本實(shí)用新型涉及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部件之間的連接，尤其涉及一種用于串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的平面扭簧。

背景技術(shù)：

近幾年來(lái),機(jī)器人技術(shù)發(fā)展日趨成熟,并在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，尤其在工業(yè)中地位尤為明顯。但目前工業(yè)機(jī)器大都需考慮安全問(wèn)題,工業(yè)機(jī)器人需要?jiǎng)澐忠欢ǖ墓ぷ鲄^(qū)間以保證與人類的安全距離。這種方式雖保證了生產(chǎn)過(guò)程中操作人員的人身安全,但卻無(wú)法通過(guò)人機(jī)協(xié)作提高作業(yè)的效率。因此,如何實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與人之間的安全協(xié)作,是現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)研究的重要方向，也是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能化以及機(jī)器人走進(jìn)人類生活的重要前提。

機(jī)器人關(guān)節(jié)是機(jī)器人系統(tǒng)的重要組成部分，傳統(tǒng)的機(jī)器人設(shè)計(jì)中，關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)主要采用剛性的設(shè)計(jì)方法,采用電機(jī)與減速器直接剛性連接執(zhí)行部件。這種關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)缺乏柔性單元，使得機(jī)器人關(guān)節(jié)容易受到外部沖擊而損壞，更重要的是容易造成人類受傷，增加了安全隱患。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，用于串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的平面扭簧。解決了現(xiàn)有平面扭簧最大相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度較小，容易受徑向或軸向載荷發(fā)生離心偏移的問(wèn)題。

本實(shí)用新型通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種用于串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的平面扭簧，包括內(nèi)環(huán)4、外環(huán)1以及若干固定在內(nèi)環(huán)4與外環(huán)1之間的波浪形彈性體單元3；

所述波浪形彈性體單元3沿圓周均勻分布，每個(gè)彈性單元由若干個(gè)半圓弧依次串聯(lián)構(gòu)成。波浪形彈性體單元3的寬度方向垂直于內(nèi)環(huán)4和外環(huán)1的圓周平面。

每個(gè)波浪形彈性體單元3除了首尾連接部分為劣弧，其余部分均由多個(gè)160°～180°的半圓弧相切相連。

波浪形彈性體單元3，由外環(huán)1至內(nèi)環(huán)4延伸方向逐漸增厚。

波浪形彈性體單元3由外環(huán)1至內(nèi)環(huán)4延伸方向厚度相等。

波浪形彈性體單元3的厚度是中間薄、兩端厚；即由波浪形彈性體單元3的中間分別向外環(huán)1至內(nèi)環(huán)4延伸方向逐漸增厚。

外環(huán)1的周圍分布有若干個(gè)用于連接負(fù)載的負(fù)載螺栓孔2；內(nèi)環(huán)4的周圍分布有若干個(gè)用于連接減速器的減速器螺栓孔5。

波浪形彈性體單元3數(shù)量(輪輻數(shù))一般為3至9個(gè)，每個(gè)波浪形彈性體單元3內(nèi)的半圓弧數(shù)量為3至5個(gè)；當(dāng)然，為適應(yīng)不同工況下對(duì)扭簧性能的要求，其數(shù)量及其厚度可根據(jù)具體要求而定。

安裝時(shí)外環(huán)1通過(guò)負(fù)載螺栓孔2與負(fù)載固定、內(nèi)環(huán)4通過(guò)減速器螺栓孔5與減速器輸出端固定；

運(yùn)行時(shí)電機(jī)經(jīng)過(guò)減速器帶動(dòng)內(nèi)環(huán)4轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)環(huán)4與外環(huán)1之間波浪形彈性體單元3發(fā)生彈性形變，并帶動(dòng)連接在外環(huán)1上的負(fù)載運(yùn)動(dòng)。

本實(shí)用新型相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果：

本實(shí)用新型波浪形彈性體單元3沿圓周均勻分布，每個(gè)彈性單元由若干個(gè)半圓弧依次串聯(lián)構(gòu)成；波浪形彈性體單元3的寬度方向垂直于內(nèi)環(huán)4和外環(huán)1的圓周平面。這種結(jié)構(gòu)的扭簧在承受較大扭矩的情況下，具有較大的內(nèi)環(huán)與外環(huán)的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角度，并且在一環(huán)固定，另一環(huán)受到徑向力或者軸向力的時(shí)候，偏心的幅度很小，從而使得串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)獲得較好的柔順性的同時(shí)，也提高了控制精度以及減小了控制難度。

本實(shí)用新型的波浪形彈性體單元3結(jié)構(gòu)緊湊，所使用的彈性單元曲線圓弧簡(jiǎn)單，便于模型的構(gòu)建，也便于加工，不僅滿足了串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)對(duì)大轉(zhuǎn)角的使用設(shè)計(jì)需求,也通過(guò)減小軸向與徑向的位移偏心量來(lái)提高控制精度以及減小控制難度。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的平面扭簧的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1平面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為現(xiàn)有技術(shù)扭簧平面結(jié)構(gòu)示意圖一。

