摘 要

现中国，越来越多的人开始注重机器人方面的研究，机器人关节也成为机器人研究中的核心。在本论文设计中，主要是基于紧凑型的柔性关节设计。首先，我们分析串联弹性驱动器（series elastic actuator，SEA）的基本结构，基于国内外普遍对柔性机械关节的研究成果，通过对蛇形机器人柔性驱动器结构的研究，结合本次设计的要求，可以设计得出柔性机械关节的基本模型图。

此次设计的紧凑型柔性机械关节主要包括扁平电机、谐波齿轮减速器、橡胶弹性装置以及编码器等结构。根据对设计关节的模拟，采用小型机械臂作为参数模型，计算出选用电机、减速器的基本型号。通过对橡胶弹性装置的刚度研究，设计出橡胶弹性元件的结构，通过CATIA软件进行基本模拟和组装，完成本次设计的内容。

通过对橡胶弹性原件、扁平电机以及谐波减速器等主要零部件的研究、选型、组装，设计出了一种结构紧凑、体积适中的柔性关节作动器，这种关节作动器具有通用性强、抗冲击能力强等诸多有点，并且极大提高了关节作动器的集成能力。

关键词：紧凑型关节；柔性机械臂；机械关节；弹性机构；SEA

Abstract

Now in China,more and more people began to focus on the study of the robot, robot joints have become the core of the robot research. In this paper,mainly based on compact flexible joint design.First of all, We analyze the basic structure of the series elastic actuator (SEA) , based on the research results of flexible mechanical joints at home and abroad, through the study of the structure of the flexible actuator of the serpentine robot, combined with the requirements of this design, we can design the basic model of flexible mechanical joints.

The design of the compact flexible mechanical joints mainly include flat motor, harmonic gear reducer, rubber elastic devices and encoders and other structures. According to the design of the joint simulation, the use of small manipulator as a parameter model to calculate the use of motor, reducer of the basic models. Through the study of the rigidity of the rubber elastic device, the structure of the rubber elastic element is designed, and the basic simulation and assembly are carried out by CATIA software to complete the design.

Through the research, selection and assembly of the main components such as rubber elasticity, flat motor and harmonic reducer, a flexible, medium-sized flexible joint actuator is designed. Strong, strong impact resistance and many other a bit, and greatly improve the joint actuator integration capabilities.

Key words: compact joint; flexible manipulator; mechanical joint; elastic mechanism; SEA

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪 论 1

1.1 课题背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 串连弹性驱动器的技术难点 6

1.4 本文研究内容 6

第2章 SEA工作原理及分类 7

2.1 SEA工作原理 7

2.2 SEA结构发展 7

第3章 紧凑型柔性关节组件选型 12

3.1 机械臂摆动分析 12

3.2 电机选型 12

3.3 减速器选型 13

3.4 旋转编码器选型 14

3.5 弹性装置设计及选型 15

第4章 弹性驱动器组件的结构设计 19

第5章 总结 22

参考文献 24

致 谢 26

第1章 绪 论

1.1 课题背景及意义

机械手臂是我国当代机器人最重要的组成部分，工业机械臂在制造业、生产、城市建设、农业劳动以及现代研究中起到十分重要的作用。一般的机械手臂在固定轨迹的工作中能良好发挥其作用，能实现精确定位和准确的速度控制。但是在非固定的工作环境中，机械手臂需要有具有一定的柔性控制和反馈能力，才可以更好的完成交互作用，满足其工作上的需求。对此许多科研人员开展了许多对具有柔性关节的机械手臂的研究，并取得了很大的成果。现在的柔性关节作动器一般采用电机、减速器、弹性装置、编码器等装置进行组合，构成串联弹性驱动器（series elastic actuator，SEA）。串联弹性驱动器通过与弹性装置相连接的编码器进行数据采集，从而对环境做出反馈，这样不仅能与外界有良好的交互性，而且还相对安全，不容易因为外界的冲击或震动而对关节造成损伤。机器人的关节是机器人基础的部件，现代机器人领域随着电子技术的不断发展、完善，机器人关节的研究也在日渐成熟，并且逐渐发展形成力矩大，精度高，反应灵敏，小型化，模块化等趋势，以此来不断适应当代机器人的发展需要。大部分的关节是实现了同时连接了实现摆动与转动的位置，一般情况下是通过作动器、回转轴原件以及轴承原件组成。大多数电机通过直接进行旋转产生驱动力，驱动力通过齿轮系、链式结构、皮带传动或其他装置减速获得转矩。通过皮带传动、链传动在一般研究中更加易于实现且更加方便，其优点是速度比例小，输出转矩较低，刚度与弹性装置密切相关。

我国是人口大国，发展不如欧美国家，机械化程度也远不及那些发达国家。在工业生产、农业生产中主要还是靠人力进行，效率低、产量小。在未来，科技的发展方向是朝着机器人、人工智能方向发展。如果有类似于人类的机器人，就能代替人类劳动力去完成那些操作空间相对较小无法使用刚性机械臂完成并且相对枯燥、繁重的工作，也可以大大提高其生产效率。在机器人领域，我国需要加强研究，设计出能够对外界环境做出反馈，对外来冲击、震动做出适应的，更加与人类相似的机器人。而关节正是人形机器人的核心部位，良好的关节作动器能够更好适应机器人的行动，因此柔性关节的研究一直是机器人研究的热门。

1.2 国内外研究现状

国外在很早之前就开始了对柔性关节的研究，起步发展也比我国要更早、更成熟，并且在柔性关节领域取得了不小的成就。