CN107738268A - 一种基于杠杆机构的可变刚度柔性关节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于杠杆机构的可变刚度柔性关节，关节驱动端包括关节支架、谐波减速器和安装有编码器的关节驱动电机；所述关节支架为U形结构部件，关节支架左端连接谐波减速器和关节驱动电机，右端外侧连接输出端编码器，谐波减速器的输入端与关节驱动电机的输出轴固定连接，谐波减速器的输出端与所述刚度调节机构相连接，所述关节驱动电机位于关节支架的外侧，谐波减速器位于关节支架的内侧，谐波减速器和关节驱动电机同轴固定于关节支架上。该关节结构紧凑、集成度高、定位精度高、刚度可大幅连续线性精确调节、具备多种刚度调节模式、且易于控制。

Description

一种基于杠杆机构的可变刚度柔性关节

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体为一种基于杠杆机构的可变刚度柔性关节。

背景技术

目前，以“结构简单、体积紧凑、定位精准、响应及时”为突出特点的刚性关节广泛应用于机器人领域，大幅提高了工业生产的自动化水平与生产效率。随着现代工业技术的高速发展，人机协作日益密切，与此同时，以仿生机器人为典型代表的特种机器人发展迅猛，传统的刚性关节因不能根据外部环境与自身负载的变化动态调整关节刚度，缺乏主/被动柔性环节，难以满足人机协作的安全性需求和实现机器人关节能量的积蓄与回收。因此，具有可变刚度特性的柔性关节已成为机器人研究领域的热点。为实现机器人关节刚度的调整，使关节具备仿生柔性，机器人学者往往在传统的刚性关节中串联柔性驱动或柔性元件。然而，伴随着柔性部件的引入，柔性关节普遍存在结构控制复杂、定位精度欠佳、刚度调节不便等诸多问题。因此，对柔性关节的结构设计与控制方法提出了更高的要求。

为满足柔性关节结构紧凑、控制便捷的需求，实现柔性关节的高精确定位与刚度的动态调节，国内外研发了多款可变刚度的柔性关节，如专利文献“一种可变刚度的机器人关节(CN104440936A)”公开了一种可变刚度的机器人关节，通过调整安装于该关节内部的主、副摩擦片间的摩擦力实现关节刚度的调节，但主、副摩擦片易于磨损且其间存在相对滑动，以致该关节需定期维护，定位精度较低，难以实现刚度的精确调节；专利文献“一种基于弹簧片的刚度连续可调的机器人柔性关节(CN106514700A)”涉及一种刚度可调的柔性关节，该关节通过调节关节内部用于产生柔性的弹簧片弯曲变形的有效长度实现关节刚度的调整，由于该关节采用丝杠螺母结构调整弹簧片工作位置，结构相对复杂且安装空间较大，同时，考虑弹簧片自身刚度与变形长度间存在非线性关系，以致难以实现关节刚度的精确线性调节；专利文献“刚度可调的柔性关节驱动机构(CN104985608A)”公开了一种刚度可调的柔性关节结构，该关节设置有弹簧连接的两斜曲面盘，利用随关节输出端同步运动的滚轮在两斜曲面盘间的滚动产生关节柔性，该关节虽结构紧凑、刚度精确可调，但对关节刚度调整结构的结构强度以及调整力矩要求较高，且难以实现对关节平衡位置刚度的有效调节。

综上所述，现有柔性关节虽能初步实现关节刚度的有效调整，但普遍存在结构控制复杂、定位精度不高、刚度调节方式单一且调整范围局限等诸多不足。因此，亟需研发一种结构紧凑、集成度高、定位精度高、刚度可大幅连续线性精确调节、具备多种刚度调节模式、且易于控制的可变刚度柔性关节。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种结构紧凑、集成度高、定位精度高、刚度可大幅连续线性精确调节、具备多种刚度调节模式、且易于控制的可变刚度的柔性关节。

本发明解决所述技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于杠杆机构的可变刚度柔性关节，包括用于提供驱动关节运动所需动力的关节驱动端、刚度调节机构和用于带动关节负载运动的关节输出端；所述刚度调节机构两端分别与关节驱动端和关节输出端刚性连接，所述关节输出端与关节负载相连接，且关节输出端安装有输出编码器；其特征在于：