圖4為現(xiàn)有技術(shù)扭簧平面結(jié)構(gòu)示意圖二。

圖5為現(xiàn)有技術(shù)扭簧平面結(jié)構(gòu)示意圖三。

圖6為現(xiàn)有技術(shù)扭簧平面結(jié)構(gòu)示意圖四。

圖7為現(xiàn)有技術(shù)扭簧平面結(jié)構(gòu)示意圖五。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步具體詳細(xì)描述。

如圖1、圖2所示，本實(shí)用新型用于串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的平面扭簧，包括內(nèi)環(huán)4、外環(huán)1以及若干固定在內(nèi)環(huán)4與外環(huán)1之間的波浪形彈性體單元3；

所述波浪形彈性體單元3沿圓周均勻分布，每個(gè)彈性單元由若干個(gè)半圓弧依次串聯(lián)構(gòu)成。波浪形彈性體單元3的寬度方向垂直于內(nèi)環(huán)4和外環(huán)1的圓周平面。每個(gè)波浪形彈性體單元3除了首尾連接部分為劣弧，其余部分均由多個(gè)160°～180°的半圓弧相切相連。

在實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用中,可以根據(jù)不同工況下對(duì)扭簧性能的要求調(diào)整波浪形彈性體單元3寬度、半圓弧數(shù)量、單元數(shù)量和簧片的厚度。

本實(shí)用新型的平面扭簧結(jié)構(gòu)緊湊,所使用的彈性單元曲線圓弧簡(jiǎn)單,便于模型的構(gòu)建，也便于加工，不僅滿足了串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)對(duì)大轉(zhuǎn)角的使用設(shè)計(jì)需求,也通過(guò)減小軸向與徑向的位移偏心量來(lái)提高控制精度以及減小控制難度。

為了進(jìn)一步說(shuō)明本實(shí)用新型的效果,下面通過(guò)兩個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)與本實(shí)施例進(jìn)行對(duì)比。

使用仿真軟件針對(duì)具有不同結(jié)構(gòu)形式的彈性體單元的平面扭簧做結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，其中,兩個(gè)對(duì)比例與實(shí)施例的內(nèi)環(huán)、外環(huán)的尺寸和材料完全相同,彈性體單元的材料和厚度完全相同。

仿真所選用的材料為maraging steel300,其物理參數(shù)設(shè)定如下：

密度：8.00g/cm³

楊氏模量:210GPa

最終拉伸強(qiáng)度:1.966GPa

屈服拉伸強(qiáng)度：1/897GPa

剪切模量：77GPa

體積模量：140GPa

實(shí)驗(yàn)一：

仿真時(shí)固定平面扭簧的外環(huán),然后在內(nèi)環(huán)上施加一相同的外力矩,從而計(jì)算出平面扭簧在相同扭矩下的最大變形角度。

本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)的平面扭簧在試驗(yàn)中與圖3至圖7中各結(jié)構(gòu)平面扭簧在30Nm的相同轉(zhuǎn)矩仿真中得到的內(nèi)外圈扭轉(zhuǎn)角度如表1所示。

表1：

表1所示，本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)與其他現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)相比，具有較小的體積，浙江消耗較少的材料，而且能實(shí)現(xiàn)較大范圍的轉(zhuǎn)角，符合串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)對(duì)其具有較大柔順性的要求。

下面選取轉(zhuǎn)角較大的作對(duì)比：本實(shí)用新型、圖6、圖7結(jié)構(gòu)繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)二。

試驗(yàn)二：

仿真時(shí)候固定平面扭簧的外環(huán)，分別對(duì)內(nèi)環(huán)施加不同方向軸向力以及徑向力，計(jì)算出在相同外力情況下內(nèi)環(huán)與外環(huán)的圓心偏移距離。

本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)的平面扭簧在試驗(yàn)中與圖6、圖7結(jié)構(gòu)中的平面扭簧分別在100N的徑向力或軸向力下的內(nèi)環(huán)外環(huán)圓心偏移距離如表2所示。

表2：

如表2所示，本實(shí)用新型在承受徑向以及軸向的載荷下，偏移量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于圖6或者圖7結(jié)構(gòu)的扭簧，而且圖6結(jié)構(gòu)的扭簧在不同方向徑向力下還會(huì)呈現(xiàn)出不同的偏移量，這樣會(huì)大大的減小了控制精度以及增加了控制難度。本實(shí)用新型的扭簧在承受徑向或軸向載荷的條件下能表現(xiàn)出來(lái)的這種小形變性的優(yōu)異的性能，能在面對(duì)不確定外界受力因素下，提高了末端執(zhí)行器控制精度并且降低了控制難度。

如上所述，便可較好地實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型。

本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。