CN105328711B - 一种模块化变刚度关节 - Google Patents

Abstract

一种模块化变刚度关节，它涉及一种基于扭簧特性和模块化设计的变刚度关节，以解决现有变刚度关节结构复杂，体积大，布局不合理，输出刚度不能连续大范围变化的问题，它包括输入机构、输出机构、支架、编码器和两套扭簧机构；输入机构包括主电机、减速器和输入盘；输出机构包括副输出盘、主输出盘、调刚电机、带轮、钢丝绳、滑块、滑轨、两个惰轮和两个滚子；每套扭簧机构包括扭簧和扭簧架；副输出盘转动安装在支架上，主电机的输出轴与减速器的输入端连接，减速器固装在支架上，输入盘安装在减速器的输出端且穿出副输出盘；调刚电机、滑轨和两个惰轮分别安装在主输出盘上。本发明用于柔性机器人领域。

Description

一种模块化变刚度关节

技术领域

本发明涉及一种基于扭簧特性和模块化设计的变刚度关节，具体地涉及一种模块化变刚度关节。属于机器人技术领域。

背景技术

变刚度关节是一种不同于传统刚性关节的一类刚度可调的柔性关节。由于其自身刚度的可控性，使其能够适应更多不同应用环境的需求。

目前，柔性机器人已成为未来机器人的重要发展方向，而变刚度关节作为一个重要的组成部分正成为国内外热点研究领域。此外，由于变刚度关节的刚度可调性，使得诸如搬运优化，随动控制，轨迹跟踪等问题有了更广阔的研究空间，同时，也对参数辨识，振动抑制，控制算法优化提出了更高的要求。因而，对变刚度关节的设计研究具有重要的理论和实际意义。

针对变刚度关节的设计问题，国内外研究者已研制了很多基于不同原理的变刚度关节，但其或多或少存在着一些问题，例如结构过于复杂，体积较大，设计布局不合理等诸多问题。具体地，有传动过程中采用齿轮齿条结构所存在的间隙问题；通过滚珠丝杆传动的响应慢问题，采用对抗式弹簧的调节刚度方式不够节能的问题；采用杠杆原理，通过移动支点位置的调节刚度方式的滑动摩擦问题；采用杠杆原理移动弹簧的调节方式的刚度不能大范围变化的问题等。

经检索，公开号为CN104440936A的中国发明专利，该专利公开一种可变刚度的机器人关节，其特征是机器人关节包括过渡端，用于连接精密减速器和输出端。输出端由两部分组成，通过螺栓连接，中间放有摩擦片，包括两片副摩擦片和一片主摩擦片，摩擦片具有特殊的纹理，在螺栓施加的预紧力作用下被压紧，产生摩擦力。利用摩擦片的摩擦特性进行刚度的调节。该专利中利用摩擦特性，当受到摩擦力大于静摩擦力阈值时，摩擦片间产生相对滑动，从而改变刚度。该专利只是实现了某种情况下刚度值的被动改变，从高刚度状态到某一刚度值状态的跳变。

发明内容

本发明为解决现有变刚度关节结构复杂，体积大，布局不合理，输出刚度不能连续大范围变化的问题，进而提供一种模块化变刚度关节。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：一种模块化变刚度关节，它包括输入机构、输出机构、支架、编码器和两套扭簧机构；

输入机构包括主电机、减速器和输入盘；输出机构包括副输出盘、主输出盘、调刚电机、带轮、钢丝绳、滑块、滑轨、两个惰轮和两个滚子；每套扭簧机构包括扭簧和扭簧架；

副输出盘和主输出盘相间设置并连接为一体，副输出盘转动安装在支架上，主电机的输出轴与减速器的输入端连接，减速器固装在支架上，输入盘安装在减速器的输出端且穿出副输出盘；

调刚电机、滑轨和两个惰轮分别安装在主输出盘上，滑轨布置在主输出盘的中部，滑块的一端安装在滑轨上，滑块能沿滑轨的长度方向滑动，两个滚子安装在滑块的另一端，滚子的轴向与输入盘的轴向平行设置，调刚电机的轴向与输入盘的轴向垂直设置，调刚电机的输出轴上安装有带轮，钢丝绳绕在带轮和两个惰轮上，钢丝绳的两端分别与滑块的两端连接；

