CN103112013B - 一种变速比串并联弹性驱动转动关节机构 - Google Patents

Abstract

一种变速比串并联弹性驱动转动关节机构，属于机器人技术领域。本发明为了解决现有的机器人转动关节不能连续改变传动比，不具有缓冲的功能，致使关节受到冲击载荷会产生震动的问题。电机连接摩擦轮滑动导杆，小摩擦轮通过滑动键可在该导杆轴向滑动，并能跟随转动。大摩擦轮与转轴固连，转轴靠一对滚针轴承支撑，实现轴向移动。推力弹簧通过推力轴承作用在转轴上，使两摩擦轮压力；舵机带动两个曲柄摇杆机构运动；第一曲柄可间歇地带动第二曲柄运动，第一连杆带动止推块上下移动，止推块上开有凹槽，止推块上下移动过程中，滚动圆柱嵌入和嵌出凹槽，从而推动转轴发生轴向移动。本发明能实现连续改变传动比，具有弹性驱动器的特性，并能进行储能。

Description

一种变速比串并联弹性驱动转动关节机构

技术领域

本发明涉及一种变速比串并联弹性驱动关节机构，属于机器人技术领域。

背景技术

传统的机器人转动关节一般是由驱动单元直接驱动，具有较好的位置控制精度，由于转动关节结构中没有设置柔性原件，不具有缓冲的功能，但在很多场合关节受到冲击载荷，这时会产生震动，而且现有的机器人转动关节不能调整传动比，致使驱动器无法适应不同的工作状态，比如装在机器人膝关节处分别进行平地行走与上楼梯，上楼梯时关节所需要的驱动力矩要远远大于平地行走。在楼梯时，无法增大传动比来保证驱动器可以输出足够的力量完成上搂的功能。

发明内容

本发明为了解决现有的机器人转动关节不能连续改变传动比，不具有缓冲的功能，致使关节受到冲击载荷会产生震动的问题，进而提供了一种变速比串并联弹性驱动转动关节机构。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种变速比串并联弹性驱动转动关节机构，所述变速比串并联弹性驱动关节机构包括机器人上肢和机器人下肢，所述变速比串并联弹性驱动关节机构还包括弹性驱动器和串并联驱动关节，机器人上肢和机器人下肢通过串并联驱动关节连接在一起，弹性驱动器通过带传动驱动驱动串并联驱动关节动作；

弹性驱动器包括驱动电机、摩擦轮滑动导杆、小摩擦轮、大摩擦轮、转轴、推力弹簧、推力轴承和舵机；驱动电机的输出轴连接摩擦轮滑动导杆，小摩擦轮通过滑动键安装在摩擦轮滑动导杆上，小摩擦轮可在所述擦轮滑动导杆轴向滑动并能跟随所述擦轮滑动导杆一起转动；大摩擦轮固装在转轴上，转轴的一端通过一对滚针轴承支撑并安装在固定于机器人上肢上的支撑机座内，转轴可实现轴向移动；大摩擦轮和小摩擦轮之间摩擦传动；推力轴承安装在转轴的另一端上，位于推力轴承两端的转轴上还设有第一挡圈和第二挡圈，推力轴承上还设有阶梯状挡筒，推力弹簧套在所述阶梯状挡筒上，推力弹簧位于支撑机座上具有的挡环和阶梯状挡筒的边沿之间且与二者相接触，转轴还装有滚动圆柱支架，滚动圆柱和固定圆柱分别安装在滚动圆柱支架内，滚动圆柱和固定圆柱分别位于止推块的两侧且滚动圆柱靠近转轴的另一端端面；推力弹簧通过推力轴承作用在转轴上，使大摩擦轮和小摩擦轮之间具有压紧力；舵机带动两套曲柄摇杆机构运动，一套曲柄摇杆机构包括第一曲柄和第一连杆，另一套曲柄摇杆机构包括第二曲柄和第二连杆，舵机的输出轴与第一曲柄固连，第一曲柄与第二曲柄之间有间隙，第一曲柄可间歇地带动第二曲柄运动；第一连杆带动止推块上下移动，止推块上开有圆弧形凹槽，止推块上下移动过程中，滚动圆柱嵌入和嵌出所述圆弧形凹槽，从而推动转轴发生轴向移动；第二连杆可带动小摩擦轮在摩擦轮滑动导杆上滑动；小带轮安装在转轴上；

