CN106363658B - 一种可级联扩展的变刚度机器人关节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可级联扩展的变刚度机器人关节，采用槽轮、钢丝和弯片弹簧组成的柔性轴盘机构提供形变力矩，利用由支撑架、涡轮蜗杆、伺服电机组成的旋转支撑机构唯一确定轴盘机构上轴对称分布的圆弧弯片弹簧的工作端点位置，进行关节刚度的高精度调节，关节的储能能力可以通过改变柔性轴盘机构的级联个数来调整，采用一种差分齿轮组机构实现机器人关节旋转、关节电机旋转、以及弹性机构旋转的耦合运动，以同时改变关节平衡位置和关节刚度，实现正反旋转刚度可调。

Description

一种可级联扩展的变刚度机器人关节

技术领域

本发明涉及一种可级联扩展的变刚度机器人关节，属于机器人领域。

背景技术

机器人在进行各种操作或运动时，会和周围环境发生各种交互作用，其关节的刚度能间接地调节这种交互作用的强弱。当机器人关节上安装带有一定刚度系数的弹性机构时，会显著增加其适应环境的能力，减小其非预期碰撞带来的不可测损伤；另外，弹性机构的引入，配合合理设计的控制器，系统的机械能可以通过弹性元件的形变储存和释放，配合合理的控制方法，可大大降低机器人运动的能耗，有利于提高运动效率。针对机器人不同的运动样式，比如足式机器人的运动步长和步速的高效调节，对其关节的刚度系数的要求也是不同的，单一刚度系数的弹性机构专用性强，适用性差。

变刚度关节机构设计是机器人柔顺控制的一个重要内容，近些年来各机器人研发大国都在积极发展各种机器人变刚度驱动器，研究集中在变刚度机构的实现、能量优化和控制方法上。从现状来看，现有的多种机器人变刚度关节结构和控制方式复杂，使用场合有限，通用性差，缺乏一致的标准，并且有储能能力无法调节、附加的关节转动惯量大等缺点，设计可靠性高、低附加转动惯量、可扩展可级联的通用型变刚度关节以满足不同刚度调节范围、不同储能能力的需求，能够有效提高机器人的环境适应性和安全性、降低机器人的成本、扩大机器人的应用领域。

发明内容

本发明提供了一种通用型可级联扩展的机器人变刚度关节，变刚度关节的刚度系数调节范围大，具有可级联扩展功能，能够根据不同的储能要求确定储能部件级联个数，满足通用性，变刚度关节安装在机器人上引入的附加转动惯量小。

本发明的技术解决方案是：本发明可级联扩展的变刚度机器人关节包括柔性轴盘机构、差分齿轮机构、旋转支撑机构、顶盖，底部外壳，齿轮保持架外壳。

所述的柔性轴盘机构包括圆弧板簧安装座，圆弧板簧安装座内侧对称分布安装三片圆弧板簧，每片圆弧板簧的一端通过圆弧板簧压紧块和圆弧板簧安装座固连，每片圆弧板簧的另一端和两股软钢丝连接，两股软钢丝分别绕过安装于铝套固定轴上的铝套的凹槽，固定在槽轮的槽孔内，两股软钢丝分别在槽轮正转和反转时拉动对应圆弧板簧的自由端。软钢丝固定在槽轮的槽孔内的一端应与槽轮槽底圆相切，以保证软钢丝对槽轮拉力的力臂为恒定值，当中心槽轮旋转时，软钢丝将拉动对应的圆弧板簧产生形变，产生力矩作用在中心槽轮上。柔性轴盘机构的个数大于等于1，其具体的个数针对不同的关节储能需求确定，当柔性轴盘机构的个数大于1时，多个圆弧板簧安装座通过螺丝级联安装，多个槽轮的中心转轴的首尾用键连接顺序级联，这时需根据柔性轴盘机构的级联个数调整三根圆弧板簧调节轴的长度。

