CN107486850B - 一种柔索驱动机器人变刚度弹性关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种柔索驱动机器人变刚度弹性关节，由外壳、轴和外圈组成；轴设置于外壳的回转中心，且与外壳固定，外壳与外圈之间为转动副连接；外圈上安装有弹簧片，弹簧片一端与外圈固定，另一端与轴固定；压缩弹簧固定在轴与滑动块之间；滑动块与弹簧片之间为滑动连接；轴上安装有驱动轮，滑动块上端均设置有滑轮，滑轮与滑动块之间为转动副连接，驱动轮和滑轮之间通过绳索连接；绳索一端固定在轴或外壳上，另一端固定在驱动轮上，驱动轮与滑轮之间构成动滑轮传动。本发明的变刚度机器人弹性关节克服现有结构相对复杂，变刚度特性差等问题，提供一种结构简单，可以实现在机器人关节运动过程中刚度实时可调的机器人变刚度结构。

Description

一种柔索驱动机器人变刚度弹性关节

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种柔索驱动机器人变刚度弹性关节。

背景技术

随着科技的飞速发展，机器人技术在现阶段的应用是非常广泛的，尤其是在工业领域内。目前，随着机器人技术向柔性方面的发展，多台机器人的协同工作，以及机器人与人之间的交互作用等越来越普遍。这种现象的出现，必将对机器人的柔性技术和适应性要求有所提高。这也是现阶段国内外研究的热点。

从机器人的整个组成结构来看，机器人关节是机器人实现各种运动的关键零部件。现有机器人技术应用较多的主要是刚性关节和弹性关节，而弹性关节的刚度一般都是恒定的。针对变刚度机器人关节的应用技术是比较少的。

变刚度机器人弹性关节能够根据任务要求，实时调节关节刚度，从而提高机器人的适应性。变刚度关节驱动器可能的应用领域包括：提升服务机器人人机交互的安全性；在假肢关节中应用可以有效地抵抗外力的冲击，保护关节免遭破坏。变刚度机器人弹性关节能够有效地提高机器人对环境的适应性并扩大机器人的应用领域，具有广泛的应用前景。

研究如何提高机器人的适应性的过程中。通常使用被动柔性和主动力控制来提高机器人的适应性。被动柔性难以进行主动控制，应用面较窄。主动力控制对力传感器的精度、采样频率的带宽和控制算法的实时性要求较高；其安全性难以保证，且鲁棒性较低，能量消耗较大。

国外对于变刚度机器人弹性关节的研究比较多，主要集中在实现结构的变刚度，能量效率的优化，以及控制方法的研究。但从国外所设计很多结构来看，其结构还是存在很多问题，如变刚度机器人关节结构复杂，变刚度特性差，控制复杂，能量消耗大，安全性较低等。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有变刚度机器人弹性关节的结构相对复杂，变刚度特性差，控制繁琐，能量消耗大，安全性较低，提供一种结构简单，可以实现在机器人关节运动过程中刚度实时可调的机器人变刚度结构。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的：

一种柔索驱动机器人变刚度弹性关节，由外壳（1）、轴（5）和外圈（2）组成；其特征在于所述轴（5）设置于外壳（1）的回转中心，并且与外壳（1）之间为固定连接，外壳（1）与外圈（2）之间为转动副连接；所述外圈（2）上径向安装有对称的多个弹簧片（7），每个弹簧片（7）一端与外圈（2）固联，另一端穿过压缩弹簧（3）与轴（5）固联；所述压缩弹簧（3）一端连接在轴（5）上，另一端连接在滑动块（8）上；所述滑动块（8）安装在弹簧片（7）中间部位，随弹簧片（7）对称分布，且与弹簧片（7）之间为滑动连接；所述轴（5）上安装有驱动轮（6），驱动轮（6）上设置有与滑动块（8）数量对应的驱动轮槽，滑动块（8）上端均设置有滑轮（9），滑轮（9）与滑动块（8）之间为转动副连接，且滑轮（9）上设置有滑轮槽，驱动轮槽和滑轮槽之间通过绳索（10）连接；所述绳索（10）一端绕过对应的滑轮槽固定在轴（5）上，另一端绕过驱动轮槽固定在驱动轮（6）上，使得所述驱动轮（6）与滑轮（9）之间构成动滑轮传动；所述固定块（4）固定连接在轴（5）上，且中间设置有滑动块（8）的滑动槽，滑动块（8）可在滑动槽中相对于固定块（4）滑动。

