转矩传输装置、执行器以及机器人

摘要

本发明涉及具有能可变地调节刚度的转矩传输装置（3）和具有此类转矩传输装置（3）的执行器（1）以及机器人（26）。根据本发明的转矩传输装置（3）设有内环（5）、布置成从中立位置（25）沿着正旋转方向（17）或负旋转方向（18）能相对于内环（5）旋转的外环（4）、包括正接收波纹管（9）和负接收波纹管（10）的至少一对接收波纹管（9、10）、至少一个气体压力弹簧（13）和连接到至少一个气体压力弹簧（13）的调节单元。接收波纹管（9、10）以此方式布置在外环（4）和内环（5）之间，使得在内环（5）沿着正旋转方向（17）旋转的情况下能够压缩正接收波纹管（9），并且在内环（5）沿着负旋转方向（18）旋转的情况下能够压缩负接收波纹管（10）。接收波纹管（9、10）还以引导流体的方式连接到至少一个气体压力弹簧（13）。

权利要求

1.一种转矩传输装置（3），其具有：

内环（5），

外环（4），其如此布置以便于能够从中立位置（25）沿着正旋转方向（17）或负旋转方向（18）相对于所述内环（5）旋转，至少一对接收波纹管（9、10），其包括正接收波纹管（9）和负接收波纹管（10），至少一个气体压力弹簧（13）以及调节单元，其连接至所述至少一个气体压力弹簧（13），

其中所述接收波纹管（9、10）以此方式布置在所述外环（4）和所述内环（5）之间，使得所述正接收波纹管（9）在所述内环（5）沿着所述正旋转方向（17）旋转的情况下能够被压缩，并且所述负接收波纹管（10）在所述内环（5）沿着所述负旋转方向（18）旋转的情况下能够被压缩，并且其中所述接收波纹管（9、10）连接到所述至少一个气体压力弹簧（13）以便于引导流体，其中所述至少一个气体压力弹簧（13）具有气密密封的气体压力室（28）和伸入所述气体压力室（28）中的传输波纹管（14）和伸入到所述气体压力室（28）中的调节波纹管（15），其中所述接收波纹管（9、10）连接到所述传输波纹管（14）以便于引导流体，并且所述调节单元连接到所述调节波纹管（15）以便于引导流体。

2.根据权利要求1所述的转矩传输装置（3），其中所述调节单元包括贮存器（11）和泵（12）。

3.根据权利要求2所述的转矩传输装置（3），其中所述泵（12）是压电式泵（12）。

4.根据权利要求1到3中任一项所述的转矩传输装置（3），其中所述转矩传输装置（3）具有连接到所述调节单元的两个气体压力弹簧（13），其中所述至少一个正接收波纹管（9）连接到所述两个气体压力弹簧（13）中的一个以便于引导流体，并且所述至少一个负接收波纹管（10）连接到所述两个气体压力弹簧（13）中的另一个以便于传导流体。

5.根据权利要求4所述的转矩传输装置（3），其中所述调节单元对每个气体压力弹簧（13）具有单独的泵（12）。

6.根据权利要求1所述的转矩传输装置（3），其中所述转矩传输装置（3）具有两对接收波纹管（9、10）。

7.根据权利要求1所述的转矩传输装置（3），其中所述转矩传输装置（3）大致具有带有圆形表面区域的圆柱体的形状。

8.根据权利要求1所述的转矩传输装置（3），其中至少一个波纹管（9、10、14、15）是金属波纹管。

9.一种执行器（1），其具有根据前述权利要求中任一项所述的转矩传输装置（3）和伺服马达（2），所述伺服马达（2）包括转子（21）和定子（22），其中，所述伺服马达（2）的所述定子（22）以无旋转的方式连接到所述转矩传输装置（3）的所述外环（4）或所述内环（5）。

