CN103753604A - 一种可动态调整刚度的模块化柔性连接装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可动态调整刚度的模块化柔性连接装置，属于机械设计技术领域。本发明通过将上顶板固定在安装环上，又通过连接柱将轴承安装架固定在下底板上，上顶板和下底板之间只能相对旋转，而保持相互距离一定，从而实现所需的稳定连接功能；所述的可变刚度功能是通过改变滑块与弹簧片末端的相对位置实现的，当卷丝轴旋转过程中，随着两个钢丝绳的收放，便能保证滑块在往复运动，改变滑块与弹簧片末端的相对位置。本发明将稳定连接和可变刚度两大功能集成为一体，便于模块化的生产和使用，有利于工业上的应用和推广；结构设计紧凑，体积比较小，能满足体积受限情况下的安装要求。

Description

一种可动态调整刚度的模块化柔性连接装置

技术领域

本发明属于机械设计技术领域，涉及一种两个模块间的机械连接装置，具体是一种既能够实现两个模块间的稳定连接，又能够实现这种连接刚度可调节的装置。该装置采用模块化的设计思路，将稳定连接和可变刚度两大功能集成为一体。

背景技术

传统的工业制造环节中，外部环境是已知的，机器人依靠精确的位置控制，按照预先规划好的路线进行动作，完成单调而重复的工作。对于这种工业机器人来说，着重于精密点位运动的控制，因而工业机器人各部分之间多采用刚性连接。但是，当机器人末端执行器与周围环境发生接触时，再精确的位置控制也会显得不足。如果结合了接触力控制后，就可以放松对位置控制的精度要求。这样，工业机器人各部分之间采用柔性可变刚度连接具有极强的工业应用价值。

在市场竞争全球化的今天，机器人的应用范围越来越广，每种机器人构形仅适应一定的应用范围，这并不能满足市场化的需求。解决这一问题的方法就是开发可重构机器人系统，它是由一套具有各种尺寸和性能特征的可交换的模块组成，能够被装配成各种不同构型的机器人来适应不同的工作需求。因而模块之间连接装置的模块化也是必然的发展趋势。因此现有技术领域中亟需能够解决模块间连接的装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种集成了稳定连接和可变刚度的机械装置，其稳定连接功能，能够保证两个模块之间稳定连接；其可变刚度功能，能够保证两个模块间连接柔性到刚性的调节。两个功能的集成一体化，加工安装方便，便于模块化的生产和使用。

本发明提供一种可动态调整刚度的模块化柔性连接装置，所述的连接装置包括安装环、上顶板、顶板连接板、轴承安装架、上板转动轴承、上板转动轴承挡圈、编码器、编码器安装架、反向滑轮轴、反向滑轮、滑轮轴a、滑轨、弹簧片、滑台、滑块、下底板、滑轮轴b、卷丝轴轴承、卷丝轴齿轮、卷丝轴、电机齿轮、底板齿轮、连接柱、电机、正向滑轮A和正向滑轮B，安装环用于连接模块A，下底板用于连接模块B，用于实现模块A和模块B之间的稳定连接和变刚度功能；所述的上顶板的上表面固定连接安装环，下表面固定连接顶板连接板，所述的顶板连接板下表面具有凸出轴，所述凸出轴依次穿过轴承安装架和上板转动轴承，上板转动轴承挡圈与上板转动轴承固定，并连接在轴承安装架上；所述的编码器固定在编码器安装架内，编码器安装架固定在轴承安装架的下表面；所述下底板上依次设置电机、卷丝轴、并排的正向滑轮A和正向滑轮B；所述电机固定在下底板上，电机轴上固定电机齿轮，卷丝轴通过卷丝轴轴承连接在下底板上，卷丝轴上固定卷丝轴齿轮，所述卷丝轴齿轮与电机齿轮啮合传动；所述连接柱固定在下底板上，位于电机两侧，连接柱与轴承安装架连接；所述正向滑轮A通过滑轮轴a连接在下底板上，所述正向滑轮B通过滑轮轴b连接在下底板上；所述滑轨固定在下底板上，滑块上连接滑台，滑台可以沿着滑轨滑动；所述弹簧片水平穿过滑块，一端与下底板上凹槽对应，另一端与上顶板下表面固定；所述反向滑轮通过反向滑轮轴固定在上顶板下表面；两根钢丝绳的一端均固定在卷丝轴上两孔，绕向相反；一根钢丝绳绕过正向滑轮A上方，穿过滑块上的孔后固定在滑块外侧，另一根钢丝绳经过正向滑轮B下方，穿过滑块下方槽，然后从反向滑轮下方向上绕并反向绕回，穿过滑块上的孔后固定在滑块内侧。