上述方案中，所述滑动块（8）在弹簧片（7）上滑动的有效长度决定了弹簧片（7）的刚度可控范围。

上述方案中，所述压缩弹簧（3）对于滑轮（9）与驱动轮（6）构成的动滑轮传动具有预紧作用，同时对滑动块（8）有回复作用。

上述方案中，所述滑动块（8）内槽两端安装有滚子，在滑动块（8）沿弹簧片（7）滑动的过程中，实现变滑动摩擦为滚动摩擦，有效地减小了能量的损失，减小了驱动电机的起动力矩。

上述方案中，更进一步，所述滑动块（8）外侧两端也安装有滚子，在滑动块（8）沿固定块（4）上的滑动槽滑动的过程中，实现变滑动摩擦为滚动摩擦。

上述方案中，所述弹簧片（3）为多个弹簧薄片的叠加结构，使得变刚度弹性关节的力学性能更好。

本发明所述的一种柔索驱动机器人变刚度弹性关节实现变刚度的工作原理为：所述外壳（1）固定不动，通过外加电机驱动驱动轮（6）转动，当外加电机驱动驱动轮（6）沿顺时针方向转动时，绳索（10）收缩，带动滑动块（8）上的滑轮（9）向轴心一侧运动，从而滑动块（8）沿弹簧片（7）同时向轴心一侧移动，从而改变外圈（2）与滑动块（8）之间弹簧片（7）的有效长度，使弹簧片（7）的有效长度变大，从而使关节的刚度变小。当外加电机驱动驱动轮（6）沿逆时针方向转动时，由于有压缩弹簧（3）的反作用力，滑动块（8）会在滑轮（9）的反向驱动下同时向外侧移动，使弹簧片（7）的有效长度减小，从而使关节刚度变大。

本发明的一种柔索驱动机器人变刚度弹性关节可用在各种机器人弹性关节的系统中，特别是用于刚度可调的机器人弹性关节系统中。其特点在于：

1. 采用驱动轮与滑动块上滑轮之间通过滑轮传动的方式实现滑动块沿弹簧片的相对移动，控制弹簧片的有效工作长度，从而实现该弹性关节结构的刚度可调。弹簧片刚度的调节通过外接电机驱动驱动轮，通过电机的正反转，从而可以控制弹簧片刚度的变化，其操作简便；

2. 本发明提出的一种变刚度机器人弹性关节，克服了原有机器人弹性关节的结构相对复杂，控制方式复杂，以及使用场合有限等缺陷。此结构具有结构相对简单，可以实现关节转动两个方向的抗冲击特性，并且具有关节位置控制与刚度控制相对独立（解耦）的特点；

3. 上述方案中，选用弹簧片，其结构简单，制造加工容易，便于结构自身的更换与维护检查。

附图说明

图1是本发明的示意图。

图2是本发明的外壳示意图。

图3是本发明的外圈示意图。

图4是本发明的压缩弹簧示意图。

图5是本发明的固定块示意图。

图6是本发明的轴示意图。

图7是本发明的驱动轮示意图。

图8是本发明的弹簧片示意图。

图9是本发明的滑动块示意图。

图10是本发明的滑轮示意图。

图11是本发明所述6轴工业机器人实施例示意图。

图12是本发明所述仿生机器人实施例示意图。

图13是本发明所述人体假肢腿部实施例示意图。

附图中，各数字的含义为：1：外壳；2：外圈；3：压缩弹簧；4：固定块；5：轴；6：驱动轮；7：弹簧片；8：滑动块；9：滑轮；10：绳索；11：输入端；12：输出端；13：仿生机器人腿部输入端；14：仿生机器人腿部输出端；15：人体假肢大腿；16：人体假肢小腿。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详述本发明，但本发明不仅限于所述实施例。