10.一种机器人（26），其具有根据权利要求9所述的执行器（1）和机械单元（27），其中所述执行器（1）连接至所述机械单元（27）以便于传输力或以便于传输转矩。

说明书

转矩传输装置、执行器以及机器人

技术领域

[0001] 本发明涉及具有能够可变地调节刚度的转矩传输装置、具有所述转矩传输装置的执行器以及机器人。

背景技术

[0002] 机器人越来越多地应用在与人的直接接触中，无论是在病人照护还是在工业中。对这些应用而言共同的是，对机器人的安全性提出了更高的要求。因此必须排除的是，当人不经意地由运动中的机器人部件接触时，人由于机器人遭受伤害。同样在故障的情况中，尤其在可穿戴式机器人的区域中应该排除的是，由于过大的力作用在人的关节上并且由此承受伤害。对此问题已知的解决方法是应用具有可变刚度的执行器。

[0003] 为了获得较高的定位精度，期望的是较高的机械刚度。但是如果机器人部件快速地运动，或者如果要配合人关节的运动，则为了获得较高的安全性，理想的是柔性的机构以及因此较低的刚度。对实现具有刚度可变的执行器（variable stiffness actuator，简称为VSA）而言已知两种方法。

[0004] 一方面，通过力或转矩传感器补充具有较高刚度的执行器。借助于合适的调节器，这样使得能模拟低于机械装置的刚度。在此情况下，力传感器测量存在于执行器上的力或存在的转矩。依据转矩来调节偏移，使能模拟机械的弹簧。按存在转矩的比例来调节偏移，其中比例因数与虚拟的弹簧刚度相对应。此方法的缺点是缺失内在的安全性，因为在故障情况下，例如在力传感器或调节器故障的情况下，执行器固有的较高的刚度开始起作用。

[0005] 第二种方法是执行器的结构，实施其刚度，以便于是仅以机械方式可变的。在此情况下，使用具有可变的力应用的杠杆系统。执行器例如经由额外的机械元件与此力应用连接,该机械元件包含弹簧作为中心机构。为了改变弹簧的刚度，力应用的杆臂是可调节的，例如借助于电马达调节。所述方法的缺点是对于结构需要相对大量的空间。

发明内容

[0006] 本发明所针对的目标是，排除这些缺点并且提供具有可变刚度的执行器。

[0007] 以根据权利要求1所述的转矩传输装置以及根据权利要求10所述的执行器和根据权利要求11所述的机器人来实现所述目标。在从属权利要求和说明书中描述了本发明的有利的进一步改进。

[0008] 根据本发明的转矩传输装置设有内环、布置成可从中立位置沿着正旋转方向或负旋转方向相对于内环旋转的外环、包括正接收波纹管和负接收波纹管的至少一对接收波纹管、至少一个气体压力弹簧和连接到至少一个气体压力弹簧的调节单元。接收波纹管以此方式布置在外环和内环之间，使得在内环沿着正旋转方向旋转的情况下正接收波纹管是可压缩的，并且在内环沿着负旋转方向旋转的情况下负接收波纹管是可压缩的。额外地，接收波纹管还连接到至少一个气体压力弹簧以便于引导流体。在此情况下，优选地使用液压流体作为流体。

[0009] 根据本发明的转矩传输装置以有利的方式具有很紧凑的尺寸并且与几乎不可压缩的液压流体能够提供很高的刚度。液压力传输还包括较高的自阻尼，系统的固有振动处于强烈的过阻尼并且仅在较高的频率下出现。因此，系统的频率特性在直至较高频率时都是线性的，这意味着根据本发明的转矩传输装置具有较高的可调节性。

[0010] 在根据本发明的转矩传输装置的一种有利的改进方案中，至少一个气体压力弹簧具有气密密封的气体压力室和伸入气体压力室中的传输波纹管和伸入气体压力室中的调节波纹管。在此情况下，接收波纹管连接到传输波纹管以便于引导流体，并且调节单元连接到调节波纹管以便于引导流体。

[0011] 因此以简单的方式实现了可调节的、紧凑的和更耐久的气体压力弹簧。

[0012] 在根据本发明的转矩传输装置的另一种尤其有利的改进方案中，调节单元包括贮存器和泵。在此情况下，具体地，泵是压电式泵。压电式泵还能够设有止回阀，该止回阀设计成在故障情况下是自开启的（正常打开）。

