CN106142132B - 刚度连续可调的机器人柔性关节 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种刚度连续可调的机器人柔性关节，涉及机器人领域，它包括驱动端、缓冲机构和输出法兰，驱动端用于提供关节主动力，缓冲机构连接于驱动端和输出法兰之间，用于将驱动端的主动力传输至输出法兰，缓冲机构包括弹性元件；还包括刚度调节机构；刚度调节机构运动连接至缓冲机构，刚度调节机构通过朝向缓冲机构运动来改变弹性元件的预压缩量，实现对关节的刚度调节。本发明的机器人关节不但刚度连续可调，且所述柔性关节能够有效减缓外部冲击力，提高机器人的安全性与对环境的友好度。

Description

刚度连续可调的机器人柔性关节

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体而言，涉及一种刚度连续可调的机器人柔性关节。

背景技术

目前，机器人关节设计普遍采用电机输出轴与关节机构进行刚性连接的驱动方式，这种方式虽然结构简单紧凑、定位精度高、能即时响应，但由于缺乏柔顺性使得机器人更容易受到外部冲击的影响而损坏，同时在与人协作时也容易存在安全隐患。

近些年，一种具有模拟人类肌肉伸缩功的柔顺性弹性驱动关节在国际上引起广泛研究，可变刚度弹性驱动关节能够根据所受外部冲击力的大小改变关节刚度，关节自调整接触实现自我缓冲，从而避免了机器人机构的损坏，提高了与人协作时的安全性。

国内对可变刚度弹性关节的研究较少，经对现有技术文献的检索发现，从现有公开的串联弹性驱动关节看，普遍存在集成度较低、体积较为庞大、结构复杂、通用性较差等问题。如中国发明专利公布第104985608号揭露了一种刚度可调的柔性关节驱动器机构，该机构利用滚轮在上下两个斜曲面盘上滚动引起上下两个斜曲面盘的轴向距离的改变而压缩弹簧得到缓冲，通过调整上下两个斜曲面盘的错开角度来调节刚度，要求调节电机的输出力矩较大，并需要足够强度的自锁功能，该机构平衡位置的输出力矩始终为零，这就导致了低负载时的定位精度较差的问题。该结构留给弹簧安装的位置较为狭小，整个结构虽然紧凑，但外形极不规则，通用性较差。而中国发明专利授权公告第104647397号则揭露了一种基于多级齿轮传动的可变刚度柔性关节，该关节采用两级齿轮实现变速，再利用第三级齿轮连接实现串联扭簧的预压缩量调节，从而使输出刚度发生变化。该装置虽然整体结构比较紧凑，但是由于全部采用齿轮传动，精度低时，振动和噪声较大，精度高时，制造和安装精度则要求较高，成本较高，且该装置主要用于足式机器人关节，也降低了其通用性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种可调刚度的机器人柔性关节，该柔性关节能够有效减缓外部冲击力，提高机器人的安全性与对环境的友好度。

为解决上述问题，本发明提供的解决方案如下：

一种刚度连续可调的机器人柔性关节，包括驱动端、缓冲机构和输出法兰，所述驱动端用于提供关节主动力，所述缓冲机构连接于所述驱动端和所述输出法兰之间，用于将所述驱动端的主动力传输至所述输出法兰，所述缓冲机构包括弹性元件；还包括刚度调节机构；所述刚度调节机构运动连接至所述缓冲机构，所述刚度调节机构通过朝向所述缓冲机构运动来改变所述弹性元件的预压缩量，实现对所述关节的刚度调节。

在示例性实施例中，所述弹性元件为压缩浮动弹簧；所述刚度调节机构滑动连接至所述缓冲机构，所述刚度调节机构通过朝向所述缓冲结构滑动来改变所述压缩浮动弹簧的预压缩量。

在示例性实施例中，所述驱动端包括电机以及与所述电机串联的谐波减速器，所述谐波减速器的输出轴连接所述缓冲机构。

在示例性实施例中，所述缓冲机构包括输入法兰、主轴输入衬套、连杆上拉套筒、径向球面滑动轴承、连杆以及连杆下拉套筒；所述输入法兰固连在所述谐波减速器的输出轴和所述主轴输入衬套之间，所述连杆上拉套筒滑动连接至所述主轴输入衬套，所述连杆下拉套筒固连至所述输出法兰，所述连杆上拉套筒和连杆下拉套筒通过连杆连接，且所述压缩浮动弹簧装设于所述连杆上拉套筒和连杆下拉套筒之间。

