CN104608142A - 一种旋转型变刚度柔性关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种旋转型变刚度柔性关节，包含被动变刚度机构和主动柔性驱动机构，其特征在于所述被动变刚度机构主要包括：关节输出盘、关节第一驱动盘、关节第二驱动盘、第一、第二凸轮组及第一、第二凸轮组安装座、光轴及其支撑座、调刚度安装盘、直线轴承和弹簧，所述关节第一驱动盘与关节第二驱动盘固定连接；关节第二驱动盘与关节输出盘上有相同轮廓线的凸轮槽，且该轮廓线可实现关节等效刚度随关节柔性变形角度而变化，第一、第二凸轮组凸轮同时与第二驱动盘、关节输出盘相接触；所述主动柔性驱动机构主要包括：梯形丝杠、丝杠支撑座、丝杠螺母、丝杠轴承、直流伺服电机、电机安装座、联轴器、变刚度调整座、直线轴承和弹簧。

Description

一种旋转型变刚度柔性关节

技术领域

本发明涉及机器人技术，具体为一种旋转型变刚度柔性关节。

背景技术

关节型机器人依据仿生学原理设计，结构简单，活动灵活，在各种复杂的环境中工作表现出很强的适应性，已被广泛应用于工业生产、科研探索、抗震救灾等领域。转动关节是机器人最重要的组成部分，对机器人的正常工作及稳定性、可靠性、精度等有着重要的意义。传统刚性机器人的关节可在已知环境中运行平稳，但在未知环境或意外情况下，非常容易受到冲击导致人员或自身损伤，特别是机器人与人类生活越来越密切，要想使机器人在人类日常生活中普及，优先需要解决的就是刚性关节的安全性差，适应能力不强的问题。

近些年通过仿生学研究，人们发现自然界动物中的肌肉-肌腱组织具备柔顺特性，不仅仅能够减小骨骼受到的冲击力，保护本体安全，而且柔性输出能够为动物存储部分能量以运用到下一个动作中，例如，犬科动物在奔跑时肌肉-肌腱能够存储35％的机械能用于下一步的运动能量循环中。同时，为适应不同情况，动物能够调整肌肉-肌腱组织的刚度，提高运动稳定性及能量优化特性。

根据这一原理，麻省理工学院的一位学者Pratt，首次将串联弹性驱动器(Series Elastic Actuator，SEA)应用到步行机器人的驱动中。串联弹性驱动器将弹性元件串联在刚性驱动器之后，通过检测弹性元件的变形来达到力精确输出的目的。

现有的基于串联驱动器的柔性关节，多数还是关注与柔性输出的实现，且结构复杂，关节柔性变形角度受限，如CN102211622A号专利公开的一种圆筒式的串联弹性驱动器，结构复杂，且只能产生直线运动，刚度不可调，不利于应用在关节机器人上；又如CN101934525B号专利公开的仿人机器人具有可变刚度柔性关节设计，虽然实现了主动变刚度输出的目的，但是同样结构复杂，且驱动依靠柔索，不能适应快速运动及冲击作用，应用到各种关节型机器人上的广泛性受到限制。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种旋转型变刚度柔性关节。该柔性关节不仅能够实现柔性驱动输出，减小冲击、摩擦，延长机器人使用寿命，提高机器人安全性，同时能够实现关节刚度随关节柔性变形角度增大而增大，提高机器人鲁棒性及运行稳定性，并能通过自身驱动主动调整关节刚度，更好的适应不同外界环境或不同工作任务。

本发明解决所述技术问题的技术方案是：设计一种旋转型变刚度柔性关节，包含被动变刚度机构和主动柔性驱动机构，其特征在于所述被动变刚度机构主要包括：关节输出盘、关节第一驱动盘、关节第二驱动盘、第一凸轮组、第二凸轮组、第一凸轮组安装座、第二凸轮组安装座、光轴、光轴支撑座、调刚度安装盘、直线轴承和弹簧，所述关节第一驱动盘与关节第二驱动盘固定连接；所述关节第二驱动盘与关节输出盘上加工有相同轮廓线的凸轮槽，且该轮廓线可实现关节等效刚度随关节柔性变形角度而变化，凸轮槽轮廓线关于轴心对称；所述关节输出盘通过止推轴承、转动轴承安装在第一驱动盘的轴上，能够相对关节第二驱动轴转动；

