一种带弹性力矩补偿元件的一体化关节制造技术

本实用新型专利技术提供了一种带弹性力矩补偿元件的一体化关节，包括：电机、角度编码器、减速箱、力矩传感器、弹性元件；其中，弹性元件安装在减速箱外壳和减速箱输出轴之间，力矩传感器安装在加速箱和负载之间。本实用新型专利技术的有益效果：电机和减速箱所输出的力矩中间值为0，可以用更小的电机和减速箱输出更大的有效工作力矩；在减速箱输出轴和壳体之间加装弹性元件，组成一体化关节，机械腿成为连杆加一体化关节的组合，机械腿和行走系统的搭建和控制更为简便；力矩传感器可以安装在经过弹性元件补偿的关节输出端之后，从而可以反馈关节实际输出力矩，令对此类一体化关节的力矩、位置、速度以及力位、力位速控制成为可能。

An integrated joint with elastic moment compensation element

The utility model provides an integrated joint with an elastic moment compensation element, which comprises a motor, an angle encoder, a reduction gearbox, a moment sensor and an elastic element, wherein the elastic element is installed between the reduction gearbox shell and the output shaft of the reduction gearbox, and the moment sensor is installed between the acceleration gearbox and the load. The beneficial effect of the utility model: the middle value of the torque output by the motor and the reducer is 0, and the smaller motor and the reducer can be used to output the greater effective working torque; the elastic element is added between the output shaft of the reducer and the shell to form an integrated joint, the mechanical leg becomes a combination of a connecting rod and an integrated joint, and the construction and control of the mechanical leg and the walking system are more simple; the force The moment sensor can be installed at the joint output end compensated by the elastic element, so that the actual output moment of the joint can be fed back, which makes it possible to control the moment, position, speed, force position and force position of this kind of integrated joint.

【技术实现步骤摘要】
一种带弹性力矩补偿元件的一体化关节
本技术涉及一种机械关节，具体涉及一种带弹性力矩补偿元件的一体化关节，主要适用于机械腿的关节处，属于机器人