所述的稳定连接功能，是通过将上顶板固定在安装环上，又通过连接柱将轴承安装架固定在下底板上。上顶板与轴承安装架之间只保留了一个可以相互旋转的自由度，因而上顶板和下底板之间只能相对旋转，而保持相互距离一定，从而实现所需的稳定连接功能。

所述的可变刚度功能，是通过改变滑块与弹簧片末端的相对位置实现的。电机固定在下底板上，电机轴上安装电机齿轮与卷丝轴齿轮相啮合，卷丝轴齿轮固定于卷丝轴上，保证电机能带动卷丝轴的旋转。卷丝轴上缠绕着两根钢丝绳，一条钢丝绳的末端紧固在滑块的正侧，另一条钢丝绳的末端紧固在滑块的反侧，两根钢丝绳相互反向缠绕在卷丝轴上。当卷丝轴旋转过程中，随着两个钢丝绳的收放，便能保证滑块在往复运动，改变滑块与弹簧片末端的相对位置。

本发明的优点在于：

1、该连接装置最突出的特点是将稳定连接和可变刚度两大功能集成为一体，便于模块化的生产和使用，有利于工业上的应用和推广。

2、将可变刚度的概念引入到模块间的连接，实现模块间连接从柔性到刚性的调节，这种连接在工业上的用途十分广泛。

3、该快速连接装置的结构设计紧凑，体积比较小，能满足体积受限情况下的安装要求。

附图说明

图1可变刚度的连接装置整体结构示意图；

图2可变刚度的连接装置上半部分装配爆炸图；

图3可变刚度的连接装置下半部分装配爆炸图；

图4可变刚度的连接装置下半部分各部件设计；

图5可变刚度的连接装置上半部分各部件设计；

图6编码器安装架设计及编码器装配图；

图7下底板设计图；

图8滑块的设计及与弹簧片的配合安装图。

图中：

1：安装环；2：上顶板；3：顶板连接板；4：轴承安装架；5：上板转动轴承；

6：上板转动轴承挡圈；7：编码器；8：编码器安装架；9：反向滑轮轴；10：反向滑轮；

11：滑轮轴a；12：滑轨；13：弹簧片；14：滑台；15：弹簧片轴承杆；16：滑块；

17：弹簧片轴承；18：滑块滑台连接棍；19：下底板；20：滑轮轴b；21：卷丝轴轴承；

22：卷丝轴齿轮；23：卷丝轴；24：电机齿轮；25：底板齿轮；26：连接柱；27：电机；

28：正向滑轮A；29：正向滑轮B。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：

本发明提供一种可变刚度的稳定连接装置，具有稳定连接功能和变刚度功能。如图1、图2和图3所示，整个稳定连接装置包括安装环1、上顶板2、顶板连接板3、轴承安装架4、上板转动轴承5、上板转动轴承挡圈6、编码器7、编码器安装架8、反向滑轮轴9、反向滑轮10、滑轮轴a11、滑轨12、弹簧片13、滑台14、弹簧片轴承杆15、滑块16、弹簧片轴承17、滑块滑台连接棍18、下底板19、滑轮轴b20、卷丝轴轴承21、卷丝轴齿轮22、卷丝轴23、电机齿轮24、底板齿轮25、连接柱26、电机27、正向滑轮A28和正向滑轮B29，安装环1用于连接模块A，下底板19用于连接模块B，本发明提供的稳定连接装置用于实现模块A和模块B之间的稳定连接和变刚度功能。

