一种多分支平面涡卷扭簧
阅读说明：本技术 一种多分支平面涡卷扭簧 (Multi-branch plane scroll torsion spring ) 是由 赵新刚 姜运祥 张庆超 张弼 赵明 于 2020-06-05 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种多分支平面涡卷扭簧,扭簧内轮置于扭簧外轮内部,扭簧内轮与扭簧外轮之间设有多个扭簧弹性体；每个扭簧弹性体均呈阿基米德螺旋线状,且旋向相同,各扭簧弹性体以扭簧旋转中心为中心沿圆周方向顺时针或逆时针均匀环绕布置,每个扭簧弹性体均包括内末端、外末端及位于内末端与外末端之间的变形区段,内末端与扭簧内轮连接,外末端与扭簧外轮连接；相邻两扭簧弹性体之间在空载状态存在作为扭簧弹性体变形空间的间隙。本发明结构紧凑,力学性能良好,刚度设计、空间结构设计灵活,可作为机器人柔性关节的弹性元件,尤其适合作为旋转型串联弹性驱动器的弹性元件。(The invention relates to a multi-branch plane scroll torsion spring.A torsion spring inner wheel is arranged inside a torsion spring outer wheel, and a plurality of torsion spring elastic bodies are arranged between the torsion spring inner wheel and the torsion spring outer wheel; each torsion spring elastic body is in an Archimedes spiral line shape, the rotating directions are the same, each torsion spring elastic body is uniformly arranged in a surrounding way clockwise or anticlockwise around the rotating center of the torsion spring along the circumferential direction, each torsion spring elastic body comprises an inner tail end, an outer tail end and a deformation section positioned between the inner tail end and the outer tail end, the inner tail end is connected with an inner wheel of the torsion spring, and the outer tail end is connected with an outer wheel of the torsion spring; a gap serving as a deformation space of the elastic body of the torsion spring exists between two adjacent elastic bodies of the torsion spring in a no-load state. The invention has compact structure, good mechanical property, flexible rigidity design and space structure design, can be used as an elastic element of a flexible joint of a robot, and is particularly suitable for being used as an elastic element of a rotary type serial elastic driver.)
技术领域
本发明涉及机器人串联弹性驱动器的弹性元件，具体地说是一种多分支平面涡卷扭簧。
背景技术
随着机器人技术的发展，越来越多的机器人需要与人交互或者在非结构环境下工作，如外骨骼机器人、协作机器人、服务机器人、人形机器人等。在人机交互过程中为了保证人的安全，需要机器人关节具有柔性；机器人在非结构环境中工作时，为了避免机器人与环境接触时产生冲击载荷，同样需要机器人关节具有柔性。
目前，机器人关节柔性的实现主要有三种方式：利用阻抗控制的方式、基于力位混合控制的方式和采用串联弹性驱动器设计关节的方式。其中，串联弹性驱动器机器人关节通过弹性元件连接减速器输出端和末端执行器，弹性元件切断了末端执行器与电机的刚性连接，使得末端执行器具有本质柔性。同时，用编码器测量弹性元件的变形量，结合胡克定律可以算出末端执行器的受力，可以减少价格昂贵的扭矩传感器的使用。近年来，国内外对串联弹性驱动器技术的研究越来越多，串联弹性驱动器技术在外骨骼机器人、机械臂和腿式机器人中具有广阔的应用前景。
