CN106584505A - 一种模块化变刚度机器人关节 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种模块化变刚度机器人关节，包括位置电机模块(1)、输入模块(2)和输出模块(3)，所述位置电机模块(1)通过轴套(13)和输入模块(2)连接，所述输入模块(2)和输出模块(3)上下对应连接。本发明解决了现有技术中位置电机和调刚度电机耦合性强、刚度变化范围小、调刚度耗能大、变刚度部件相互耦合、被动刚度特性不好、需外接其他设备的问题。

Description

一种模块化变刚度机器人关节

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种模块化变刚度机器人关节。

背景技术

传统的工业机器人技术已经比较成熟，能够实现较高精度的轨迹复现和力控制。工业机器人的适用场合比较简单，部分生产线人机交互程度低，对安全性的要求比较低。近几年，服务机器人和人机协作机器人成为机器人的主要研究方向之一。学者围绕机器人怎么直接和人类进行人机交互，一起协作完成一定任务而展开了大量的研究。限制服务机器人和协作机器人的发展的主要因素是场合多变，安全性能难以保证。为了实现机器人在未知环境下的可靠性和安全性，国内外提出柔性机器人的概念，其中变刚度机器人关节就是柔性机器人的重要组成。

传统的工业机器人是刚性的，在利用大量的传感器和复杂的控制算法的基础上，也能实现一定的柔顺控制。但是，精确动力学模型建立难度大，传感器的分辨率和系统的响应速度对柔顺控制的效果产生了很大的影响，难以保证可靠性。变刚度关节通过机构上的创新，结合合理的控制算法，实现根据使用场合，实时地调节机器人关节的刚度，来保护机器人和外界物体的安全性。在机器人工作时保持较高的刚度，以实现精确的控制，在碰撞到物体时降低刚度，缓冲冲击，增加安全性。同时，变刚度机器人关节也体现出来很多优势，如能量消耗低、输出相应快、适用范围广等优点。上述优点使得机器人变刚度关节成为国内外研究的热点。

现阶段在变刚度关节的核心部分设计的原理有以下几种：拮抗原理、杠杆原理、改变弹簧参数、电磁原理、气动肌肉等。基于上述原理设计的变刚度关节都能实现关节的变刚度要求，但是都存在相应的不足，如位置电机和调刚度电机耦合性强、刚度变化范围小、调刚度耗能大、刚度不稳定、变刚度部件相互耦合、需外接其他设备等其他问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种模块化变刚度机器人关节，解决上述的位置电机和调刚度电机耦合性强、刚度变化范围小、调刚度耗能大、变刚度部件相互耦合、被动刚度特性不好、需外接其他设备的问题。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种模块化变刚度机器人关节，包括位置电机模块1、输入模块2和输出模块3，所述位置电机模块1通过轴套13和输入模块2连接，所述输入模块2和输出模块3上下对应连接；

所述位置电机模块1包括电机组件11、关节外壳12和轴套13；

所述输入模块2包括一对导杆21-1、21-2、一对压缩弹簧22-1、22-2、一对弹簧座23-1、23-2、一对导杆轴24-1、24-2、一对导杆限位杆25-1、25-2、一对关节限位杆26-1、26-2、变刚度输入板27、磁感应齿轮28和谐波减速器29；

所述输出模块3包括一对直线导轨31-1、31-2、一对滚子安装架32-1、32-2、一对滚子组33-1、33-2、一对齿条34-1、34-2、一对大齿轮35-1、35-2、小齿轮36、转动挡块37、磁感应编码器探头38、交叉滚子轴承39、末端外壳310、变刚度输出板311、刚度调节电机组件312、锥齿轮轴系313、轴承外圈压板314和轴承内圈压板315。

优选地，所述电机组件11包括位置电机和编码器，所述电机组件安装在位置电机端关节外壳12上。

优选地，所述一对弹簧座23-1、23-2、一对关节限位杆26-1、26-2、一对导杆轴24-1、24-2、一对导杆限位杆25-1、25-2、磁感应齿轮28和谐波减速器29均安装在变刚度输入板27上；所述一对压缩弹簧22-1、22-2分别安装在各自对应的导杆和弹簧座之间，其一端通过螺钉固定，另一端靠限位来固定。

