但是弹性元件结构尺寸较大。同时，在受到周期性载荷时金属橡胶材料具有滞回特性，其承受的力矩和弹性变形不具有一一对应关系，因此不能准确估计其承受的力矩。

综上所述，现有抑制柔性机器人振动采用主动振动控制存在可靠性差的问题；采用半主动振动控制需要额外增加电机等控制元件，存在体积大，构造复杂的问题；采用普通橡胶材料做成的被动减振弹性元件存在性质不稳定、寿命有限的问题。只采用金属橡胶无应变片设计做成的被动减振弹性元件不能准确估计力矩的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有抑制柔性机器人振动采用主动振动控制存在可靠性差的问题；采用半主动振动控制需要额外增加电机等控制元件，存在体积大，构造复杂的问题；采用普通橡胶材料做成的被动减振弹性元件存在性质不稳定、寿命有限的问题。只采用金属橡胶无应变片设计做成的被动减振弹性元件不能准确估计力矩的问题。进而提供柔性机器人关节上能测力矩的紧凑型金属橡胶弹性元件。

本发明的技术方案是：柔性机器人关节上能测力矩的紧凑型金属橡胶弹性元件，它包括外圈基本体、内圈基本体、挡板、多个电阻式应变片和多个金属橡胶片，多个电阻式应变片安装在外圈基本体上，内圈基本体扣装在外圈基本体上，多个金属橡胶片安装在外圈基本体和内圈基本体扣合后所围合的区域空间内，挡板盖装在外圈基本体上。

进一步地，外圈基本体包括外圈、两个应变梁和两个外圈挡板，两个应变梁安装在外圈的内侧壁上，每个应变梁上安装有一个外圈挡板。

进一步地，两个应变梁对称安装在外圈的内侧壁上。

进一步地，每个应变梁的两侧各安装有一个电阻式应变片。

进一步地，外圈的圆周壁上开设多个外圈连接通孔。

进一步地，内圈基本体包括内圈、内圈底板和两个内圈挡板，内圈安装在内圈底板上，且内圈位于内圈底板的中心，两个内圈挡板安装在内圈外侧的内圈底板上。

进一步地，两个内圈挡板对称安装在内圈外侧的内圈底板上。

进一步地，两个内圈挡板与两个外圈挡板相互交错设置。

进一步地，内圈的圆周壁上开设多个内圈连接通孔。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1、本发明采用金属橡胶材料作为阻尼减振材料，与普通橡胶相比，其利用金属丝间的摩擦产生阻尼，阻尼特性更大，减振效果更好，且其物理性质更稳定，使用寿命更长。同时作为被动减振方案，使得本发明结构简单，工作可靠，是理想的振动控制方案。

2、本发明由于采用金属橡胶，本发明的弹性元件能产生10°以上变形，赋予机器人关节更大的柔性。

3、本发明的金属橡胶具有非线性刚度特性，采用本发明的机器人关节能实现更大的力矩输出范围和刚度调节范围。

4、本发明设计有应变梁，其上贴有电阻式应变片，能够感知弹性元件承受的扭转载荷，起到力矩传感器的作用。即本发明弹性元件是集柔性变形和力矩感知于一体的。

5、本发明的整体结构为盘状结构，使得本发明的体积小，其径向尺寸与普通机器人关节相当，轴向尺寸由所驱动负载决定，本发明目前直径为15mm，结构简单，容易实现紧凑化、集成化、模块化设计。

6、本发明具有较大的输出力矩，能够驱动大负载。由于采用模块化设计，通过弹性元件串联连接，能实现几十Nm到几百Nm的扭矩输出。

附图说明

图1为本发明装配图的剖面视图；图2为本发明的爆炸视图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式的柔性机器人关节上能测力矩的紧凑型金属橡胶弹性元件，它包括外圈基本体1、内圈基本体2、挡板5、多个电阻式应变片4和多个金属橡胶片3，多个电阻式应变片4安装在外圈基本体1上，内圈基本体2扣装在外圈基本体1上，多个金属橡胶片3安装在外圈基本体1和内圈基本体2扣合后所围合的区域空间内，挡板5盖装在外圈基本体1上。

本实施方式在结构上采用盘状设计。

本实施方式的多个电阻式应变片4采用激光焊接技术粘贴在外圈基本体1上。安装更加牢固，而且便于保证电阻式应变片4的测量精度。

具体实施方式二：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式的外圈基本体1包括外圈1-1、两个应变梁1-2和两个外圈挡板1-3，两个应变梁1-2安装在外圈1-1的内侧壁上，每个应变梁1-2上安装有一个外圈挡板1-3。如此设置，结构简单，便于节省空间。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

本实施方式的外圈1-1、两个应变梁1-2和两个外圈挡板1-3制成一体。结构简单，便于生产制造。

本实施方式的外圈挡板1-3为槽形挡板，将应变梁1-2包裹起来，同时外圈挡板1-3的两个侧面能够对金属橡胶片3起到限位和挤压作用，外圈挡板1-3的底端弧面部分能够与内圈基本体2的内圈2-1的外侧壁配合，能够有效节省装配后的空间体积。而且还能够为对金属橡胶片3的安装提供更好的限位，便于金属橡胶片3发挥最好的减振作用。

具体实施方式三：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式的两个应变梁1-2对称安装在外圈1-1的内侧壁上。如此设置，便于测量机器人关节的力矩。其它组成和连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式的每个应变梁1-2的两侧各安装有一个电阻式应变片4。如此设置，便于电阻式应变片4准确测量。其它组成和连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式的外圈1-1的圆周壁上开设多个外圈连接通孔1-1-1。如此设置，便于与内圈基本体2和挡板5连接。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式的内圈基本体2包括内圈2-1、内圈底板2-2和两个内圈挡板2-3，内圈2-1安装在内圈底板2-2上，且内圈2-1位于内圈底板2-2的中心，两个内圈挡板2-3安装在内圈2-1外侧的内圈底板2-2上。如此设置，结构简单，内圈2-1便于内嵌到外圈1-1内。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

本实施方式的内圈2-1、内圈底板2-2和两个内圈挡板2-3制成一体。

具体实施方式七：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式的两个内圈挡板2-3对称安装在内圈2-1外侧的内圈底板2-2上。如此设置，便于为金属橡胶片3的安装提供独立的安装空间。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

具体实施方式八：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式的两个内圈挡板2-3与两个外圈挡板1-3相互交错设置。如此设置，防止两个内圈挡板2-3与两个外圈挡板1-3之间发生干涉，影响金属橡胶片3的安装。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。

具体实施方式九：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式的内圈2-1的圆周壁上开设多个内圈连接通孔2-1-1。如此设置，用于与机器人关节负载端相连。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七或八相同。

本发明的工作原理：

在机器人关节中，电机输出的动力经减速器传到弹性元件的内圈2-1上，内圈2-1是弹性元件的动力输入端口。动力传递到内圈刚体2-1后，经由内圈挡板2-2、金属橡胶片3、外圈挡板1-3、应变梁1-2传递到外圈1-1上。由于金属橡胶片3的弹性作用，整个弹性元件在动力传递过程中会产生弹性变形，赋予机器人柔性特性。由于金属橡胶片3具有阻尼特性，在动力传递的过程中会损耗掉部分能量，实现了弹性元件被动减振功能。同时，应变梁1-2上贴有电阻式应变片4，能够感知弹性元件承受的力矩，起到扭矩传感器的作用。