CN104260106B - 一种可变刚度的关节模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可变刚度的关节模块，包括周向旋转部分与刚度调节部分。周向旋转部分中通过顶板连接件将码盘与连接板与顶板间顶紧，轴向定位。且通过轴承组件实现在连接板不动时，顶板与码盘可同时转动。刚度调节部分中，通过电机驱动滚珠丝杠副运动，可实现滑块沿滑轨的移动；且将在滑块上通过安装一对轴承夹紧弹簧片，使滑块在滑动过程中，同时改变了其与弹簧片间的接触位置。弹簧片两端分别与周向旋转部分、刚度调节部分固定，且将连接板相对刚度调节部分固定，同时将码盘设置在读头中。本发明的优点为：集成了轴向快速固定连接和周向可变刚度功能，既提高了精度，又缩小了模块的体积。
Description
技术领域
本发明属于机械设计技术领域，是一种既能够实现模块间的轴向快速固定连接，又能够实现周向刚度可调节的柔性连接的模块。
背景技术
目前，机器人产业发展迅速，需求量大、设计周期长。迫切需要开发出一套标准化的、集合常用机器人应用模块的硬件平台，这样有利于降低机器人应用的成本和研发风险。因此机器人模块化的研究成为了重点，特别是机器人模块化的设计。根据机器人常用功能，将其从机构和控制上进行分解，形成多个具有独立功能的功能模块，通过重构，组成应用所需机器人构型。
同样，随着机器人在工业、航天、医疗、服务等各个行业应用越来越广泛，与人交互的机会也越来越多，保障机器人在与环境或人类交互时的安全性成为国内外重点研究目标。传统机器人设计为了保证末端位置操作精确，多为刚性机器人，按照预先规划好的路线进行动作，完成单调而重复的工作。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，就可以放松对位置精度控制的要求。为此，科学家提出了变刚度的设计，同时具有柔性机构的被动安全，又具有控制精度高、应用范围广的特性。能像生物肌肉一样缓冲碰撞，吸收、存储和在此利用能量。保证安全的基础上提高了能量利用率和机器人工作效率。
现有的变刚度设计一般体积、重量太大，负载低，对弹性元件要求太高，不便于控制。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种可变刚度的关节模块，可应用于机器人的关节处，具体采用模块化的设计思路，集成了轴向快速固定连接和周向可变刚度两大功能。
一种可变刚度的关节模块，包括周向旋转部分与刚度调节部分。其中，周向旋转部分包括顶板、顶板连接件、紧定螺母、连接板、深沟球轴承、码盘、顶板连接件；刚度调节部分包括底板、滑轨、滑块、丝杠、丝杠螺母、丝杠轴齿轮、电机齿轮、驱动电机、弹簧片、读头。
所述周向旋转部分中，顶板连接件底端至顶端依次套有推力轴承、连接板、深沟球轴承、码盘，顶板连接件顶端穿过顶板，与紧定螺母相连，使推力轴承、连接板、深沟球轴承、码盘与顶板间轴向相对压紧固定。
所述刚度调节部分中，底板上安装滑轨与驱动电机。滑轨上安装有滑块；丝杠螺母螺纹连接在丝杠上，形成滚珠丝杠副；螺母与滑块固定。丝杠一端安装有丝杠轴齿轮，丝杠轴齿轮与驱动电机输出轴上固定安装的电机齿轮啮合；通过电机驱动滚珠丝杠副运动，实现滑块沿滑轨的移动。上述滑块上安装有两个竖直的轴承安装柱，两个轴承安装柱上均套接有弹簧片传动轴承，两个弹簧片传动轴承间设置弹簧片，使弹簧片两侧面分别与两个弹簧片传动轴承贴合；弹簧片一端相对底板固定，另一端作为自由端通过连接件与周向旋转部分中的顶板固定。底板上还安装有读头。
上述周向旋转部分中，连接板与底板固定；同时，使码盘位于读头的读槽中。
本发明的优点在于：
1、本发明可变刚度的关节模块，将轴向快速连接和周向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、本发明可变刚度的关节模块，将可变刚度的概念引入到模块间的连接，实现了模块间连接的柔性可调节，这种连接在工业上的用途十分广泛；