两个扭簧架安装在与副输出盘相邻的输入盘的板面上，两个扭簧架上各布置有一个扭簧，扭簧的短臂与扭簧架固接，扭簧的长臂贴靠在滚子上。

本发明的有益效果是：1、本发明实现了变刚度关节的结构创新，解决了现有技术普遍存在的结构复杂，体积大，布局不合理的问题。本发明基于模块化设计和扭簧的特性，将除了主电机，减速器和支架部分之外的结构高度集成在主输出盘和副输出盘相间设置的型腔内，结构紧凑，零部件少，体积小。零部件布置围绕输入盘和输出盘，尽可能对称布置，布局更加合理。有利于组成多关节机械臂系统，也更利于安装，更换：

2、本发明创新性地采用钢丝绳传动的方式，以解决了现有技术采用齿轮齿条传动存在的间隙问题和采用滚珠丝杆传动存在的结构复杂，质量大，响应慢，难以合理布局的问题，具有结构简单，变形小，传力大的特点：

3、本发明创新性地将调刚电机整合进变刚度关节装置内部，同时没有影响装置整体尺寸。将型腔结构视作一个整体时，变刚度关节装置类似于传统刚性关节，因而有利于变刚度关节装置与传统刚性关节的置换。

4、本发明实现了变刚度关节变刚度原理的创新。所设计独特的变刚度原理，是通过改变扭簧与滚子的作用点，实现关节变刚度。实现了在输入盘输出盘夹角相同的情况下，滑块位置的改变，能够改变扭簧与滚子的作用点，进而实现输入盘作用于输出盘上的扭矩大小的改变。而关节输出刚度表现为输入盘输出盘之间作用的扭矩值与其相对转角大小的比值。即通过改变滑块的位置实现了关节输出刚度的变化。而在滑块位置不变时，扭簧与滚子的作用点虽然会随着输入盘输出盘转角的改变而有所改变，但其变化量很小，使得装置的输出刚度能够保持稳定，变化很小，具有较好的定刚度性能：采用双滚子结构，结构上为滚动摩擦，解决了现有技术单滚子结构，在槽内移动引起的滑动摩擦问题。采用扭簧滚子变刚度原理，解决了采用杠杆原理，零部件多，结构复杂，质量大，不易合理布局的问题，同时，解决了采用杠杆原理，通过移动弹簧作用位置，或移动外部力作用位置方式改变关节输出刚度所存在的刚度调节范围窄的问题。

5、本发明创新性地实现了变刚度关节装置输出刚度的大范围连续变化。当滚子处于输出盘圆心处时，输出刚度很小，接近零刚度；随着滚子远离圆心，输出刚度逐渐增大，而当滚子处于扭簧连线处时，输出很高刚度，接近完全刚性。

6、本发明创新性地使用了双滚子，双扭簧结构。每个滚子只有一侧与扭簧臂相切，为滚动摩擦，有效避免现有技术滚子在槽内移动时的滑动摩擦问题，且滚子移动方向与扭簧扭转方向垂直，具有调节刚度耗能低的特点：

7、本发明创新性地仅使用扭簧，滚子、滑轨和滑块等较少零部件就实现了关节装置的变刚度，具有所需零部件少，结构简单的特点。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图，图2是图1中去掉副输出盘后的输出机构和两套扭簧机构侧视图，图3是行程开关、扭簧机构、滑块、滑轨、滚子、副输出盘和主输出盘连接结构示意图，图4是具体实施方式七中输入盘、编码器、扭簧机构和扭簧限位块连接结构侧视图，图5是具体实施方式五的输入盘、编码器和副输出盘连接结构示意图，图6是扭簧架主视结构示意图，图7是图6的侧视图，图8是具体实施方式十的滑块和滑轨连接结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图7说明，本实施方式的一种模块化变刚度关节，它包括输入机构、输出机构、支架3、编码器11和两套扭簧机构；

输入机构包括主电机1、减速器2和输入盘4；输出机构包括副输出盘5、主输出盘6、调刚电机12、带轮13、钢丝绳14、滑块17、滑轨16、两个惰轮15和两个滚子18；每套扭簧机构包括两个扭簧7和扭簧架8；

副输出盘5和主输出盘6相间设置并连接为一体，副输出盘5转动安装在支架3上，主电机1的输出轴与减速器2的输入端连接，减速器2固装在支架3上，输入盘4安装在减速器2的输出端且穿出副输出盘5；

