一种带冷却的直线串联弹性执行器

1.本发明属于机器人领域，具体地说是一种带冷却的直线串联弹性执行器。


背景技术：

2.直线串联弹性执行器作为一种新型执行器受到机器人学术界以及企业的大量关注，被用于各种需要弹性的机器人机构中，如双足步行机器人，上肢机构，四足仿生机器人腿机构或外骨骼。
3.现有执行机构可采用四个标准：电源(电动或液压)、传动系统弹性(刚性或弹性)、传动系统类型(直接、谐波执行、滚珠螺杆等)和冷却类型(空气或液体)，其中，最强大的解决方案之一是结合液压，液体冷却，刚性和直接驱动。这可实现高功率重量和扭矩重量比，关节位置可控性和冲击容限。然而，水力学的能效较低，主要是因为它们需要更多的能量转换。通常，汽油发动机或电动马达旋转泵，泵压缩液压油，由液压伺服阀调节，最终使液压活塞施加力。这个过程中的每个阶段都会产生一些效率损失，而总损失可能非常显著。
4.尽管串联弹性执行器已经广泛地应用于机器人系统中,但是直线串联弹性执行器仍然面临着精确力感知、参数选择等方面的不足问题。另外，与刚性驱动装置相比，因串联弹性执行器增加柔性装置以及位置传感器,导致其体积、重量以及成本较高。因此，促进串联弹性执行器的小型化、轻量化以及降低设计成本的同时提高执行器的连续输出功率,是一个有待探究的问题。


技术实现要素：

5.针对现有直线串联弹性执行器存在的上述缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种带冷却的直线串联弹性执行器。该弹性执行器通过液体冷却提高了执行器的连续输出功率，并通过机构的合理布置使得结构紧凑，体积较小；同时通过测量弹性体的形变量，可获取执行器的受力情况，实现精确的力控制。
6.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
7.本发明包括电机壳、电机组件、丝杠组件、冷却装置、压簧组件及直线电位计，其中电机组件包括电机轴、电机定子及电机转子，所述丝杠组件包括滚珠丝杠及丝杠支撑，所述电机轴的一端转动安装于电机壳内，另一端插设于所述冷却装置中，所述电机定子及电机转子均容置于冷却装置内，所述电机转子连接于电机轴另一端的外表面，所述电机定子位于电机转子外侧、并固接于所述冷却装置上；所述滚珠丝杠的丝杠螺母连接于电机轴一端的内部，所述滚珠丝杠的一端由电机轴、冷却装置穿出，所述滚珠丝杠的另一端通过丝杠支撑安装于电机壳内；所述压簧组件包括压缩弹簧、执行器支架及导向轴，所述电机壳的一端与冷却装置相连，另一端通过所述导向轴连接有后面连接件，所述执行器支架滑动安装在导向轴上，所述执行器支架与电机壳及后面连接件之间均设有压缩弹簧，所述电机壳与后面连接件之间设有测量执行器支架与电机壳相对位移的直线电位计，所述直线电位计安装于电机壳上，所述执行器支架通过电位计连接杆与直线电位计相连。
8.其中：所述冷却装置包括冷却套及电机冷却外壳，所述冷却套与电机壳的一端密封连接，所述电机冷却外壳嵌套于冷却套内，所述电机定子、电机转子均容置于电机冷却外壳内部，所述电机冷却外壳的外表面上沿轴向开设有螺旋水槽，所述冷却套上分别开设有入水口及出水口，所述入水口及出水口分别与螺旋水槽相连通。
9.所述电机冷却外壳的外表面上还分别开设有密封槽a及密封槽b，所述螺旋水槽、入水口及出水口均位于密封槽a与密封槽b之间，所述密封槽a及密封槽b内分别安装用于与冷却套形成密封的o型密封圈。