所述的差分齿轮机构包括齿轮保持架，保持架上安装了四个伞齿轮，分别是从动伞齿轮、主动伞齿轮、行星伞齿轮A、行星伞齿轮B，四个伞齿轮和齿轮保持架均为轴承连接，行星伞齿轮A和行星伞齿轮B通过销轴连接确保转轴同心，从动伞齿轮通过从动轮连接轴和柔性轴盘机构中的槽轮的转轴固连，从动轮连接轴和底部外壳为轴承连接，轴承压盖和保持架上轴承圈用于定位轴承。主动伞齿轮通过外同步带轮轴和外同步带轮固连，齿轮保持架通过保持架下轴承连接轴和内同步带轮固连，齿轮保持架外壳和保持架下轴承连接轴轴承连接，齿轮保持架外壳和底部外壳用螺丝固连。

所述的旋转支撑机构包括，伺服电机通过伺服电机支架固连在顶盖上，伺服电机通过同步皮带轮和同步皮带驱动蜗轮蜗杆机构，蜗杆及其固连的转轴与三个蜗杆轴承支架通过轴承连接，支架固连在顶盖上。蜗轮和调节轴上三角板的中心固连，调节轴上三角板和调节轴下三角板通过三根圆弧板簧调节轴固连。驱动电机

本发明中的旋转支撑机构的三根圆弧板簧调节轴分别穿过圆弧板簧安装座上的三个槽形孔，由驱动电机驱动三根调节轴绕中心旋转，调节轴的位置决定了柔性轴盘机构中圆弧板簧的支撑位置，不同的支撑位置决定了柔性轴盘机构的刚度大小。本发明中的差分齿轮机构中的内同步带轮用于驱动机器人关节旋转，外同步带轮的驱动力由外部驱动机构提供，差分齿轮机构实现了机器人关节旋转、关节驱动电机旋转、以及柔性轴盘机构中槽轮的转角耦合作用，关节驱动电机的角位置决定了机器人关节的平衡位置，变刚度机构中的驱动电机的角位置决定了机器人关节的刚度系数，柔性轴盘机构中槽轮的转角决定了柔性机构施加给机器人的关节力矩大小。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明采用的柔性部件采用轴盘结构，通用性好，机构的储能能力可以通过柔性轴盘机构的级联个数来调整，并可实现正反关节均刚度可调。

(2)本发明采用多片轴对称圆弧板簧提供形变力矩，电机驱动涡轮蜗杆机构唯一确定圆弧板簧的支撑位置，关节刚度调节精度高，刚度调节范围大。

(3)发明采用差分齿轮机构实现机器人关节旋转、关节驱动电机旋转、以及弹性机构转角的耦合作用，这种并联设计大大减小了机器人关节附加的转动惯量。

附图说明

图1为本发明的一个实施例的可级联扩展的变刚度机器人关节剖视图；

图2为本发明的一个实施例的可级联扩展的变刚度机器人关节外形图；

图3为图1中柔性轴盘机构结构图；

图4为图1中差分齿轮机构结构图；

图5为本发明的一个实施例的可级联扩展的变刚度机器人关节中的旋转支撑机构结构图。

具体实施方式

以下根据附图描述本发明的实施例。

如图1、2、3、4、5所示，本发明可级联扩展的变刚度机器人关节包括柔性轴盘机构26，差分齿轮机构33，旋转支撑机构36，顶盖21底部外壳13，齿轮保持架外壳31。其中柔性轴盘机构26个数可以大于1，其个数由系统的储能需要确定。图1、2显示的实施例采用了两片相同的柔性轴盘机构26和26'级联安装。

如图3所示，柔性轴盘机构26的结构主体为圆弧板簧安装座8，对称分布的三片圆弧板簧9安装在圆弧板簧安装座8内侧，每片圆弧板簧的一端通过圆弧板簧压紧块25和圆弧板簧安装座8固连，每片圆弧板簧的另一端和两股软钢丝39连接，两股软钢丝39分别绕过安装于铝套固定轴23上的铝套24的凹槽，固定在槽轮10的槽孔内，两股软钢丝分别在槽轮10正转和反转时拉动对应圆弧板簧的自由端，软钢丝39固定在槽轮10的槽孔内的一端应与槽轮10槽底圆相切，以保证中心槽轮10旋转时软钢丝39对槽轮10拉力的力臂为恒定值。中心槽轮10旋转时软钢丝39将拉动对应的圆弧板簧9产生形变，产生的力矩作用在中心槽轮10上。

