CN106737821A - 一种基于几何特性的变刚度机构 - Google Patents

Abstract

一种基于几何特性的变刚度机构，它涉及一种关节变刚度机构，以解决现有变刚度机构结构复杂、线性度差，以及使用支点移动时和杆件之间存在间隙和摩擦，导致位置精度低的问题，它包括输出杆、刚调内齿圈、支点齿轮、支点架、支点杆、中间杆、弹簧、轴套和两个滑块；所述中间杆的两端各安装有一个所述滑块，位于两个所述滑块之间的所述中间杆上套装有弹簧，滑块和中间杆之间套有轴套，轴套通过安装在所述滑块上的轴承端盖轴向定位；所述支点齿轮与所述刚调内齿圈啮合，所述支点齿轮布置在所述支点架的下方且二者可拆卸连接，本发明用于机器人肘关节。

Description

一种基于几何特性的变刚度机构

技术领域

本发明涉及一种关节变刚度机构，具体涉及机器人关节用的一种基于几何特性的变刚度机构，属于机器人技术领域。

背景技术

21世纪以来，人类同机器人在各类环境中的接触愈发频繁，人机交互的安全性问题逐渐进入人类视野，特别是传统刚性机器人多发的机器伤人事件也不停提醒着人们人机协作中环境安全的重要性。柔性关节虽然解决了安全性的问题，但本身对系统响应和控制精度的影响使得研究人员展开了更为先进的柔性关节的探索，其中一个重要的方向就是可变刚度柔性关节。可变刚度柔性关节是一类新兴的，刚度可调的柔性关节，区别于传统工业领域的刚性机器人，它可以在保证关节控制精度的同时具备缓解冲击的能力，因此也有了更为广阔的应用领域。

针对可变刚度柔性关节，许多国内外学者已经展开了研究，并且获得了大量的实际应用成果，但都或多或少的存在着一些缺陷。如平衡位置变刚度机构的系统带宽限制和弹簧调整能量损耗问题；拮抗变刚度机构的结构复杂，占用空间大问题；结构控制变刚度机构的线性度以及控制复杂的问题以及机械控制变刚度机构的能量损耗问题等等。另一方面，各种传动机构如滚珠丝杠、齿轮齿条、曲柄滑块等也会给机构带来相应的问题。

发明内容

本发明是为解决现有变刚度机构结构复杂、线性度差，以及使用支点移动时和杆件之间存在间隙和摩擦，导致位置精度低的问题，进而提供一种基于几何特性的变刚度机构。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：一种基于几何特性的变刚度机构包括输出杆、刚调内齿圈、支点齿轮、支点架、支点杆、中间杆、弹簧、轴套和两个滑块；

所述中间杆的两端各安装有一个所述滑块，位于两个所述滑块之间的所述中间杆上套装有弹簧，滑块和中间杆之间套有轴套，轴套通过安装在所述滑块上的轴承端盖轴向定位；

刚调主轴的上端安装有所述支点齿轮，所述支点齿轮与所述刚调内齿圈啮合，所述支点齿轮布置在所述支点架的下方且二者可拆卸连接，所述支点杆的一端与所述支点架转动连接，所述支点杆的另一端通过轴承安装在两个所述滑块中的其中一个滑块上，所述输出杆布置在中间杆的上方，所述输出杆的一端通过轴承安装在两个所述滑块中的另一个滑块上，所述输出杆的另一端安装有输出轴，邻近所述支点杆的另一端的所述中间杆的端部转动安装在所述刚调内齿圈上。

本发明的有益效果是：一、本发明创新使用了类曲柄滑块机构，改变滑块相对位置压缩弹簧产生不同变形量，实现输出刚度的变化。该机构的刚度变化由机构几何关系保证，运算及仿真证明，该机构在支点齿轮的驱动下，可以产生线性度较高的刚度-偏转角曲线，有效的提升了控制精度。在刚度的稳定性方面，当刚调内齿圈和支点架同步运动时，刚度保持不变，此时机构即使有窜动，也会在力作用下回到平衡状态，保持了刚度的稳定。

二、本发明采用了基于运动学解算法的运动传递方式，通过固定尺寸比的支点齿轮来产生变刚度部分所需的直线运动，该传动方式摒弃了传统丝杠传动和齿轮齿条传动径向尺寸大的缺点，自下而上的传动方式也为结构在外壳内的高度集成带来了便利。这一传动方式解决了现有结构体积较大，结构复杂，布局不合理的缺点，也为后续电机的布置带来了便利。本发明轻便紧凑合理。