所述第一凸轮组、第二凸轮组凸轮同时与第二驱动盘、关节输出盘相接触，且始终与凸轮槽外轮廓线相接触；所述第一凸轮组和第二凸轮组分别对应固定在第一凸轮组安装座和第二凸轮组安装座上，所述第一凸轮组安装座和第二凸轮组安装座分别通过直线轴承固定在光轴上，使凸轮组能够沿光轴平动；所述光轴通过光轴支撑座固定在调刚度安装盘上，调刚度安装盘通过止推轴承与转动轴承安装在第一驱动盘轴上，且能够绕第一驱动盘的轴心转动；

所述主动柔性驱动机构主要包括：梯形丝杠、丝杠支撑座、丝杠螺母、丝杠轴承、直流伺服电机、电机安装座、联轴器、变刚度调整座、直线轴承和压缩弹簧，所述直流伺服电机安装在电机安装座上，电机安装座与第一凸轮组安装座固定；所述梯形丝杠通过丝杠支撑座、丝杠轴承安装在第一凸轮组安装座内，直流伺服电机通过联轴器与梯形丝杠连接，带动梯形丝杠转动；所述丝杠螺母固定于变刚度调整座上，变刚度调整座通过两个直线轴承固定于光轴上，直流伺服电机带动梯形丝杠转动，调整变刚度调整座与第一凸轮组安装座之间的距离；所述压缩弹簧安装于变刚度调整座与第二凸轮组安装座之间。

与现有技术相比，本发明设计的柔性关节具有以下创新点：

1、可变刚度柔性关节巧妙地结合了凸轮机构及丝杠螺母机构，可同时实现关节的被动变刚度和主动变刚度；

2、可变刚度柔性关节体积紧凑，所有主被动变刚度结构集中于关节构型中，易于集成应用于各类关节型机器人中；

3、可变刚度柔性关节系统安装有弹簧，实现了驱动力的柔性输出，更加安全可靠，防止冲击、碰撞等意外情况下造成人员或机器人本体损伤；

4、可变刚度柔性关节可通过直流伺服电机主动调整关节弹性刚度，使得机器人能够适应不同的外界环境及工作需求，增大了关节型机器人的应用范围；

5、本发明设计的柔性关节采用凸轮-凸轮槽机构对弹簧弹力进行放大，减小了弹簧体积，采用丝杠螺母机构对直流伺服电机输出力矩进行放大，用一个小功率的直流伺服电机，输出连接丝杠螺母，来调节弹簧压缩量，减小了直流伺服电机的功率需求。

本发明柔性关节适用各种仿人机器人手臂关节、足式机器人腿部关节等关节型机器人的关键部位，为柔性驱动在关节机器人中的应用奠定了基础，具有很广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明旋转型变刚度柔性关节一种实施例的立体结构示意图；

图2为本发明旋转型变刚度柔性关节一种实施例的柔性输出实现原理说明图；其中，

图2-1为本发明旋转型变刚度柔性关节静止状态结构示意图；

图2-2为本发明旋转型变刚度柔性关节发生柔性变形状态结构示意图；

图3为本发明旋转型变刚度柔性关节一种实施例的主动柔性驱动机构剖视结构示意图；

图4为本发明旋转型变刚度柔性关节一种实施例的整体剖面结构示意图。其中，

图4-1为本发明旋转型变刚度柔性关节一种实施例的阶梯剖正面结构示意图；

图4-2为本发明旋转型变刚度柔性关节一种实施例的侧面结构示意图；

图5为本发明旋转型变刚度柔性关节一种实施例沿轴线的剖面结构示意图。

图中：1关节输出盘，11输出盘凸轮槽，2关节第一驱动盘，21第一驱动盘凸轮槽，3关节第二驱动盘，4关节支撑盘，31第一凸轮组，31’第二凸轮组，32支撑端盖，33光轴，34光轴支撑座，35直流伺服电机，36丝杠支撑座，37第一凸轮组安装座，38丝杠螺母，39变刚度调整座，310电机安装座，311第二凸轮组安装座，312直线轴承，313调刚度安装盘，314压缩弹簧，315联轴器，316丝杠轴承，317梯形丝杠，41第一止推轴承，42第一转动轴承，43第二转动轴承44第二止推轴承。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明。但本申请的权利要求保护范围不限于所述实施例的描述范围。