本发明中的电机27采用的是大扭矩电机；安装环1、上顶板2、顶板连接板3、轴承安装架5、上板转动轴承挡圈6、编码器安装架8、反向滑轮轴9、滑轮轴a11、弹簧片13、弹簧片轴承杆15、滑块16、弹簧片轴承17、滑块滑台连接棍18、下底板19、滑轮轴b20、卷丝轴齿轮22、卷丝轴23、电机齿轮24、底板齿轮25、连接柱26都需要按照设计要求进行加工；上板转动轴承5、编码器7、反向滑轮10、滑轨12、滑台14、卷丝轴轴承21、电机27和正向滑轮28、29需要按照所需求的尺寸进行匹配购买。

如图2所示，上顶板2通过螺钉固定在安装环1下表面，保证与模块A稳定连接；上顶板2的下表面通过螺钉固定在顶板连接板3上，圆形顶板连接板3的凸出轴依次穿过轴承安装架4和上板转动轴承5，凸出轴末端通过上板转动轴承挡圈6卡死在上板转动轴承5的下端面上，从而上顶板2与下底板19能够保持距离一定并且能够相对转动。所述的轴承安装架4是与上板转动轴承挡圈6配合使用的，两者通过螺钉固定在一起，将上板转动轴承5固定在两者之间。轴承安装架4通过螺钉与下底板19上的连接柱26连接，保证轴承安装架4与下底板19间的固定。所述的反向滑轮轴9外径与反向滑轮10的内径相配合，将反向滑轮10固定于上顶板2的孔204中。所述的编码器7是通过螺钉固定于编码器安装架8中，编码器安装架8通过螺钉固定于上顶板2。

如图3、图4所示，电机27通过螺钉固定在下底板19上，电机轴上安装电机齿轮24，卷丝轴23与下底板19之间通过卷丝轴轴承21连接，所述的电机齿轮24与卷丝轴齿轮22相啮合，卷丝轴齿轮22固定于卷丝轴23上，保证电机27能通过齿轮传动带动卷丝轴23的旋转。所述的滑轮轴a11、滑轮轴b20的外径分别与正向滑轮A28、正向滑轮B29内径相配合，将正向滑轮A28、正向滑轮B29固定于下底板19的孔1902和孔1906（见图7），以保证钢丝绳在正向滑轮A28和正向滑轮B29上自由顺畅滑动。所述的滑轨12通过螺钉固定在下底板19的两个侧壁1910上，滑轨12上安装有可以自由滑动的滑台14。滑台14通过滑块滑台连接棍18与滑块16相连接，这样两侧的滑台14就将滑块16卡在下底板19两侧壁之间，保证滑块16能平滑的平行于两侧壁滑动。所述的弹簧片轴承17与弹簧片轴承杆15配合使用，将弹簧片轴承17嵌入滑块16中间的卡槽中，两组平行的弹簧片轴承17之间的空隙可以允许设计的弹簧片13穿过，从而保证了滑块16能够比较小摩擦的在弹簧片13上滑动。所述的连接柱26通过螺钉固定在下底板19上，保证与连接柱26相连的轴承安装架4固定于下底板19。

请参见图5，该图呈现的是可变刚度的连接装置上半部分各部件设计以及他们之间的连接。安装环1为环状结构，安装环1上有安装孔101供安装环1安装。上顶板2为板状结构，一端加工有孔201、孔202、孔203，另一端下表面加工有凸台，凸台自由端开有槽205、槽206和孔204。孔201与孔101相配合，以固定连接上顶板2和安装环1；孔202与编码器安装架8上的孔801相配合（见图6），以固定编码器安装架8；孔203与顶板连接板3上的孔301相配合，以固定连接顶板连接板3和上顶板2；槽205的宽度比反向滑轮10略宽，以能放下反向滑轮10；槽206的宽度等于设计的弹簧片13的厚度，使弹簧片13与槽206内壁完全贴合。所述的顶板连接板3为下表面中间有凸出轴302的圆盘状结构，孔301是与上述孔203配合安装的，凸出轴302外面嵌套上板转动轴承5，凸出轴302末端有凹槽，通过上板转动轴承挡圈6可将上板转动轴承5固定在凸出轴302上。所述的轴承安装架4为盘状结构，边缘加工有大圆弧槽401以保证编码器安装架8通过；孔402与连接柱26相配合以固定轴承安装架4；孔403与上板转动轴承挡圈6上的孔601相配合安装，以将上板转动轴承5固定在其中；孔404的内径为上板转动轴承5的外径，能嵌套上板转动轴承5。