[0013] 借助于贮存器和泵，以简单的和成本有效的部件提供液压调节单元。以有利的方式，压电式泵需要较小的结构空间并且高效地工作。在故障情况下，例如在供电或控制信号故障的情况下，借助于止回阀将转矩传输装置的刚度自动地降低到最小值，这样提供系统的安全状态：因此系统是内在安全的。

[0014] 在根据本发明的转矩传输装置的另一种尤其有利的改进方案中，转矩传输装置具有连接至调节单元的两个气体压力弹簧。在此情况下，至少一个正接收波纹管连接至两个气体压力弹簧中的一个以便于引导流体，且至少一个负接收波纹管连接至两个气体压力弹簧中的另一个以便于引导流体。

[0015] 因此，接收波纹管在压缩运动和扩张运动的两种情况下均分别具有一个可用的气体压力弹簧。不仅以有利的方式影响接收波纹管的压缩阶段，而且以有利的方式影响张紧阶段。

[0016] 在根据本发明的转矩传输装置的另一种尤其有利的改进方案中，调节单元对各个气体压力弹簧包括单独的泵。

[0017] 气体压力弹簧因此能够彼此独立地进行调节。因此有利地能够根据方向以不同的方式设计和改变转矩传输装置的刚度。压缩阶段能够与张紧阶段设计成不同的。

[0018] 在根据本发明的转矩传输装置的另一种尤其有利的改进方案中，转矩传输装置包括两对接收波纹管。

[0019] 因此能够更好地分配引入的力。单个的接收波纹管因此暴露至更小的负载。此外，在没有额外的支撑元件的情况下改善了内环的引导。

[0020] 在根据本发明的转矩传输装置的另一种尤其有利的改进方案中，至少一个波纹管是金属波纹管。

[0021] 金属波纹管是极其稳健的，即使在高温且在侵蚀性的环境条件的影响下。这赋予了转矩传输装置以耐久性和安全性。

[0022] 在根据本发明的转矩传输装置的另一种尤其有利的改进方案中，转矩传输装置大致具有带有圆形表面区域的圆柱体的形状。

[0023] 因此，转矩传输装置具有的形状使得能够容易地接合到常用的伺服马达的形状上。伺服马达和转矩传输装置一起仅占据比伺服马达本身稍微多一点的结构空间。

[0024] 因此，根据本发明的转矩传输装置在其所有的改进方案中优选地集成到执行器中，该执行器除了转矩传输装置以外还具有伺服马达。伺服马达包括转子和定子。根据本发明，伺服马达的定子不可旋转地连接至转矩传输装置的外环或内环。

[0025] 因此，有利地提供了具有可变刚度的执行器。根据本发明的转矩传输装置的优点对作为组件的执行器有利。

[0026] 根据本发明的执行器优选地集成在机器人中。在此情况下，执行器连接至机器人的机械单元以便于传输力或传输转矩。

[0027] 机器人的机械单元能够基于根据本发明的具有不同水平刚度的执行器来操作。因此，机器人正好在与人的直接接触中提供了较高的安全性。

附图说明

[0028] 借助于附图以及下述的说明来更具体地阐释本发明的示例性实施例。其中：

[0029] 图1显示根据本发明的机器人；

[0030] 图2显示根据本发明的执行器；以及

[0031] 图3到图5显示根据本发明的执行器的转矩传输装置的不同的改进方案。

具体实施方式

[0032] 在图1中显示根据本发明的机器人26的示意性轮廓。根据本发明的机器人26具有执行器1，该执行器1连接至机械单元27以便于传输力地或以便于传输转矩。由于执行器1的运行，机械单元27的位置是可改变的。机械单元27以此方式构造，使得能转化由执行器1产生的运动。机械单元27能够例如完成旋转运动、平移运动或两种运动的组合。

[0033] 在图2中显示根据本发明的执行器1的作为示例的示意性轮廓。执行器1具有伺服马达2和转矩传输装置3。伺服马达2包括转子21和定子22。转子21支撑在旋转轴线23上以便于相对定子22旋转。定子22能够布置成围绕转子21，在图1中示出了以此方式的布置。转子21也能够布置成围绕定子22。依照本发明，定子22是支撑元件，并且转子21是可移动元件。
根据本发明，定子22以不可旋转的方式连接至转矩传输装置3。