10.所述电机轴的另一端设有编码器，所述编码器包括编码器静盘及编码器动盘，所述编码器静盘固接于冷却装置内部，所述编码器动盘位于编码器静盘的内侧，并与所述电机轴另一端固接，所述编码器静盘的外侧设有连接于冷却装置上的编码器端盖。
11.所述编码器为磁编码器，在所述电机组件与编码器之间设有安装于冷却装置内的铁片。
12.所述电机轴的一端通过滚珠轴承转动安装于电机壳的内部，所述滚珠轴承的外圈通过套设于电机轴上的定位套轴向限位，所述滚珠轴承的内圈通过安装于电机轴上的锁紧定位套锁紧限位，所述滚珠轴承与电机壳的内壁之间为间隙配合，限制所述滚珠丝杠的径向移动。
13.所述电机壳的另一端与后面连接件之间的导向轴为多根，并分别由所述执行器支架穿过，每根所述导向轴与执行器支架之间均设有衬套，所述导向轴与执行器支架通过衬套实现导向；所述衬套通过执行器支架一侧的衬套挡肩轴向限位，所述衬套挡肩安装于执行器支架上。
14.所述执行器支架与后面连接件之间设有压缩弹簧a，所述压缩弹簧a的两端分别与后面连接件、执行器支架抵接；所述执行器支架与电机壳之间设有压缩弹簧b，所述压缩弹簧b的两端分别与电机壳、执行器支架抵接。
15.所述电位计连接杆的一端由执行器支架上开设的螺纹孔穿过，并通过螺母锁紧固定，所述电位计连接杆的另一端与直线电位计的滑块相连，所述滑块滑动安装于直线电位计上开设的滑槽中。
16.所述滑槽的长度方向与滚珠丝杠的轴向相同，且所述滑槽与滚珠丝杠平行；所述电位计连接杆平行于滚珠丝杠。
17.本发明的优点与积极效果为：
18.1.本发明提出的串联弹性执行器带有冷却装置，可以有效地提高执行器的连续输出功率。
19.2.本发明利用力矩电机的优点，实现了执行器结构紧凑，小型化设计的优点；外壳采用铝合金，整体易安装，质量体积小。
20.3.本发明除执行器支架与地支架固连外，整体通过导向轴实现运动，从而对模具弹簧进行压缩，使整个关节具有柔性。
21.4.本发明的执行器可以测出所受外力情况，实现精确力控，比传统的用力矩传感器测量电机输出端力矩价格便宜，且安全性，缓冲效果好。
附图说明
22.图1为本发明的整体结构示意图；
23.图2为本发明的内部结构剖面图；
24.图3为本发明去掉执行器支架两侧压缩弹簧后的结构示意图；
25.图4为本发明执行器支架的内部结构示意图；
26.图5a为本发明冷却装置的外部结构示意图；
27.图5b为本发明冷却装置的内部结构示意图；
28.图6为本发明编码器的结构示意图；
29.图7为本发明执行器支架朝向电机壳一面的端面结构示意图；
30.图8为本发明直线电位计处的局部放大图；
31.其中：1为滚珠丝杠，2为编码器端盖，3为入水口，4为出水口，5为电机壳，6为后面连接件，7为压缩弹簧a，8为执行器支架，9为压缩弹簧b，10为冷却套，11为电机轴，12为丝杠支撑，13为丝杠螺母，14为直线电位计，15为电位计连接杆，16为导向轴，17为电机冷却外壳，18为电机定子，19为电机转子，20为编码器静盘，21为编码器动盘，22为滚珠轴承，23为锁紧定位套，24为电位计压紧件，25为电位计连接件，26为衬套，27为密封槽a，28为密封槽b，29为矩形螺旋水槽，30为铁片，31为滑块，32为滑槽，33为螺母，34为衬套挡肩，35为定位套。
具体实施方式