在示例性实施例中，所述主轴输入衬套设有圆角矩形状的内孔，所述连杆上拉套筒的上部为圆角矩形，所述连杆上拉套筒的上部轴向滑动装设于所述主轴输入衬套的内孔中。

在示例性实施例中，所述刚度调节机构与所述缓冲机构之间存在有内外螺纹连接和滑动连接。

在示例性实施例中，所述刚度调节机构包括螺纹帽、机米螺丝、弹簧支撑架、调节电机减速箱、调节电机减速箱固定架以及调节电机；所述螺纹帽通过所述机米螺丝紧固在所述调节电机减速箱的输出轴上，所述调节电机减速箱固定架与所述调节电机减速箱的外壳固连，所述弹簧支撑架设置在所述螺纹帽和所述调节电机固定架之间，所述调节电机的动力经过所述调节电机减速箱减速后传递到所述螺纹帽。

在示例性实施例中，所述连杆上拉套筒的内部平行于轴向开设多个键槽，所述调节电机减速箱固定架和所述弹簧支撑架的中间部分各加工有多个可滑动装设于所述键槽的滑动键。

在示例性实施例中，所述连杆上拉套筒内部设有传动螺纹，所述螺纹帽设有与所述连杆上拉套筒的传动螺纹配合的传动螺纹，所述螺纹帽在所述调节电机减速箱输出轴的带动下旋转并使整个刚度调节机构往下运动，安装在所述弹簧支撑架和所述连杆下拉套筒之间的压缩浮动弹簧被压缩，改变弹簧的预压缩量即达到变刚度的目的。

在示例性实施例中，所述弹簧支撑架的下部凸设有定位键，所述连杆下拉套筒的内部凸设有定位键，当所述调节电机继续工作下压到最底时，所述弹簧支撑架下部的定位键与所述连杆下拉套筒的定位键配合，所以主轴动力直接传递到所述输出法兰。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

本方案的刚度连续可调的机器人柔性关节不但刚度连续可调，且所述柔性关节能够有效减缓外部冲击力，提高机器人的安全性与对环境的友好度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显和易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，做详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明刚度连续可调的机器人柔性关节去掉部分外壳的立体图。

图2是图1的剖视图。

图3是图1中的缓冲机构和输出法兰的立体分解图。

图4是图1中的刚度调节机构的立体分解图。

图5是图3的部分立体组装图。

图6是图3的另一部分立体组装图。

主要元件符号说明：

1-电机；2-谐波减速器；3-输入法兰；4-主轴输入衬套；5-螺纹帽；52-螺纹孔；6-连杆上拉套筒；62、72-短轴；63-键槽；7-连杆下拉套筒；73、114-定位键；8-输出法兰；9-关节外壳；10-深沟球轴承；11-弹簧支撑架；112-柱状部；12-调节电机减速箱固定架；122-滑动键；13-螺丝；14-机米螺丝；15-调节电机减速箱；16-调节电机；17-径向球面滑动轴承；18-连杆；19-弹性元件。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对刚度连续可调的机器人柔性关节进行更全面的描述。附图中给出了刚度连续可调的机器人柔性关节的优选实施例。但是，刚度连续可调的机器人柔性关节可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对刚度连续可调的机器人柔性关节的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在刚度连续可调的机器人柔性关节的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作详细说明。