三、本发明实现了刚度从零到较大范围的近似线性连续变化，支点处在零位时，输出刚度为零，随着支点位置的偏移，弹簧产生对应的压缩，输出一条近似直线的刚度变化曲线，直至弹簧达到最大压缩量，线性度好，此时关节输出较大刚度。

四、本发明创新性的加入了双滑块结构，滑块通过轴套与中间杆相连，支点架与支点杆之间用轴承相连接，解决了传统机构中使用支点架和中间杆相互配合的间隙和润滑的问题，提升了位置精度。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为实施例中的中间杆、弹簧和两个滑块配合结构示意图；

图3为实施例中的支点杆、深沟球轴承及轴承盖布置的位置关系示意图；

图4为实施例中的支点齿轮和刚调内齿圈获得直线运动的解算法示意图；

图5为基于实施例的变刚度关节的关节输出刚度计算的几何关系图；

图6为应用本发明的变刚度关节的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

结合图1-图3说明，本实施方式的一种基于几何特性的变刚度机构包括输出杆1、刚调内齿圈2、支点齿轮3、支点架4、支点杆7、中间杆10、弹簧11、轴套13和两个滑块12；

所述中间杆10的两端各安装有一个所述滑块12，位于两个所述滑块12之间的所述中间杆10上套装有弹簧11，滑块12和中间杆10之间套有轴套13，轴套13通过安装在所述滑块12上的轴承端盖14轴向定位；

刚调主轴20的上端安装有所述支点齿轮3，所述支点齿轮3与所述刚调内齿圈2啮合，所述支点齿轮3布置在所述支点架4的下方且二者可拆卸连接，所述支点杆7的一端与所述支点架4转动连接，所述支点杆7的另一端通过轴承安装在两个所述滑块12中的其中一个滑块12上，所述输出杆1布置在中间杆10的上方，所述输出杆1的一端通过轴承安装在两个所述滑块12中的另一个滑块12上，所述输出杆1的另一端安装有输出轴21，邻近所述支点杆7的另一端的所述中间杆10的端部转动安装在所述刚调内齿圈2上。

结合图1和图6说明，中间杆10的主体为柱状结构，一端加工出平台并钻孔用于组成转动副，另一端则依次穿过一个滑块12、弹簧11后由另一个滑块12穿出。同时，为了润滑，滑块12和中间杆10之间套有轴套13，并分别由滑块12的轴肩和轴承端盖14完成两侧定位，轴承端盖14通过紧定螺钉15固定在滑块12上。中间杆10上套有一深沟球轴承18，安装在镶嵌件上9，镶嵌件9为一柱状钢件，下端与所述刚调内齿圈2连接，为加强定位；滑块12的凸出部12-1套入一个深沟球轴承18，与支点杆7构成转动副，深沟球轴承18的定位由钢丝挡圈19、轴承盖8和各自轴肩完成，轴承盖8则用圆柱头螺钉17固定在支点杆7上。支点杆7与支点架4以上述相同方式构成转动副，支点架4通过螺钉安装在支点齿轮3上。刚调内齿圈2和支点齿轮3为一对内啮合传动的齿轮，以提高传动效率，所述支点齿轮103与所述刚调内齿圈102的齿数比为1:2，且支点齿轮103与刚调传动机构K连接，刚调内齿圈102与对应的主传动机构H相连接，实现支点齿轮103和刚调内齿圈102的联动，滑块12与输出杆1以上述相同方式构成转动副，完成力矩的输出。

优选地，弹簧11为矩形弹簧。如此设置，保证了刚度的调节。

参见图1说明，为了提高传动效率和使用方便，基于几何特性的变刚度机构还包括支撑件6，所述支撑件6安装在所述刚调齿圈2上，邻近所述支点杆7的另一端的所述中间杆10的端部转动安装在所述支撑件6上。如此设置，中间杆11套有一深沟球轴承，安装在镶嵌件上9，镶嵌件9为一柱状钢件，下端铣出一段螺纹，拧入支撑件6的螺纹孔中，为加强定位，支撑件6螺纹处钻一沉孔，同镶嵌件9中间柱体配合；支撑件6的下端具有伸出两端的凸台，通过螺钉与刚调内齿圈2固定。

