一種用于機器人關節(jié)的串聯(lián)彈性驅動器的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及新型服務與醫(yī)療康復訓練機器人領域，具體地說是一種用于機器人關節(jié)的串聯(lián)彈性驅動器。
【背景技術】
[0002]人機接觸、交互、合作正在成為新一代機器人發(fā)展的主流方向。傳統(tǒng)機器人被設計為禁止在工作時與人接觸，以保證人身安全。對于新型服務機器人來說，與人和環(huán)境的接觸正在發(fā)展成為不可避免的趨勢，而對于新型服務醫(yī)療康復訓練機器人，這種接觸更將必然發(fā)生。
[0003]由于傳統(tǒng)機器人的工作場合往往具有結構化或無人化的特點，并且在這些場合中應用的機器人常常被隔離在安全圍欄中用于做固定模式的重復勞動，同時通過在其周圍設置各種類型的傳感器以判斷人員的接近并發(fā)出安全警報。這些采用靜態(tài)安全設備的機器人只能完成程序化的工作，并且不具備與人交互的能力，因此無法直接利用來輔助人完成各種復雜多變的日常行為和康復訓練任務。
[0004]新一代機器人將應用到越來越廣泛的服務與醫(yī)療領域，并且人與機器人也將越來越緊密的合作，尋求新型人機交互的安全保障手段將成為急需突破的實際難題。
[0005]常見的人機安全保護手段有安裝力/力矩傳感器、設置接近傳感器和限制機器人運動速度等。但是安裝昂貴的力/力矩傳感器會大幅增加機器人成本，且力/力矩傳感器為剛性元件，只能起到力/力矩檢測功能，難以實現(xiàn)自動的安全反應。而接近傳感器只能檢測到一定區(qū)域的人機相對位置，安全范圍過于保守。而通過降低運動速度來獲得安全性的方式大大限制了機器人潛力的發(fā)揮，無法體現(xiàn)出機器人的靈活性和工作高效性。
【實用新型內容】
[0006]針對現(xiàn)有技術的不足，本實用新型提供一種具有機械柔性，能夠保證人機接觸安全舒適的新的機器人關節(jié)驅動器，使得機器人關節(jié)具有機械的柔順性和可調整的剛度。
[0007]本實用新型為實現(xiàn)上述目的所采用的技術方案是:
[0008]—種用于機器人關節(jié)的串聯(lián)彈性驅動器，包括電機控制器通過信號線與旋轉編碼器連接，電機控制器通過電力線與直流電機連接，對直流電機進行伺服控制；
[0009]電機控制器通過總線連接實時計算機控制系統(tǒng)，接收計算機在每個控制周期所生成的控制量，并對直流電機進行實時控制；
[0010]數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸出端連接實時計算機控制系統(tǒng)，輸入端連接模擬多路選擇器，接收選擇信號；
[0011 ]旋轉編碼器、直流電機和減速箱依次連接；
[0012]換向器的輸入端連接減速箱，輸出端的輸出軸線上設置由依次固定連接的彈性元件、彈簧連桿轉接件和機器人關節(jié)連桿組成的傳動機構；
[0013]第一絕對角度傳感器同軸設置于彈性元件上，用于測量換向器輸出軸的絕對位置;第二絕對角度傳感器設置于所述機器人關節(jié)連桿，用于測量機器人關節(jié)連桿的絕對位置;所述第一絕對角度傳感器和第二絕對角度傳感器的輸出端連接所述模擬多路選擇器的模擬輸入端。
[0014]所述彈性元件為一種平面螺旋線形的線性元件，截面為矩形。
[0015]所述直流電機為內置霍爾傳感器的直流無刷電機，所述霍爾傳感器通過信號線連接電機控制器。
[0016]所述模擬多路選擇器為二選一模擬多路選擇器，具有三個輸入端口，分別是選通端口、第一模擬輸入端口和第二模擬輸入端口，具有一個輸出端口為模擬輸出端口。
[0017]所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括一個A/D轉換器和一個通用數(shù)字I/O端口，A/D轉換器的輸入通道與模擬多路選擇器的模擬輸出端口相連，通用數(shù)字I/O端口與模擬多路選擇器的選通端口相連，用于選通相應的絕對角度傳感器，并將被選通的絕對角度傳感器輸出的模擬信號轉換成數(shù)字信號。
[0018]絕對角度傳感器的輸出量在系統(tǒng)掉電的情況下不丟失。
[0019]本實用新型具有以下有益效果及優(yōu)點:
