本發(fā)明涉及機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體來說，涉及一種機(jī)器人關(guān)節(jié)。

背景技術(shù)：

諧波減速器重量輕，單級(jí)傳動(dòng)比大，傳動(dòng)平穩(wěn)精確，應(yīng)用十分廣泛。特別是近年來，輕型機(jī)器人發(fā)展非常迅速，輕型機(jī)器人是指負(fù)載＜15kg、臂展＜1.5米，總質(zhì)量＜30kg的多自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人，一般有6或7個(gè)關(guān)節(jié)。這些機(jī)器人共同特點(diǎn)之一是：采用諧波減速器作動(dòng)力匹配與變換。而重型關(guān)節(jié)機(jī)器人末端的若干個(gè)關(guān)節(jié)也傾向于采用重量相對(duì)較輕的諧波減速器。

機(jī)器人發(fā)展的重要方向之一是人機(jī)力觸覺交互。這包括兩方面的含義：一是協(xié)作機(jī)器人要求精確感知人手與機(jī)器人之間的相互作用力，二是機(jī)器人工作時(shí)與環(huán)境之間的作用力。這就要求對(duì)機(jī)器人的關(guān)節(jié)載荷或受力進(jìn)行精確測(cè)量。

目前較為通行的方法有三：

1、基于電機(jī)載荷與電機(jī)電流存在一定函數(shù)關(guān)系，可通過測(cè)量電機(jī)電流間接反映關(guān)節(jié)力矩的大小。這是目前協(xié)作機(jī)器人較為常用的方法。這種方法的缺點(diǎn)是：從關(guān)節(jié)載荷向電機(jī)輸出力矩方向，是一種增速傳動(dòng)，實(shí)際上等比例縮小了原始力矩信號(hào)的大小，而減速器阻尼的按上述方向被放大，使電流——力矩測(cè)量的精確度和靈敏度都很低，加之驅(qū)動(dòng)器任務(wù)進(jìn)程及電機(jī)大電感的存在，影響了力測(cè)量的實(shí)時(shí)性；

2、基于專用力矩傳感器的關(guān)節(jié)載荷測(cè)量。這種方法在一些專用機(jī)器人如航天用機(jī)器人研究有報(bào)道，這種方案測(cè)量精確度高，實(shí)時(shí)性好，但缺點(diǎn)也十分顯著：極大增加了機(jī)器人的復(fù)雜度及成本，力傳感器的柔性變形額外降低了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精確度，因此這種方法并不值得推廣。

3、基于多維力傳感器的末端力載荷測(cè)量。多維力傳感器理論上避免了上述方法的缺點(diǎn)，其缺點(diǎn)是：多維力傳感器作為機(jī)器人專用傳感器吸引了大量經(jīng)費(fèi)而研究多年，但其高成本低可靠性導(dǎo)致至今無法大量推廣；再者它只能感受機(jī)器人末端的載荷，當(dāng)很多場(chǎng)合要求測(cè)量加于其它關(guān)節(jié)上的力，如關(guān)節(jié)安全避障情形下，安裝于末端的多維力傳感器是無法感知的。

基于上述情況，目前較新穎的方案是：2013年深圳先進(jìn)技術(shù)研究院提出了“具有力矩感知功能的諧波減速器”，專利201310441823.3。該專利主要技術(shù)內(nèi)容是采用4片應(yīng)變片測(cè)量諧波柔輪的形變，并用導(dǎo)電滑環(huán)將電信號(hào)引出到減速器的外殼。從結(jié)構(gòu)上看，這是一種雙實(shí)心出軸的通用諧波減速器，并不太適合于關(guān)節(jié)機(jī)器人；由于該裝置的柔輪可以無限制地連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，只好用導(dǎo)電滑環(huán)從機(jī)殼外走線。這不僅降低了測(cè)量系統(tǒng)的可靠性，也不符合機(jī)器人外觀設(shè)計(jì)要求。專利申請(qǐng)?zhí)?01510982256.1公開了一種帶應(yīng)變片的諧波減速器。該專利的主要技術(shù)內(nèi)容是在減速器外殼的某個(gè)部位安裝應(yīng)變片。與前一個(gè)專利相比，該專利無需在旋轉(zhuǎn)件上安裝應(yīng)變片，以期達(dá)到力矩檢測(cè)的目的。但該專利只能檢測(cè)減速器外殼的力矩載荷，無法檢測(cè)出減速器的輸出力矩，無法滿足機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求；此外，該專利降低了減速器的總體剛度，也同樣存在外部走線的缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種機(jī)器人關(guān)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，關(guān)節(jié)中的各種導(dǎo)線不會(huì)因?yàn)殛P(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)而纏繞，穿線方便；同時(shí)能準(zhǔn)確測(cè)量諧波減速器的輸出力矩。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

