CN102152319A - 弹性驱动转动关节 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供弹性驱动转动关节，包括电机架、箱体、输出架、U型槽挡块、编码器、直流电机、减速箱、花键轴、弹簧、蜗轮、蜗杆，箱体与电机架固连，输出架通过U型槽挡块安装在箱体上，编码器、直流电机、减速箱依次安装在电机架里，花键轴安装在箱体里，减速箱的输出轴与花键轴连接，弹簧包括第一弹簧和第二弹簧，第一弹簧、蜗杆、第二弹簧依次套在花键轴上，蜗轮安装在箱体上与蜗杆配合，蜗轮两端的扁平轴端与U型槽挡块相配合。本发明小体积、大传动比、可自锁、抗冲击、输出角度大、通用性强、安装维护方便，在微小型仿生机器人领域有很广阔的应用前景，尤其是对机器人外形尺寸要求高，传动比要求大，且存在刚性冲击的场合。

Description

弹性驱动转动关节

技术领域

本发明涉及的是一种用于微小型仿生机器人的具有缓冲性能的关节。

背景技术

随着时代的发展，人类对机器人的应用需求在不断扩大，尤其是太空探索、海底勘察、核能工业及抢险救援等领域对机器人的性能提出了很高的要求。这些环境通常是非结构化的未知世界，不适合人类到达。因此，要求机器人具备极强的环境适应能力。以此为出发点，人们将研究重心投入到仿生领域，希望能够从自然界的动物身上激发出设计灵感，通过模仿动物的运动和控制机理，研发出智能性高、稳定性好、结构合理的机器人系统，进而能够替代人类在各种危险、复杂、难以预知的环境下完成作业任务。

动物的各种运动依靠身体肌肉的伸缩，具有很好的柔性，对外界环境有极强的适应能力，而传统的机器人关节传动机构常采用圆柱齿轮传动、丝杠螺母传动以及蜗轮蜗杆传动、摆线减速器等，这些单一的传动方式虽然能够实现大传动比的要求，但是传动机构缺乏柔性，当机器人在非结构环境中高速行走时，足端在触地瞬时会产生较大的冲击力，刚性冲击将加速关节传动机构的磨损，严重时甚至会损坏传动件，从而破坏传动的平稳性，降低传动效率，影响机器人的行走性能。因此，国内外研究学者逐渐开展了弹性驱动转动关节技术的研究。目前，在人体助行技术研究领域，弹性驱动膝关节的研究较为广泛，常见的弹性驱动转动关节主要有一下几种：一是采用蜗轮蜗杆副传动，在蜗轮轴上附加扭簧装置，从而使转动关节具有缓冲效果。但要使转动关节具备双向缓冲能力，必须配置两个不同放置形式的扭簧，因此大大增加了关节的外形尺寸和整个机构的质量。二是采用大刚度螺旋发条构成的弹性驱动转动关节。此种驱动方式仅具备单方向的弹性缓冲效果，而且弹性缓冲元件的刚度不可调整，整个关节的整体尺寸较大。三是采用绳轮式传动，在轮轴上附加扭簧装置，此种驱动方式不具备自锁性，并且驱动能力较小，关节的外形尺寸较大。四是圆盘周向均布压簧式弹性驱动转动关节，此种方式依靠内外圆盘的相对旋转运动压缩串联的弹簧机构，从而起到缓冲效果，此种方式不具备自锁特性且关节尺寸较大，若外界负载存在振动，关节将随之发生振动，这将严重影响传动的平稳性。五是采用摆杆-压簧式可调弹性驱动转动关节，此种驱动方式能够实现系统的刚度可调，但整个关节不具备自锁特性，整体的机构较为复杂，安装维护困难。

鉴于以上的分析，目前存在的弹性驱动转动关节的体积都较大，不适合微小型机器人的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供结构紧凑、传动比大、具有自锁性、具有缓冲性能，并且对零部件的加工安装精度要求较低的弹性驱动转动关节。

本发明的目的是这样实现的：

本发明弹性驱动转动关节，其特征是：包括电机架、箱体、输出架、U型槽挡块、编码器、直流电机、减速箱、花键轴、弹簧、蜗轮、蜗杆，箱体与电机架固连，输出架通过U型槽挡块安装在箱体上，编码器、直流电机、减速箱依次安装在电机架里，花键轴安装在箱体里，减速箱的输出轴与花键轴连接，弹簧包括第一弹簧和第二弹簧，第一弹簧、蜗杆、第二弹簧依次套在花键轴上，蜗轮安装在箱体上与蜗杆配合，蜗轮两端的扁平轴端与U型槽挡块相配合。

本发明还可以包括：

1、蜗杆的内孔为内花键形式，蜗杆可随花键轴转动或沿花键轴轴向移动。

2、第一弹簧和第二弹簧为压簧。

3、还包括调节端盖和调整垫片，调节端盖和调整垫片安装在箱体上、并位于箱体的前端。

4、所述的花键轴上安装弹簧顶套，弹簧顶套接触第二弹簧并对第一弹簧、蜗杆、第二弹簧进行轴向限位。

本发明的优势在于：本发明实现了小体积、大传动比、可自锁、抗冲击、输出角度大、通用性强、安装维护方便等性能，在微小型仿生机器人领域有很广阔的应用前景，尤其是对机器人外形尺寸要求高，传动比要求大，且存在刚性冲击的场合。