请参见图6，该图呈现的是编码器安装架8的设计及编码器的安装。编码器安装架8呈圆筒状结构，圆筒上端具有法兰盘结构，法兰盘结构上的孔801与上顶板2上的孔202相配合，将编码器安装架8固定在上顶板2上；圆筒内孔802的内径为编码器7的外径，编码器7嵌在编码器安装架8内部；圆筒底面具有中心孔803，中心孔803的内径大于编码器7的末端轴上齿轮701的外径；圆筒底面中心孔803周围加工有孔804，孔804的位置和尺寸是根据编码器7底部的安装孔设计的，以便将编码器7固定安装于编码器安装架8中。底板齿轮25固定在下底板19下表面上，底板齿轮25的轴线与上下板（上顶板2和下底板19）旋转中心重合，齿轮701安装在编码器7上，所述的齿轮701与底板齿轮25相啮合，以便在传递力矩的同时测定弹簧片形变量，即扭转角度的大小。

请参见图7，该图呈现的是下底板19设计图。下底板19为固定其他部件的主要部件，其上加工了如图7所需的凸台1911、侧板1910和圆孔若干。孔1901与卷丝轴23配合安装，将卷丝轴23固定于下底板19的台面上。孔1902与滑轮轴a11配合安装，通过固定滑轮轴a11来固定正向滑轮A28。凸台1911与连接柱26高度相同，通过螺钉与轴承安装架4固定。弹簧片13的B端固定在凸台1911内侧与弹簧片13横截面相同的矩形槽内。孔1904与滑轨12相配合安装，孔径大小与滑轨12上的孔径大小一致。筋1905为加强筋，侧板1911都均匀分布了三条加强筋，以保证其力学性能。孔1906与滑轮轴b20配合安装，通过固定滑轮轴b20来固定正向滑轮B29，孔1907与电机27的安装孔配合安装，以将电机27固定在底板19上。孔1908加工的孔径比电机27的电机轴径略大，以保证电机轴顺利通过。孔1909是为了保证编码器安装架8能穿过下底板19，而不发生干涉，同时使得齿轮701与底板齿轮25相啮合。孔1910与连接柱26配合安装，通过固定连接柱26来固定轴承安装架4。

请参见图8，该图呈现的是滑块16的设计及与弹簧片13的配合安装图。滑块16上加工有孔1601、孔1604、孔1605、孔1606和槽1602、槽1603。孔1601内径比设计的钢丝绳外径略大，供钢丝绳穿过。孔1604内径配合弹簧片轴承杆15的外径，供弹簧片轴承杆15的安装；弹簧片轴承杆15的外径又配合弹簧片轴承17的内径，将弹簧片轴承17安装在弹簧片轴承杆15的轴上。孔1605内径配合滑块滑台连接棍18的外径，通过滑块滑台连接棍18将滑块16固定在滑台14上。孔1606是加工来配合固定钢丝绳末端的绳头。槽1602的加工宽度能容纳反向钢丝绳的通过，槽1603加工四个，左右各两个上下布局，其加工宽度能容纳每个弹簧片轴承17。弹簧片13与两侧的弹簧片轴承17相切，保证滑块16能在弹簧片13上小阻力稳定滑动；弹簧片13末端A端的孔1301的内径是配合反向滑轮轴9的外径，反向滑轮轴9依次穿过槽206、孔1301、槽205和孔204，将反向滑轮10固定在槽205内，弹簧片13的A端固定在槽206内。

该装置使用电机27通过两根钢丝绳控制滑块16的移动。两根钢丝绳的一端均固定在卷丝轴23的两孔，绕向相反。一根钢丝绳绕过正向滑轮A28上部分，穿过滑块16上的孔1601后固定，另一根钢丝绳经过正向滑轮B29下部分，穿过滑块16下方槽1602，从反向滑轮10下方向上绕并反向绕回，穿过滑块16上的孔1606后固定在滑块16上。