一種機(jī)器人關(guān)節(jié)，所述關(guān)節(jié)包括殼體、電機(jī)，以及連接在所述殼體和電機(jī)上的諧波減速器；所述諧波減速器包括輸入軸、橢圓形凸輪、薄壁軸承外殼、中空的剛輪、中空的柔輪和應(yīng)變片；輸入軸的一端與凸輪的一端固定連接；凸輪和薄壁軸承外殼之間設(shè)有球形滾動(dòng)體，凸輪帶動(dòng)薄壁軸承外殼旋轉(zhuǎn)；柔輪的下部表面呈小模數(shù)外齒形，剛輪內(nèi)壁呈小模數(shù)內(nèi)齒形，剛輪內(nèi)壁和柔輪的下部相適配；薄壁軸承外殼與柔輪的下部?jī)?nèi)腔相適配；應(yīng)變片固定連接在柔輪的表面。

作為優(yōu)選例，所述電機(jī)的定子固定連接在殼體上，電機(jī)的轉(zhuǎn)子與輸入軸固定連接；所述剛輪通過螺釘固定連接在殼體上。

作為優(yōu)選例，所述諧波減速器還包括應(yīng)變檢測(cè)電路板，應(yīng)變檢測(cè)電路板固定連接在柔輪內(nèi)腔頂面。

作為優(yōu)選例，所述應(yīng)變片固定連接在柔輪的內(nèi)表面，且應(yīng)變片的信號(hào)輸出端與應(yīng)變檢測(cè)電路板的信號(hào)輸入端連接。

作為優(yōu)選例，所述的機(jī)器人關(guān)節(jié)，還包括中空護(hù)線軸、上夾板和下夾板，中空護(hù)線軸位于諧波減速器內(nèi)腔中，上夾板和下夾板分別通過軸承連接在殼體上，上夾板、下夾板、中空護(hù)線軸和柔輪通過螺釘連接。

作為優(yōu)選例，所述上夾板和下夾板上分別設(shè)有安裝孔和過線孔。

作為優(yōu)選例，所述應(yīng)變片固定連接在柔輪的外表面，且應(yīng)變片的導(dǎo)線穿過上夾板的過線孔和下夾板的過線孔，位于中空護(hù)線軸中。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明實(shí)施例在柔輪的表面粘貼應(yīng)變片，并通過導(dǎo)線直接連接到所述柔輪內(nèi)部的電路板上；在諧波減速器高速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，依然可以準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的測(cè)量輸出力矩信息。

(2)本發(fā)明能直接測(cè)量輸出軸的力矩，且力測(cè)量裝置直接與減速器匹配，優(yōu)點(diǎn)非常明顯。本發(fā)明實(shí)施例中的諧波減速器裝置量程大，工作更可靠，構(gòu)件少，因而便于應(yīng)用在機(jī)器人關(guān)節(jié)內(nèi)部，并使機(jī)器人關(guān)節(jié)智能化。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中諧波減速器的結(jié)構(gòu)爆炸圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中柔輪和應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)連接圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中柔輪的一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例中中心護(hù)線軸的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例中上夾板的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖中標(biāo)號(hào)為：輸入軸1、電機(jī)轉(zhuǎn)子11、凸輪2、薄壁軸承外殼3、剛輪4、殼體41、螺釘42、柔輪5、螺釘51、軸承52、上壓板54、中心護(hù)線軸55、下壓板56、應(yīng)變片6、應(yīng)變片61、應(yīng)變片62、導(dǎo)線611、導(dǎo)線621、應(yīng)變檢測(cè)電路板7。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