优选地，所述刚度调节电机组件312包括编码器、调刚度电机、减速器和输入锥齿轮；所述刚度调节电机组件312安装在轴承内圈压板315上，锥齿轮轴系313通过轴系套筒将该锥齿轮轴系安装在轴承内圈压板315上，小齿轮36安装在齿轮轴系上，轴承内圈压板315上有末端操作器的安装螺纹孔；所述一对直线导轨31-1、31-2、一对大齿轮35-1、35-2、转动挡块37和磁感应编码器探头38均安装在变刚度输出板311上；一对滚子安装架32-1、32-2分别安装在对应的直线导轨上；一对齿条34-1、34-2和一对滚子组33-1、33-2分别安装在各自对应的滚子安装架32上；交叉滚子轴承39内圈由变刚度输出板311和轴承内圈压板315压紧固定，所述轴承内圈压板315和变刚度输出板311通过螺栓连接相互固定，交叉滚子轴承39外圈由轴承外圈压板314和末端外壳310固定。

优选地，谐波减速器29的柔性轮作为固定的部分，和关节外壳12连接，谐波减速器29刚性轮为动力输出端，和变刚度输入板27相连，谐波减速器波发生器作为动力输入端，通过轴套和位置电机输出轴相连接。

优选地，所述变刚度输入板27和变刚度输出板311之间的相对偏转角度采用磁感应式编码器测量，所述磁感应式编码器包括磁感应齿轮28和磁感应编码器探头38，两者分别布置在变刚度输入板27和变刚度输出板311上，磁感应齿轮28和谐波减速器29同心布置，谐波减速器布置在磁感应式编码器内部。

优选地，刚度调节传动系统采用刚度调节电机组件312作为动力输出，锥齿轮轴系313、小齿轮36、一对大齿轮35-1、35-2和一对齿条34-1、34-2作为相应的驱动轮系；刚度调节电机组件312采用卧式布置；一对大齿轮尺寸完全相同，一对大齿轮和各自对应的齿条啮合。

优选地，所述导杆21-1、21-2和直线导轨31-1、31-2在初始位置是平行布置的，且呈“八”字状对称布置，二者均和直径成一定夹角。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明设计了一种新型机械人关节。在关节设计中，利用模块化思想，使后期关节的维护和机械臂的搭建更加简单。合理的设计思路，将关节的核心模块集成在关节内部，将编码器和机械限位块巧妙的布置在核心部件内部剩余的空间里，使空间得到合理的利用。采用刚度调节电机组件卧式布置的方式，并结合锥齿轮传来改变转动轴的方向，有效的减小了关节尺寸，实现关节的紧凑。

2、本发明采用了独立的变刚度机构，解决位置电机和调刚度电机之间的耦合性问题，实现了位置控制和刚度调节单独进行。

3、本发明采用滚子、导杆以及压缩弹簧来实现变刚度。采用导杆和直线导轨平行布置，初始状态之间相互作用力小，滚子和导轨之间为滚动摩擦，实现了在调节刚度时所需能量少，能量效率得到提升。

4、本发明采用双导杆-双弹簧，有效地解决了现有变刚度关节中两个弹性元件之间的耦合，简化了模型。

5、本发明采用导杆和直线导轨平行，且和直径方向成一定的角度布置。利用杠杆原理改变滚子组和导杆之间的作用力的放大比例，实现改变作用力大小。利用改变滚子组的位置，实现改变作用力对关节旋转中心的力臂长度。利用改变作用力和作用力臂长度，实现良好的力矩特性和刚度曲线。在受到外界冲击时，导杆和直径方向上夹角减小，有效的增加作用力和对关节中心的有效力臂长度，实现良好的被动刚度特性。

6、该关节采用电机驱动，无需外接气缸等大体积设备来提供动力。

附图说明

图1是本发明整体侧视图；

图2是本发明位置电机模块主视图；

图3是本发明位置电机模块仰视图；

图4是本发明输入模块轴测图；

图5是本发明输出模块侧视图；

图6是本发明输出模块仰视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1、图2、图3、图4、图5及图6，一种模块化变刚度机器人关节，包括位置电机模块1、输入模块2和输出模块3，所述位置电机模块1通过轴套13和输入模块2连接，所述输入模块2和输出模块3上下对应连接；

