CN105773653A - 关节输出刚度可变的柔性平移关节 - Google Patents

Abstract

一种机器人领域的关节输出刚度可变的柔性平移关节，包括：刚度调节机构、设置于刚度调节机构上的简支梁弹簧机构以及位于简支梁弹簧机构顶部的关节输出轴，其中：简支梁弹簧机构为中心对称设置，刚度调节机构通过齿轮传动控制简支梁弹簧机构调节其简支弹簧片的跨度，进而改变弹簧片的挠曲刚度，并通过输出轴转化为关节不同的输出刚度；本发明具有结构紧凑、体积小、质量轻便、刚度调节范围大等优点，可广泛用与各类服务、康复机器人以及并联机床的研究与应用中。

Description

关节输出刚度可变的柔性平移关节

技术领域

本发明涉及的是一种机器人领域的技术，具体是一种关节输出刚度可变的柔性平移关节。

背景技术

当前，机器人正越来越广泛的应用于工业生产，并逐步向人们的日常生活普及。传统机器人一般为刚性机器人，从而保证设备能够进行精确的运动定位及轨迹追踪。然而，对于需要人-机交互的机械设备，如可穿戴机器人、康复机器人以及人造假肢，为缓和机器人发生碰撞时产生的冲击，保护人及设备的安全，往往需要机器人关节刚度具有一定的柔性。另一方面，某些精密加工工艺可能会对加工过程中的支撑或切削刚度具有特殊的要求。例如镜像铣削薄板时，为保证铣削量均匀，需尽量保证薄板的支撑刚度近恒，这就要求机械的末端刚度在运动过程中具有一定的可调性。因此，在近年来，刚度可变关节得到了越来越多的研究关注。

经过对现有技术的检索发现，当前主要的变刚度关节设计多为转动关节。对于需要实现平移运动的情况，还要另外安装转动-平动的转换装置，从而使机械系统的结构更加复杂，极大地增大了关节的整体体积和重量，不便于关节的应用。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种关节输出刚度可变的柔性平移关节，具有机械结构紧凑、质量轻便、实施成本低等特点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：刚度调节机构、设置于刚度调节机构上的简支梁弹簧机构以及位于简支梁弹簧机构顶端的关节输出轴，其中：关节输出轴通过触脚与简支梁弹簧机构的弹簧片相连，简支梁弹簧机构与刚度调节机构通过齿轮啮合，并接受来自刚度调节机构的扭矩从而调节弹簧片的跨度，实现输出刚度的改变。

所述的简支梁弹簧机构包括：导轨、曲柄齿轮以及设置于导轨上且对称布置于曲柄齿轮两侧的一对滑块，其中：每个滑块顶部均设有两对辊轮，并通过辊轮将弹簧片紧密夹持，使弹簧片近似为简支梁；滑块底部与曲柄齿轮通过连杆连接，构成双曲柄滑块机构。

当曲柄齿轮转动时，将带动一对滑块沿导轨相向或背向运动，使弹簧片的跨度相应的发生缩短或增长，从而改变其挠曲刚度，实现对关节输出刚度的调节。

所述的刚度调节机构包括：底座、位于底座上的支板以及设置于支板上且依次相连的扭矩输出齿轮、减速机构和调节电机，其中：减速机构设置于支板内孔中并与电机输出齿轮相连，从而通过传动轴，驱使设置于传动轴另一端的扭矩输出齿轮对外输出扭矩。

所述的减速机构包括：传动轴、滚珠轴承以及减速齿轮。

所述的关节输出轴包括：依次相连的方轴、连接体和触脚，其中：方轴和触脚分别设置于连接体的两端，且每个触脚正对一个固支梁弹簧机构。

所述的简支梁弹簧机构优选为三个，且彼此以夹角60°的方式中心对称布置于刚度调节结构的支板上。

所述的关节输出轴的触脚分别与每个简支梁弹簧机构的弹簧片中心相接触。

技术效果

与现有技术相比，本发明根据简支梁挠曲刚度与其跨度间的对应关系，通过齿轮传动控制双曲柄滑块机构改变简支弹簧片的跨度，设计出一种输出刚度可调的平移关节。当弹簧片的跨度为零时，理论上关节处于绝对刚性模式；而当跨度达到最大，关节处于柔性模式。相比传统变刚度设计一般为转动关节，为实现平移运动还需额外加装运动转换装置；本发明具有刚度调节范围大、关节体积小、结构紧凑、质量轻便等突出优点，便于推广应用。将本关节设置于类似于康复机器人的人-机交互机器设备上，可以吸收冲击，保护人及机器设备的安全，并能通过势能与动能的转换提高能量的利用效率。与一般串联机械臂或并联机床(如：Stewart，Tricept)结合，可调节设备末端的支撑刚度或切削刚度，提高加工精度。