串并联驱动关节包括并联扭簧和串联扭簧，机器人上肢上固设关节轴，关节轴上具有延伸件，机器人下肢上设有关节套，关节套的外侧圆周还设有环形槽，关节套套装在关节轴上且二者之间安装有第一关节轴承，挡盖的内表上具有挡盖轴，挡盖轴安装在延伸件的内腔中且二者之间装有第二关节轴承，轴承端盖安装在关节套上用于定位第一关节轴承；关节套上由内至外依次套装有并联扭簧和串联扭簧，并联扭簧的一端与环形槽底壁接触，并联扭簧的另一端与延伸件的外沿接触；串联扭簧的一端与环形槽底壁接触，串联扭簧的另一端与挡盖的内侧壁接触；大带轮安装在挡盖的外侧壁以及环形槽的外侧壁上，大带轮和小带轮之间通过同步带传动连接。

本发明的有益效果是：

本发明具有传动比连续调整的功能和串并联弹性驱动的功能，本发明中的驱动器完全适用于机器人的转动关节，能实现连续改变传动比，具有弹性驱动器的特性，并能在一定工况中进行储能。

一、传动比连续调整的功能

调整传动比的目的是为了驱动器可以适应不同的工作状态，比如装在机器人膝关节处分别进行平地行走与上楼梯，上楼梯时关节所需要的驱动力矩要远远大于平地行走，这时，可以通过把传动比增大来保证驱动器可以输出足够的力量。

本发明中的驱动器是由三级传动构成，从高速到低速依次为：齿轮减速器(驱动电机上具有的齿轮减速器)、摩擦轮传动、同步带传动。调速机构的作用原理是改变中间一级中摩擦轮(主动轮和从动轮)的相对位置，使传动半径改变来实现传动比的变化，由于传动半径可以连续的变化，就可以实现传动比的连续改变。

如图1所示，电机连接“摩擦轮滑动导杆”，“小摩擦轮”通过滑动键可在该导杆轴向滑动，并能跟随转动。“大摩擦轮”与“转轴”固连，“转轴”靠一对“滚针轴承”支撑，可以实现轴向移动。“推力弹簧”通过“推力轴承”作用在“转轴”上，使两摩擦轮压力。另外，“舵机”带动两个曲柄摇杆机构，其中，舵机的输出轴与“第一曲柄”固连，“第一曲柄”与“第二曲柄”之间有间隙，即“第一曲柄”可间歇地带动“第二曲柄”运动。“第一连杆”带动“止推块”上下移动，“止推块”上开有凹槽，“止推块”上下移动过程中，“滚动圆柱”嵌入和嵌出凹槽，从而推动“转轴”发生轴向移动。“第二连杆”可带动“小摩擦轮”在导杆上滑动。

摩擦传动需要两摩擦轮之间有足够的压紧力，以上结构采用一个推力弹簧配合一个推力轴承来实现，这样就可以在转动的大轮转轴上施加轴向力。改变速比需要小摩擦轮相对大摩擦轮发生沿其径向的位移，这也就意味着在压紧状态下要克服很大的滑动摩擦力。为了解决这一问题，在该设计中，首先使俩摩擦轮分离，然后改变小轮位置，最后两摩擦轮再次压紧，这是一个传动比调整的全过程。