[0034] 根据本发明，转矩传输装置3包括内环5和布置成围绕内环5的外环4。外环4和内环5相对于旋转轴线23布置成同轴的。外环4相对于内环5能够在旋转轴线23上旋转一定的扭转角。在图1中所示的示例中，将转矩传输装置3的内环5稳固地夹紧，并且伺服马达2的定子
22紧固至转矩传输装置3的外环4上以便于传输转矩。因此，转矩减小20能够出现在转子21处。同样可能的是，转矩传输装置3的外环4稳固地夹紧，并且伺服马达2的定子22以不可旋转的方式连接至转矩传输装置3的内环5。

[0035] 在图2到图4中示例性地描绘出转矩传输装置3的不同的变型实施例的轮廓。根据本发明的转矩传输装置3除了外环4和内环5以外包括至少一对接收波纹管9、10、气体压力弹簧13、调节单元和流体线路16。

[0036] 在图2到图4中，分别显示在每种情况下在中立位置25中的根据本发明的转矩传输装置3的内环5。内环5能够相对于外环4沿着正旋转方向17或沿着负旋转方向18旋转。

[0037] 外环4具有至少两个成型部24。各个成型部24伸入内环5的凹部7中。在每种情况下在成型部24处均存在至少一个接触件（德语中anstoß）6。在各个凹部7处，内环5在定位成与接触件6相对的区域处具有支撑件8。在每种情况下，在内环5的支撑件8和外环4的接触件6之间分别布置有接收波纹管9、10。在每种情况下，接收波纹管9、10分别至少紧固至支撑件8。依照本发明，波纹管也能够是液压缸或诸如此类的，尤其是由金属制成的波纹管。

[0038] 所述至少一对接收波纹管9、10包括正接收波纹管9和负接收波纹管10。依照本发明，以此方式布置正接收波纹管9，使得在内环5从中立位置25沿着正旋转方向17改变的情况下，压缩正接收波纹管。根据本发明，以此方式布置负接收波纹管10，使得在内环5从中立位置25沿着负旋转方向18改变的情况下，压缩负接收波纹管。

[0039] 根据本发明，接收波纹管9、10包括流体，尤其包括液压流体，例如硅油或甘油。接收波纹管9、10连接到至少一个气体压力弹簧13以借助于流体线路16引导流体。

[0040] 根据本发明，至少一个气体压力弹簧13具有以流体填充的气密的气体压力室28。流体尤其是气体并且能够处于2巴到10巴之间的超压下。特别地，定位成彼此相对的两个波纹管14、15（传输波纹管14和调节波纹管15）布置成伸入气体压力室28中。传输波纹管14连接到至少一个接收波纹管9、10以便借助于流体线路16引导流体。调节波纹管15连接到调节单元以便借助于流体线路16引导流体。

[0041] 根据本发明，调节单元具有至少一个泵12，尤其压电式泵12和贮存器11，在该贮存器中能够保持流体，尤其液压流体。

[0042] 在内环5相对于外环4沿着正旋转方向17旋转时，正接收波纹管9中的压力升高，并且位于正接收波纹管9中的液压流体通过流体线路16引导到至少一个气压压力弹簧13的传输波纹管14中。传输波纹管14试图扩张。根据本发明，对于沿着正旋转方向17的旋转运动所需的转矩可通过气体压力室28中的压力以可变的方式进行调节。

[0043] 在内环5相对于外环4沿着负旋转方向18旋转时，负接收波纹管10中的压力升高，并且位于负接收波纹管10中的液压流体通过流体线路16引导到至少一个气压压力弹簧13的传输波纹管14中。传输波纹管14试图扩张。对于沿着负旋转方向18的旋转运动所需的转矩可通过气体压力室28中的压力以可变的方式进行调节。

[0044] 在气体压力弹簧13的气体压力室28中的压力作用在传输波纹管14和调节波纹管15上。以此方式实现调节波纹管15，使得气体压力弹簧13中的气体体积是可压缩的。借助于调节单元的泵12，能够泵送流体（尤其液压流体）从贮存器11中出来进入调节波纹管15中或从调节波纹管15中出来。以此方式能够调节气体压力弹簧13在广泛范围中的刚度。