如图1和2所示，本发明一种刚度连续可调的机器人柔性关节包括驱动端、缓冲机构、弹性元件19、刚度调节机构、输出法兰8以及关节外壳9，所述关节外壳9开设多个通孔。

所述驱动端包括电机1以及与电机1串联的谐波减速器2，用来为所述柔性关节提供主动力。所述谐波减速器2的外壳和输出轴分别开设多个螺纹孔和通孔，借助多个螺丝13穿过所述关节外壳9的通孔和谐波减速器2的外壳上的螺纹孔将所述谐波减速器2固定至所述关节外壳9。

如图3所示，所述缓冲机构固定连接至所述驱动端，将所述驱动端的动力传输至所述输出法兰8。所述缓冲机构包括输入法兰3、主轴输入衬套4、连杆上拉套筒6、径向球面滑动轴承17、连杆18以及连杆下拉套筒7。所述输入法兰3上开设多个通孔，借助多个螺丝穿设所述输入法兰3和所述谐波减速器2的输出轴的螺纹孔将所述输入法兰3固连至所述谐波减速器2的输出轴上。所述主轴输入衬套4的上部和输入法兰3开设多个螺纹孔和沉头孔，使得所述输入法兰3和主轴输入衬套4通过螺丝固连。所述主轴输入衬套4的内孔呈圆角矩形，所述连杆上拉套筒6的上部亦呈圆角矩形并滑动装设于所述主轴输入衬套4的内孔中，从而使所述连杆上拉套筒6滑动连接于所述主轴输入衬套4，即所述连杆上拉套筒6相对于所述主轴输入衬套4能轴向滑动不能轴向转动。所述主轴输入衬套4通过深沟球轴承10与所述关节外壳9连接，具体地，所述主轴输入衬套4的外圈与所述深沟球轴承10的内圈配合，而所述深沟球轴承10的外圈与所述关节外壳9过盈配合。所述连杆上拉套筒6和所述连杆下拉套筒7通过所述连杆18连接。

所述连杆上拉套筒6的下部外侧面和所述连杆下拉套筒7的上部外侧面分别凸设四个短轴62和72，每个短轴62和72都与所述径向球面滑动轴承17的球端的内孔过盈配合，每组上下对应的两个径向球面滑动轴承17通过连杆18配合，配合方式为过盈配合，这样，所述连杆上拉套筒6和所述连杆下拉套筒7就通过所述连杆18形成间接传动。所述连杆下拉套筒7通过深沟球轴承10与所述关节外壳9连接，具体地，所述连杆下拉套筒7的外圈与所述深沟球轴承10的内圈配合，而所述深沟球轴承的外圈与所述关节外壳9过盈配合。所述连杆下拉套筒7的下部开设多个螺纹孔，从而借助螺丝与所述输出法兰8固连作为所述关节的输出。所述连杆上拉套筒6和所述连杆下拉套筒7之间装有所述刚度调节机构和所述弹性元件19，当所述输出法兰8受到外部冲击时，所述连杆下拉套筒7朝向所述连杆上拉套筒6运动，压缩所述弹性元件19，从而使所述关节得以缓冲。

如图2所示，在其中一实施方式中，所述弹性元件19为矩形浮动弹簧。

如图4-6所示，所述刚度调节机构与所述缓冲机构之间存在有内外螺纹连接和滑动连接关系。所述刚度调节机构包括螺纹帽5、机米螺丝14、弹簧支撑架11、调节电机16以及调节电机减速箱15。所述螺纹帽5的侧面开设两螺纹孔52，所述机米螺丝14穿过所述螺纹孔52后顶在所述调节电机减速箱15的输出轴上，从而将所述螺纹帽5紧固在所述调节电机减速箱15的输出轴上，则所述调节电机16的动力经过所述调节电机减速箱15减速后传递到所述螺纹帽5，从而带动所述螺纹帽5旋转。

所述调节电机减速箱15与调节电机减速箱固定架12通过螺丝固连，所述连杆上拉套筒6的内部平行于轴向方向开设六个键槽63，而所述调节电机减速箱固定架12的外圈则凸设三个矩形滑动键122，所述滑动键122与所述连杆上拉套筒6的其中三个键槽63配合，允许所述连杆上拉套筒6和所述调节电机减速箱固定架12相互轴向滑动，且限制所述连杆上拉套筒6和所述调节电机减速箱固定架12相互轴向转动。