调刚电机12、滑轨16和两个惰轮15分别安装在主输出盘6上，滑轨16布置在主输出盘6的中部，滑块17的一端安装在滑轨16上，滑块17能沿滑轨16的长度方向滑动，两个滚子18安装在滑块17的另一端，滚子18的轴向与输入盘4的轴向平行设置，调刚电机12的轴向与输入盘4的轴向垂直设置，调刚电机12的输出轴上安装有带轮13，钢丝绳14绕在带轮13和两个惰轮15上，钢丝绳14的两端分别与滑块16的两端连接；

两个扭簧架8安装在与副输出盘5相邻的输入盘4的板面上，两个扭簧架8上各布置有一个扭簧7，扭簧7的短臂与扭簧架8固接，扭簧7的长臂贴靠在滚子18上。

本实施方式中部件之间连接紧固件包括常用的螺钉，垫圈，挡圈，紧定螺钉等。

本实施方式的扭簧7为一对旋向相反，结构对称，刚度值相同的线性扭簧，其较短扭簧臂与扭簧架8固定，较长扭簧臂与滚子18相接触。滚子18可沿扭簧7的较长扭簧臂自由滚动，初始位置时，扭簧7有一定的预压角度。

本实施方式中所述输入盘4，所述滑块17和所述滑轨16采用钢结构，具有较强的刚度，保证受到大扭矩作用时不易变形。

本实施方式中滚子18和惰轮15为钢结构的标准件，其外圈可绕其轴自由转动，实现滚动摩擦，并且能够承受较大的径向力。

本实施方式中扭簧架8用于固定扭簧7较短扭簧臂的结构采用双紧定螺钉结构，通过调节紧定螺钉，实现对扭簧的预压角的微调，同时实现所述输入盘4，所述输出盘6，不受外力矩时刻的相对位置的调节。

本实施方式支架3，主输出盘6、副输出盘5上都有相应的安装孔，用于安装杆件或者基座等，以便于组成多自由度变刚度关节的机械臂装置。

编码器11，主电机1自带的编码器，调刚电机12自带的编码器可以唯一确定关节装置的位姿状态。

优选地，调刚电机12的轴向与滑轨17的长度方向垂直设置在主输出盘6上，更充分利用空间，结构更加紧凑，有利于选用尺寸更大的电机。

优选地，编码器11与扭簧架8分别布置输入盘4的两侧，布局更加合理。

优选地，主输出盘6在滑轨16安装位置两端设计有限制滑块17移动的限位结构，防止滑块17移出滑轨16。

具体实施方式二：结合图2说明，本实施方式所述减速器2为谐波减速器，主电机1的输出轴与谐波减速器的波发生器连接，主电机1的外壳与谐波减速器的刚轮连接，谐波减速器的刚轮与支架3连接，谐波减速器的柔轮与输入盘4连接。谐波减速器结构简单，运行稳定可靠，满足设计要求和实际需要。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明，本实施方式的主电机1为自带编码器的电机。主电机自带编码器用于测量关节输入盘4的旋转角度，角速度和角加速度。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图2说明，本实施方式的调刚电机12为自带编码器的电机。调刚电机12自带的编码器，用于测量所述滑块17移动的位置，速度和加速度。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1和图4说明，本实施方式所述变刚度关节还包括编码器11，编码器11安装在输入盘4上，编码器11的输出轴上绕制有橡胶，并且橡胶外圆面与副输出盘5的内侧面相接触。本实施方式创新性地使用橡胶接触滚动的方式，将用于测量输入盘4和副输出盘5夹角的编码器整合进装置中，减小了装置的厚度。同时，编码器11与扭簧架8位于输入盘4的两侧，布局更加合理，结构也更加紧凑。其它与具体实施方式一、二或四相同。

具体实施方式六：结合图2说明，所述变刚度关节还包括两个行程开关19，两个行程开关19正对设置在滑轨16的两端，两个行程开关19安装在主输出盘6上。行程开关用于检测滑块17的行程位置，当滑块17行程超过设定位置时，分断控制调刚电机12，行程开关19可用光电开关替代。其它与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图4说明，本实施方式所述变刚度关节还包括两个扭簧限位块9，两个扭簧限位块9设置在两个扭簧7的长臂的外侧，两个扭簧限位块9固装在输入盘4上。扭簧限位块9限制扭簧7较长臂扭转角度范围，扭簧限位块9为一对，分别限制两个扭簧7的扭转角，确保扭簧7工作在允许范围内，防止扭转角过大发生塑性变形，扭簧限位块9的设计解决了扭簧7扭转角过大可能引起塑性变形的问题。其它与具体实施方式一、二、四或六相同。

