CN107234632B - 一种基于差动轮系的节能变刚度弹性关节 - Google Patents

Abstract

一种基于差动轮系的节能变刚度弹性关节，它涉及一种变刚度关节，以解决现有变刚度关节体积大，控制复杂，变刚度范围小以及由于调刚过程中克服弹簧阻力做功而引起的耗能多的问题，它包括外壳、杠杆机构、差动轮系、输入轮系一和输入轮系二；杠杆机构包括输出杆、杠杆臂、杠杆支点柱和弹簧；差动轮系包括差动行星架、差动行星轮和差动太阳轮；差动轮系布置在输入轮系一上，输入轮系一布置在输入轮系二上，差动行星轮与差动太阳轮内啮合；行星架一与齿轮系一连接，行星架一安装在调刚电机输出轴上。本发明用于制作机器人关节。

Description

一种基于差动轮系的节能变刚度弹性关节

技术领域

本发明涉及一种变刚度关节，具体涉及一种基于差动轮系的节能变刚度弹性关节。属于机器人领域。

背景技术

传统工业机器人主要应用于结构化的环境之中，工作模式相对固定，一般都具有较高的刚性，这样不仅能够保证执行机构的精确定位和运动轨迹的精确跟踪，而且能够高效率地执行重复性工作。

随着机器人产业的迅猛发展，机器人应用领域不断扩大，对其各方面性能提出了新的要求。从仿生学角度考虑，人的肌肉骨骼系统在受到外力时，可以根据其变形情况对自身刚性迅速做出调整，以此来适应不同的工作环境。因此，研究具有跟人体肌肉骨骼系统具有类似变刚度功能的关节，对于改善机器人性能尤其是在人机交互中的安全性以及对未知环境的适应性方面有着十分重要的意义。

变刚度关节一般是通过加入弹性元件来实现刚度的变化，这种关节能够实现刚度与平衡位置的独立控制。根据刚度和位置的控制方式，变刚度关节又分为串联结构和并联结构：在串联结构中，使用两个电机分别控制刚度与平衡位置，两者运动是独立解耦的；在并联结构中，刚度与平衡位置的调控通过两个电机共同协作完成，两者运动是耦合的。

但是目前国内外的变刚度关节或多或少存在一些问题，例如体积较大，变刚度范围小，调刚过程耗能多，控制复杂等等，尤其是在对于空间大小有很高要求的场合里，变刚度关节的应用受到了很大的限制。

发明内容

本发明内容是为解决现有变刚度关节体积大，控制复杂，变刚度范围小以及由于调刚过程中克服弹簧阻力做功而引起的耗能多的问题，进而提供一种基于差动轮系的节能变刚度弹性关节。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是

一种基于差动轮系的节能变刚度弹性关节，它包括外壳、杠杆机构、差动轮系、输入轮系一和输入轮系二；

杠杆机构包括输出杆、杠杆臂、杠杆支点柱和弹簧；

差动轮系包括差动行星架、差动行星轮和差动太阳轮；

输入轮系一包括内齿圈一、行星架一和齿轮系一；

输入轮系二包括内齿圈二和齿轮系二；

输出杆的一端与杠杆臂的一端转动连接，输出杆的另一端为轴端，轴端与外壳转动连接，杠杆臂的另一端与弹簧的一端连接，杠杆支点柱安装在差动行星轮的边缘上，且杠杆支点柱布置在杠杆臂上沿其长度方向开设的凹槽内，弹簧的另一端连接在差动太阳轮上；

差动轮系布置在输入轮系一上，输入轮系一布置在输入轮系二上，差动行星轮与差动太阳轮内啮合，差动行星轮安装在差动行星架上，且差动行星轮能相对差动行星架自转，差动行星架安装在内齿圈一上，差动太阳轮安装在内齿圈二上；

主动电机输出轴套在调刚电机输出轴上且二者能相对转动，主动电机输出轴能带动齿轮系一和齿轮系二运转，行星架一与齿轮系一连接，行星架一安装在调刚电机输出轴上，齿轮系二能带动内齿圈二转动，齿轮系一能带动内齿圈一转动。

进一步地，齿轮系二包括太阳轮二、行星架二和至少三个行星轮二；太阳轮二安装在主电机输出轴上，太阳轮二与内齿圈二之间布置有二者啮合的均布设置的至少三个行星轮二，至少三个行星轮二通过轴承转动安装在行星架二上，行星架二固装在外壳上。