[0020]本實用新型能夠將機器人手臂的質量和機器人底座的質量通過彈性元件隔離開來，當人或環(huán)境和機器人發(fā)生物理碰撞的過程中，通過彈性元件的吸收和釋放能量來產(chǎn)生緩沖效果從而減小人與環(huán)境和機器人碰撞力的大小，避免對人和環(huán)境造成傷害，以獲得在不同工況下需要的不同關節(jié)剛度，有助于擴展該機器人的使用范圍。
【附圖說明】
[0021]圖1為本實用新型的用于機器人關節(jié)的串聯(lián)彈性驅動器的系統(tǒng)連接結構框圖；
[0022]圖2為本實用新型的用于機器人關節(jié)的串聯(lián)彈性驅動器的立體示意圖；
[0023]圖3為本實用新型的用于機器人關節(jié)的串聯(lián)彈性驅動器的連桿角度傳感器主視圖；
[0024]圖4為本實用新型的用于機器人關節(jié)的串聯(lián)彈性驅動器的減速箱角度傳感器和電機控制器主視圖；
[0025]圖5為本實用新型的用于機器人關節(jié)的串聯(lián)彈性驅動器的彈性元件主視圖；
[0026]圖6為本實用新型的用于機器人關節(jié)的串聯(lián)彈性驅動器的彈性元件安裝示意圖；
[0027]其中1為旋轉編碼器，2為直流無刷電機，3為減速箱，4為彈性元件，5為彈簧連桿轉接件，6為機器人關節(jié)連桿，7為第二絕對角度傳感器，8為第一絕對角度傳感器，9為模擬多路選擇器，10為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，11為實時計算機控制系統(tǒng)，12為電機控制器，13為換向器。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖及實施例對本實用新型做進一步的詳細說明。
[0029]如圖1所示為本實用新型的用于機器人關節(jié)的串聯(lián)彈性驅動器的系統(tǒng)連接結構框圖。本實用新型的用于機器人關節(jié)的串聯(lián)彈性驅動器主要包括:增量式光電脈沖編碼器1，每圈可計數(shù)2000個脈沖，實現(xiàn)電機輸出軸的精確控制；帶霍爾傳感器的直流無刷電機2，用于提供驅動力輸出；減速箱3，用于降低轉速，提高驅動力矩;彈性元件4，能有效隔離機器人基座慣性負載，緩沖吸收沖擊能量;彈簧連桿轉接件5，用于連接彈性元件與機器人關節(jié)連桿;機器人關節(jié)連桿6;第一絕對角度傳感器8、第二絕對角度傳感器7，分別安裝于減速箱3輸出軸和機器人關節(jié)連桿6軸上，用于測量兩個軸轉動的絕對位置;模擬多路選擇器9，分別選通每個角度傳感器進行角度測量;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)10，控制多路選擇器選通某個角度傳感器，將角度傳感器的模擬信號轉化為數(shù)字信號;實時計算機控制系統(tǒng)11，定時采集角度傳感器信息，并控制電機按照控制算法轉動；電機控制器12，采集光電脈沖編碼器1和直流無刷電機2內部的霍爾傳感器信號并對直流無刷電機2進行實際控制。
[0030]如圖2所示本實用新型的用于機器人關節(jié)的串聯(lián)彈性驅動器的立體示意圖。旋轉光電脈沖編碼器1、直流無刷電機2、減速箱3在機械結構上為同軸線安裝，并通過換向器13轉換傳動方向，從而保證緊湊的關節(jié)安裝空間。電機控制器12安裝在機器人關節(jié)上，進一步提高了系統(tǒng)的集成度。
[0031]如圖3所示為本實用新型的用于機器人關節(jié)的串聯(lián)彈性驅動器的連桿角度傳感器主視圖；第二絕對角度傳感器7與二選一模擬多路選擇器9安裝于同一塊PCB板上，節(jié)約了安裝空間，減小了走線長度，降低了信號干擾，提高了角度傳感器輸出模擬信號的精度。
[0032]如圖4所示為本實用新型的用于機器人關節(jié)的串聯(lián)彈性驅動器的減速箱角度傳感器和電機控制器主視圖。電機控制器12安裝于換向器13背面，采用EtherCAT現(xiàn)場總線與實時計算機控制系統(tǒng)11通信，方便構成多級關節(jié)組成的多自由度機器人系統(tǒng)。
[0033]如圖5所示為本實用新型的用于機器人關節(jié)的串聯(lián)彈性驅動器的彈性元件主視圖。彈性元件4采用阿基米德螺旋線形平面渦卷彈簧形式，具有結構緊湊，線性度好，占用空間小的優(yōu)