附图说明

图1为本发明的主视图；

图2为本发明的俯视图；

图3为本发明的立体图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1至图3，本发明的弹性驱动转动关节的主要由以下几部分组成：端盖螺钉1、调节端盖2、调整垫片3、角接触球轴承4、弹簧顶套5、偏心孔铜套6、蜗轮7、深沟球轴承8、内六角螺栓9、螺母10、沉头螺钉11、编码器12、直流电机13、电机架14、减速箱15、圆柱销16、花键轴17、第一弹簧18、紧定螺钉19、蜗杆20、第二弹簧21、箱体22、输出架23、内六角螺栓24、U型槽挡块25、螺母26。

本发明的具体实施方式如下：箱体22与电机架14之间通过四个内六角螺栓9连接，它们共同构成了整个关节的支撑框架。直流电机13和减速箱15作为整个转动关节的动力源，直流电机13末端的编码器12用于检测关节的转速和位置。减速箱15与电机架14之间通过三个沉头螺钉11固结，减速箱15的输出轴与花键轴17之间通过圆柱销16连接，第一弹簧18、蜗杆20与第二弹簧21依次套在花键轴17上，由弹簧顶套5进行轴向限位。弹簧顶套5的外圆柱面与角接触球轴承4的内孔相配合，角接触球轴承4安放在调节端盖2内，调节端盖2和调整垫片3由三个端盖螺钉1固定在箱体22上。蜗轮7通过成对的深沟球轴承8和偏心孔铜套6安装在箱体22上。偏心孔铜套6与箱体22通过两个紧定螺钉18连接。蜗轮7两端的扁平轴端与输出架23的U型槽相配合，通过内六角螺栓24和U型槽挡块25将蜗轮7与输出架23固连在一起。

直流电机13的输出扭矩依次经过减速箱15、花键轴17、蜗杆20、蜗轮7传递到输出架23，从而驱动与输出架23相连接的部件运动，在输出架23转动的过程中，若突然附加一个反作用力矩，由于蜗轮蜗杆副的自锁作用，反作用力矩将迫使蜗杆20沿花键轴轴向运动，压缩第一弹簧18或者第二弹簧21，此时，附加反作用力矩的部分能量将转化为弹簧的变形能，从而使转动关节显现出缓冲性能。同时，改变调整垫片3的厚度可间接地调整弹簧的预紧力，进而改变整个系统的刚度，以适应不同的缓冲需求。

偏心孔铜套6的外圆周均布24个定位孔，同步调整两个偏心孔铜套6相对于箱体22内孔的周向位置，即可间接地调节蜗轮7与蜗杆20的中心距，调节到合适的中心距后使用紧定螺钉19将偏心孔铜套6固定。从而可以消除由于加工误差造成的安装间隙，保证了传动的平稳性。

本发明采用蜗轮蜗杆副作为核心的传动部件。在传动过程中，蜗杆既可以随花键轴转动又可以沿花键轴的轴向移动，由于蜗轮蜗杆传动的自锁特性，在关节的转动过程中，输出架的反作用力距将转化为沿着蜗杆的轴向反作用力，反作用将致使弹簧变形，不同方向的反作用力矩致使不同的弹簧压缩，从而使驱动关节具备了双向缓冲的性能；同步改变偏心孔铜套的周向位置即可以间接地调节蜗轮与蜗杆的中心距，从而可以减低了整个传动机构的加工安装精度。

Claims (9)

1.弹性驱动转动关节，其特征是：包括电机架、箱体、输出架、U型槽挡块、编码器、直流电机、减速箱、花键轴、弹簧、蜗轮、蜗杆，箱体与电机架固连，输出架通过U型槽挡块安装在箱体上，编码器、直流电机、减速箱依次安装在电机架里，花键轴安装在箱体里，减速箱的输出轴与花键轴连接，弹簧包括第一弹簧和第二弹簧，第一弹簧、蜗杆、第二弹簧依次套在花键轴上，蜗轮安装在箱体上与蜗杆配合，蜗轮两端的扁平轴端与U型槽挡块相配合。

2.根据权利要求1所述的弹性驱动转动关节，其特征是：蜗杆的内孔为内花键形式，蜗杆可随花键轴转动或沿花键轴轴向移动。

3.根据权利要求1或2所述的弹性驱动转动关节，其特征是：第一弹簧和第二弹簧为压簧。

4.根据权利要求1或2所述的弹性驱动转动关节，其特征是：还包括调节端盖和调整垫片，调节端盖和调整垫片安装在箱体上、并位于箱体的前端。

5.根据权利要求3所述的弹性驱动转动关节，其特征是：还包括调节端盖和调整垫片，调节端盖和调整垫片安装在箱体上、并位于箱体的前端。

6.根据权利要求1或2所述的弹性驱动转动关节，其特征是：所述的花键轴上安装弹簧顶套，弹簧顶套接触第二弹簧并对第一弹簧、蜗杆、第二弹簧进行轴向限位。

7.根据权利要求3所述的弹性驱动转动关节，其特征是：所述的花键轴上安装弹簧顶套，弹簧顶套接触第二弹簧并对第一弹簧、蜗杆、第二弹簧进行轴向限位。

8.根据权利要求4所述的弹性驱动转动关节，其特征是：所述的花键轴上安装弹簧顶套，弹簧顶套接触第二弹簧并对第一弹簧、蜗杆、第二弹簧进行轴向限位。

9.根据权利要求5所述的弹性驱动转动关节，其特征是：所述的花键轴上安装弹簧顶套，弹簧顶套接触第二弹簧并对第一弹簧、蜗杆、第二弹簧进行轴向限位。

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