[0045] 如果完全排空了调节波纹管15，则气体压力室28中的气体能够在较低压力的情况下占据较大的体积。传输波纹管14由此能够扩张，而气体压力室28中的压力不显著升高，即，气体压力弹簧13在此位置中具有较小量的刚度。

[0046] 相反，如果填充调节波纹管15直至其端部位置，正如在图3到图5中所示出的，则传输波纹管15的较小的扩张已经引起在气体压力室28中压力的较大增加以及因此引起较高的反作用力至传输波纹管上。气体压力弹簧13在此位置中具有较高的刚度。

[0047] 因为传输波纹管14将气体压力弹簧13的气体压力室28的压力传输到接收波纹管9、10，并且在此处产生转矩，则气体压力弹簧13的可变刚度由此直接转化为可变的扭转弹簧特性。因而根据本发明调节波纹管15的体积能够借助于泵12来变化并且由此能够调节根据本发明的转矩传递装置3的旋转刚度。根据泵12的输出的设计的不同，这在几秒或若干个几分之一秒内进行。

[0048] 调节单元连接至控制单元并且由其控制或调节，在此处未具体示出控制单元。此外，能够在转矩传输装置3中布置检测状态的传感器，例如检测至少一个波纹管中的压力。

[0049] 转矩传输装置3能够额外地具有支撑元件。例如，滚动元件能够布置在外环4和内环5之间。

[0050] 在图3中作为示例绘出的根据本发明的转矩传输装置3的变型实施例具有唯一的一对接收波纹管9、10和唯一的气体压力弹簧13。调节单元具有唯一的泵12。

[0051] 接收波纹管9、10此处分别紧固至支撑件8并且松动地靠置在接触件6上。接收波纹管10分别具有止挡部19，当内环5在中立位置25中时，该止挡部阻碍接收波纹管9、10延伸超过可用的尺寸。两个接收波纹管9、10在中立位置25中具有其最大的体积。在内环5相对于外环4旋转出中立位置25的情况下，接收波纹管9、10中的一个被压缩，接收波纹管中的10、9中的另一个保持其体积。在所述压缩期间，上文所描述的阻尼通过气体压力弹簧13来实施。在其以相反方向旋转进入中立位置25中时，转矩传输装置3不具有刚度。转矩能够自由地作用直到再次达到中立位置。

[0052] 与在图3中所示出的变型相比，在图4中作为示例绘出的根据本发明的转矩传输装置3的变型实施例具有两个气体压力弹簧13。每个气体压力弹簧借助于流体线路16连接至一对接收波纹管（此处唯一的一对）中的一个接收波纹管9、10，以便于引导流体。

[0053] 由于两个气体压力弹簧13，气体压力弹簧13的数目对应于可能的旋转方向17、18。两个气体压力弹簧13是能够分开控制的。为此目的，调节单元还包括两个泵12。因此，既能在压缩阶段又能在张紧阶段分别影响接收波纹管9、10。气体压力弹簧13中的一个伴随接收波纹管9、10中的一个的压缩阶段，与此同时气体压力弹簧13中的另一个影响接收波纹管9、
10中的另一个的张紧阶段。

[0054] 接收波纹管9、10在此处不具有止挡部19。接收波纹管9、10分别既紧固至内环5的支撑件8又紧固至外环4的接触件6。正接收波纹管9具有在内环5的位置中的其最大的体积，负接收波纹管10在此位置中具有其最小的体积并且反之亦然。尤其，能够以此方式使两个泵12并行地运行，使得气体压力弹簧13分别具有相同的内部刚度。

[0055] 除了在图4中所示出的变型实施例，在图5中作为示例绘出的根据本发明的转矩传输装置3的变型实施例具有两对接收波纹管9、10。在此情况下，两个正接收波纹管9并行地连接并且两个负接收波纹管10并行地连接。

[0056] 虽然本发明具体地通过优选的示例性实施例具体地说明和描述，但是本发明不局限于所公开的示例并且其它的变型方案能够由本领域技术人员由此得出，而不背离本发明的保护范围。