所述弹簧支撑架11设置在所述螺纹帽5和所述调节电机减速箱固定架12之间。所述弹簧支撑架11的上部外圈凸设三个柱状部112，所述柱状部112与所述连杆上拉套筒6剩下的三个键槽63配合，同样限制所述弹簧支撑架11和所述连杆上拉套筒6相互转动而允许所述弹簧支撑架11和所述连杆上拉套筒6相互轴向滑动。所述螺纹帽5外圈的梯形传动螺纹与所述连杆上拉套筒6内圈的梯形传动螺纹配合。

工作时，当所述调节电机16工作带动所述螺纹帽5旋转时，所述螺纹帽5、弹簧支撑架11、调节电机减速箱固定架12、调节电机减速箱15和所述调节电机16会一起朝向所述浮动压缩弹簧轴向上下运动，所述浮动弹簧上下端分别作用在所述弹簧支撑架11的下端和所述连杆下拉套筒7的内圈的凸缘上，则所述浮动弹簧的弹力就通过弹簧支撑架11经由所述螺纹帽5作用在所述连杆上拉套筒6上，即，所述浮动弹簧的弹力作用在所述连杆上拉套筒6和所述连杆下拉套筒7之间，所述弹簧支撑架11下压所述浮动弹簧即改变了预压缩量，达到变刚度目的。所述弹簧支撑架11的下部外圈凸设三组定位键114，每组的两个定位键114相间45度，而所述连杆下拉套筒7的内圈同样有三组定位键73，每组的两个定位键73相间60度。使得弹簧支撑架11下部外圈的每组定位键114恰好能嵌进连杆下拉套筒7每组的两个定位键73之间。如图5所示，当所述弹簧支撑架11下压到所述定位键114与所述连杆下拉套筒7内圈的定位键73配合时，所述连杆上拉套筒6和所述连杆下拉套筒7之间的动力同步传递，由于所述弹簧支撑架11与主动力轴同步转动，所以主轴动力直接传递到所述输出法兰8，此为所述关节全刚度的情况。非全刚度时，所述弹簧支撑架11的下部外圈的柱状部112和所述连杆下拉套筒7内圈的定位键73不会互相干扰，如图6所示。

本发明的具体工作过程包括关节的主运动和关节刚度调整运动。关节的主运动：主轴驱动电机1提供关节主驱动转矩，经过谐波减速器2，主轴驱动的动力通过与谐波减速器2固连的输入法兰3，再传递给与输入法兰3固连的主轴输入衬套4，再传递到与主轴输入衬套4有滑动连接的连杆上拉套筒6；全刚度工作时，弹簧支撑架11下压到与连杆下拉套筒7内圈的定位键73配合，连杆上拉套筒6所受力矩经过弹簧支撑架11传递给所述连杆下拉套筒7，使得所述连杆下拉套筒7与连杆上拉套筒6实现同步转动，与所述连杆下拉套筒7固连的输出法兰8输出传递后的力矩；柔性工作时，所述连杆上拉套筒6通过所述连杆18将主轴输出力矩传递给连杆下拉套筒7，再由与所述连杆下拉套筒7固连的输出法兰8输出传递后的力矩，此时，所述浮动弹簧上下端分别作用在弹簧支撑架11下端和连杆下拉套筒7内圈的凸缘上，所述浮动弹簧的弹力通过所述弹簧支撑架11经所述螺纹帽5作用在所述连杆上拉套筒6上，即所述浮动弹簧的弹力作用在所述连杆上拉套筒6和连杆下拉套筒7之间，实现了关节输出在受到阻力时的弹性缓冲。关节刚度调整运动：当所述调节电机16工作带动所述螺纹帽5旋转时，所述螺纹帽5、弹簧支撑架11、调节电机减速箱固定架12、调节电机减速箱15、调节电机16一起轴向上下运动，将改变位于所述连杆上拉套筒6和连杆下拉套筒7之间的浮动弹簧的预压缩量，从而实现了关节的刚度调节。