具体实施方式八：结合图2说明，本实施方式所述变刚度关节还包括两个转角限位块10，两个转角限位块10与两个扭簧限位块9一一对应设置，两个转角限位块10安装在主输出盘6内侧面上。转角限位块10为一对，用于限制输入盘4与主输出盘6的相对转角，防止转角过大，对其它部件造成碰撞损坏。其它与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：结合图2说明，本实施方式的两个滚子18正对设置，两个扭簧架8正对设置，两个扭簧限位块9正对设置，两个转角限位块10正对设置。如此设置，使输入盘4，主输出盘6相对转角方向不同时所具有的性质保持一致。其它与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：结合图8说明，本实施方式的滑轨16为具有U形槽的滑轨，U形槽两内侧面加工有导向槽16-1，滑块17一端的两侧加工有与导向槽16-1配合设置的凸棱17-1，凸棱17-1滑动安装在导向槽16-1内。如此设置，滑块17在滑轨16上导向性好，滑块17运行稳定可靠，满足实际需要。其它与具体实施方式一、二、四、六、八或九相同。

工作原理

本发明使用时，可分为：关节位姿的确定，关节的保护，关节的转动，关节刚度的调节。

关节位姿的确定，主电机1自带的编码器可以检测输入盘4的位姿，调刚电机12自带的编码器可以检测滑块17的位姿，编码器11可以检测输入盘4与副输出盘5的相对转角位姿。通过上述三个编码器的数据采集分析，可以唯一确定副输出盘5的位姿，亦即输出盘6的位姿，实现关节位姿的确定。

关节的保护，扭簧7扭转角的保护通过扭簧限位块9实现，当扭簧7扭转角的转角超过一定值时，扭簧7较长臂会与扭簧限位块9接触，而不能继续扭转。调刚电机12等器件的保护通过转角限位块10实现。当两个滚子18圆心连线偏离主输出盘6圆心距离较小时，输入盘4与主输出盘6(副输出盘5)的相对转角可以很大，而扭簧7较长臂还未接触扭簧限位块9，为了防止输入盘4与主输出盘6(副输出盘5)的相对转角过大，造成器件间碰撞损坏，设置转角限位块10。当该相对转角超过预设值时，安装在输入盘4上的扭簧架8与安装在主输出盘6上的转角限位块10接触，使该相对转角不能继续增大。滑块17的行程通过两个层面保护，一是通过结构限位，在主输出盘6的滑轨16安装位置两端设计挡块，当滑块17碰到该挡块后便不能继续沿原方向滑动；二是通过行程开关19限位，当滑块17移动行程超过预设值时，触动行程开关19，进而分断调刚电机12的控制电路。

关节的转动，主电机1的旋转运动经所述减速器2减速后传递给所述输入盘4，驱动输入盘4的转动。该转动引起输入盘4与主输出盘6(副输出盘5)的相对转动，相对转角发生变化，引起扭簧7的扭转角发生变化，进而使得输入盘4通过扭簧7较长臂与滚子18接触作用于主输出盘6上的扭矩发生变化，主输出盘6(副输出盘5)在该扭矩作用下发生转动，实现了关节的转动。

关节刚度的调节，调刚电机12的旋转运动经带轮13，惰轮15，通过钢丝绳14传动方式传递给滑块17，驱动滑块17在滑轨16上的滑动。滑块17位置的移动引起滚子18与扭簧7较长臂的接触点位置发生变化，实现关节刚度的调节。具体通过移动滚子18实现关节刚度变化的变刚度原理描述如下：为便于理解，假设输入盘4与主输出盘6的相对转角一定，移动滚子18的位置使得滚子18与扭簧7较长臂的接触位置发生改变，引起扭簧7的扭转角发生改变，输入盘4通过扭簧7较长臂与滚子18接触作用于主输出盘6上的扭矩值发生改变。而关节输出刚度表现为该扭矩值和输入盘4与主输出盘6间相对转角大小的比值，即滚子18位置的移动实现了关节刚度的变化。值得注意的是，关节输出刚度是关节的一个性质，与扭矩值或输入盘4与主输出盘6的相对转角大小无关。