另外，该结构可以通过控制舵机的转角，使两轮只发生分离和压紧，就可以实现驱动器与关节的脱离，使关节在需要随动时快速地转变为自由转动状态。

二、串并联弹性驱动的功能

传统的转动关节一般是由驱动单元直接驱动，具有较好的位置控制精度，但在很多场合关节受到冲击载荷，这时会产生震动，为了克服冲击，该结构引入扭簧这种柔性原件来起到缓冲的作用。

如图3所示，假设关节“上肢”固定不动，大带轮与“下肢”用一个扭簧连接在一起，这根扭簧相当于是跟驱动器串接在一起，可以认为是驱动器输出端的延伸，所以称之为“串联扭簧”。另外还有一根扭簧，它的两端分别连接机器人下肢和机器人上肢，与驱动器是并联的关系，称它为“并联扭簧”。

当受到冲击，且驱动器抱死时，串联扭簧和并联扭簧一同被扭转，起到缓冲的作用。另外，在行走机器人中，该驱动关节可以起到储能的作用，在一个行走的步态周期中，有一段关节驱动器是做负功的，这是为了抵抗重力下降做的正功，该驱动器可以在重心下降的时段内利用前面说到的调速机构使驱动器与关节脱离，并联扭簧被扭转来抵抗重力，同时把这部分重力势能转化成弹性势能储存起来，等到需要关节做正功的时段，让驱动器与关节连接，借助并联扭簧一同做功，通过这种形式可以降低驱动器的能耗。

另外，并联扭簧可以为关节设定一个平衡位置，在该位置并联扭簧的弹性力为零。当驱动器断电或与关节脱离时，并联扭簧会牵引关节转到平衡位置，这可以保护机器人在失去动力源时恢复到稳定状态，避免倾倒。

附图说明

图1是本发明的整体结构图，图2是图1的A部放大图，图3是本发明中的串并联驱动关节的剖面图，图4是本发明实现变速功能的各机构工作原理示意图(依次为工作状态1、工作状态2、工作状态3、工作状态4)。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～4所示，本实施方式所述的一种变速比串并联弹性驱动转动关节机构，所述变速比串并联弹性驱动关节机构包括机器人上肢40和机器人下肢39，所述变速比串并联弹性驱动关节机构还包括弹性驱动器I和串并联驱动关节II，机器人上肢40和机器人下肢39通过串并联驱动关节II连接在一起，弹性驱动器I通过带传动驱动驱动串并联驱动关节II动作；

弹性驱动器I包括驱动电机1、摩擦轮滑动导杆2、小摩擦轮3、大摩擦轮4、转轴5、推力弹簧7、推力轴承8和舵机9；驱动电机1的输出轴连接摩擦轮滑动导杆2，小摩擦轮3通过滑动键安装在摩擦轮滑动导杆2上，小摩擦轮3可在所述擦轮滑动导杆2轴向滑动并能跟随所述擦轮滑动导杆2一起转动；大摩擦轮4固装在转轴5上，转轴5的一端通过一对滚针轴承6支撑并安装在固定于机器人上肢40上的支撑机座21内，转轴5可实现轴向移动；大摩擦轮4和小摩擦轮3之间摩擦传动；推力轴承8安装在转轴5的另一端上，位于推力轴承8两端的转轴5上还设有第一挡圈18和第二挡圈19，推力轴承8上还设有阶梯状挡筒16，推力弹簧7套在所述阶梯状挡筒16上，推力弹簧7位于支撑机座21上具有的挡环21-1和阶梯状挡筒16的边沿16-1之间且与二者相接触，转轴5还装有滚动圆柱支架20，滚动圆柱15和固定圆柱30分别安装在滚动圆柱支架20内，滚动圆柱15和固定圆柱30分别位于止推块14的两侧且滚动圆柱15靠近转轴5的另一端端面；推力弹簧7通过推力轴承8作用在转轴5上，使大摩擦轮4和小摩擦轮3之间具有压紧力；舵机9带动两套曲柄摇杆机构运动，一套曲柄摇杆机构包括第一曲柄10和第一连杆11，另一套曲柄摇杆机构包括第二曲柄12和第二连杆13，舵机9的输出轴与第一曲柄10固连，第一曲柄10与第二曲柄12之间有间隙，第一曲柄10可间歇地带动第二曲柄12运动；第一连杆11带动止推块14上下移动，止推块14上开有圆弧形凹槽14-1，止推块14上下移动过程中，滚动圆柱15嵌入和嵌出所述圆弧形凹槽14-1，从而推动转轴5发生轴向移动；第二连杆13可带动小摩擦轮3在摩擦轮滑动导杆2上滑动；小带轮17安装在转轴5上；