附图说明

图1为本发明变刚度平移关节的立体结构示意图(外壳半剖)；

图2为本发明简支梁弹簧机构立体结构示意图；

图3为本发明简支梁弹簧机构三视图；

图中：a为正视图，b为侧视图，c为俯视图；

图4为本发明变刚度平移关节俯视图(去外壳)；

图5为本发明刚度调节机构立体结构示意图；

图6为本发明刚度调节机构三视图；

图中：a为正视图，b为A-A剖面示意图，c为B-B剖面示意图；

图7为本发明关节输出轴立体结构图。

图中：1外壳、2方孔直线轴承、3关节输出轴、3-1方轴、3-2连接体、3-3触脚、4弹簧片、5限位钉、6复位弹簧、7辊轮、8固定半环、9支架、10滑块、11支撑导轨、12曲柄齿轮、13限位块、14连杆、15导向导轨、16直线轴承、17扭矩输出齿轮、18支板、19底座、20电机输出齿轮、21减速齿轮、22传动轴、23调节电机、24滚珠轴承、25轴承端盖、26轴端挡圈。

具体实施方式

如图1所示，本实施例包括：刚度调节机构、设置于刚度调节机构上的简支梁弹簧机构以及位于简支梁弹簧机构顶部的关节输出轴3，其中：简支梁弹簧机构主要由弹簧片4、滑块10、支撑导轨11、曲柄齿轮12、连杆14以及其他附属零件构成；而刚度调节机构主要由扭矩输出齿轮17、调节电机23以及设置于支板18内部的减速机构组成。

如图2和3所示，所述的简支梁弹簧机构中，弹簧片4两端分别被设置于滑块10顶部的辊轮7紧密夹持，从而近似形成简支梁结构。两个滑块10各自通过一根连杆14与曲柄齿轮12连接，并对称设置于支撑导轨11的两侧，从而构成双曲柄滑块机构。

如图5和6所示，所述的刚度调节机构中，减速机构包括：支板18、减速齿轮21、传动轴22、滚珠轴承24、轴承端盖25以及轴端挡圈26，其中：传动轴通过滚珠轴承和轴承端盖设置于支板18的内孔中；传动轴一端设有扭矩输出齿轮17，另一端设有减速齿轮21。减速齿轮与电机输出齿轮20啮合，从而通过减速机构，使扭矩输出齿轮的转速降低、输出扭矩提高。齿轮的周向定位通过平键保证，轴向定位通过轴端挡圈保证。

所述的刚度调节机构的扭矩输出齿轮17同时与每个简支梁弹簧机构的曲柄齿轮12啮合。当控制电机23运动，即可通过一系列齿轮传动驱使双曲柄滑块机构发生运动，从而使两个滑块10同时沿导轨发生相向或背向运动，进而改变简支弹簧片的跨度，使其挠曲刚度发生改变。

如图7所示，所述的关节输出轴包括：方轴3-1、连接体3-2以及触脚3-3三个结构组成部分。每个触脚依次与相应的简支梁弹簧结构的弹簧片4的正中间部位紧密接触，从而在弹簧片上近似作用集中力。初始工况下，弹簧片不发生挠曲。当关节受到冲击，输出轴沿轴向向内运动，通过触脚按压弹簧片发生挠曲变形。因此，该平移关节的输出刚度实质上表现为各弹簧片的挠曲刚度之和。

根据材料力学中的相关理论，当给简支梁的正中间作用集中力，梁产生的最大挠度刚好位于其正中间部位，且此挠度与作用力大小之间满足如下关系：

$P=\frac{48EI}{l^3}\·y$

式中，P表示集中力的大小，y表示梁正中间部位的挠度值；E代表梁材料的弹性模量，I为梁截面的惯性矩，l表示简支梁的跨度值。即是简支梁在集中力作用下的挠曲刚度，也正是每个简支梁弹簧机构通过触脚3-1向关节输出轴3所传递的输出刚度。

显然，通过电机调节两个滑块的间距增大，简支弹簧片的跨度随之增大，关节的输出刚度也就越小；当滑块的间距缩小，弹簧片的跨度减小，本关节的输出刚度也就越大。理论上，当曲柄齿轮带动两个滑块10相向运动到其间距为零时，本关节的输出刚度最大，且处于绝对刚性的模式下。

如图2所示，所述的简支梁弹簧机构中，导向导轨15通过两端各一个支架9设置于支撑导轨11上；滑块10除了与支撑导轨连接外，还通过直线轴承16与导向导轨相连接。导向导轨的作用是使滑块沿导轨的运动更加平稳，避免滑块在连杆14的拉力作用下发生运动自锁，而不对滑块起支撑作用；同时也便于安装限位块13。

