一种带弹性力矩补偿元件的一体化关节的制作方法

本实用新型涉及一种机械关节，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，属于机器人技术领域。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题：

(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。

本实用新型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。

本实用新型的有益效果：

(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是本实用新型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是本实用新型一个较佳实施例中使用扭转弹簧的关节结构示意图；

图5是本实用新型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是本实用新型一个较佳实施例中的一体化关节的工作流程图。

图11是本实用新型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

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本实用新型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、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

在本实用新型的描述中，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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，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实用新型中的具体含义。

本实用新型中的关节，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，减速箱输出扭矩的大小通过力矩传感器反馈给控制系统，电机转角通过角度编码器反馈给控制系统，系统通过计算目标的力矩、位置与反馈读取值的差异，给出电机的控制量，令电机以合适的输出力矩、转速运动，并令电机转角尽可能与目标值接近；如前所述，这种系统无法有效利用其电机和减速箱的能力。

如图9所示，为改进之后加装了弹性补偿元件的系统，在力矩传感器之外增加了弹性元件。弹性元件产生的扭矩无法通过力矩传感器反馈，因此无法形成有效闭环，这样的机构虽然可以实现电机和减速箱的更高效利用，但是无法精准控制。

本实用新型的系统如图10所示，其特点是将弹性元件放到减速箱输出轴与减速箱外壳之间，而力矩传感器位于补偿后的关节之外，更将上述机构封装为一个整体。这样，力矩传感器可以有效采集反馈关节输出端的力矩，将准确的力矩值反馈给控制系统，从而令整个系统可控。

如图1所示，为单个自由度关节的模型。一体化关节包括电机、减速箱、弹性元件、力矩传感器、角度编码器，用以驱动负载运动，其结构细节如图2与图3所示。电机主要由电机定子9、电机转子10和电机输出轴组成。减速箱主要由减速箱外壳1、减速箱输入轴2、减速箱输出轴5组成。

弹性元件3可以选用包括但不限于涡卷弹簧、扭转弹簧、螺旋弹簧、橡胶环圈、皮筋等各种弹性元件。优选地，弹性元件3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1，并限制涡卷弹簧的第一端与减速箱外壳1的相对运动。滑动锁止块能够预先被操作，其与减速箱外壳1发生相对滑动，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5，并限制涡卷弹簧的第二端与减速箱输出轴5的相对运动。为了涡卷弹簧的工作稳定与安全，在减速箱输出轴5的侧缘上设置用于容纳弹性元件的安装槽。

弹性部件可以采用扭转弹簧，如图4所示。扭转弹簧11两头分别有两个安装孔，扭转弹簧11一头通过螺丝固定在减速箱输出轴5上，另一头固定在弹簧固定件12上，释放了绕圆柱转动的自由度。弹簧固定件12上开有腰形孔，调节其自身的固定位置，从而在一定范围内调整扭转弹簧11的预紧量。

弹性部件也可以采用皮筋，如图5所示。皮筋一共有两根，分别是皮筋13和皮筋14，每根皮筋的一头与减速箱输出轴固定连接，如图6所示。皮筋13和皮筋14各自的另一头通过同一个皮筋固定件15与减速箱外壳1连接。安装时，通过将皮筋连接到减速箱外壳1上，利用螺丝固定皮筋固定件15，再根据需要预紧皮筋，令皮筋拉伸，再将拉伸后的皮筋用螺丝固定到减速箱输出轴5，如图7所示。通过调节皮筋13与皮筋14的拉伸量，可以调整关节输出的力矩平衡位置。

电机定子9与减速箱外壳1连接，相互之间没有相对运动，且作为运动相对固定基准。角度编码器由定盘和动盘组成，其中，角度编码器定盘8与电机定子9连接，角度编码器动盘7与电机转子10连接，且可以随电机转子10转动。电机转子10与电机输出轴为一体，与减速箱输入轴2连接，为减速箱输入转矩。减速箱输入轴2、减速箱外壳1和减速箱输出轴5共同形成减速箱的传动链，其作用是将电机的高转速降低为相对较低的转速，并增加最终输出扭矩。弹性元件3分别与减速箱输出轴5和减速箱外壳1相连，随着关节运动，弹性元件3会被拉长或缩短，从而提供补偿力矩，令电机端输出力矩的中间值为0。连杆负载6间接连接在减速箱输出轴5，在减速箱输出轴5与连杆负载6之间安装有力矩传感器4，该传感器采集的是连杆负载6到包含了弹性元件补偿力矩的关节输出力矩，用于反馈关节实际输出的力矩。

上述具体构造的实现原理和手段体现为：

(1)为了解决力矩中间值不为0的问题，在减速箱外壳1和减速箱输出轴5之间安装了补偿力矩的弹性元件3，弹性元件3被预紧后产生的力矩与关节自身固有力矩抵销，这将减速箱的力矩中间值调整到0，从而电机的力矩输出的中间值也调整到0，这意味着电机和减速箱的能力可以更充分发挥，从而提升了关节的输出能力；

(2)在经过力矩补偿后的末端加装力矩传感器4，直接采集关节输出力矩，而非传统的通过电流或者其他方式单纯采集减速箱输出的力矩。再安装弹性元件3反馈力矩，这将弹性元件3的影响收入到了反馈系统中，令操控这类机构成为可能。

除上述原理性改进外，在具体结构上还有下面的改进：

(1)将关节在结构上做成一个整体，形成一体化关节，减速箱外壳1就是电机的固定器件，电机转轴和减速箱输入轴2也融为一体，这节省了空间，减轻了重量。

(2)在减速箱外壳1和减速箱输出轴5之间安装弹性元件3，而非有些结构将弹性元件布置在机架和负载之间。采用本实用新型的关节结构更紧凑，不至于因为增加弹性元件而令结构变大很多，影响实际使用。

(3)减速箱输出轴5上开槽，弹性元件3挡在槽中，避免不利的轴向窜动，令关节工作更为可靠。

(4)一体化关节中，包含有采集电机绝对位置的角度编码器，经过计算，可以用于指示关节的准确位置，提高关节的控制性能。

(5)关节提供力矩反馈，可以实现输出力矩的可控。

(6)可选的，增加如图7所示的控制系统，可以实现关机的位置控制、速度控制、力矩控制和力矩、位置、速度控制。特别地，控制系统包含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变量。

以上的关节，有多重应用场景：

(1)单关节构造，由单个关节即可以实现。

(2)全部由本实用新型所述的一体化关节搭建的机械腿。例如，一条由3个本实用新型所公开的一体化关节搭建的三自由度机械腿，可实现平面内运动。

(3)机械腿可以部分由本实用新型所述的一体化关节另一部分由传统关节共同实现。例如，一条由3个本实用新型所公开的一体化关节和另外3个普通关节搭建的6自由度机械腿，可实现空间运动。

(4)由所搭建的机械腿构成的机器人可以自主行走。例如，一台由2条上述6自由度机械腿作为行走机构的双足行走机器人，可以在各类地面上走动。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。