进一步地，齿轮系一包括基座、太阳轮一和至少三个行星轮一；基座安装在行星架二上，太阳轮一安装在主电机输出轴上，太阳轮一与内齿圈一之间布置有与二者啮合的均布设置的至少三个行星轮一，至少三个行星轮一通过轴承转动安装在行星架一上。

进一步地，差动行星轮的直径是差动太阳轮直径的一半。

本发明的有益效果是：通过调刚电机与主电机的配合运动，调刚过程弹簧总长度基本保持不变，能耗大大减少，加快了调刚速度，降低了对调刚电机的要求；采用齿轮传动，相比于其它滚珠丝杠、齿轮齿条等传动方式，具有结构紧凑，体积小的特点，可以应用于空间狭小的场合里；通过差动轮系机构改变杠杆臂支点的位置，当支点位于弹簧端点处时，输出刚度为0，当支点位于输出轴与杠杆臂连接点处时，输出刚度接近∞N·m/rad，实现了大范围的刚度调整；采用串联结构，主电机与调刚电机分别控制平衡位置与刚度，控制简单，稳定性高。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为图1的剖视图；

图3为去掉外壳后的整体结构示意图；

图4为去掉外壳和杠杆臂后的整体结构示意图；

图5为输入轮系一的整体结构示意图；

图6为输入轮系二的整体结构示意图；

图7为未调刚时的初始状态示意图；

图8为初始调刚过程示意图；

图9为优化调刚过程示意图。

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。

参见图1-图6说明，一种基于差动轮系的节能变刚度弹性关节包括外壳A、杠杆机构B、差动轮系C、输入轮系一D和输入轮系二E；

杠杆机构B包括输出杆B1、杠杆臂B2、杠杆支点柱B3和弹簧B4；

差动轮系C包括差动行星架C1、差动行星轮C2和差动太阳轮C3；

输入轮系一D包括内齿圈一D1、行星架一D4和齿轮系一H；

输入轮系二E包括内齿圈二E1和齿轮系二K；

输出杆B1的一端与杠杆臂B2的一端转动连接，输出杆B1的另一端为轴端，轴端与外壳A转动连接，杠杆臂B2的另一端与弹簧B4的一端连接，杠杆支点柱B3安装在差动行星轮C2的边缘上，且杠杆支点柱B3布置在杠杆臂B2上沿其长度方向开设的凹槽内，弹簧B4的另一端连接在差动太阳轮C3上；

差动轮系C布置在输入轮系一D上，输入轮系一D布置在输入轮系二E上，差动行星轮C2与差动太阳轮C3内啮合，差动行星轮C2安装在差动行星架C1上，且差动行星轮C2能相对差动行星架C1自转，差动行星架C1安装在内齿圈一D1上，差动太阳轮C3安装在内齿圈二E1上；

主动电机输出轴G套在调刚电机输出轴F上且二者能相对转动，主动电机输出轴G能带动齿轮系一H和齿轮系二K运转，行星架一D4与齿轮系一H连接，行星架一D4安装在调刚电机输出轴F上，齿轮系二K能带动内齿圈二E1转动，齿轮系一H能带动内齿圈一D1转动。

内齿圈一D1作为差动轮系C中差动行星架C1的输入，两者通过销轴连接，使得差动行星架C1能够跟随内齿圈一D1转动。

内齿圈二E1作为差动轮系C中差动太阳轮C3的输入，两者通过螺钉固连，使得差动太阳轮C3能够跟随内齿圈二E1转动。

差动行星轮C2与差动行星架C1通过轴承连接，差动行星架C1与差动太阳轮C3均可绕中心转动，三者构成一个差动轮系。杠杠支点柱B3固定在差动行星轮C2上，差动行星轮C2直径为差动太阳轮C3直径的一半，这样使得当行星架C1相对于太阳轮C3转动时，杠杆支点柱B3相对于太阳轮做直线运动。这样提高了传动效率，保证结构紧凑，减少占用体积。差动太阳轮C3转速与差动行星轮C2的公转转速(即行星架的转速)相同时，杠杆支点柱B3相对于差动太阳轮C3静止，在杠杆臂B2上的位置也保持不变，此时刚度不变，关节的平衡位置随着差动太阳轮C3的转动而变化。当差动太阳轮C3转速与差动行星架C1转速不同时，杠杆支点柱B3相对于差动太阳轮C3做直线运动，从而改变杠杆支点柱B3在杠杆臂B2上的位置，此时刚度随着两者相对运动而变化，平衡位置随着差动太阳轮C3的转动而变化。总而言之，差动行星架C1与差动太阳轮C3的相对运动控制刚度的变化，两者的共同运动控制平衡位置的变化。