本发明设计的一种旋转型变刚度柔性关节(简称柔性关节，参见图1-5)，包含被动变刚度机构和主动柔性驱动机构，其特征在于所述被动变刚度机构主要包括：关节输出盘1、关节第一驱动盘2、关节第二驱动盘3、第一凸轮组31、第二凸轮组31’、第一凸轮组安装座37、第二凸轮组安装座311、光轴33、光轴支撑座34、调刚度安装盘313、直线轴承312和压缩弹簧314，所述关节第一驱动盘2与关节第二驱动盘3固定连接；所述关节第二驱动盘3与关节输出盘1上加工有相同轮廓线的输出盘凸轮槽11和第一驱动盘凸轮槽21，且该轮廓线可实现关节等效刚度随关节柔性变形角度而变化，凸轮槽轮廓线关于轴心对称；所述关节输出盘1通过止推轴承41、转动轴承42安装在第一驱动盘2的轴上，能够相对关节第二驱动盘3转动；

所述第一凸轮组31、第二凸轮组31’凸轮同时与第二驱动盘3、关节输出盘1相接触，且始终与凸轮槽外轮廓线相接触；所述第一凸轮组31和第二凸轮组31’分别对应固定在第一凸轮组安装座37和第二凸轮组安装座311上，所述第一凸轮组安装座37和第二凸轮组安装座311分别通过直线轴承312固定在光轴33上，使第一凸轮组31、第二凸轮组31’能够沿光轴33平动；所述光轴33通过光轴支撑座32固定在调刚度安装盘313上，调刚度安装盘313通过止推轴承44与转动轴承43安装在第一驱动盘2轴上，且能够绕第一驱动盘2的轴心转动；

所述主动柔性驱动机构主要包括：梯形丝杠317、丝杠支撑座36、丝杠螺母38、丝杠轴承316、直流伺服电机35、电机安装座310、联轴器315、变刚度调整座39、直线轴承312和压缩弹簧314，所述直流伺服电机35安装在电机安装座310上，电机安装座310与第一凸轮组安装座37固定；所述梯形丝杠317通过丝杠支撑座36、丝杠轴承316安装在第一凸轮组安装座37内，直流伺服电机35通过联轴器315与梯形丝杠317连接，带动梯形丝杠317转动；所述丝杠螺母38固定于变刚度调整座39上，变刚度调整座39通过两个直线轴承312固定于光轴33上，直流伺服电机35带动梯形丝杠317转动，调整变刚度调整座39与第一凸轮组安装座37之间的距离；所述压缩弹簧314安装于变刚度调整座39与第二凸轮组安装座311之间。

本发明柔性关节主要依据凸轮机构的工作原理设计，主要包含关节第一驱动盘2、关节第二驱动盘3、光轴33、关节输出盘1以及柔性驱动部分；关节第一驱动盘2法兰与关节驱动器相连，一般为减速器输出，第一驱动盘2与第二驱动盘3通过螺丝连接固定在一起，关节输出盘1与第一驱动盘2上加工有相同轮廓线的输出盘凸轮槽11和第一驱动盘凸轮槽21，两盘间通过第一凸轮组31、第二凸轮组31’和压缩弹簧314限制其相对转动，凸轮同时与关节第二驱动盘3、关节输出盘1接触。

本发明旋转型变刚度柔性关节实现变刚度柔性输出的原理是(参见图2)，当关节第二驱动盘3与关节输出盘1相对转动时，即关节弹性变形，两盘上的凸轮槽相对转动，挤压两凸轮组31、31’，使两凸轮组间的距离L减小，压缩由弹簧314为弹性元件的柔性驱动机构，阻碍关节第二驱动盘3与关节输出盘1相对转动，实现关节的柔性输出；设计非圆的凸轮槽轮廓线，使弹簧随两盘相对转角的增大，压缩量增大速度变快，使两盘相对转角增量与弹簧压缩量增量比值呈逐渐减小的趋势(见图2中，3与1相对转动发生柔性变形时，凸轮槽挤压凸轮，使得两组凸轮间距L减小，不同的凸轮槽轮廓线，“3与1相对转动的角度增量”和“间距L的变化量”关系不同，如果角度增加一度，弹簧压缩量变化为一个常数，则是定刚度；如果随着变形角度的增大，弹簧压缩量增大速度变快)，即实现了柔性变形越大，弹性刚度越大的柔性关节被动变刚度规律。