实施例一

一种柔索驱动机器人变刚度弹性关节，由外壳1、轴5和外圈2组成；其特征在于所述轴5设置于外壳1的回转中心，并且与外壳1之间为固定连接，外壳1与外圈2之间为转动副连接；所述外圈2上径向安装有对称的多个弹簧片7，每个弹簧片7一端与外圈2固联，另一端穿过压缩弹簧3与轴5固联；所述压缩弹簧3一端连接在轴5上，另一端连接在滑动块8上；所述滑动块8安装在弹簧片7中间部位，随弹簧片7对称分布，且与弹簧片7之间为滑动连接；所述轴5上安装有驱动轮6，驱动轮6上设置有与滑动块8数量对应的驱动轮槽，滑动块8上端均设置有滑轮9，滑轮9与滑动块8之间为转动副连接，且滑轮9上设置有滑轮槽，驱动轮槽和滑轮槽之间通过绳索10连接；所述绳索10一端绕过对应的滑轮槽固定在轴5上，另一端绕过驱动轮槽固定在驱动轮6上，使得所述驱动轮6与滑轮9之间构成动滑轮传动；所述固定块4固定连接在轴5上，且中间设置有滑动块8的滑动槽，滑动块8可在滑动槽中相对于固定块4滑动。

本实施例中，所述驱动轮6与滑轮9之间为滑轮传动，压缩弹簧3实现滑动块8在固定块4之间向远离轴5滑动的过程中的预紧作用。

本实施例实现变刚度的工作原理为：所述外壳1固定不动，通过外加电机驱动驱动轮6转动，当外加电机驱动驱动轮6沿顺时针方向转动时，绳索10收缩，带动滑动块8上的滑轮9向轴心一侧运动，从而滑动块8沿弹簧片7同时向轴心一侧移动，从而改变外圈2与滑动块8之间弹簧片7的有效长度，使弹簧片7的有效长度变大，从而使关节的刚度变小。当外加电机驱动驱动轮6沿逆时针方向转动时，由于有压缩弹簧3的反作用力，滑动块8会在滑轮9的反向驱动下同时向外侧移动，使弹簧片7的有效长度减小，从而使关节刚度变大。

如图11所示，本例的一种柔索驱动机器人变刚度弹性关节安装在6轴工业机器人末端，输入端11与弹性关节的外壳1固定连接，外圈2与输出端12固定连接。在应用过程中，预先根据工况信息设置好本弹性关节的刚度特性，当电机带动输入端11转动时，外负载会对输出端12产生冲击，本例的弹性关节会通过弹簧片7的弹性作用产生缓冲作用，使得外圈2与外壳1之间具有弹性作用，有效地保护了仿生机器人腿部关节，提高其使用寿命。

实施例二

如图12所示，本例的一种柔索驱动机器人变刚度弹性关节安装在六足仿生机器人的腿部关节处，仿生机器人腿部输入端13与弹性关节的外壳1固定连接，外圈2与仿生机器人腿部输出端14固定连接。在应用过程中，预先根据工况信息设置好本弹性关节的刚度特性，在仿生机器人行走的过程中，电机带动仿生机器人腿部输入端13转动时，外负载会对仿生机器人腿部输出端14产生冲击，本例的弹性关节会通过弹簧片7的弹性作用产生缓冲作用，使得外圈2与外壳1之间具有弹性作用，有效地保护了仿生机器人腿部关节，提高其使用寿命。