32.下面结合附图对本发明作进一步详述。
33.如图1～8所示，本发明包括电机壳5、电机组件、丝杠组件、冷却装置、压簧组件及直线电位计14。
34.本实施例的电机组件包括电机轴11、电机定子18、电机转子19、编码器及铁片30，电机轴11的一端转动安装于电机壳5内，另一端插设于冷却装置中，电机定子18及电机转子19均容置于冷却装置内，电机转子19粘接于电机轴11另一端的外表面，电机定子18位于电机转子19外侧、并粘接于冷却装置上。电机轴11的另一端设有编码器，编码器包括编码器静盘20及编码器动盘21，编码器静盘20固接于冷却装置内部，编码器动盘21位于编码器静盘20的内侧，并与电机轴11另一端固接，编码器静盘20的外侧设有连接于冷却装置上的编码器端盖2。本实施例的编码器为市购产品，购置于广东盈动高科自动化有限公司的磁编码器，型号为capro-s060020。由于用的磁编码器，而电机转子19带有强磁，在电机组件与编码器之间设有安装于冷却装置内的铁片30，用来改变电机磁场分布，保护磁编码器。
35.本实施例的丝杠组件包括滚珠丝杠1及丝杠支撑12，滚珠丝杠1的丝杠螺母13螺纹连接于电机轴11一端的内部、与电机轴11连动，丝杠螺母13的内部通过安装在螺旋道里的滚珠与滚珠丝杠1连接，滚珠丝杠1的一端(前端)由电机轴11、冷却装置穿出，并连接小腿连杆末端，滚珠丝杠1的另一端(后端)用卡簧固定丝杠支撑12，并通过丝杠支撑12安装于电机壳5内，便于滚珠丝杠1在电机壳5内伸缩。本实施例的电机轴11的一端通过滚珠轴承22转动安装于电机壳5的内部，滚珠轴承22的外圈通过套设于电机轴11上的定位套35轴向限位，滚珠轴承22的内圈通过安装于电机轴11上的锁紧定位套23锁紧限位，滚珠轴承22与电机壳5的内壁之间为间隙配合，限制滚珠丝杠1的径向移动。丝杠螺母13由电机组件驱动，由电机
轴11传动实现旋转；通过电机轴11上的滚珠轴承22安装于电机壳5内，使丝杠螺母13轴向固定。
36.本实施例的压簧组件包括压缩弹簧a7、执行器支架8、压缩弹簧b9及导向轴16，电机壳5的一端与冷却装置相连，另一端通过导向轴16连接有后面连接件6，压缩组件位于电机壳5和后面连接件6之间，执行器支架8与地支架固连，且滑动安装在导向轴16上，执行器支架8与电机壳5及后面连接件6之间均设有压缩弹簧，执行器支架8与后面连接件6之间设有压缩弹簧a7，压缩弹簧a7的两端分别与后面连接件6、执行器支架8抵接；执行器支架8与电机壳5之间设有压缩弹簧b9，压缩弹簧b9的两端分别与电机壳5、执行器支架8抵接。压缩弹簧a7、压缩弹簧b9在安装时都是预压缩状态，都有预压缩量。电机壳5与后面连接件6之间设有安装在电机壳5上的直线电位计14，执行器支架8与电机壳5的相对位移，由直线电位计14测量。电机壳5的另一端与后面连接件6之间的导向轴16为多根(本实施例为四根)，并分别由执行器支架8穿过，执行器支架8与电机壳5的相对位移，由各根导向轴16实现相对滑动，每根导向轴16与执行器支架8之间均设有衬套26，导向轴16与执行器支架8通过衬套26实现导向；衬套26通过执行器支架8一侧的衬套挡肩34轴向限位，衬套挡肩34安装于执行器支架8上。