本发明所设计的柔性驱动部分机构(参见图3、4)，主要包含调刚度安装盘313、光轴支座34、光轴33、第一驱动盘2、第一凸轮组安装座37、第一凸轮组31、直线轴承312、丝杠支撑座36、电机安装座310、直流伺服电机35、丝杠轴承316、梯形丝杠317、直流伺服电机35、第二凸轮组安装座311、第二凸轮组31’、变刚度调整座39、压缩弹簧314。调刚度安装盘313、光轴支座34、光轴33通过螺丝固定组成柔性驱动部分安装固定座，调刚度安装盘313通过转动轴承、止推轴承安装到第一驱动盘2上，能够相对于第一驱动盘2转动；光轴上安装有三部分可沿光轴任意滑动的机构：第一凸轮组安装座37固定第一凸轮组31，并通过两直线轴承312安装在光轴33上，同时第一凸轮组安装座37固定有丝杠支撑座36、电机安装座310、直流伺服电机35、丝杠轴承316，其中丝杠轴承316与丝杠支撑座36间固定有梯形丝杠317，梯形丝杠317一端通过联轴器315与直流伺服电机35连接；第二凸轮组安装座311固定第二凸轮组31’，并通过两直线轴承312安装在光轴33上；变刚度调整座39通过两个直线轴承312安装在光轴上，同时固定有丝杠螺母38，使变刚度调整座39能够在丝杠带动下，调整距第一凸轮组固定座37的距离；两个压缩弹簧314安装在变刚度调整座39与第二凸轮组安装座311之间，轴线与光轴33重合；直流伺服电机35转动带动变刚度调整座39平移，改变弹簧预压缩量，实现主动变刚度。

本发明变刚度柔性关节沿轴线方向的剖面参见图5，主要包含第二关节驱动盘3、第一转动轴承42、第一止推轴承41、关节输出轴1、调刚度安装盘313、支撑端盖32、关节支撑盘4、第二转动轴承43、第二止推轴承44、关节第一驱动盘2；以第二关节驱动盘3为轴，通过第一转动轴承42、第一止推轴承41安装有关节输出轴1和调刚度安装盘313，调刚度安装盘313与支撑端盖32通过螺丝固定为一体，支撑端盖32与关节支撑盘4通过第二转动轴承43、第二止推轴承44连接；关节支撑盘4与关节上肢固定，关节第一驱动盘2与关节上肢驱动执行器输出连接，关节轴向固定通过上肢固定。

本发明实施例初步设计的柔性关节主要参数为：总体尺寸为直径160mm，高50mm，柔性变形最大角度为30°，凸轮槽设计为偏心椭圆形，关节最大弹性输出为70N·m，第一驱动盘轴径设计为20mm，凸轮组选用工业用凸轮轴承随动器，凸轮直径16mm，凸轮轴承随动器固定端为外螺纹螺栓，方便凸轮组安装座固定，强度可靠。直流伺服电机外径22mm，最大额定转矩15mNm，配直径22mm行星轮减速器减速比1:100，减速器输出最大扭矩为1.2Nm，梯形丝杠选为14mm、30度梯形丝杠，丝杠最大容许推力为3kN，压缩弹簧选用外径27mm內径13.5mm的矩形磨具弹簧，弹簧自由长度120mm，弹性系数为70N/mm，弹簧安装预压缩量为10mm。

本发明柔性关节可应用于仿生四足机器人的膝关节或髋关节中，大幅提高膝关节或髋关节的性能，大幅减小安装体积。安装本发明柔性关节的膝关节或髋关节的实施例主要设计参数是：选配交流伺服电机400W，最大输出扭矩为1.27N·m，选配1:120谐波减速器，减速器输出法兰直接与关节第一驱动盘连接，减速器输入通过同步带与交流伺服电机连接；其中交流伺服电机2kg，谐波减速器1.5kg，一条腿质量大致为12kg左右，机器人本体质量为20kg；当关节输出最大扭矩时，能够保证四足机器人以对角步态行进。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (4)

