CN106426093B - 基于空间凸轮的紧凑型扭转复位机构 - Google Patents

Abstract

基于空间凸轮的紧凑型扭转复位机构，它涉及一种扭转复位机构。本发明解决了现有的扭簧扭转复位机构扭转力矩随着扭簧外径增大而增大，扭转复位机构的径向尺寸较大以及外径缩放会造成扭矩线性度不好的问题。内杆的中上部由上至下依次套装有第一开式冲压外圈滚针轴承、隔套、第二开式冲压外圈滚针轴承、第一平面推力滚针轴承、第二平面推力滚针轴承、圆螺母，圆螺母螺纹连接在内杆中段，圆螺母通过圆螺母垫圈将第二平面推力滚针轴承安装在外套管上；内杆的下部由上至下套装有上空间凸轮、下空间凸轮和弹性组件，上空间凸轮和下空间凸轮的螺旋曲面互相啮合，上空间凸轮通过凸轮上的凹槽固定在外套管的内壁上。本发明用于凸轮的扭转复位。

Description

基于空间凸轮的紧凑型扭转复位机构

技术领域

本发明涉及一种扭转复位机构，具体涉及一种利用空间凸轮将碟簧弹性力转换为机构复位力矩的紧凑型扭转复位机构，可以实现机构扭转后的自动复位功能。

背景技术

在外骨骼机器人设计过程中考虑到降低控制系统和机械系统的复杂度，往往不会控制机器人的所有关节自由度，如外骨骼机器人大腿髋关节具有三个自由度，为了简化机械与控制系统外骨骼的腿部结构一般仅驱动髋关节的屈曲伸展自由度，而剩下的旋内旋外自由度需要采用一种扭转复位机构提供一定的扭转复位力矩，从而降低人腿部关节的负荷并提高外骨骼的助力效果。目前的扭转复位机构主要采用扭簧来提供复位力矩，但是扭簧存在一些缺点：其一是扭簧刚度较大扭转范围较小，且由于扭转力矩随着扭簧外径增大而增大，会造成扭转复位机构的径向尺寸较大，不满足腿部外骨骼体积小、重量轻、扭矩大的设计要求；其二是螺旋扭簧在扭转过程中外径缩放会造成扭矩线性度不好。

综上，现有的扭簧扭转复位机构扭簧刚度较大扭转范围较小，扭转力矩随着扭簧外径增大而增大，扭转复位机构的径向尺寸较大以及外径缩放会造成扭矩线性度不好。

发明内容

本发明为解决现有的扭簧扭转复位机构扭簧刚度较大扭转范围较小，扭转力矩随着扭簧外径增大而增大，扭转复位机构的径向尺寸较大以及外径缩放会造成扭矩线性度不好的问题，进而提供一种基于空间凸轮的紧凑型扭转复位机构。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

本发明的一种基于空间凸轮的紧凑型扭转复位机构主要由内杆1、第一开式冲压外圈滚针轴承2、隔套3、第二开式冲压外圈滚针轴承4、第一平面推力滚针轴承5、外套管6、第二平面推力滚针轴承7、第一内六角锁紧螺钉8、圆螺母9、下空间凸轮10、第二内六角锁紧螺钉11、上空间凸轮13、弹性组件14和锁紧螺母15组成；外套管6穿装在内杆1上，内杆1的上端开有通孔，内杆1的中上部由上至下依次套装有第一开式冲压外圈滚针轴承2、隔套3、第二开式冲压外圈滚针轴承4、第一平面推力滚针轴承5、第二平面推力滚针轴承7、圆螺母9，圆螺母9螺纹连接在内杆1中段，圆螺母9通过圆螺母垫圈12将第二平面推力滚针轴承7安装在外套管6上；内杆1的下部由上至下套装有上空间凸轮13、下空间凸轮10和弹性组件14，上空间凸轮13和下空间凸轮10的螺旋曲面互相啮合，上空间凸轮13通过上空间凸轮13上的凹槽固定在外套管6的内壁上，弹性组件14的上端顶在下空间凸轮10的下端面上，锁紧螺母15与内杆1的下端螺纹连接，第二内六角锁紧螺钉11螺纹连接在锁紧螺母15上。

进一步地，上空间凸轮13和下空间凸轮10的接触面采用啮合的螺旋面。

进一步地，弹性组件14为碟簧组件。

进一步地，所述扭转复位机构还包括第一内六角锁紧螺钉8，第一内六角锁紧螺钉8螺纹连接在圆螺母9上将圆螺母9螺纹锁紧。

进一步地，所述扭转复位机构还包括圆螺母垫圈12，圆螺母9通过圆螺母垫圈12顶紧在第二平面推力滚针轴承7的下端面上。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