本发明中柔性轴盘机构26的个数可以大于1，级联个数越多，带有的形变材料越多，则系统储能能力越强。图1、2显示的实施例采用了双柔性轴盘机构26和26'级联安装，柔性轴盘机构26和26'对应的圆弧板簧安装座8和8'通过螺丝级联安装，两个槽轮10的中心转轴的首尾用键连接顺序级联。

如图4所示，差分齿轮机构33包括，齿轮保持架32，保持架上安装了四个伞齿轮，分别是从动伞齿轮14、主动伞齿轮16、行星伞齿轮A15、行星伞齿轮B30，四个伞齿轮和齿轮保持架32均为轴承连接，行星伞齿轮A15和行星伞齿轮B30通过销轴29连接确保转轴同心，从动伞齿轮14通过从动轮连接轴28和柔性轴盘机构26中的槽轮10的转轴固连，从动轮连接轴28和底部外壳13为轴承连接，轴承压盖27和保持架上轴承圈37用于定位轴承。主动伞齿轮16通过外同步带轮轴18和外同步带轮35固连，齿轮保持架32通过保持架下轴承连接轴17和内同步带轮34固连，齿轮保持架外壳31和保持架下轴承连接轴17轴承连接，齿轮保持架外壳31和底部外壳13用螺丝固连。

如图5所示，旋转支撑机构36包括，伺服电机20通过伺服电机支架19固连在顶盖21上，伺服电机20通过同步皮带轮1、同步皮带2、同步皮带轮5驱动蜗轮蜗杆机构，蜗杆22通过蜗杆连接轴4和同步皮带轮5固连，蜗杆22及其固连的转轴与三个蜗杆轴承支架3通过轴承连接，支架用螺丝固连在顶盖21上。蜗轮6和调节轴上三角板7的中心固连，调节轴上三角板7和调节轴下三角板12通过三根圆弧板簧调节轴11固连。伺服电机20的输出角位置决定了三根圆弧板簧调节轴11的角位置，三根圆弧板簧调节轴11的长度需要根据所级联的柔性轴盘机构26的个数调整。

本发明中的旋转支撑机构36的三根圆弧板簧调节轴11分别穿过圆弧板簧安装座8上的三个槽形孔38，由驱动电机20驱动三根调节轴11绕中心旋转，调节轴11的位置决定了柔性轴盘机构26中圆弧板簧9的支撑位置，不同的支撑位置决定了柔性轴盘机构26的刚度大小。当调节轴11离对应的圆弧板簧9的固定端越近时，圆弧板簧9产生形变的长度越长，对应槽轮10相同的旋转角度下产生的力矩越小，关节的刚度就越小，反之，当调节轴11离对应的圆弧板簧9的固定端越远时，关节的刚度就越大。

本发明中的差分齿轮机构33中的内同步带轮34用于驱动机器人关节旋转，外同步带轮35的驱动力由外部关节驱动机构提供，差分齿轮机构33实现了机器人关节旋转角度、外部关节驱动机构旋转角度、以及柔性轴盘机构26中槽轮10的旋转角度耦合作用。具体的关系为：槽轮10的旋转角度+外同步带轮35的旋转角度＝2×内同步带轮34的旋转角度，这个关系为恒等式，相应的速度、加速度也满足这个关系。相应的力矩关系为：槽轮10上的板簧形变力矩+外同步带轮35的输入力矩＝0.5×内同步带轮34的输出力矩。

本发明中的外同步带轮35的角位置由外部关节驱动机构决定，同步带轮35的角位置决定了机器人关节的平衡位置，即内同步带轮34的平衡状态的角位置。变刚度机构中的驱动电机20的角位置决定了机器人关节的刚度系数，柔性轴盘机构26中槽轮10的转角决定了柔性机构施加给机器人的关节力矩大小。

本发明未公开技术属本领域技术人员公知常识。

Claims (6)