所述关节驱动端包括关节支架、谐波减速器和安装有编码器的关节驱动电机；所述关节支架为U形结构部件，关节支架左端连接谐波减速器和关节驱动电机，右端外侧连接输出端编码器，谐波减速器的输入端与关节驱动电机的输出轴固定连接，谐波减速器的输出端与所述刚度调节机构相连接，所述关节驱动电机位于关节支架的外侧，谐波减速器位于关节支架的内侧，谐波减速器和关节驱动电机同轴固定于关节支架上；关节支架的下端连接基座或其它关节；

所述刚度调节机构包括关节底盘、刚度调节盘、刚度调节电机、弹簧座、弹簧、滑块、滑杆和销轴；所述关节底盘为一圆盘形结构部件，关节底盘一端与谐波减速器的输出端法兰固定连接，另一端与刚度调节电机的定子端安装法兰相配合连接，关节底盘和刚度调节电机同轴固定于谐波减速器的输出端，实现关节底盘和刚度调节电机随谐波减速器输出端的同步转动；所述关节底盘中心处设置有一个圆台，以圆台为中心，向关节底盘的边缘均匀分布有三个径向滑道；圆台端面中心与弹簧座的内侧中心通过螺钉连接使弹簧座与关节底盘同轴固定，实现弹簧座随谐波减速器输出端的同步转动；

所述刚度调节盘为一圆盘形结构部件，刚度调节盘中心配置有一圆柱形凹槽，圆柱形凹槽底面配置有与刚度调节电机转子端安装法兰相配合的连接法兰，通过螺钉连接将刚度调节盘同轴固定于刚度调节电机，刚度调节盘的盘面均匀布置三条曲线滑道，曲线滑道的曲率变化满足关节刚度的线性调节；所述刚度调节电机具备位置伺服功能，安装于关节底盘的圆台和刚度调节盘的圆柱形凹槽之间，刚度调节电机定子端套于关节底盘圆台之上并同轴固定于关节底盘，刚度调节电机转子端嵌于刚度调节盘圆柱形凹槽之内与刚度调节盘同轴连接，刚度调节电机用于驱动刚度调节盘使之与关节底盘发生相对运动，使销轴在刚度调节盘的曲线滑道的限制作用下沿关节底盘滑道移动，在刚度调节电机位置伺服模式下实现销轴在关节底盘滑道内位置的精确调整；

所述弹簧座为一圆盘形结构部件，弹簧座周向边缘均匀布置三个凸台，相邻两凸台之间固定安装有圆柱形滑轨，使三个圆柱形滑轨分别位于以弹簧座中心为形心的正三角形的三个边上；在每个圆柱形滑轨的中部嵌套安装有滑块，所述弹簧嵌套于圆柱形滑轨上，且每个圆柱形滑轨布置两个弹簧，弹簧的两端分别与滑块的侧面和相邻的凸台侧面完全接触；滑块与圆柱形滑轨构成一移动副，通过改变弹簧压缩量调节关节刚度，实现关节的主被动柔性；所述滑块的上表面设有T形凸台；所述滑杆为上下端面均开有T形凹槽的杆状部件，下端的T形凹槽与滑块的T形凸台相配合，滑杆的下端远离弹簧座中心的一端设置有圆柱体；所述销轴为一T形轴类部件，销轴的大端与滑杆上端的T形凹槽相配合，销轴的小端依次穿过刚度调节盘的曲线滑道和关节底盘的径向滑道，销轴的小端端面设置螺纹孔，通过垫片及螺钉实现销轴与滑杆、刚度调节盘和关节底盘之间的固定；滑杆与销轴、滑块构成两个移动副，销轴与曲线滑道、径向滑道构成两个移动副，曲线滑道用于调节销轴位置，径向滑道用于实现销轴沿滑道的移动；所述滑杆上的圆柱体与关节输出端固定连接；上述关节底盘、刚度调节盘、滑块、滑杆和销轴构成一杠杆机构；