一、本发明的基于空间凸轮的紧凑型扭转复位机构扭转范围大，可达到正负45度；

二、扭转机构径向尺寸小，利用轴向空间来布置弹性体，从而获得较大的弹性运动范围；

三、复位机构零位有保持力矩且该力矩可调节，有利于外骨骼大腿自动回复扭转并保持在零位；

四、扭矩与转角的线性度比较好；

五、本发明提出的扭转复位机构可以用于外骨骼机器人结构中，但应用范围不限于外骨骼机器人，需要扭转复位机构径向尺寸小、重量轻、扭转范围大、回复扭矩大且易调节、回复力矩线性度好的应用场合都能适用，适用范围广；

六、本发明提出的扭转复位机构其弹性原件能够产生轴向弹性力且轴向变形量大、径向尺寸较小。

附图说明

图1是本发明的基于空间凸轮的紧凑型扭转复位机构的主剖视图；

图2是本发明具体实施方式一中圆螺母9、上空间凸轮13、下空间凸轮10、弹性组件14和锁紧螺母15的安装分解图；

图3是本发明具体实施方式一中上空间凸轮13和下空间凸轮10啮合事宜图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～3所示，本实施方式的基于空间凸轮的紧凑型扭转复位机构主要由内杆1、第一开式冲压外圈滚针轴承2、隔套3、第二开式冲压外圈滚针轴承4、第一平面推力滚针轴承5、外套管6、第二平面推力滚针轴承7、第一内六角锁紧螺钉8、圆螺母9、下空间凸轮10、第二内六角锁紧螺钉11、上空间凸轮13、弹性组件14和锁紧螺母15组成；外套管6穿装在内杆1上，内杆1的上端开有通孔，内杆1的中上部由上至下依次套装有第一开式冲压外圈滚针轴承2、隔套3、第二开式冲压外圈滚针轴承4、第一平面推力滚针轴承5、第二平面推力滚针轴承7、圆螺母9，圆螺母9螺纹连接在内杆1中段，圆螺母9通过圆螺母垫圈12将第二平面推力滚针轴承7安装在外套管6上；内杆1的下部由上至下套装有上空间凸轮13、下空间凸轮10和弹性组件14，上空间凸轮13和下空间凸轮10的螺旋曲面互相啮合，上空间凸轮13通过上空间凸轮13上的凹槽固定在外套管6的内壁上，弹性组件14的上端顶在下空间凸轮10的下端面上，锁紧螺母15与内杆1的下端螺纹连接，第二内六角锁紧螺钉11螺纹连接在锁紧螺母15上。

内杆1头部开有通孔用于连接其他杆件，内杆分别穿过两个开式冲压外圈滚针轴承、隔套、两个开式冲压外圈滚针轴承、圆螺母垫圈和圆螺母，圆螺母与内杆中段通过螺纹连接，圆螺母通过圆螺母垫圈将平面推力滚针轴承固定在外套管上，内六角头锁紧螺钉拧进圆螺母中并圆螺母的螺纹锁紧；开式冲压外圈滚针轴承和平面推力滚针轴承为内杆提供径向支承，同时能够分别承受径向和轴向载荷，隔套用于定位开式冲压外圈滚针轴承和平面推力滚针轴承在外套管中的相对位置；上空间凸轮13和下空间凸轮10的曲面设计啮合的螺旋面，上空间凸轮通过凸轮上的凹槽固定在外套管的内壁上，上空间凸轮和下空间凸轮的螺旋曲面互相啮合并套在内杆的后段部分，由多个碟簧相互叠加在一起的碟簧组上端顶着下空间凸轮，碟簧组产生的轴向弹性力由空间凸轮的螺旋曲面转化为相对于内杆回转轴线的弹性回复力矩，当内杆相对外套管不发生扭转时该弹性回复力矩定义为零位保持力矩，当内杆相对于外套管发生扭转时，上空间凸轮和下空间凸轮产生相对转动的趋势并产生扭转力矩，如果该扭转力矩大于零位保持力矩则上下空间凸轮发生相对转动，同时空间凸轮的螺旋曲面将该扭转力矩转化为沿轴向的压力压缩碟簧组并由此产生扭转回复力矩。碟簧组下端与锁紧螺母接触，锁紧螺母与内杆的末端螺纹连接，利用锁紧螺母将碟簧组牢牢压紧在下空间凸轮上，拧紧锁紧螺钉可以将锁紧螺母锁紧在当前位置，通过改变碟簧组的碟簧数量和锁紧螺母的锁紧位置，可以改变碟簧组的刚度和预紧力从而调节零位保持力矩和扭转回复力矩的大小。

本发明的空间凸轮将弹性元件的轴向弹性力转换为扭转复位力矩。

所述扭转复位机构存在零位保持力矩，当扭转力矩小于零位保持力矩时扭转机构不发生扭转并保持在初始位置(零位)，当扭转力矩大于零位保持力矩时扭转机构发生扭转运动。

零位保持力矩和扭转回复力矩可以通过调节锁紧螺母，可改变弹性元件的预压缩量和刚度系，从而改变零位保持力矩和扭转回复力矩。

上空间凸轮13和下空间凸轮10的接触面可以采用啮合的螺旋面，但并不限于螺旋面，其他任何一种能够将空间凸轮所受的轴向力转化为绕空间凸轮轴线的力矩的曲面结构均属于本发明的权利要求范围内。