参见图1和图2说明，为了提高连接的可靠性，滑块12的外侧壁上加工有凸出部12-1，所述支点杆7的一端通过深沟球轴承18与所述支点架4连接，所述凸出部12-1上套装有深沟球轴承18，所述支点杆7的另一端通过深沟球轴承18与两个所述滑块12中的其中一个滑块12连接，所述输出杆1的一端通过深沟球轴承18与两个所述滑块12中的另一个滑块12连接。如此设置，双滑块及凸出部结构，支点杆7与滑块12之间则用深沟球轴承18相连接，解决了传统机构中使用支点和中间杆配合时的间隙和润滑的问题，提升了位置精度。

工作原理

结合图4说明，支点齿轮3(行星轮)获得直线运动的形式，支点齿轮3(行星轮齿轮)运动时，我们假设外侧刚调内齿圈2固定不动，其半径是r₀，支点齿轮3(行星齿轮)半径为r，节点A是支点齿轮3(行星齿轮)上的任意一点，设其初始位置是A₀，此时支点齿轮3和刚调内齿圈2啮合(行星轮同齿圈啮合)；建立坐标系XOY，假设经过t秒A₀运动到A_t位置，支点齿轮3和刚调内齿圈2啮合点为B，为支点齿轮3(行星齿轮)的公转角度，支点齿轮3(行星齿轮)的自转角度为β；η为一辅助角度，在图4中表现为A_tO₁同竖直方向的夹角。

根据齿轮啮合原理有

由此可得即α＝βr/r₀

点A在t时刻的位置A_t的坐标X_t,Y_t分别为：

几何关系可得：

即

公式回带得：

选取刚调内齿圈2和支点齿轮3齿数比为2:1，即r₀＝2r，带入有：

可知此时节点A沿X方向运行，结合图2分析可知，节点A的运动轨迹即为支点架4上与支点杆7连接的凸出支点的运动轨迹，也就是说此时支点架4上凸出支点沿水平方向运动。

结合图5说明输出刚度公式的计算过程：

定义：图5中B点为中间杆10的转动中心；O点为输出杆1的转动中心；A点为支点架4上支点的位置；D点和C点分别为图2中两个滑块12在中间杆10上的位置；L_OC为输出杆1的旋转臂长；L_OB为刚调内齿圈2的中心到中间杆10旋转中心的距离；L_BD和L_BC分别为中间杆10的旋转中心到滑块12左右两侧凸出部分12-1中心的距离；L_AD为支点架3上的支点到滑块12左侧凸出部分12-1中心的距离；L_AB则为支点到中间杆10旋转中心的距离；α为输出杆1的偏转角度，在图5中表现为OC同OA的夹角；θ为中间杆10的偏转角，在图5中表现为BC同BO的夹角。F为中间杆10上的弹簧弹力，Fn和Ft分别为F在中间杆10垂直和水平方向上的分力；矩形弹簧11原长为L₀；矩形弹簧11变形量设为ΔL；矩形弹簧11弹性系数为K；输出杆1的输出力矩为M；关节输出刚度为K_t。由图中几何关系知：

矩形弹簧11压缩产生力：

F＝L_OCsin(α-θ)＝L_OBsinθ

F＝K·ΔL＝K(L₀-L_BC+L_BD)

其中L_BC由正弦定理求得：

L_BC＝L_OCsinα/sinθ

L_BD满足余弦定理：

偏转角α-θ和θ关系由正弦定理求得：

sin(α-θ)＝L_OBsinθ/L_OC

输出杆1的输出力矩和刚度：

M＝K·(L₀-L_BC+L_BD)·sin(α-θ)·L_OC；K_t＝M/θ

如图2说明，本发明工作时矩形弹簧11的两端分别与左侧布置的滑块12的右侧端面和右侧布置的滑块12的左侧端面接触，首先对机构的运动状态进行说明。初始无输入无负载的平衡状态下，机构不受力，中间杆10无偏转，矩形弹簧11维持在原长，输出力矩为零。输入和负载作用后，输出杆1偏转，带动中间杆10偏转，矩形弹簧11压缩，用以平衡力矩，机构进入一个新的平衡状态，此时输出杆1以固定转速旋转，输出力矩。若此时撤掉负载和输入，则机构会在力的作用下回到初始平衡状态。