所述位置电机模块1包括电机组件11、关节外壳12和轴套13；

所述输入模块2包括一对导杆21-1、21-2、一对压缩弹簧22-1、22-2、一对弹簧座23-1、23-2、一对导杆轴24-1、24-2、一对导杆限位杆25-1、25-2、一对关节限位杆26-1、26-2、变刚度输入板27、磁感应齿轮28和谐波减速器29；

所述输出模块3包括一对直线导轨31-1、31-2、一对滚子安装架32-1、32-2、一对滚子组33-1、33-2、一对齿条34-1、34-2、一对大齿轮35-1、35-2、小齿轮36、转动挡块37、磁感应编码器探头38、交叉滚子轴承39、末端外壳310、变刚度输出板311、刚度调节电机组件312、锥齿轮轴系313、轴承外圈压板314和轴承内圈压板315。

所述电机组件11包括位置电机和编码器，所述电机组件安装在位置电机端关节外壳12上。

所述一对弹簧座23-1、23-2、一对关节限位杆26-1、26-2、一对导杆轴24-1、24-2、一对导杆限位杆25-1、25-2、磁感应齿轮28和谐波减速器29均安装在变刚度输入板27上；所述一对压缩弹簧22-1、22-2分别安装在各自对应的导杆和弹簧座之间，其一端通过螺钉固定，另一端靠限位来固定。

所述刚度调节电机组件312包括编码器、调刚度电机、减速器和输入锥齿轮；所述刚度调节电机组件312安装在轴承内圈压板315上，锥齿轮轴系313通过轴系套筒将该锥齿轮轴系安装在轴承内圈压板315上，小齿轮36安装在齿轮轴系上，轴承内圈压板315上有末端操作器的安装螺纹孔；所述一对直线导轨31-1、31-2、一对大齿轮35-1、35-2、转动挡块37和磁感应编码器探头38均安装在变刚度输出板311上；一对滚子安装架32-1、32-2分别安装在对应的直线导轨上；一对齿条34-1、34-2和一对滚子组33-1、33-2分别安装在各自对应的滚子安装架32上；交叉滚子轴承39内圈由变刚度输出板311和轴承内圈压板315压紧固定，所述轴承内圈压板315和变刚度输出板311通过螺栓连接相互固定，交叉滚子轴承39外圈由轴承外圈压板314和末端外壳310固定。

所述谐波减速器29的柔性轮作为固定的部分，和关节外壳12连接，谐波减速器29刚性轮为动力输出端，和变刚度输入板27相连，谐波减速器波发生器作为动力输入端，通过轴套和位置电机输出轴相连接。

在变刚度输出板311上，直线导轨31行程的极限位置处都安装了限位块，以免滑块超过行程，造成零部件之间的干涉。在变刚度输出板311上和变刚度输入板27上分别安装有转动挡块37和一对关节限位杆26，以免过载时弹簧变形量过大，对整个关节的特性产生大的影响。一对导杆限位杆起到对导杆组件中导杆的初始位置进行限位的作用。避免导杆返回时由于弹簧力超过初始位置。

所述变刚度输入板27和变刚度输出板311之间的相对偏转角度采用磁感应式编码器测量，所述磁感应式编码器包括磁感应齿轮28和磁感应编码器探头38，两者分别布置在变刚度输入板27和变刚度输出板311上，磁感应齿轮28和谐波减速器29同心布置，谐波减速器布置在磁感应式编码器内部。

刚度调节传动系统采用刚度调节电机组件312作为动力输出，锥齿轮轴系313、小齿轮36、一对大齿轮35-1、35-2和一对齿条34-1、34-2作为相应的驱动轮系；刚度调节电机组件312采用卧式布置；一对大齿轮尺寸完全相同，一对大齿轮和各自对应的齿条啮合。

刚度调节传动系统采用卧式刚度调节电机组件312作为动力源，经过锥齿轮轴系313、小齿轮36、一对大齿轮35和一对齿条34将运动转化为滚子组33的同步反向运动，实现对刚度的调节。刚度调节电机组件312采用卧式布置，有效的节省了空间。同时，为了改变转动的方向，采用了锥齿轮传动。为了保证正向运动和反向运动力矩和刚度随偏转角度的特性相同，必须保证滚子组33-1和33-2在运动的过程中时刻关于变刚度输出板311的轴线对称，即要求两个齿条34-1和34-2的同步反移动。为了实现两个齿条34-1和34-2的同步反移动，大齿轮35-1和大齿轮35-2的尺寸完全相同，小齿轮36和大齿轮35-2啮合，小齿轮36输出的转动经过两个大齿轮，转化为转向相反、转速大小相等的转动，实现两个齿条同步反移动。