空间凸轮的轴向弹性力由弹性元件产生，弹性元件可以由任意数量的碟簧组合而成，但是并不限制于采用碟簧，任何能够产生轴向弹性力且轴向变形量大、径向尺寸较小的弹性元件均属于本发明的权利要求范围内。

具体实施方式二：如图1和图3所示，本实施方式上空间凸轮13和下空间凸轮10的接触面采用啮合的螺旋面。如此设计，能够将轴向弹性力转换为沿径向的复位扭矩。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：如图1和图3所示，本实施方式弹性组件14为碟簧组件。如此设计，能够减小结构的径向尺寸，且能够灵活调整碟簧组数量以起到改变复位扭矩大小的作用。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：如图1所示，本实施方式所述扭转复位机构还包括第一内六角锁紧螺钉8，第一内六角锁紧螺钉8螺纹连接在圆螺母9上将圆螺母9螺纹锁紧。如此设计，能够有效防止圆螺母9松动。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：如图1所示，本实施方式所述扭转复位机构还包括圆螺母垫圈12，圆螺母9通过圆螺母垫圈12顶紧在第二平面推力滚针轴承7的下端面上。如此设计，能够有效固定平面推力滚针轴承7并防止其轴向窜动。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或四相同。

工作原理：

当外管套带着上空间凸轮转动角位移θ时，由于空间凸轮采用特殊设计的螺旋曲面，此时上空间凸轮相对下空间凸轮转动时，螺旋曲面将碟簧组产生的轴向弹性力转F_K化为沿转动轴线的扭转回复力矩M，弹性力F_K和扭转回复力矩M之间有如下关系：M＝F_KL，其中L为扭转回复力矩，L与螺旋曲面的螺旋升角线性相关，而F_K与碟簧变形量成线性关系，故扭转回复力矩M与弹性力F_K成线性关系，只需要改变碟簧的刚度和变形量即可线性地改变扭转回复力矩。

Claims (5)

1.一种基于空间凸轮的紧凑型扭转复位机构，其特征在于：所述扭转复位机构主要由内杆(1)、第一开式冲压外圈滚针轴承(2)、隔套(3)、第二开式冲压外圈滚针轴承(4)、第一平面推力滚针轴承(5)、外套管(6)、第二平面推力滚针轴承(7)、第一内六角锁紧螺钉(8)、圆螺母(9)、下空间凸轮(10)、第二内六角锁紧螺钉(11)、上空间凸轮(13)、弹性组件(14)和锁紧螺母(15)组成；外套管(6)穿装在内杆(1)上，内杆(1)的上端开有通孔，内杆(1)的中上部由上至下依次套装有第一开式冲压外圈滚针轴承(2)、隔套(3)、第二开式冲压外圈滚针轴承(4)、第一平面推力滚针轴承(5)、第二平面推力滚针轴承(7)、圆螺母(9)，圆螺母(9)螺纹连接在内杆(1)中段，圆螺母(9)通过圆螺母垫圈(12)将第二平面推力滚针轴承(7)安装在外套管(6)上；内杆(1)的下部由上至下套装有上空间凸轮(13)、下空间凸轮(10)和弹性组件(14)，上空间凸轮(13)和下空间凸轮(10)的螺旋曲面互相啮合，上空间凸轮(13)通过上空间凸轮(13)上的凹槽固定在外套管(6)的内壁上，弹性组件(14)的上端顶在下空间凸轮(10)的下端面上，锁紧螺母(15)与内杆(1)的下端螺纹连接，第二内六角锁紧螺钉(11)螺纹连接在锁紧螺母(15)上。

2.根据权利要求1所述的基于空间凸轮的紧凑型扭转复位机构，其特征在于：上空间凸轮(13)和下空间凸轮(10)的接触面采用啮合的螺旋面。

3.根据权利要求1或2所述的基于空间凸轮的紧凑型扭转复位机构，其特征在于：弹性组件(14)为碟簧组件。

4.根据权利要求3所述的基于空间凸轮的紧凑型扭转复位机构，其特征在于：所述扭转复位机构还包括第一内六角锁紧螺钉(8)，第一内六角锁紧螺钉(8)螺纹连接在圆螺母(9)上将圆螺母(9)螺纹锁紧。

5.根据权利要求1、2或4所述的基于空间凸轮的紧凑型扭转复位机构，其特征在于：所述扭转复位机构还包括圆螺母垫圈(12)，圆螺母(9)通过圆螺母垫圈(12)顶紧在第二平面推力滚针轴承(7)的下端面上。

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