所述变刚度机构按照运动方式的不同，具体可分为两种内容。一种是机构平衡位置的改变，另一种是刚度调节。如图6说明，对于变刚度机构来说，刚调内齿圈2和支点齿轮3分别由两个传动部分控制，他们的运动状态决定了支点架4上支点的运动轨迹，使得两个滑块12产生不同的运动，进而改变矩形弹簧11的压缩量。

单纯的机构平衡位置改变是指机构虽然转动，但弹簧的形变量不发生变化的状态。刚调内齿圈2和支点齿轮3通过一定的控制策略实现同步旋转，也使得上部的中间杆10，支点杆8，滑块12同步旋转，在将旋转运动传递至输出杆1的同时，弹簧11压缩量不变，因而输出刚度不变化，机构只有平衡位置改变。

单纯的刚度调节是指刚调内齿圈2不转动，此时机构的主运动停止，支点齿轮3沿着刚调内齿圈2啮合，上述运动学分析已经表明，此时支点架4上的支点沿着直线运动，拉动左侧布置的滑块12向右运动，改变弹簧11形变量，达到调节刚度的目的。结合图5说明刚度调节的原理，假设某一时刻后，负载转矩可变，且在任何时刻都同输出转矩相同，此时机构保持某一时刻平衡状态不变，那么输出杆1偏转角不变，由于弹簧11压缩量变化，对应图5中弹簧弹力F大小变化，而其他条件不变，可知输出力矩M产生变化，对应的机构刚度M/θ产生变化，刚度调节完成。需要说明的是，机构刚度变化和输出力矩的大小没有直接关系，而且在机构实际运行中也不会出现支点变化而平衡状态不变的情况，此处是为了便于说明才做出上述假设。

实际运行过程中，本发明的机构刚度调节过程和平衡位置改变的过程是可以混合的，即刚度调节过程中若主运动不停止，则机构转动仍在继续，这也是本发明的最终目的。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (5)

1.一种基于几何特性的变刚度机构，其特征在于：它包括输出杆(1)、刚调内齿圈(2)、支点齿轮(3)、支点架(4)、支点杆(7)、中间杆(10)、弹簧(11)、轴套(13)和两个滑块(12)；

所述中间杆(10)的两端各安装有一个所述滑块(12)，位于两个所述滑块(12)之间的所述中间杆(10)上套装有弹簧(11)，滑块(12)和中间杆(10)之间套有轴套(13)，轴套(13)通过安装在所述滑块(12)上的轴承端盖(14)轴向定位；

刚调主轴(20)的上端安装有所述支点齿轮(3)，所述支点齿轮(3)与所述刚调内齿圈(2)啮合，所述支点齿轮(3)布置在所述支点架(4)的下方且二者可拆卸连接，所述支点杆(7)的一端与所述支点架(4)转动连接，所述支点杆(7)的另一端通过轴承安装在两个所述滑块(12)中的其中一个滑块(12)上，所述输出杆(1)布置在中间杆(10)的上方，所述输出杆(1)的一端通过轴承安装在两个所述滑块(12)中的另一个滑块(12)上，所述输出杆(1)的另一端安装有输出轴(21)，邻近所述支点杆(7)的另一端的所述中间杆(10)的端部转动安装在所述刚调内齿圈(2)上。

2.根据权利要求1所述一种基于几何特性的变刚度机构，其特征在于：所述支点齿轮(3)与所述刚调内齿圈(2)的齿数比为1:2。

3.根据权利要求1或2所述一种基于几何特性的变刚度机构，其特征在于：所述弹簧(11)为矩形弹簧。

4.根据权利要求3所述一种基于几何特性的变刚度机构，其特征在于：所述基于几何特性的变刚度机构还包括支撑件(6)，所述支撑件(6)安装在所述刚调齿圈(2)上，邻近所述支点杆(7)的另一端的所述中间杆(10)的端部转动安装在所述支撑件(6)上。

5.根据权利要求1、2或4所述一种基于几何特性的变刚度机构，其特征在于：所述滑块(12)的外侧壁上加工有凸出部(12-1)，所述支点杆(7)的一端通过深沟球轴承(18)与所述支点架(4)连接，所述凸出部(12-1)上套装有深沟球轴承(18)，所述支点杆(7)的另一端通过深沟球轴承(18)与两个所述滑块(12)中的其中一个滑块(12)连接，所述输出杆(1)的一端通过深沟球轴承(18)与两个所述滑块(12)中的另一个滑块(12)连接。