齿轮系二K包括太阳轮二E3、行星架二E4和至少三个行星轮二E2；太阳轮二E3安装在主电机输出轴G上，太阳轮二E3与内齿圈二E1之间布置有二者啮合的均布设置的至少三个行星轮二E2，至少三个行星轮二E2通过轴承转动安装在行星架二E4上，行星架二E4固装在外壳A上。齿轮系一H包括基座D2、太阳轮一D5和至少三个行星轮一D3；基座D2安装在行星架二E4上，太阳轮一D5安装在主电机输出轴G上，太阳轮一D5与内齿圈一D1之间布置有与二者啮合的均布设置的至少三个行星轮一D3，至少三个行星轮一D3通过轴承转动安装在行星架一D4上。基座D2与行星架二E4通过螺钉固连，主要起轴向支撑作用。

主电机输出轴G与太阳轮一D5通过键连接，利用主电机驱动太阳轮一D5，太阳轮一D5与3个行星轮一D3外啮合，然后行星轮一D3又与内齿圈一D1啮合。行星轮一D3通过轴承与行星架一D4上伸出的3个轴连接，使得行星架一D4控制行星轮一D3的周转运动，却又不影响行星轮一D3的自转运动，他们也组成一个差动轮系。行星架二D4与调刚电机输出轴F固连，利用调刚电机驱动行星架二D4的转动。调刚电机输出轴F与主电机输出轴G之间装有轴承，两者运动互不影响。主电机输出轴G与太阳轮二E3通过键连接，利用主电机驱动太阳轮二E3，太阳轮二E3与3个行星轮二E2啮合，行星轮二E2又与内齿圈二E1内啮合。行星轮二E2通过轴承与行星架二E4上伸出的3个轴连接，行星架二E4固定不动，使得行星轮二E2不能进行周转运动，但是自转运动不受行星架E4影响。

参见图5和图6说明，为了进一步减少体积，提高运行效率。优选地，行星轮二E2和行星轮一D3的数量均为3个。

工作原理：参见图1-图9说明，

本发明从能耗的角度做出优化，提出了一种新型的刚度调节理论，能够有效解决变刚度关节能耗大的问题。从能量守恒的角度考虑，不计摩擦的情况下，电机总体的输入能量等于变刚度关节输出能量再加上弹簧储存的弹性势能。在以往的变刚度关节中，调刚耗能大，对调刚电机要求高，主要是由于很大部分用于克服弹簧阻力做功，转化为了弹性势能。在本发明中，调节刚度时，通过调刚电机与主电机的配合运动，能够使弹簧总长度基本保持不变，即弹簧中储存能量基本不变，这样使得两个电机的输出能量大大减少。

变刚度的基本原理采用杠杆原理：通过改变杠杆臂中支点的移动来改变杠杆比，从而使得输出刚度得到改变。其中，支点的移动是通过差动轮系来实现的，该差动轮系由一个差动行星轮C2、差动行星架C1和一个差动太阳轮C3组成，差动太阳轮C3直径是差动行星轮C2的两倍，两者内啮合，支点固定在差动行星轮C2上，当差动行星架C1带着差动行星轮C2相对于差动太阳轮C3进行公转时，杠杆支点柱B3就会相对于差动太阳轮C3做直线运动。

齿轮系二K中与行星轮二E2外啮合的太阳轮二E3作为输入，由主电机驱动，行星架二E4固定，与行星轮二E2内啮合的内齿圈二E1作为输出，用于驱动轮系中的差动太阳轮C3。

齿轮系一H有两个输入，与行星轮一D3外啮合的太阳轮一D5和行星架一D4，分别由主电机与调刚电机驱动，与行星轮一D3内啮合的内齿圈一D1作为输出，用于驱动差动轮系C中差动行星架C1。同时，输入轮系二与输入轮系一的传动比相同，也就是两者中各对应齿轮的分度圆直径均成相同的比列关系，即

所以当调刚电机静止时，二者输出转速相同，即差动轮系C中的差动行星架C1和差动太阳轮C3转速相同，刚度不变；当调刚电机转动时，由于行星架一D4引起行星轮一D3的周转，二者输出转速不同，即差动轮系C中的差动行星架C1和差动太阳轮C3发生相对转动，刚度改变。

根据上述原理，本发明通过一个调刚电机控制差动行星轮C2相对于差动太阳轮C3的公转速度，即进行刚度的调节，另一个主电机控制差动太阳轮C3与差动行星轮C2的相同转速，即进行平衡位置的调节，两者是独立解耦的。