本发明中关节的转动和关节刚度的调节两个过程是能够同时进行的，并不冲突。在关节转动的同时实现关节刚度的调节是本发明的最终目的。

以上对本发明的具体实施方式进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种模块化变刚度关节，其特征在于：它包括输入机构、输出机构、支架(3)、编码器(11)和两套扭簧机构；

输入机构包括主电机(1)、减速器(2)和输入盘(4)；输出机构包括副输出盘(5)、主输出盘(6)、调刚电机(12)、带轮(13)、钢丝绳(14)、滑块(17)、滑轨(16)、两个惰轮(15)和两个滚子(18)；每套扭簧机构包括扭簧(7)和扭簧架(8)；

副输出盘(5)和主输出盘(6)相间设置并连接为一体，副输出盘(5)转动安装在支架(3)上，主电机(1)的输出轴与减速器(2)的输入端连接，减速器(2)固装在支架(3)上，输入盘(4)安装在减速器(2)的输出端且穿出副输出盘(5)；

调刚电机(12)、滑轨(16)和两个惰轮(15)分别安装在主输出盘(6)上，滑轨(16)布置在主输出盘(6)的中部，滑块(17)的一端安装在滑轨(16)上，滑块(17)能沿滑轨(16)的长度方向滑动，两个滚子(18)安装在滑块(17)的另一端，滚子(18)的轴向与输入盘(4)的轴向平行设置，调刚电机(12)的轴向与输入盘(4)的轴向垂直设置，调刚电机(12)的输出轴上安装有带轮(13)，钢丝绳(14)绕在带轮(13)和两个惰轮(15)上，钢丝绳(14)的两端分别与滑块(17)的两端连接；

两个扭簧架(8)安装在与副输出盘(5)相邻的输入盘(4)的板面上，两个扭簧架(8)上各布置有一个扭簧(7)，扭簧(7)的短臂与扭簧架(8)固接，扭簧(7)的长臂贴靠在滚子(18)上。

2.根据权利要求1所述的一种模块化变刚度关节，其特征在于：所述减速器(2)为谐波减速器，主电机(1)的输出轴与谐波减速器的波发生器连接，谐波减速器的刚轮与支架(3)连接，谐波减速器的柔轮与输入盘(4)连接,主电机(1)的外壳与谐波减速器的刚轮连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种模块化变刚度关节，其特征在于：主电机(1)为自带编码器的电机。

4.根据权利要求3所述的一种模块化变刚度关节，其特征在于：调刚电机(12)为自带编码器的电机。

5.根据权利要求1、2或4所述的一种模块化变刚度关节，其特征在于：所述变刚度关节还包括编码器(11)，编码器(11)安装在输入盘(4)上，编码器(11)的输出轴上绕制有橡胶，并且橡胶外圆面与副输出盘(5)的内侧面相接触。

6.根据权利要求5所述的一种模块化变刚度关节，其特征在于：所述变刚度关节还包括两个行程开关(19)，两个行程开关(19)正对设置在滑轨(16)的两端，两个行程开关(19)安装在主输出盘(6)上。

7.根据权利要求1、2、4或6所述的一种模块化变刚度关节，其特征在于：所述变刚度关节还包括两个扭簧限位块(9)，两个扭簧限位块(9)设置在两个扭簧(7)的长臂的外侧，两个扭簧限位块(9)固装在输入盘(4)上。

8.根据权利要求7所述的一种模块化变刚度关节，其特征在于：所述变刚度关节还包括两个转角限位块(10)，两个转角限位块(10)与两个扭簧限位块(9)一一对应设置，两个转角限位块(10)安装在主输出盘(6)内侧面上。

9.根据权利要求8所述的一种模块化变刚度关节，其特征在于：两个滚子(18)正对设置，两个扭簧架(8)正对设置，两个扭簧限位块(9)正对设置，两个转角限位块(10)正对设置。

10.根据权利要求1、2、4、6、8或9所述的一种模块化变刚度关节，其特征在于：滑轨(16)为具有U形槽的滑轨，U形槽两内侧面加工有导向槽(16-1)，滑块(17)一端的两侧各加工有与导向槽(16-1)配合设置的凸棱(17-1)，凸棱(17-1)滑动安装在导向槽(16-1)内。