串并联驱动关节II包括并联扭簧26和串联扭簧25，机器人上肢40上固连关节轴40-1，关节轴40-1上具有延伸件40-2(延伸件呈杯状的回转体结构)，机器人下肢39上设有关节套39-1，关节套39-1的外侧圆周还设有环形槽39-2，关节套39-1套装在关节轴40-1上且二者之间安装有第一关节轴承38，挡盖28的内表上具有挡盖轴28-1，挡盖轴28-1安装在延伸件40-2的内腔中且二者之间装有第二关节轴承37，轴承端盖27安装在关节套39-1上用于定位第一关节轴承38；关节套39-1上由内至外依次套装有并联扭簧26和串联扭簧25，并联扭簧26的一端与环形槽39-2底壁接触，并联扭簧26的另一端与延伸件40-2的外沿接触；串联扭簧25的一端与环形槽39-2底壁接触，串联扭簧25的另一端与挡盖28的内侧壁接触；大带轮23安装在挡盖28的外侧壁以及环形槽39-2的外侧壁上，大带轮23和小带轮17之间通过同步带22传动连接。

具体实施方式二：如图1～4所示，本实施方式所述机器人上肢40为机器人大腿，所述机器人下肢39为机器人小腿。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

所述机器人上肢40还可以为机器人大臂，所述机器人下肢39还可以为机器人前臂。所述机器人上肢40和所述机器人下肢39构成机器人上的关节转动副。

具体实施方式三：如图1～4所示，本实施方式中，大带轮23通过定位销24安装在挡盖28的外侧壁以及环形槽39-2的外侧壁上。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

工作过程：

工作过程如图4所示，状态1到状态2的过程：第一曲柄10顺时针转动α角，由于第一曲柄10未与第二曲柄12接触，第二曲柄12未发生转动，即大摩擦轮4被推开与小摩擦轮3分离，而小米摩擦轮3保持不动；状态2到状态3的过程：第一曲柄10顺时针转动β角，由于第一曲柄10未与第二曲柄12接触，所以两曲柄同时转动β角，大摩擦轮4保持位置不变，小摩擦轮3发生移动；状态3到状态4的过程：第一曲柄10逆时针转动α+β角，两曲柄分离，所以第二曲柄12不发生转动，大摩擦轮4恢复到原来位置，两摩擦轮从新压紧。

Claims (3)

1.一种变速比串并联弹性驱动转动关节机构，所述变速比串并联弹性驱动关节机构包括机器人上肢(40)和机器人下肢(39),其特征在于：所述变速比串并联弹性驱动关节机构还包括弹性驱动器(I)和串并联驱动关节(Ⅱ)，机器人上肢(40)和机器人下肢(39)通过串并联驱动关节(Ⅱ)连接在一起,弹性驱动器(I)通过带传动驱动串并联驱动关节(Ⅱ)动作；