如圖1至圖6所示，本發(fā)明實(shí)施例的一種機(jī)器人關(guān)節(jié)，包括殼體41、電機(jī)，以及連接在所述殼體41和電機(jī)上的諧波減速器。所述諧波減速器包括輸入軸1、橢圓形凸輪2、薄壁軸承外殼3、中空的剛輪4、中空的柔輪5和應(yīng)變片6。輸入軸1的一端與凸輪2的一端固定連接；凸輪2和薄壁軸承外殼3之間設(shè)有球形滾動(dòng)體，凸輪2帶動(dòng)薄壁軸承外殼3旋轉(zhuǎn)；柔輪5的下部表面呈小模數(shù)外齒形，剛輪4內(nèi)壁呈小模數(shù)內(nèi)齒形，剛輪4內(nèi)壁和柔輪5的下部相適配；薄壁軸承外殼3與柔輪5的下部?jī)?nèi)腔相適配；應(yīng)變片6固定連接在柔輪5的側(cè)面。

上述實(shí)施例中的諧波減速器，輸入軸1與凸輪2可以呈一體結(jié)構(gòu)，以增加傳動(dòng)的牢靠性。波發(fā)生器包括凸輪2和薄壁軸承外殼3，類似于一個(gè)橢圓形薄壁軸承。軸承的內(nèi)圈，即凸輪2是一個(gè)剛性的橢圓形柱體，可按不同需求加工出相應(yīng)的輸入軸形狀。軸承的外圈，即薄壁軸承外殼3，與凸輪2之間安裝有球形滾動(dòng)體。因?yàn)橥馆?呈橢圓形，所以在裝配完成后，薄壁軸承外殼3也呈橢圓形。柔輪5可以為呈杯形的薄壁殼體，其下部加工有小模數(shù)外齒形，上端形狀像碗底，并加工有安裝孔。剛輪4是一個(gè)中空的圓柱體，內(nèi)壁加工有小模數(shù)內(nèi)齒形。薄壁軸承外殼3與柔輪5下端有齒形部分的內(nèi)腔配合，也迫使柔輪5發(fā)生形變成為一個(gè)橢圓形齒輪。柔輪5長(zhǎng)軸部位的外齒與剛輪4的內(nèi)齒相配合，柔輪5短軸部位的外齒與剛輪4脫離嚙合。因此，當(dāng)輸入軸1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，波發(fā)生器就迫使可變形柔輪4的長(zhǎng)軸與波發(fā)生器一起轉(zhuǎn)動(dòng)，最終形成固定傳動(dòng)比的嚙合傳動(dòng)。如圖2和圖3所示，從動(dòng)力傳動(dòng)角度來說，動(dòng)力來自于輸入軸1，經(jīng)齒輪副減速后到達(dá)柔輪5上端?？梢娙彷?是一個(gè)低速的承載大扭矩的薄殼。由于減速器的輸出扭矩一比一地反映在柔輪5上。在柔輪5上安裝應(yīng)變片6可以測(cè)量柔輪5的形變，進(jìn)而達(dá)到測(cè)量扭矩的目的。應(yīng)變片的數(shù)量?jī)?yōu)選為1～6片。應(yīng)變片6用于測(cè)量力矩。柔輪5是一個(gè)柔性構(gòu)件，它不能承受除力矩之外的其它分力。

本發(fā)明實(shí)施例中，動(dòng)力來自于輸入軸1，經(jīng)齒輪副減速后到達(dá)柔輪5，并傳遞給安裝在柔輪5上的執(zhí)行件?？梢?，柔輪5是一個(gè)低速的承載大扭矩的薄殼結(jié)構(gòu)。