本发明的机器人关节不但刚度连续可调，且所述柔性关节能够有效减缓外部冲击力，提高机器人的安全性与对环境的友好度。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种刚度连续可调的机器人柔性关节，包括驱动端、缓冲机构和输出法兰，所述驱动端用于提供关节主动力，所述缓冲机构连接于所述驱动端和所述输出法兰之间，用于将所述驱动端的主动力传输至所述输出法兰，所述缓冲机构包括弹性元件；

其特征在于，还包括刚度调节机构；

所述刚度调节机构运动连接至所述缓冲机构，所述刚度调节机构通过朝向所述缓冲机构运动来改变所述弹性元件的预压缩量，实现对所述关节的刚度调节；

所述弹性元件为压缩浮动弹簧，所述驱动端包括电机以及与所述电机串联的谐波减速器；

所述缓冲机构还包括输入法兰、主轴输入衬套、连杆上拉套筒、连杆以及连杆下拉套筒；

所述输入法兰连接在所述谐波减速器的输出轴与所述主轴输入衬套之间，所述连杆上拉套筒滑动连接至所述主轴输入衬套，所述连杆下拉套筒固连至所述输出法兰，所述连杆上拉套筒和连杆下拉套筒通过连杆连接，且所述压缩浮动弹簧装设于所述连杆上拉套筒和连杆下拉套筒之间。

2.如权利要求1所述的刚度连续可调的机器人柔性关节，其特征在于，所述缓冲机构还包括径向球面滑动轴承；

所述连杆上拉套筒的下部外侧面和连杆下拉套筒的上部外侧面分别凸设四个短轴，每个短轴都与所述径向球面滑动轴承的球端的内孔过盈配合，每组上下对应的两个径向球面滑动轴承通过所述连杆过盈配合。

3.如权利要求1所述的刚度连续可调的机器人柔性关节，其特征在于，所述主轴输入衬套设有圆角矩形状的内孔，所述连杆上拉套筒的上部为圆角矩形，所述连杆上拉套筒的上部轴向滑动装设于所述主轴输入衬套的内孔中。

4.如权利要求1所述的刚度连续可调的机器人柔性关节，其特征在于，所述刚度调节机构与所述缓冲机构之间存在有内外螺纹连接和滑动连接。

5.如权利要求4所述的刚度连续可调的机器人柔性关节，其特征在于，所述刚度调节机构包括螺纹帽、机米螺丝、弹簧支撑架、调节电机减速箱、调节电机减速箱固定架以及调节电机；

所述螺纹帽通过所述机米螺丝紧固在所述调节电机减速箱的输出轴上，所述调节电机减速箱固定架与所述调节电机减速箱的外壳固连，所述弹簧支撑架设置在所述螺纹帽和所述调节电机固定架之间，所述调节电机的动力经过所述调节电机减速箱减速后传递到所述螺纹帽。

6.如权利要求5所述的刚度连续可调的机器人柔性关节，其特征在于，所述连杆上拉套筒的内部平行于轴向开设多个键槽，所述调节电机减速箱固定架和所述弹簧支撑架的中间部分各加工有多个可滑动装设于所述键槽的滑动键。

7.如权利要求5所述的刚度连续可调的机器人柔性关节，其特征在于，所述连杆上拉套筒内部设有传动螺纹，所述螺纹帽设有与所述连杆上拉套筒的传动螺纹配合的传动螺纹，所述螺纹帽在所述调节电机减速箱输出轴的带动下旋转并使整个刚度调节机构往下运动，安装在所述弹簧支撑架和所述连杆下拉套筒之间的压缩浮动弹簧被压缩，改变弹簧的预压缩量即达到变刚度的目的。

8.如权利要求7所述的刚度连续可调的机器人柔性关节，其特征在于，所述弹簧支撑架的下部凸设有定位键，所述连杆下拉套筒的内部凸设有定位键，当所述调节电机继续工作下压到最底时，所述弹簧支撑架下部的定位键与所述连杆下拉套筒的定位键配合，所以主轴动力直接传递到所述输出法兰。