所述关节输出端包括输出壳体，输出壳体与关节支架通过轴承固定，且谐波减速器及刚度调节机构均位于输出壳体内，滑杆上的圆柱体与输出壳体构成一转动副。

与现有技术相比，本发明可调刚度的柔性关节的有益效果是：

(1)本发明可变刚度的柔性关节的刚度大幅连续可调，能够实现关节刚度从完全刚性到完全柔性的调整：本发明的柔性关节刚度调节机构中关节底盘、刚度调节盘、滑块、滑杆和销轴构成了一杠杆机构，其中滑块上T形凸台可视为杠杆机构支点，滑杆上的圆柱体可视为杠杆机构阻力作用点，作为杠杆机构中动力作用点的销轴由关节底盘提供动力，销轴在刚度调节盘曲线滑道的作用下可沿滑杆T形凹槽在杠杆机构支点和阻力作用点间任意移动，通过改变动力臂长度，可实现关节刚度从完全刚性到完全柔性的大幅连续调整。

(2)本发明可变刚度的柔性关节采用双编码器的结构形式，大幅提高关节的定位精度：本发明的柔性关节的关节驱动端配置带有编码器的关节驱动电机，可实现关节底盘和销轴的高精度位置控制，同时，关节支架与输出壳体间配置有输出端编码器，用于检测关节输出壳体与关节支架间的相对转角，通过采用双编码器的结构形式，可在实现关节驱动端与关节输出端相对位置检测的同时，利用输出端编码器反馈位置信息构成一全闭环位置伺服系统，大幅提高关节的定位精度。

(3)本发明可变刚度的柔性关节具有多种刚度调节模式，可满足关节主/被动刚度调节需求：本发明的柔性关节可通过刚度调节电机调节刚度调节盘与关节底盘间的相对位置来改变作为杠杆机构中动力作用点的销轴在滑杆上的位置，进而改变动力臂与阻力臂比值来调节关节刚度，此种刚度调节模式尤其适用于柔性关节输出端无负载作用情况下需对关节刚度进行被动调节的情况；此外，本发明的柔性关节还可以通过调节关节驱动端关节驱动电机的电流来控制关节驱动端输出转矩，通过转矩调节控制关节刚度，也可以利用输出端编码器检测关节驱动端与关节输出端间的相对位置，通过调节关节驱动端与关节输出端间的相对位置改变弹簧压缩量，从而改变关节刚度，上述两种刚度调节模式相对适用于关节输出端在有负载作用情况下需对关节刚度进行主动调节的情况。

(4)本发明可变刚度的柔性关节采用滑块与弹簧同轴嵌套于弹簧座圆柱形滑轨的安装方式，便于关节刚度的精确控制：本发明的柔性关节弹簧和滑块均嵌套于弹簧座圆柱形滑轨之上，弹簧两端分别与弹簧座凸台侧面和滑块侧面的平面完全接触，使弹簧与弹簧座凸台侧面和滑块侧面平面均垂直，进而保证滑块运动方向与弹簧受力方向始终保持在一条直线上，使弹簧始终保持正压缩，避免弹簧压缩过程中因弯曲导致弹簧受力方向与弹簧压缩方向产生夹角的问题，减小因力的分解而产生的计算误差，使弹簧压缩量与压力呈现线性关系，从而便于高精度刚度调节模型的建立，进而便于关节刚度的精确控制。

(5)本发明可变刚度的柔性关节可实现关节刚度的线性精确调节：本发明的柔性关节关节刚度调节机构中用于通过改变销轴位置进而调整关节刚度的刚度调节盘采用具有位置伺服功能的中空电机驱动，可实现销轴位置与关节刚度的精确调节，刚度调节盘曲线滑道采用变曲率曲线以满足关节刚度的线性调节，此外，销轴外柱面与关节底盘径向滑道、刚度调节盘曲线滑道以及滑杆T形凹槽表面均相切，由于关节运动过程中刚度调节盘曲线滑道仅承受较小的切向力，因此可大幅降低对刚度调节电机输出转矩的要求。