技术介绍
智能移动机器人领域内，足式移动机器人，特别是双足步行机器人因其绝佳的越障能力和环境融入能力备受推崇。其中，发挥重要作用的是机械腿。通常，机械腿用来模拟人或者动物的腿的结构，呈现为“关节回转驱动机构+关节间连杆”的结构形式，即在腿需要运动位置上布置相互解耦的关节，每个关节可以提供一个转动自由度，再通过连杆将各个关节以串联或者并联形式连接成机械腿。目前的技术中，由于步行的需要以及机械腿的特定构造，机械腿上主要受力的关节(如脚腕、脚踝、髋关节等)，受到的载荷中间值不为零。由于关节设计时，要考虑载荷绝对值的最大值来选型，载荷中间值不为零会令电机、减速箱的选型偏向较大的扭矩侧，造成电机减速箱的能力浪费，也间接加大了对电机和减速箱的需求。一个直接的解决方法是在关节上增加弹性元件，令关节实际输出的载荷极值向两侧均衡。然而弹性元件的引入，也令机械腿系统中加入了非线性因素，且由于传统方式布置的传感器在电机或者减速箱输出位置，无法测量由弹性元件带入的力矩，因而不能反馈弹簧干扰的影响。由于在机械腿控制中，真正关心关节的输出力矩和关节的位置，因此必须能够反馈关节的输出力矩(其中包含了弹性元件的影响)，以及关节位置。
技术实现思路
本技术要解决的技术问题：(1)机械关节受到的载荷的中间值不为0，造成驱动机构选型偏大，降低了关节的负载能力；>(2)为解决上述问题(1)，加装的弹性元件抵消部分的负载力矩，但弹性元件的引入会带入一个附加力矩，这个力矩在传统的反馈系统中无法采集，因而控制系统无法控制。本技术提出了一种满足了上述要求的一体化关节机构，具体技术方案如下：一种带弹性力矩补偿元件的一体化关节，包括：电机，电机包括电机定子、电机转子和电机输出轴；减速箱，减速箱包括减速箱外壳、减速箱输入轴和减速箱输出轴；其中，减速箱外壳与电机定子固定连接，减速箱输入轴与电机转子固定连接；减速箱输出轴经过力矩传感器与负载连接，且负载与输出轴之间没有宏观相对运动；角度编码器，角度编码器由定盘和动盘组成；其中，定盘与电机定子相连，动盘与电机转子相连；弹性元件，弹性元件的第一端与减速箱外壳相连，弹性元件的第二端与减速箱输出轴相连；力矩传感器，力矩传感器安装在减速箱输出轴和负载之间，并连接减速箱输出轴与负载，令减速箱输出轴与负载之间没有宏观相对运动；控制系统，控制系统接收角度编码器与力矩传感器的测量数据，并用于控制关节。进一步地，控制系统包含针对弹性元件的力矩预估模块；力矩预估模块以角度编码器的测量数据作为输入，根据关节力学特性，计算引入弹性元件后对关节系统的影响，输出给控制系统的力矩控制模块。进一步地，弹性元件在关节运动过程中，产生预估力矩并与关节的负载力矩部分或全部抵消。弹性元件利用自身可恢复的弹性变形输出预估力矩。弹性形变是指拉伸、压缩、扭转或弯曲。进一步地，弹性元件选自涡卷弹簧、螺旋弹簧、皮筋中的一种或几种。更进一步地，弹性元件选用涡卷弹簧。涡卷弹簧由锁止组件控制预紧程度，锁止组件由固定锁止块和滑动锁止块组成；滑动锁止块滑动安装在减速箱外壳，并限制涡卷弹簧的第一端与减速箱外壳的相对运动；滑动锁止块与减速箱外壳相对滑动，进而带动涡卷弹簧的预紧；固定锁止块固定安装在减速箱输出轴，并限制涡卷弹簧的第二端与减速箱输出轴的相对运动。进一步地，在减速箱输出轴的侧缘上设置用于容纳涡卷弹簧的安装槽。进一步地，减速箱外壳同时作为固定电机定子的器件。本技术的有益效果：(1)令电机和减速箱所输出的力矩中间值为0，从而提高电机、减速箱等传动机构的利用率，可以用更小的电机和减速箱输出更大的有效工作力矩；(2)利用弹性元件补偿，提高关节能力的同时，利用在减速箱的输出轴和壳体之间加装弹性元件的手段，令关节结构紧凑，组成一体化关节；(3)由于采用紧凑结构，力矩传感器可以安装在经过弹性元件补偿的关节输出端之后，从而可以反馈关节实际输出力矩，令对此类一体化关节的力矩、位置、速度，以及力位、力位速控制成为可能；(4)组合灵活，机械腿成为连杆加一体化关节的组合，令机械腿和行走系统的搭建和控制更为简便。附图说明图1是本技术一个较佳实施例中的一体化关节的整体结构示意图；图2是图1中一体化关节的侧面结构示意图；图3是图1中一体化关节的剖切结构示意图；图4是本技术一个较佳实施例中使用扭转弹簧的关节结构示意图；图5是本技术另一个较佳实施例中使用皮筋的关节结构示意图；图6是图5中右侧视角的关节结构示意图；图7是图5中左侧视角的关节结构示意图；图8是现有技术中一种关节结构的工作流程图；图9是现有技术中另一种关节结构的工作流程图；图10是本技术一个较佳实施例中的一体化关节的工作流程图。图11是本技术一个较佳实施例中的一体化关节的控制系统的工作流程图。图例说明：1减速箱外壳2减速箱输入轴3弹性元件4力矩传感器5减速箱输出轴6连杆负载7角度编码器动盘8角度编码器定盘9电机定子10电机转子11扭转弹簧12弹簧固定件13皮筋14皮筋15皮筋固定件具体实施方式为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本技术的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本技术附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本技术实施例的目的。在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。本技术中的关节，指的是驱动机械腿运动的驱动装置，该关节上安装有电机和传动机构。如图8所示，为现有技术中的力控关节的结构，电机为动力输入器件，其输出的扭矩经过减速箱放大后，作用在负载上，减速箱输出扭矩的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种带弹性力矩补偿元件的一体化关节，其特征在于，包括：/n电机，所述电机包括电机定子、电机转子和电机输出轴；/n减速箱，所述减速箱包括减速箱外壳、减速箱输入轴和减速箱输出轴；其中，所述减速箱外壳与所述电机定子固定连接，所述减速箱输入轴与所述电机转子固定连接；所述减速箱输出轴经过力矩传感器与负载连接，且负载与输出轴之间没有宏观相对运动；/n角度编码器，所述角度编码器由定盘和动盘组成；其中，所述定盘与所述电机定子相连，所述动盘与所述电机转子相连；/n弹性元件，所述弹性元件的第一端与所述减速箱外壳相连，所述弹性元件的第二端与所述减速箱输出轴相连；所述弹性元件利用自身可恢复的弹性形变输出预估力矩；/n力矩传感器，所述力矩传感器安装在所述减速箱输出轴和所述负载之间，并连接所述减速箱输出轴与所述负载，令所述减速箱输出轴与所述负载之间没有宏观相对运动；/n控制系统，所述控制系统接收所述角度编码器与所述力矩传感器的测量数据，并用于控制所述关节。/n

【技术特征摘要】
1.一种带弹性力矩补偿元件的一体化关节，其特征在于，包括：
电机，所述电机包括电机定子、电机转子和电机输出轴；
减速箱，所述减速箱包括减速箱外壳、减速箱输入轴和减速箱输出轴；其中，所述减速箱外壳与所述电机定子固定连接，所述减速箱输入轴与所述电机转子固定连接；所述减速箱输出轴经过力矩传感器与负载连接，且负载与输出轴之间没有宏观相对运动；
角度编码器，所述角度编码器由定盘和动盘组成；其中，所述定盘与所述电机定子相连，所述动盘与所述电机转子相连；
弹性元件，所述弹性元件的第一端与所述减速箱外壳相连，所述弹性元件的第二端与所述减速箱输出轴相连；所述弹性元件利用自身可恢复的弹性形变输出预估力矩；
力矩传感器，所述力矩传感器安装在所述减速箱输出轴和所述负载之间，并连接所述减速箱输出轴与所述负载，令所述减速箱输出轴与所述负载之间没有宏观相对运动；
控制系统，所述控制系统接收所述角度编码器与所述力矩传感器的测量数据，并用于控制所述关节。


2.根据权利要求1所述的一种带弹性力矩补偿元件的一体化关节，其特征在于，在所述关节运动过程中，所述预估力矩与所述关节的负载力矩部分或全部抵消。


3.根据权利要求1所述的一种带弹性力矩补...

【专利技术属性】
技术研发人员：张戬杰，
申请(专利权)人：上海岭先机器人科技股份有限公司，
类型：新型
国别省市：上海;31