所述的可变刚度功能，通过改变滑块16与弹簧片13末端孔1301的相对位置实现。根据该结构的设计及材料力学知识，本发明中定义的广义可变刚度K=f(x)是以弹簧片有效长度x为自变量的函数，其中x为弹簧片A端到滑块的距离。刚度调整是以改变滑块位置即弹簧片有效长度x来实现的。

这种可变刚度的快速连接装置应用的一个实例是，机器人机械臂各关节模块之间的连接。将安装环1安装在关节模块A上，将下底板19安装在下一个关节模块B，就能实现两个关节模块之间的稳定连接和变刚度调节。当机械臂每两个关节模块之间都能做到变刚度的调节，便实现整个机械臂的柔性控制。

Claims (6)

1.一种可动态调整刚度的模块化柔性连接装置，其特征在于：所述的连接装置包括安装环、上顶板、顶板连接板、轴承安装架、上板转动轴承、上板转动轴承挡圈、编码器、编码器安装架、反向滑轮轴、反向滑轮、滑轮轴a、滑轨、弹簧片、滑台、滑块、下底板、滑轮轴b、卷丝轴轴承、卷丝轴齿轮、卷丝轴、电机齿轮、底板齿轮、连接柱、电机、正向滑轮A和正向滑轮B，安装环用于连接模块A，下底板用于连接模块B，用于实现模块A和模块B之间的稳定连接和变刚度功能；所述的上顶板的上表面固定连接安装环，下表面固定连接顶板连接板，所述的顶板连接板下表面具有凸出轴，所述凸出轴依次穿过轴承安装架和上板转动轴承，上板转动轴承挡圈与上板转动轴承固定，并连接在轴承安装架上；所述的编码器固定在编码器安装架内，编码器安装架固定在轴承安装架的下表面；所述下底板上依次设置电机、卷丝轴、并排的正向滑轮A和正向滑轮B；所述电机固定在下底板上，电机轴上固定电机齿轮，卷丝轴通过卷丝轴轴承连接在下底板上，卷丝轴上固定卷丝轴齿轮，所述卷丝轴齿轮与电机齿轮啮合传动；所述连接柱固定在下底板上，位于电机两侧，连接柱与轴承安装架连接；所述正向滑轮A通过滑轮轴a连接在下底板上，所述正向滑轮B通过滑轮轴b连接在下底板上；所述滑轨固定在下底板上，滑块上连接滑台，滑台可以沿着滑轨滑动；所述弹簧片水平穿过滑块，一端与下底板上凹槽对应，另一端与上顶板下表面固定；所述反向滑轮通过反向滑轮轴固定在上顶板下表面；两根钢丝绳的一端均固定在卷丝轴上两孔，绕向相反；一根钢丝绳绕过正向滑轮A上方，穿过滑块上的孔后固定在滑块外侧，另一根钢丝绳经过正向滑轮B下方，穿过滑块下方槽，然后从反向滑轮下方向上绕并反向绕回，穿过滑块上的孔后固定在滑块内侧。

2.根据权利要求1所述的一种可动态调整刚度的模块化柔性连接装置，其特征在于：所述滑台与滑块之间通过滑块滑台连接辊连接。

3.根据权利要求1所述的一种可动态调整刚度的模块化柔性连接装置，其特征在于：在所述的滑块内设置弹簧片轴承，通过弹簧片轴承杆固定在滑块内，所述的弹簧片轴承可以绕弹簧片轴承杆转动。

4.根据权利要求1所述的一种可动态调整刚度的模块化柔性连接装置，其特征在于：所述上顶板为板状结构，一端下表面加工有凸台，凸台自由端开有两个槽，槽侧壁有通孔，通过反向滑轮轴连接反向滑轮和弹簧片。

5.根据权利要求1所述的一种可动态调整刚度的模块化柔性连接装置，其特征在于：所述编码器的末端轴上设置编码器齿轮，与固定在下底板下表面固定的底板齿轮相啮合，底板齿轮的轴线与上顶板和下底板旋转中心重合。

6.根据权利要求1所述的一种可动态调整刚度的模块化柔性连接装置，其特征在于：所述滑轨固定在下底板的两侧板内壁，所述侧板外壁设置加强筋。

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