在本發(fā)明實(shí)施例中，通過連接件將柔輪5固定連接在機(jī)器人殼體上，使柔輪5不能轉(zhuǎn)動(dòng)，而使與剛輪4相連接的其它構(gòu)件轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)輸出目的；例如，柔輪5的上端面布有螺栓孔，通過螺栓將柔輪5固定連接在機(jī)器人殼體上。由于柔輪5不能轉(zhuǎn)動(dòng)，使得與柔輪5相連接的所有構(gòu)件都不運(yùn)動(dòng)，這就便于柔輪5上的應(yīng)變片6能夠從這些構(gòu)件上的引線結(jié)構(gòu)直接走線，而且不會(huì)發(fā)生引線纏繞的故障。

上述實(shí)施例中，作為優(yōu)選，所述電機(jī)的定子固定連接在殼體41上，電機(jī)的轉(zhuǎn)子11與輸入軸1固定連接。所述剛輪4通過螺釘42固定連接在殼體41上。

為進(jìn)一步提高減速器的智能化程度，所述的諧波減速器，還包括應(yīng)變檢測(cè)電路板7，應(yīng)變檢測(cè)電路板7固定連接在柔輪5內(nèi)腔頂面。

作為優(yōu)選例，所述應(yīng)變片6固定連接在柔輪5的內(nèi)表面，且應(yīng)變片6的信號(hào)輸出端與應(yīng)變檢測(cè)電路板7的信號(hào)輸入端連接。這樣，當(dāng)所述應(yīng)變片6固定連接在柔輪5的內(nèi)表面，且應(yīng)變片6的信號(hào)輸出端與應(yīng)變檢測(cè)電路板7的信號(hào)輸入端連接。因?yàn)槿彷?安裝在機(jī)器人的關(guān)節(jié)上之后，柔輪5和調(diào)理電路板7之間是相對(duì)不動(dòng)的，所以可直接將應(yīng)變片6與應(yīng)變檢測(cè)電路板7通過導(dǎo)線相連。導(dǎo)線不會(huì)發(fā)生纏繞。

當(dāng)應(yīng)變片6固定連接在柔輪5的外表面時(shí)，為合理布線，所述的機(jī)器人關(guān)節(jié)還包括中空護(hù)線軸55、上夾板54和下夾板56，中空護(hù)線軸55位于諧波減速器內(nèi)腔中，上夾板54和下夾板56分別通過軸承52連接在殼體41上，上夾板54、下夾板56、中空護(hù)線軸55和柔輪5通過螺釘51連接。所述上夾板54和下夾板56上分別設(shè)有安裝孔和過線孔。同樣，本實(shí)施例的諧波減速器安裝在機(jī)器人關(guān)節(jié)上后，上夾板54、下夾板56和柔輪5之間是相對(duì)不動(dòng)的。通過設(shè)置上夾板54、下夾板56，合理布設(shè)導(dǎo)線的走向，使得導(dǎo)線不會(huì)發(fā)生纏繞。

作為優(yōu)選例，所述應(yīng)變片6固定連接在柔輪5的外表面，且應(yīng)變片6的導(dǎo)線穿過上夾板54的過線孔和下夾板56的過線孔，位于中空護(hù)線軸55中。將應(yīng)變片6的導(dǎo)線與應(yīng)變檢測(cè)電路板7連接。

如圖4所示，剛輪4通過螺釘42安裝于機(jī)器人關(guān)節(jié)的殼體41上。輸入軸1與電機(jī)轉(zhuǎn)子11固定連接，因此，由電機(jī)轉(zhuǎn)子11驅(qū)動(dòng)輸入軸1轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)凸輪2和薄壁軸承外殼轉(zhuǎn)動(dòng)。薄壁軸承外殼與柔輪5的內(nèi)腔相配合，迫使柔輪5變形成為一個(gè)橢圓形外齒輪。柔輪5上位于橢圓形長(zhǎng)軸附近的外齒與剛輪4的內(nèi)齒嚙合，柔輪5上位于橢圓形短軸附近的外齒與剛輪的內(nèi)齒脫離嚙合。當(dāng)凸輪2轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，柔輪5上的橢圓形長(zhǎng)軸也一起轉(zhuǎn)動(dòng)，使柔輪5上的外齒依次進(jìn)入嚙合--脫出嚙合。柔輪5上外齒的齒數(shù)與剛輪4上內(nèi)齒的齒數(shù)不相等，進(jìn)而形成速比很大的少齒差傳動(dòng)，將電機(jī)的高速小扭矩轉(zhuǎn)換成低帶大扭矩。軸承52通過外圈安裝在殼體41上。