所述导杆21-1、21-2和直线导轨31-1、31-2在初始位置是平行布置的，且呈“八”字状对称布置，二者均和直径成一定夹角。

直线导轨和导杆在初始位置相互平行，成“八”字状布置在变刚度输入板27和变刚度输出板311。谐波减速器29输出的转动和力矩经过导杆21和滚子组33之间的相互作用，驱动变刚度输出板311和轴承内圈压板315转动。轴承内圈压板315上有末端操作器的安装螺纹孔，将运动和力矩输出。刚度调节电机组件312和相应的传动轮系随变刚度输出板311和轴承内圈压板315一起转动，根据场合调节关节刚度。

本发明的原理为：

电机组件11中的编码器和位置电机实现对关节末端位置的控制。谐波减速器29将转矩和运动传递致变刚度输入板27输入端。滚子组33和导杆21之间相互作用将运动和力矩转化为轴承内圈压板315的转动和力矩，输出到末端装置上。当末端负载增加，导致滚子组33和导杆21之间作用力增大，压缩弹簧22压缩量增加。导杆21作为杠杆，弹簧力和滚子组33所受力满足杆杠原理，随外界负载增加而增加。同时，变刚度输入板27和轴承内圈压板315之间的偏转的角度增加。当调节滚子位置时，远离导杆旋转中心时，滚子组33和导杆21之间作用力和弹簧力之比下降。而且，滚子组33所受力作用点相对于关节旋转中心的力臂小，整个关节负载能力随偏转角度导数减小，即关节刚度低，相同力矩的作用下变刚度输入板27和轴承内圈压板315之间的偏转的角度变大。反之，当滚子靠近导杆的旋转中心时，滚子组33和导杆之间作用和弹簧力之比增加，滚子组所受力作用点相对于关节旋转中心的力臂大，整个关节负载能力强，即关节刚度大，相同的力矩作用下，变刚度输入板27和轴承内圈压板315之间的偏转的角度变小。高刚度位置精度高，但是安全性低。相反地，低刚度位置精度低，但是安全性高。合理的根据使用场合来改变滚子组33在导杆上的位置，来选择合适的位置，以权衡安全性和精度，实现比较好的控制效果。

导杆21中的导杆和直线导轨31均是按照“八”字状布置的，和直径方向成一定角度。在受到外界冲击时，冲击力矩会使弹簧压缩量增加，导杆和初始位置的角度增加，使得滚子和导杆之间的作用力对和直径之间的夹角增加，该力对旋转中心的有效力臂随之增加，被动刚度特性呈现良好的非线性，整个关节和外界物体之间的作用力逐渐增加，安全性高。同时，采用两组布置，在受到外部负载力矩时，只有一侧导杆和滚子之间相互接触，另一侧导杆和滚子之间相互分离。这样可以解除两个压缩弹簧之间的耦合作用，得到更好的刚度性能和负载能力。同时，采用两个组导杆和滚子组对称布置配合滚子组的同步反向动作，实现正反转力矩和刚度随偏转角的变化曲线一致。

关节的实时刚度值和力矩大小主要受到变刚度输入板27和轴承内圈压板315之间的偏转的角度以及滚子在导杆上的相对位置影响，采用磁感应式编码器，包括磁感应齿轮28和磁感应编码器探头38，两者分别布置在变刚度输入板27和变刚度输出板311，来测量两者的偏转角度。刚度调节电机组件312中电机用来控制齿条滑动调节滚子位置，利用编码器来读取电机转动的角度。经过控制程序可以得出响应的力矩和刚度大小，结合响应的控制策略能够实时变化刚度，以满足安全性和精度要求。

以上对本发明所提供的一种模块化变刚度机器人关节，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种模块化变刚度机器人关节，其特征在于：包括位置电机模块(1)、输入模块(2)和输出模块(3)，所述位置电机模块(1)通过轴套(13)和输入模块(2)连接，所述输入模块(2)和输出模块(3)上下对应连接；