在一定刚度下，即支点运动到某一确定位置后，调刚电机保持静止，主电机运动，此时图3中的差动太阳轮C3与杠杆支点柱B3以相同转速运动，然后通过杠杆臂B2来带动输出杆B1也同时转动。当输出杆B1受到外力矩作用时，对应的弹簧B4会产生压缩和伸长，然后弹簧力通过杠杆最后传递到输出杆B1上，以此来平衡外力矩。由于弹簧的形变引起杠杆臂绕支点转动，最后导致输出杆B1转过的角度就是当前外力矩下引起的变刚度关节的角变形。

参见图8说明，在输出轴转过角度一定情况下，进行刚度调节时，原始的调节方式会导致杠杆臂B2跟随杠杆支点柱B3移动，从而使得调节过程中弹簧B4长度发生变化，储存的弹性势能增加，电机耗能增加。

参见图9说明，本发明的优化调刚过程中，在调刚电机转动时，主电机配合转动，使得在杠杆支点柱B3的移动过程中差动太阳轮C3和杠杆支点柱B3也跟着转动，从而可以使得固定弹簧B4的两个端点基本保持相对静止状态(会在沿杠杆臂方向有微小位移，可以忽略不计)，那么此时调刚过程中弹簧总体长度基本不变，两个电机耗能会大大减小。

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)

1.一种基于差动轮系的节能变刚度弹性关节，其特征在于：它包括外壳(A)、杠杆机构(B)、差动轮系(C)、输入轮系一(D)和输入轮系二(E)；

杠杆机构(B)包括输出杆(B1)、杠杆臂(B2)、杠杆支点柱(B3)和弹簧(B4)；

差动轮系(C)包括差动行星架(C1)、差动行星轮(C2)和差动太阳轮(C3)；

输入轮系一(D)包括内齿圈一(D1)、行星架一(D4)和齿轮系一(H)；输入轮系二(E)包括内齿圈二(E1)和齿轮系二(K)；输出杆(B1)的一端与杠杆臂(B2)的一端转动连接，输出杆(B1)的另一端为轴端，轴端与外壳(A)转动连接，杠杆臂(B2)的另一端与弹簧(B4)的一端连接，杠杆支点柱(B3)安装在差动行星轮(C2)的边缘上，且杠杆支点柱(B3)布置在杠杆臂(B2)上沿其长度方向开设的凹槽内，弹簧(B4)的另一端连接在差动太阳轮(C3)上；差动轮系(C)布置在输入轮系一(D)上，输入轮系一(D)布置在输入轮系二(E)上，差动行星轮(C2)与差动太阳轮(C3)内啮合，差动行星轮(C2)安装在差动行星架(C1)上，且差动行星轮(C2)能相对差动行星架(C1)自转，差动行星架(C1)安装在内齿圈一(D1)上，差动太阳轮(C3)安装在内齿圈二(E1)上；

主动电机输出轴(G)套在调刚电机输出轴(F)上且二者能相对转动，主动电机输出轴(G)能带动齿轮系一(H)和齿轮系二(K)运转，行星架一(D4)与齿轮系一(H)连接，行星架一(D4)安装在调刚电机输出轴(F)上，齿轮系二(K)能带动内齿圈二(E1)转动，齿轮系一(H)能带动内齿圈一(D1)转动。

2.根据权利要求1所述一种基于差动轮系的节能变刚度弹性关节，其特征在于：齿轮系二(K)包括太阳轮二(E3)、行星架二(E4)和至少三个行星轮二(E2)；太阳轮二(E3)安装在主电机输出轴(G)上，太阳轮二(E3)与内齿圈二(E1)之间布置有二者啮合的均布设置的至少三个行星轮二(E2)，至少三个行星轮二(E2)通过轴承转动安装在行星架二(E4)上，行星架二(E4)固装在外壳(A)上。

3.根据权利要求2所述一种基于差动轮系的节能变刚度弹性关节，其特征在于：齿轮系一(H)包括基座(D2)、太阳轮一(D5)和至少三个行星轮一(D3)；

基座(D2)安装在行星架二(E4)上，太阳轮一(D5)安装在主电机输出轴(G)上，太阳轮一(D5)与内齿圈一(D1)之间布置有与二者啮合的均布设置的至少三个行星轮一(D3)，至少三个行星轮一(D3)通过轴承转动安装在行星架一(D4)上。

4.根据权利要求3所述一种基于差动轮系的节能变刚度弹性关节，其特征在于：差动行星轮(C2)的直径是差动太阳轮(C3)直径的一半。

5.根据权利要求4所述一种基于差动轮系的节能变刚度弹性关节，其特征在于：行星轮二(E2)和行星轮一(D3)的数量均为3个。

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