串联弹性驱动器中，弹性元件是制约其应用和发展的关键部分。理想的弹性元件有多方面性能要求，其中合适的刚度、较大的承载能力和紧凑的结构非常重要。随着串联弹性驱动器的发展，各式各样的弹性元件也被设计出来。例如，N.G.Tsagarakis开发的串联弹性驱动器采用三组直线弹簧作为弹性元件，每组两个压缩弹簧。Chris A.Ihrke等人在公开号为US8176809B2的美国专利中提出的平面扭簧包括内轮、外轮两个刚性轮和在中间连接两轮的弹性曲粱。东京大学的Claude Lagoda等人在Design of an electric SeriesElastic Actuated Joint for robotic gait rehabilitation training(一种步态康复训练机器人的串联弹性驱动关节设计)中提出的双螺旋扭簧的刚度219Nm/rad，最大承载能力超过100Nm。于2012年8月15日公开、公开号为CN102632508B的“一种适用于机器人关节的平面扭簧”，是国内较早开发的用于机器人关节的平面扭簧。其他用于机器人关节的平面扭簧有于2019年12月13日公开、公开号为CN110566614A的“一种单向平面扭簧”，于2017年7月7日公开、公开号为CN106931060A的“一种用于串联弹性驱动器的平面扭簧与方法”等。
从结构上分析，平面扭簧大多是由内轮、外轮和中间弹性结构三部分构成的。中间的弹性结构的设计是平面扭簧设计的关键。平面扭簧正反向具有相同的力学性能要求弹性结构必须左右对称；中间弹性结构很难同时满足弹性元件具备较大的刚度和较大的变形能力。有些弹簧在过载情况下会发生塑性变形，导致弹簧被永久破坏，为了防止过载还要设计限位限制弹簧内外轮的相对转动角度。此外，中间弹性结构形状过于复杂将会给设计和加工带来很大困难，弹簧的紧凑化和轻量化也是很大的挑战。以上问题给平面扭簧的设计带来很大困难，也限制了装备串联弹性驱动器的机器人关节的发展。
发明内容
为了适应串联弹性驱动器对旋转型弹性元件的需要，本发明的目的在于提供一种多分支平面涡卷扭簧。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明包括扭簧内轮、扭簧外轮及扭簧弹性体，其中扭簧内轮置于扭簧外轮内部，该扭簧内轮与扭簧外轮之间设有多个扭簧弹性体；每个所述扭簧弹性体均呈阿基米德螺旋线状，且旋向相同，各扭簧弹性体以扭簧旋转中心为中心沿圆周方向顺时针或逆时针均匀环绕布置，每个扭簧弹性体均包括内末端、外末端及位于内末端与外末端之间的变形区段，所述内末端与扭簧内轮连接，所述外末端与扭簧外轮连接；相邻两扭簧弹性体之间在空载状态存在作为扭簧弹性体变形空间的间隙。
其中：各个呈阿基米德螺旋线状的所述扭簧弹性体的旋转中心重合，各个呈阿基米德螺旋线状的所述扭簧弹性体的起点位置沿圆周方向均布。
所述扭簧弹性体的横截面为矩形，该矩形的长度与扭簧的轴向方向相同，所述矩形的宽度为扭簧弹性体的厚度。
所述扭簧弹性体上的横截面的矩形尺寸相同。
所述扭簧内轮上沿圆周方向均匀开设有与扭簧弹性体数量相同的导槽A，每个所述扭簧弹性体的内末端均嵌入一个导槽A中；所述扭簧外轮上沿圆周方向均匀开设有与扭簧弹性体数量相同的导槽B，每个所述扭簧弹性体的外末端均嵌入一个导槽B中。
所述内末端与导槽A的形状相同，该内末端与导槽A之间为过盈配合；所述外末端与导槽B的形状相同，该外末端与导槽B之间为过盈配合。
呈阿基米德螺旋线状的所述扭簧弹性体的螺旋线扭转角度≤360°。
本发明的优点与积极效果为：
1.本发明的扭簧弹性体采用阿基米德螺旋线状，形状简单，大大简化了扭簧的设计流程。
2.本发明的扭簧内轮、扭簧外轮、扭簧弹性体可分开别加工，具有更好的经济性，批量生产时可以用钢带作为扭簧弹性体的材料，可以大大降低生产成本。
3.设计串联弹性驱动器时可以将本发明的扭簧内轮1和减速器输出轴之后的零件一体化设计，扭簧外轮和末端执行器上的零件一体化设计，使得机器人关节设计更加灵活，容易实现紧凑化、轻量化。
4.本发明在所受扭矩较小时扭簧的整体刚度表现为线性，有利于实现对关节的控制；继续增加扭矩，相邻扭簧弹性体之间发生接触，扭簧的整体刚度表现为非线性，扭矩增加到设定角度时，扭簧的刚度变得非常大，而扭簧弹性体并不会因此而发生塑性变形，此时不需要限位保护。
附图说明
图1为本发明的结构主视图；
图2为本发明中扭簧弹性体的结构示意图；
图3为图2中的A—A剖视图；
图4为本发明的立体结构示意图；