所述位置电机模块(1)包括电机组件(11)、关节外壳(12)和轴套(13)；

所述输入模块(2)包括一对导杆(21-1、21-2)、一对压缩弹簧(22-1、22-2)、一对弹簧座(23-1、23-2)、一对导杆轴(24-1、24-2)、一对导杆限位杆(25-1、25-2)、一对关节限位杆(26-1、26-2)、变刚度输入板(27)、磁感应齿轮(28)和谐波减速器(29)；

所述输出模块(3)包括一对直线导轨(31-1、31-2)、一对滚子安装架(32-1、32-2)、一对滚子组(33-1、33-2)、一对齿条(34-1、34-2)、一对大齿轮(35-1、35-2)、小齿轮(36)、转动挡块(37)、磁感应编码器探头(38)、交叉滚子轴承(39)、末端外壳(310)、变刚度输出板(311)、刚度调节电机组件(312)、锥齿轮轴系(313)、轴承外圈压板(314)和轴承内圈压板(315)。

2.根据权利要求1所述的模块化变刚度机器人关节，其特征在于：所述电机组件(11)包括位置电机和编码器，所述电机组件安装在位置电机端关节外壳(12)上。

3.根据权利要求1所述的模块化变刚度机器人关节，其特征在于：所述一对弹簧座(23-1、23-2)、一对关节限位杆(26-1、26-2)、一对导杆轴(24-1、24-2)、一对导杆限位杆(25-1、25-2)、磁感应齿轮(28)和谐波减速器(29)均安装在变刚度输入板(27)上；所述一对压缩弹簧(22-1、22-2)分别安装在各自对应的导杆和弹簧座之间，其一端通过螺钉固定，另一端靠限位来固定。

4.根据权利要求1所述的模块化变刚度机器人关节，其特征在于：所述刚度调节电机组件(312)包括编码器、调刚度电机、减速器和输入锥齿轮；所述刚度调节电机组件(312)安装在轴承内圈压板(315)上，锥齿轮轴系(313)通过轴系套筒将该锥齿轮轴系安装在轴承内圈压板(315)上，小齿轮(36)安装在齿轮轴系上，轴承内圈压板(315)上有末端操作器的安装螺纹孔；所述一对直线导轨(31-1、31-2)、一对大齿轮(35-1、35-2)、转动挡块(37)和磁感应编码器探头(38)均安装在变刚度输出板(311)上；一对滚子安装架(32-1、32-2)分别安装在对应的直线导轨上；一对齿条(34-1、34-2)和一对滚子组(33-1、33-2)分别安装在各自对应的滚子安装架(32)上；交叉滚子轴承(39)内圈由变刚度输出板(311)和轴承内圈压板(315)压紧固定，所述轴承内圈压板(315)和变刚度输出板(311)通过螺栓连接相互固定，交叉滚子轴承(39)外圈由轴承外圈压板(314)和末端外壳(310)固定。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的模块化变刚度机器人关节，其特征在于：谐波减速器(29)的柔性轮作为固定的部分，和关节外壳(12)连接，谐波减速器(29)刚性轮为动力输出端，和变刚度输入板(27)相连，谐波减速器波发生器作为动力输入端，通过轴套和位置电机输出轴相连接。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的模块化变刚度机器人关节，其特征在于：所述变刚度输入板(27)和变刚度输出板(311)之间的相对偏转角度采用磁感应式编码器测量，所述磁感应式编码器包括磁感应齿轮(28)和磁感应编码器探头(38)，两者分别布置在变刚度输入板(27)和变刚度输出板(311)上，磁感应齿轮(28)和谐波减速器(29)同心布置，谐波减速器布置在磁感应式编码器内部。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的模块化变刚度机器人关节，其特征在于：刚度调节传动系统采用刚度调节电机组件(312)作为动力输出，锥齿轮轴系(313)、小齿轮(36)、一对大齿轮(35-1、35-2)和一对齿条(34-1、34-2)作为相应的驱动轮系；刚度调节电机组件(312)采用卧式布置；一对大齿轮尺寸完全相同，一对大齿轮和各自对应的齿条啮合。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的模块化变刚度机器人关节，其特征在于：所述导杆(21-1、21-2)和直线导轨(31-1、31-2)在初始位置是平行布置的，且呈“八”字状对称布置，二者均和直径成一定夹角。