弹性驱动器(I)包括驱动电机(1)、摩擦轮滑动导杆(2)、小摩擦轮(3)、大摩擦轮(4)、转轴(5)、推力弹簧(7)、推力轴承(8)和舵机(9)；驱动电机(1)的输出轴连接摩擦轮滑动导杆(2)，小摩擦轮(3)通过滑动键安装在摩擦轮滑动导杆(2)上，小摩擦轮(3)可在所述摩擦轮滑动导杆(2)轴向滑动并能跟随所述擦轮滑动导杆(2)一起转动；大摩擦轮(4)固装在转轴(5)的一端端面上，转轴(5)的一端通过一对滚针轴承(6)支撑并安装在固定于机器人上肢(40)上的支撑机座(21)内，转轴(5)可实现轴向移动；大摩擦轮(4)和小摩擦轮(3)之间摩擦传动；推力轴承(8)安装在转轴(5)的另一端上，位于推力轴承(8)两端的转轴(5)上还设有第一挡圈(18)和第二挡圈(19)，推力轴承(8)上还设有阶梯状挡筒(16)，推力弹簧(7)套在所述阶梯状挡筒(16)上，推力弹簧(7)位于支撑机座(21)上具有的挡环(21-1)和阶梯状挡筒(16)的边沿(16-1)之间且与二者相接触，转轴(5)还装有滚动圆柱支架(20)，滚动圆柱(15)和固定圆柱(30)分别安装在滚动圆柱支架(20)内，滚动圆柱(15)和固定圆柱(30)分别位于止推块(14)的两侧且滚动圆柱(15)靠近转轴(5)的另一端端面；推力弹簧(7)通过推力轴承(8)作用在转轴(5)上，使大摩擦轮(4)和小摩擦轮(3)之间具有压紧力；舵机(9)带动两套曲柄摇杆机构运动，一套曲柄摇杆机构包括第一曲柄(10)和第一连杆(11)，另一套曲柄摇杆机构包括第二曲柄(12)和第二连杆(13)，舵机(9)的输出轴与第一曲柄(10)固连，第一曲柄(10)与第二曲柄(12)之间有间隙，第一曲柄(10)可间歇地带动第二曲柄(12)运动；第一连杆(11)带动止推块(14)上下移动，止推块(14)上开有圆弧形凹槽(14-1)，止推块(14)上下移动过程中，滚动圆柱(15)嵌入和嵌出所述圆弧形凹槽(14-1)，从而推动转轴(5)发生轴向移动；第二连杆(13)可带动小摩擦轮(3)在摩擦轮滑动导杆(2)上滑动；小带轮(17)安装在转轴(5)上；

串并联驱动关节(Ⅱ)包括并联扭簧(26)和串联扭簧(25)，机器人上肢(40)上固设关节轴(40-1)，关节轴(40-1)上具有延伸件(40-2)，机器人下肢(39)上设有关节套(39-1)，关节套(39-1)的外侧圆周还设有环形槽(39-2)，关节套(39-1)套装在关节轴(40-1)上且二者之间安装有第一关节轴承(38)，挡盖(28)的内表上具有挡盖轴(28-1)，挡盖轴(28-1)安装在延伸件(40-2)的内腔中且二者之间装有第二关节轴承(37)，轴承端盖(27)安装在关节套(39-1)上用于定位第一关节轴承(38)；关节套(39-1)上由内至外依次套装有并联扭簧(26)和串联扭簧(25)，并联扭簧(26)的一端与环形槽(39-2)底壁接触，并联扭簧(26)的另一端与延伸件(40-2)的外沿接触；串联扭簧(25)的一端与环形槽(39-2)底壁接触，串联扭簧(25)的另一端与挡盖(28)的内侧壁接触；大带轮(23)安装在挡盖(28)的外侧壁以及环形槽(39-2)的外侧壁上，大带轮(23)和小带轮(17)之间通过同步带(22)传动连接。

2.根据权利要求1所述的一种变速比串并联弹性驱动转动关节机构，其特征在于：所述机器人上肢(40)为机器人大腿，所述机器人下肢(39)为机器人小腿。

3.根据权利要求1或2所述的一种变速比串并联弹性驱动转动关节机构，其特征在于：大带轮(23)通过定位销(24)安装在挡盖(28)的外侧壁以及环形槽(39-2)的外侧壁上。