3、本发明可变刚度的关节模块，结构设计紧凑，体积比较小，能满足体积受限情况下的使用需求。
附图说明
图1为本发明可变刚度的关节模块整体结构示意图；
图2为本发明可变刚度的关节模块中周向旋转部分装配爆炸图；
图3为本发明可变刚度的关节模块中刚度调节部分结构示意图；
图4为刚度调节部分中滑块的设计及滑块与弹簧片的配合方式示意图；
图5为本发明可变刚度的关节模块中读头与码盘间安装方式示意图。
图中：
1-周向旋转部分2-刚度调节部分101-顶板
102-顶板连接件103-推力轴承104-连接板
105-深沟球轴承106-码盘107-紧定螺母
108-环形侧壁109-缺口201-底板
202-滑轨203-滑块204-丝杠
205-丝杠螺母206-丝杠轴齿轮207-电机齿轮
208-驱动电机209-弹簧片210-读头
211-安装侧板212-轴承座213-定位凸台
214-轴承安装柱215-弹簧片传动轴承216-插槽
217-定位孔
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。
本发明可变刚度的关节模块，包括周向旋转部分1与刚度调节部分2，如图1所示。其中，周向旋转部分1包括顶板101、顶板连接件102、紧定螺母107、连接板104、深沟球轴承105、码盘106、顶板连接件107，如图2所示；刚度调节部分包括底板201、滑轨202、滑块203、丝杠204、丝杠螺母205、丝杠轴齿轮206、电机齿轮207、驱动电机208、弹簧片209、读头210，如图3所示。
所述周向旋转部分1中，顶板连接件102为柱状，底端周向具有限位凸缘，顶板连接件102顶端依次穿过推力轴承103、连接板104上的安装孔、深沟球轴承105、码盘106中心孔后，由顶板101中心开设的通孔穿出，与紧定螺母107螺纹固连。通过拧紧紧定螺母107，使推力轴承103、连接板104、深沟球轴承105、码盘106与顶板101间轴向相对固定。固定后，顶板101与码盘106间压紧，码盘106与深沟球轴承105内圈压紧，深沟球轴承105外圈设置于连接板104顶面上的凹槽A内，通过凹槽A实现深沟球轴承与连接板间的定位。推力轴承103顶面设置于连接板底面上的凹槽B内，通过凹槽B实现推力轴承103与连接板104间的定位；推力轴承103底面与顶板连接件102底端限位凸缘压紧。由此，在连接板104不动的情况下，101顶板可通过摩擦力带动码盘106一并自由转动，且通过测定码盘106的旋转角度就能得到顶板101的旋转角度。
所述刚度调节部分2中，底板201上表面两侧设计有两个相互平行的安装侧板211，在两个安装侧板211上各安装一条平行于下底板的滑轨202，且两滑轨202相互平行，实现两滑轨202与底板201间的相对固定。滑块203安装在两条滑轨202上，可沿滑轨202轴向上滑动。丝杠204与滑轨202平行设置，丝杠204的一端通过轴承安装在轴承座212上；轴承座211两侧分别与两个安装侧板211间固连，使轴承座212与底板201间相对固定。丝杠204的另一端与底板201上设计的定位凸台213通过轴承连接；且使丝杠204上螺纹配合安装的丝杠螺母205与滑块203固定。丝杠204一端端部通过顶丝固定安装有丝杠轴齿轮206。驱动电机208自带编码器，用来测量驱动电机208的转动角度，便于驱动电机208的驱动控制。驱动电机208通过电机安装板固定安装在一侧的安装侧板211上，使驱动电机208与底板201间相对固定。驱动电机208的输出轴上通过顶丝固定安装有电机齿轮207；电机齿轮207与丝杠轴齿轮206啮合。上述滑块203采用矩形框架结构，如图4所示，在顶面与底面间安装有两个竖直的轴承安装柱214，两个轴承安装柱214上均直接套接有弹簧片传动轴承215，在两个弹簧片传动轴承215间沿滑轨轴向设置弹簧片209，使弹簧片214两侧面分别与两个弹簧片传动轴承215贴合；考虑到弹簧片传动轴承215的宽度有限，因此本发明中在两个轴承安装柱214上各套接多个弹簧片传动轴承215。