其中：1为扭簧内轮，2为扭簧外轮，3为扭簧弹性体，3a为变形区段，3b为内末端，3c为外末端，4为导槽A，5为导槽B，6为花键，7为螺栓孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图1～4所示，本发明包括扭簧内轮1、扭簧外轮2及扭簧弹性体3，其中扭簧内轮1可相对转动地置于扭簧外轮2内部，该扭簧内轮1与扭簧外轮2之间设有多个扭簧弹性体3；本实施例的扭簧弹性体3为四个，每个扭簧弹性体3在扭簧平面内均呈阿基米德螺旋线状，且旋向相同，呈阿基米德螺旋线状的扭簧弹性体3的螺旋线扭转角度≤360°(即不满一圈的阿基米德螺旋线)；各扭簧弹性体3以扭簧旋转中心为中心沿圆周方向顺时针或逆时针均匀环绕布置，每个扭簧弹性体3均包括内末端3b、外末端3c及位于内末端3b与外末端3c之间的变形区段3a，内末端3b与扭簧内轮1连接，外末端3c与扭簧外轮2连接；各个呈阿基米德螺旋线状的扭簧弹性体3的旋转中心重合，各个呈阿基米德螺旋线状的所述扭簧弹性体3的起点位置沿圆周方向均布。相邻两扭簧弹性体3之间在空载状态存在间隙，作为扭簧弹性体3的变形空间。
本实施例的扭簧内轮1上沿圆周方向均匀开设有与扭簧弹性体3数量相同的导槽A4，各导槽A4关于扭簧内轮1的旋转中心沿圆周方向均匀分布，导槽A4与扭簧弹性体3的内末端3b形状相同。安装时，每个扭簧弹性体3的内末端3b均嵌入一个扭簧内轮1上的导槽A4中，嵌入后内末端3b与导槽A4之间为过盈配合，。
本实施例的扭簧外轮2上沿圆周方向均匀开设有与扭簧弹性体3数量相同的导槽B5，各导槽B5关于扭簧外轮2的旋转中心沿圆周方向均匀分布，导槽B5与扭簧弹性体3的外末端3c形状相同。安装时，每个扭簧弹性体3的外末端3a均嵌入一个扭簧外轮2上的导槽B5中，嵌入后外末端3a与导槽B5之间为过盈配合，二者之间无间隙。内末端3b和外末端3c的形状可以根据需要进行加工，本实施例内末端3b和外末端3c的形状在扭簧平面内均为柱状。
本实施例的扭簧弹性体3的横截面为矩形，扭簧弹性体3上各处的横截面的矩形尺寸相同；该矩形的长度b与扭簧的轴向方向相同，并决定了扭簧的轴向厚度,当矩形的长度b增加时,扭簧的刚度增大。矩形的宽度h为扭簧弹性体3的厚度，当h增加时扭簧的刚度增大。
单个扭簧弹性体3受力时会对扭簧内轮1和扭簧外轮2作用径向力，采用多个扭簧弹性体3可以使径向力相互抵消，同时采用多个扭簧弹性体3可以增大扭簧的整体刚度。
扭簧内轮1与串联弹性驱动器的减速器输出端连接，在本实施例中，扭簧内轮1与减速器输出端通过扭簧内轮1上加工的花键6连接。
扭簧外轮2与机器人关节末端连杆连接，在本实施例中，扭簧外轮2与机器人关节末端执行器通过扭簧外轮2上加工的螺栓孔7连接。
在扭矩作用下，扭簧弹性体3发生弹性变形，扭簧内轮1和扭簧外轮2发生相对转动。初始阶段相邻扭簧弹性体3之间不发生接触，扭簧的整体刚度表现为线性。继续增加扭矩，相邻扭簧弹性体3之间发生接触，扭簧的整体刚度表现为非线性。
扭簧弹性体3的长度可以根据串联弹性驱动器对扭簧的要求设计。在其他参数不变的情况下，长度越小，扭簧的刚度越大。
本发明的工作原理为：
减速器输出端通过花键6将运动传递给扭簧内轮1，扭簧内轮1将运动传递给扭簧弹性体3，继而传递给扭簧外轮2，扭簧外轮2将运动传给机器人关节末端执行器。
本实施例中，扭簧外轮2的外径为85mm，扭簧弹性体3在关节轴线方向上的厚度为8mm，扭簧的轴向尺寸和径向尺寸非常紧凑。该柔性关节用于外骨骼机器人髋关节，关节最大直径90mm，包括外骨骼外壳的最大厚度68mm。扭簧内轮1、扭簧外轮2、扭簧弹性体3的总重量为213克，需要指出的是扭簧外轮2与关节外壳进行了一体化设计，增加了扭簧的整体重量。紧凑的扭簧尺寸和灵活的空间结构设计方式使得机器人柔性关节有限的空间得到充分利用，实现了关节的紧凑化和轻量化设计。
在本实施例中，扭簧弹性体3中涡状线的参数方程和扭簧弹性体3的参数为：
ρ＝α+βθ
常数α：α＝22.5；
常数β：β＝8/π；
扭簧的螺旋角θ：0≤θ≤1.6π(rad)；
阿基米德螺旋线半径ρ；
扭簧弹性体3的横截面参数：b＝8mm，h＝2.5mm；
扭簧的个数n:n＝4；
扭簧弹性体3加工方式：中走丝线切割；
弹性体3材料：60Si2CrA；
弹性模量E：206GPa；
屈服极限：≥1568MPa；
抗拉强度：≥1764MPa；
阿基米德螺旋线旋角Ф：1.6π。
当扭簧弹性体3的阿基米德螺旋线的转角在270°～360°时扭簧线性阶段的刚度可以通过下式得到：
在本实施例中，通过计算得到的扭簧刚度为60.04Nm/rad，实验测量得到扭簧内外轮相对转动0～10°之间时刚度保持线性，扭簧的刚度为51.5Nm/rad。当相对转动大于10°时，扭簧的刚度表现为非线性，扭簧刚度快速增加。当相对转角大于16°时，扭簧的刚度非常大，扭簧内轮1与扭簧外轮2之间不能继续相对转动。
本发明避免了平面扭簧一些常见的缺点和不足，通过合理设计可以同时具备较大刚度，较大变形能力和承载能力；设计和加工方便，批量加工时具有很好的经济性。
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