1.一种可级联扩展的变刚度机器人关节，其特征在于包括：柔性轴盘机构(26)、差分齿轮机构(33)、旋转支撑机构(36)、顶盖(21)、底部外壳(13)和齿轮保持架外壳(31)；

所述柔性轴盘机构(26)包括圆弧板簧安装座(8)，对称分布的三片圆弧板簧(9)安装在圆弧板簧安装座(8)内侧，每片圆弧板簧的一端通过圆弧板簧压紧块(25)和圆弧板簧安装座(8)固连，每片圆弧板簧的另一端和两股软钢丝(39)连接，两股软钢丝(39)分别绕过安装于铝套固定轴(23)上的铝套(24)的凹槽，固定在槽轮(10)的槽孔内，两股软钢丝分别在槽轮(10)正转和反转时拉动对应圆弧板簧的自由端；

所述差分齿轮机构(33)包括齿轮保持架(32)，齿轮保持架(32)上安装了四个伞齿轮，分别是从动伞齿轮(14)、主动伞齿轮(16)、行星伞齿轮A(15)和行星伞齿轮B(30)；行星伞齿轮A(15)和行星伞齿轮B(30)通过销轴(29)连接确保转轴同心，从动伞齿轮(14)通过从动轮连接轴(28)和柔性轴盘机构(26)中的槽轮(10)的转轴固连，从动轮连接轴(28)和底部外壳(13)为轴承连接，轴承压盖(27)和保持架上轴承圈(37)用于定位轴承；主动伞齿轮(16)通过外同步带轮轴(18)和外同步带轮(35)固连，齿轮保持架(32)通过保持架下轴承连接轴(17)和内同步带轮(34)固连，齿轮保持架外壳(31)和保持架下轴承连接轴(17)轴承连接，齿轮保持架外壳(31)和底部外壳(13)固连；

所述旋转支撑机构(36)包括伺服电机(20)，伺服电机(20)通过伺服电机支架(19)固连在顶盖(21)上，伺服电机(20)通过第一同步皮带轮(1)、同步皮带(2)、第二同步皮带轮(5)驱动蜗轮蜗杆机构，蜗杆(22)通过蜗杆连接轴(4)和第二同步皮带轮(5)固连，蜗杆(22)及其固连的转轴与三个蜗杆的轴承支架(3)通过轴承连接，轴承支架(3)固连在顶盖(21)上；蜗轮(6)和调节轴上三角板(7)的中心固连，调节轴上三角板(7)和调节轴下三角板(12)通过三根圆弧板簧调节轴(11)固连。

2.根据权利要求1的可级联扩展的变刚度机器人关节，其特征在于：所述三根圆弧板簧调节轴(11)分别穿过圆弧板簧安装座(8)上的三个槽形孔(38)，由伺服电机(20)驱动三根调节轴(11)绕中心旋转，调节轴(11)的位置决定了柔性轴盘机构(26)中圆弧板簧(9)的支撑位置，不同的支撑位置决定了柔性轴盘机构(26)的刚度大小。

3.根据权利要求1或2所述的可级联扩展的变刚度机器人关节，其特征在于：所述柔性轴盘机构(26)的个数大于等于1，当柔性轴盘机构(26)的个数大于1时，多个圆弧板簧安装座(8)通过螺丝级联安装，多个槽轮(10)的中心转轴的首尾用键连接顺序级联，这时需根据柔性轴盘机构(26)的级联个数调整三根圆弧板簧调节轴(11)的长度，其他部件无需改变。

4.根据权利要求1所述的可级联扩展的变刚度机器人关节，其特征在于：所述软钢丝(39)固定在槽轮(10)的槽孔内的一端应与槽轮槽底圆相切。

5.根据权利要求1所述的可级联扩展的变刚度机器人关节，其特征在于：所述差分齿轮机构(33)中的内同步带轮(34)用于驱动机器人关节旋转，外同步带轮(35)的驱动力由外部驱动机构提供。

6.根据权利要求1所述的可级联扩展的变刚度机器人关节，其特征在于：所述四个伞齿轮和齿轮保持架(32)均为轴承连接。