弹簧片209一端插入到定位凸台213上开设的插槽216内，通过螺栓由定位凸台213侧面设计的定位孔217将弹簧片209端部顶紧固定；弹簧片209另一端作为自由端，用来与周向旋转部分1相连。上述轴承座212顶面上安装有读头210，用来与读取码盘106的转角信息。由此，通过驱动电机208驱动丝杠204转动，使丝杠螺母205沿丝杠204轴向平动，带动滑块203沿滑轨202移动，进而改变了滑块203上两个弹簧片传动轴承215与弹簧片209间的接触点，进而改变了接触点到弹簧片209自由端的距离。
所述周向旋转部分1与刚度调节部分2间相互连接，具体连接方式为：周向旋转部分1中，连接板104两侧分别通过螺栓与底板201上两个安装侧板211间相连，实现周向旋转部分1与刚度调节部分2间的相对固定；同时，保证码盘106位于读头210的读槽中，如图5所示。弹簧片209的自由端与顶板101周向上通过连接件相连。
上述结构的可变刚度的关节模块，集成了轴向快速固定连接和周向可变刚度两大功能；所述的轴向快速连接功能，通过将顶板101和底板201固定于需要连接的两侧部件实现，能够保证快速与两侧部件间的固定。所述周向可变刚度功能，通过改变滑块203与弹簧片209末端的相对位置实现，能够保证可变刚度的关节模块的两侧部件周向连接柔性可调节。
本发明中在顶板101周向上设计环形侧壁108，环形侧壁上开有设计有槽面用来与弹簧片209自由端相连，实现与弹簧片209自由端的连接，且通过环形侧壁108还可对刚度调节部分2进行保护。同时，本发明还在环形侧壁108上开有缺口109；使底板201上的定位凸台213位于缺口109处；进而通过缺口109两侧与定位凸台213实现顶板101转动角度限制。
Claims (3)
1.一种可变刚度的关节模块，其特征在于：包括周向旋转部分与刚度调节部分；其中，周向旋转部分包括顶板、顶板连接件、紧定螺母、连接板、深沟球轴承、码盘、顶板连接件；刚度调节部分包括底板、滑轨、滑块、丝杠、丝杠螺母、丝杠轴齿轮、电机齿轮、驱动电机、弹簧片、读头；
所述周向旋转部分中，顶板连接件顶板连接件为柱状，底端至顶端依次套有推力轴承、连接板、深沟球轴承、码盘，顶板连接件顶端穿过顶板，由顶板中心开设的通孔穿出，与紧定螺母相连，使推力轴承、连接板、深沟球轴承、码盘与顶板间轴向相对压紧固定；
所述刚度调节部分中，底板上安装滑轨与驱动电机；滑轨上安装有滑块；丝杠螺母螺纹连接在丝杠上，形成滚珠丝杠副；螺母与滑块固定；丝杠一端安装有丝杠轴齿轮，丝杠轴齿轮与驱动电机输出轴上固定安装的电机齿轮啮合；通过电机驱动滚珠丝杠副运动，实现滑块沿滑轨的移动；上述滑块上安装有两个竖直的轴承安装柱，两个轴承安装柱上均套接有弹簧片传动轴承，两个弹簧片传动轴承间设置弹簧片，使弹簧片两侧面分别与两个弹簧片传动轴承贴合；弹簧片一端相对底板固定，另一端作为自由端通过连接件与周向旋转部分中的顶板固定；底板上还安装有读头；
上述周向旋转部分中，连接板与底板固定；同时，使码盘位于读头的读槽中；在连接板不动的情况下，顶板可通过摩擦力带动码盘一并自由转动，且通过测定码盘的旋转角度得到顶板的旋转角度；顶板周向上设计有环形侧壁，环形侧壁用来与弹簧片自由端相连，通过环形侧壁保护刚度调节部分；底板上设计有定位凸台，同时在环形侧壁上开设缺口，使凸台位于缺口处，通过缺口两侧与定位凸台配合，实现顶板转动角度限制。
2.如权利要求1所述一种可变刚度的关节模块，其特征在于：所述定位凸台作为丝杠一端与底板间相对定位的中间连接件，同时，还作为弹簧片一端与底板间定位的中间连接件。
3.如权利要求1所述一种可变刚度的关节模块，其特征在于：所述底板上设计有两个相互平行的安装侧板，用来安装滑轨、驱动电机，以及连接周向旋转部分中的连接板。
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