1.一种旋转型变刚度柔性关节，包含被动变刚度机构和主动柔性驱动机构，其特征在于所述被动变刚度机构主要包括：关节输出盘、关节第一驱动盘、关节第二驱动盘、第一凸轮组、第二凸轮组、第一凸轮组安装座、第二凸轮组安装座、光轴、光轴支撑座、调刚度安装盘、直线轴承和弹簧，所述关节第一驱动盘与关节第二驱动盘固定连接；所述关节第二驱动盘与关节输出盘上加工有相同轮廓线的凸轮槽，且该轮廓线可实现关节等效刚度随关节柔性变形角度而变化，凸轮槽轮廓线关于轴心对称；所述关节输出盘通过止推轴承、转动轴承安装在第一驱动盘的轴上，能够相对关节第二驱动轴转动；

所述第一凸轮组、第二凸轮组凸轮同时与第二驱动盘、关节输出盘相接触，且始终与凸轮槽外轮廓线相接触；所述第一凸轮组和第二凸轮组分别对应固定在第一凸轮组安装座和第二凸轮组安装座上，所述第一凸轮组安装座和第二凸轮组安装座分别通过直线轴承固定在光轴上，使凸轮组能够沿光轴平动；所述光轴通过光轴支撑座固定在调刚度安装盘上，调刚度安装盘通过止推轴承与转动轴承安装在第一驱动盘轴上，且能够绕第一驱动盘的轴心转动；

所述主动柔性驱动机构主要包括：梯形丝杠、丝杠支撑座、丝杠螺母、丝杠轴承、直流伺服电机、电机安装座、联轴器、变刚度调整座、直线轴承和压缩弹簧，所述直流伺服电机安装在电机安装座上，电机安装座与第一凸轮组安装座固定；所述梯形丝杠通过丝杠支撑座、丝杠轴承安装在第一凸轮组安装座内，直流伺服电机通过联轴器与梯形丝杠连接，带动梯形丝杠转动；所述丝杠螺母固定于变刚度调整座上，变刚度调整座通过两个直线轴承固定于光轴上，直流伺服电机带动梯形丝杠转动，调整变刚度调整座与第一凸轮组安装座之间的距离；所述压缩弹簧安装于变刚度调整座与第二凸轮组安装座之间。

2.根据权利要求1所述的旋转型变刚度柔性关节，其特征在于该柔性关节主要参数为：总体尺寸直径160mm、高50mm，柔性变形最大角度为30°，凸轮槽设计为偏心椭圆形，关节最大弹性输出为70N·m，第一驱动盘轴径设计为20mm，凸轮组选用工业用凸轮轴承随动器，凸轮直径16mm，凸轮轴承随动器固定端为外螺纹螺栓，直流伺服电机外径22mm，最大额定转矩15mNm，配直径22mm行星轮减速器减速比1:100，减速器输出最大扭矩为1.2Nm，梯形丝杠选为14mm、30度梯形丝杠，丝杠最大容许推力为3kN，压缩弹簧选用外径27mm、內径13.5mm的矩形磨具弹簧，弹簧自由长度120mm，弹性系数为70N/mm，弹簧安装预压缩量为10mm。

3.一种膝关节，其特征在于该膝关节安装有权利要求1或2所述的旋转型变刚度柔性关节；其主要设计参数是：选配交流伺服电机400W，最大输出扭矩为1.27N·m，选配1:120谐波减速器，减速器输出法兰直接与关节第一驱动盘连接，减速器输入通过同步带与交流伺服电机连接；其中交流伺服电机2kg，谐波减速器1.5kg，一条腿质量大致为12kg左右，机器人本体质量为20kg；当关节输出最大扭矩时，能够保证四足机器人以对角步态行进。

4.一种髋关节，其特征在于该髋关节安装有权利要求1或2所述的旋转型变刚度柔性关节；其主要设计参数是：选配交流伺服电机400W，最大输出扭矩为1.27N·m，选配1:120谐波减速器，减速器输出法兰直接与关节第一驱动盘连接，减速器输入通过同步带与交流伺服电机连接；其中交流伺服电机2kg，谐波减速器1.5kg，一条腿质量大致为12kg左右，机器人本体质量为20kg；当关节输出最大扭矩时，能够保证四足机器人以对角步态行进。