如圖5所示，本實(shí)施例采用中空護(hù)線軸55，中空護(hù)線軸55上加工有螺釘孔552和過線孔551。如圖6所示，本實(shí)施例包括上夾板54和下夾板56。上夾板54和下夾板56上分別設(shè)有安裝孔561和過線孔562。螺釘51穿過通過上夾板54、下夾板56、中心護(hù)線軸55以及柔輪5上的螺釘孔，將軸承52的內(nèi)圈、上夾板54、下夾板56、中心護(hù)線軸55以及柔輪5連接成一體，因此，它們之間是沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的。

應(yīng)變片61安裝在柔輪5的外側(cè)，其引線611可通過下夾板56的過線孔進(jìn)入到中心護(hù)線軸55的中心孔內(nèi)。應(yīng)變片62安裝在柔輪5的內(nèi)側(cè)，其引線621通過中心護(hù)線軸55的過線孔進(jìn)入到中心護(hù)線軸55的中心孔內(nèi)。進(jìn)而，引線611、引線621通過上述中空構(gòu)件的中心孔連接至關(guān)節(jié)測(cè)控電路系統(tǒng)。也可以如圖3所示，將應(yīng)變檢測(cè)電路板7直接安裝與柔輪5內(nèi)部的空腔。這時(shí)，內(nèi)側(cè)應(yīng)變片62的引線621可直接連至電路板，而外側(cè)應(yīng)變片61的引線611需經(jīng)過線孔562、551連接到電路7上。

由于軸承52的內(nèi)圈、上夾板54、下夾板56、中心護(hù)線軸55以及柔輪5連接成一體，彼此之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，上述引線方法不會(huì)導(dǎo)致引線纏繞，這就保證了這種裝置可以應(yīng)用在機(jī)器人關(guān)節(jié)上。

本發(fā)明的諧波減速器主要針對(duì)關(guān)節(jié)機(jī)器人力矩測(cè)量技術(shù)要求，結(jié)構(gòu)十分緊湊，測(cè)量精確度高，實(shí)時(shí)性好，并能解決在機(jī)器人關(guān)節(jié)緊湊空間內(nèi)的布線問題，因而具有實(shí)用性，且可廣泛推廣。

上述應(yīng)變片6的變形由兩部分引起：一是薄壁軸承外殼3迫使柔輪5產(chǎn)生的橢圓形變。這個(gè)變形是一個(gè)交變信號(hào)，其頻率與輸入軸1的轉(zhuǎn)速相關(guān)，幅度由薄壁軸承外殼3的橢圓度決定，因而這橢圓形變是一個(gè)定幅值的交變信號(hào)。二是柔輪傳遞減速器的輸出扭矩引起的變形，其性質(zhì)由負(fù)載決定，負(fù)載的大小等于減速器輸出力矩的大小。這兩種變形都會(huì)引起應(yīng)變片電阻值的變化，采用信號(hào)處理方法可以剔除橢圓形變的信號(hào)，因而，本發(fā)明可以檢測(cè)杯形諧波減速器的輸出力矩。

綜上所述，本發(fā)明的裝置無須額外的扭矩傳感器就能檢測(cè)減速速器的扭矩，并且傳感器直接與減速器匹配。這項(xiàng)技術(shù)降低了機(jī)器人的成本，提高了機(jī)器人的可靠性，可極大地提高機(jī)器人人機(jī)交互技術(shù)的水平。