实施例三

如图13所示，本例的一种柔索驱动机器人变刚度弹性关节安装在人体假肢腿部关节处，人体假肢大腿到小腿之间的关节处安装有弹性关节，驱动小腿的输入端与弹性关节的外壳1固定连接，外圈2与假肢小腿16固定连接，在应用过程中，预先根据工况信息设置好本弹性关节的刚度特性，在假肢行走的过程中，电机带动假肢小腿16输入端转动时，外负载会对假肢小腿16产生冲击，本例的弹性关节会通过弹簧片7的弹性作用产生缓冲作用，使得外圈2与外壳1之间具有弹性作用，有效地保护了假肢腿部关节，提高其使用寿命。

实施例四

本例的一种变刚度机器人弹性关节滑动块8内槽与外侧两端均安装有滚子，在滑动块8沿簧片7滑动的过程中，实现变滑动摩擦为滚动摩擦，有效地减小了能量的损失，减小了驱动电机的起动力矩，其余同实施例一。

实施例五

本例的一种变刚度机器人弹性关节弹簧片7如图8所示，弹簧片的材料是常用的弹簧钢材料，其余同实施例四。

实施例六

本例的一种变刚度机器人弹性关节弹簧片7如图8所示，弹簧片是多个薄片的叠加形式，其余同实施例五。

实施例七

本例的一种变刚度机器人弹性关节弹簧片7如图8所示，弹簧片的截面形状是可变的，其余同实施例五。

弹簧片7的截面形状的设计，影响其刚度特性，可以根据机器人弹性关节的适用场合来设计弹簧片截面形状，以满足弹性关节所需刚度特性曲线，使弹性关节适应不同的工作环境，延长其使用寿命，提高其使用性能。

Claims (4)

1.一种柔索驱动机器人变刚度弹性关节，由外壳（1）、轴（5）和外圈（2）组成；其特征在于所述轴（5）设置于外壳（1）的回转中心，并且与外壳（1）之间为固定连接，外壳（1）与外圈（2）之间为转动副连接；所述外圈（2）上径向安装有对称的多个弹簧片（7），每个弹簧片（7）一端与外圈（2）固联，另一端穿过压缩弹簧（3）与轴（5）固联；所述压缩弹簧（3）一端连接在轴（5）上，另一端连接在滑动块（8）上；所述滑动块（8）安装在弹簧片（7）中间部位，随弹簧片（7）对称分布，且与弹簧片（7）之间为滑动连接；所述轴（5）上安装有驱动轮（6），驱动轮（6）上设置有与滑动块（8）数量对应的驱动轮槽，滑动块（8）上端均设置有滑轮（9），滑轮（9）与滑动块（8）之间为转动副连接，且滑轮（9）上设置有滑轮槽，驱动轮槽和滑轮槽之间通过绳索（10）连接；所述绳索（10）一端绕过对应的滑轮槽固定在轴（5）上，另一端绕过驱动轮槽固定在驱动轮（6）上，使得所述驱动轮（6）与滑轮（9）之间构成动滑轮传动；所述固定块（4）固定连接在轴（5）上，且中间设置有滑动块（8）的滑动槽，滑动块（8）可在滑动槽中相对于固定块（4）滑动。

2.如权利要求1所述的一种柔索驱动机器人变刚度弹性关节，其特征在于：所述滑动块（8）内槽两端安装有滚子，在滑动块（8）沿弹簧片（7）滑动的过程中，实现变滑动摩擦为滚动摩擦。

3.如权利要求1所述的一种柔索驱动机器人变刚度弹性关节，其特征在于：所述滑动块（8）外侧两端也安装有滚子，在滑动块（8）沿固定块（4）上的滑动槽滑动的过程中，实现变滑动摩擦为滚动摩擦。

4.如权利要求1所述的一种柔索驱动机器人变刚度弹性关节，其特征在于：所述弹簧片（7 ）为多个弹簧薄片的叠加结构。

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