37.执行器支架8通过电位计连接杆15与直线电位计14相连。直线电位计14的一端通过电位计连接件25固定安装于电机壳5上，另一端通过电位计压紧件24压紧在电机壳5上。本实施例的直线电位计14为市购产品，购置于天津诺沃泰克自动化技术有限公司，型号为ptp-0050-111-002-001。直线电位计14上开设有滑槽32，滑槽32的长度方向与滚珠丝杠1的轴向相同，且滑槽32与滚珠丝杠1平行。滑槽32内滑动安装有滑块31，电位计连接杆15的一端由执行器支架8上开设的螺纹孔穿过，并通过螺母33锁紧固定，电位计连接杆15的另一端与直线电位计14的滑块31相连。电位计连接杆15以平行于滑槽32的方向压进滑槽32内，且电位计连接杆15平行于滚珠丝杠1。
38.本实施例的冷却装置包括冷却套10及电机冷却外壳17，冷却套10与电机壳5的一端密封连接，电机冷却外壳17同心压入冷却套10内，并用密封胶粘牢以防漏水；电机定子18、电机转子19均容置于电机冷却外壳17内部，电机定子18与电机冷却外壳17粘接在一起，电机轴11的另一端伸入电机冷却外壳17内，编码器端盖2与电机冷却外壳17的外端部连接。编码器静盘20与电机冷却外壳17固接，铁片30固定在电机冷却壳体17的定位孔里。为了提高直线串联弹性执行器的连续输出功率，电机冷却外壳17的外表面上沿轴向开设有螺旋水槽，本实施例的螺旋水槽为矩形螺旋水槽29，冷却套10上分别开设有入水口3及出水口4，入水口3及出水口4的一端分别与矩形螺旋水槽29相连通，入水口3的另一端接进水管的一端，出水口4的另一端接出水管的一端，进水管的另一端和出水管的另一端分别连接水泵。电机冷却外壳17的外表面上还分别开设有密封槽a27及密封槽b28，矩形螺旋水槽29、入水口3及出水口4均位于密封槽a27与密封槽b28之间，密封槽a27及密封槽b28内分别安装用于与冷却套10形成密封的o型密封圈。水泵出水进入冷却套10的入水口3，经过电机冷却外壳17的矩形螺旋水槽29，最后通过冷却套10的出水口4出水，实现冷却系统循环。
39.本发明的工作原理为：
40.本发明的直线串联弹性执行器工作时，电机转子19根据控制系统(本发明的控制系统为现有技术)输入的控制信号旋转，提供一个扭矩，带动电机轴11旋转，由此输出到丝
杠螺母13，带动丝杠螺母13转动；电机轴11上的滚珠轴承22安装于电机壳5内，使丝杠螺母13轴向固定；同时滚珠轴承22内圈用锁紧定位套23锁紧，且滚珠轴承22与电机壳5的内壁之间为间隙配合，限制丝杠螺母13的径向移动。由于丝杠螺母13转动，带动滚珠丝杠1在电机壳5内伸缩作直线运动。执行器支架8与地支架固连，由于串联弹性执行器除执行器支架8外整体通过导向轴16运动，并且压缩弹簧a7、压缩弹簧b9在安装时都是预压缩状态，都有预压缩量，所以整体串联弹性执行器刚度是一个压缩弹簧的2倍。当滚珠丝杠1的一端受到向左的力时(即在外部载荷作用下)，电机壳5与执行器支架8形成相对位移，右侧的压缩弹簧b9被再次压缩；所受轴向力从丝杠螺母13传递到电机壳5，传递到右侧的压缩弹簧b9；同时直线电位计14测出压缩弹簧b9的形变量，根据形变值和已经测好的弹簧刚度曲线即可实现联弹性执行器力控。同时，冷却装置对电机的循环冷却，使串联弹性执行器的连续输出功率提高。
41.本发明的电机为力矩电机，用来提供转速和转矩，编码器可以测量力矩电机的转动，从而便于控制系统对力矩电机的控制。
42.本发明实现了串联弹性执行器结构紧凑，小型化设计的优点，同时有效地提高了串联弹性执行器的连续输出功率。