如图2和3所示，所述的简支梁弹簧机构中，导向导轨15的中部设有限位块13。限位块进一步通过限位钉5和复位弹簧6与弹簧片4连接。限位块的作用是避免由于关节输出轴3所受负载过大而导致的弹簧片在竖直方向挠曲过大并从辊轮7上滑脱。限位钉的作用是保证弹簧片在关节变刚度的过程中，不至于在两侧辊轮的摩擦力作用下，沿导轨方向发生水平滑动；从而使弹簧片始终相对于简支梁弹簧机构的中心面左右对称。复位弹簧安装后便处于一定程度的预压缩状态，其作用是帮助弹簧片在关节负载释放后快速回复，同时抵消关节输出轴3的重力，而使弹簧片回到未变形的初始状态。

本实施例中，简支梁弹簧机构的数量为3个，如图4所示，但本发明的保护范围不限于三个；在不同情况下也可以有四个或更多数量的简支梁弹簧机构，以中心对称的方式设置于刚度调节机构之上。

本实施例中，装置的外部套有外壳1，外壳输出端设有方孔直线轴承2；关节输出轴3通过其方轴3-1与方孔直线轴承连接，从而使输出轴只能沿轴向发生平移，如图1所示。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (8)

1.一种关节输出刚度可变的柔性平移关节，其特征在于，包括：刚度调节机构、设置于刚度调节机构上的简支梁弹簧机构以及位于简支梁弹簧机构顶端的关节输出轴，其中：关节输出轴通过触脚与简支梁弹簧机构的弹簧片相连，简支梁弹簧机构与刚度调节机构通过齿轮啮合，并接受来自刚度调节机构的扭矩从而调节弹簧片的跨度，实现输出刚度的改变；

所述的简支梁弹簧机构包括：导轨、曲柄齿轮以及设置于导轨上且对称布置于曲柄齿轮两侧的一对滑块，其中：每个滑块顶部均设有两对辊轮，并通过辊轮将弹簧片紧密夹持，使弹簧片近似为简支梁，滑块底部与曲柄齿轮通过连杆连接，构成双曲柄滑块机构；当曲柄齿轮转动时，将带动一对滑块沿导轨相向或背向运动，使弹簧片的跨度相应的发生缩短或增长，从而改变其挠曲刚度，实现对关节输出刚度的调节。

2.根据权利要求1所述的关节输出刚度可变的柔性平移关节，其特征是，所述的刚度调节机构包括：底座、位于底座上的支板以及设置于支板上且依次相连的扭矩输出齿轮、减速机构和调节电机，其中：减速机构设置于支板内孔中并与电机输出齿轮相连，从而通过传动轴，驱使设置于传动轴另一端的扭矩输出齿轮对外输出扭矩。

3.根据权利要求1所述的关节输出刚度可变的柔性平移关节，其特征是，所述的关节输出轴包括：依次相连的方轴、连接体和触脚，其中：方轴和触脚分别设置于连接体的两端，且每个触脚正对一个固支梁弹簧机构。

4.根据权利要求1所述的关节输出刚度可变的柔性平移关节，其特征是，所述的简支梁弹簧机构的数量为三个且以夹角均60°的方式中心对称设置。

5.根据权利要求2所述的关节输出刚度可变的柔性平移关节，其特征是，所述的减速机构包括：减速齿轮、传动轴、滚珠轴承和轴承端盖，其中：传动轴通过滚珠轴承设置于支板内孔中；传动轴一端装有减速齿轮，减速齿轮与调节电机相连，另一端装有扭矩输出齿轮，从而使电机可以通过减速机构将扭矩传递给扭矩输出齿轮，进而控制双曲柄滑块机构运动以调节关节的输出刚度。

6.根据权利要求1所述的关节输出刚度可变的柔性平移关节，其特征是，所述的简支梁弹簧机构上设有限位块，限位块通过限位钉和复位弹簧与弹簧片连接。

7.根据权利要求6所述的关节输出刚度可变的柔性平移关节，其特征是，所述的复位弹簧处于预压缩状态，以帮助弹簧片在关节负载释放后快速回复，并抵消关节输出轴的重力，而使弹簧片回到未变形的初始状态。

8.根据权利要求3所述的关节输出刚度可变的柔性平移关节，其特征是，所述的关节输出轴通过方孔直线轴承与关节外壳相连并沿轴向发生平移运动，输出轴的触脚紧密按压于简支梁弹簧机构的弹簧片中心；当关节承受负载时，输出轴通过触脚按压弹簧片发生挠曲变形，使得弹簧片的挠曲刚度最终转化为该关节的输出刚度。