(6)本发明可变刚度的柔性关节结构简单紧凑，集成度高，运动范围大，通用型强：本发明的柔性关节关节支架和输出壳体均设置用于连接基座、负载和其它关节的通用连接孔，通用性较强，关节各部件采用嵌套安装的方式，使得关节整体结构紧凑，关节驱动端与关节输出端间运动范围较大，关节整体集成度较高。

附图说明

附图1为本发明一种基于杠杆机构的可变刚度柔性关节一种实施例的总体结构剖视图示意图；

附图2为本发明一种基于杠杆机构的可变刚度柔性关节一种实施例的立体结构示意图；

附图3为本发明一种基于杠杆机构的可变刚度柔性关节一种实施例的刚度调节机构结构示意图；

附图4为本发明一种基于杠杆机构的可变刚度柔性关节一种实施例的刚度调节机构结构示意图；

附图5为本发明一种基于杠杆机构的可变刚度柔性关节一种实施例的柔性体调节机构结构示意图；

附图6为本发明一种基于杠杆机构的可变刚度柔性关节一种实施例的输出壳体结构示意图；

附图7为本发明一种基于杠杆机构的可变刚度柔性关节一种实施例的杠杆机构的立体结构示意图；

附图8为本发明一种基于杠杆机构的可变刚度的柔性关节一种实施例的刚度调节盘的结构示意图；

图中，1关节支架、2谐波减速器、3关节驱动电机、4关节底盘、5刚度调节盘、6刚度调节电机、7弹簧座、8弹簧、9滑块、10滑杆、11销轴、12输出壳体、13驱动端轴承、14输出端轴承、15输出端编码器、501圆柱形凹槽、502连接法兰、503曲线滑道、701凸台、702圆柱形滑轨、703弹簧座通孔、901T形凸台、1001圆柱体、1201圆柱形凸台、1202通孔、1203U形支架、1204连接通孔。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图详细叙述本发明。实施例是以本发明所述技术方案为前提进行的具体实施，给出了详细的实施方式和过程。但本发明申请的权利要求保护范围不限于下述的实施例描述。

本发明基于杠杆机构的可变刚度柔性关节(简称柔性关节，参见图1-8)，包括用于提供驱动关节运动所需动力的关节驱动端、刚度调节机构和用于带动关节负载运动的关节输出端；所述刚度调节机构两端分别与关节驱动端和关节输出端刚性连接，所述关节输出端与关节负载相连接，且关节输出端安装有输出编码器；

所述关节驱动端包括关节支架1、谐波减速器2和安装有编码器的关节驱动电机3；所述关节支架1为U形结构部件，关节支架1左端连接谐波减速器2和关节驱动电机3，右端外侧连接输出端编码器，谐波减速器2的输入端与关节驱动电机3的输出轴固定连接，谐波减速器2的输出端与所述刚度调节机构相连接，所述关节驱动电机3位于关节支架的外侧，谐波减速器位于关节支架的内侧，谐波减速器2和关节驱动电机3同轴固定于关节支架1上；关节支架的下端连接基座或其它关节；

所述刚度调节机构包括关节底盘4、刚度调节盘5、刚度调节电机6、弹簧座7、弹簧8、滑块9、滑杆10和销轴11；所述关节底盘4为一圆盘形结构部件，关节底盘4一端与谐波减速器2的输出端法兰固定连接，另一端与刚度调节电机6的定子端安装法兰相配合连接，关节底盘4和刚度调节电机6同轴固定于谐波减速器2的输出端，实现关节底盘4和刚度调节电机6随谐波减速器2输出端的同步转动；所述关节底盘4中心处设置有一个圆台，以圆台为中心，向关节底盘的边缘均匀分布有三个径向滑道；圆台端面中心与弹簧座7的内侧中心通过螺钉连接使弹簧座7与关节底盘4同轴固定，实现弹簧座7随谐波减速器2输出端的同步转动；

所述刚度调节盘5为一圆盘形结构部件，刚度调节盘5中心配置有一圆柱形凹槽501，圆柱形凹槽底面配置有与刚度调节电机6转子端安装法兰相配合的连接法兰502，通过螺钉连接将刚度调节盘5同轴固定于刚度调节电机6，刚度调节盘5的盘面均匀布置三条曲线滑道503，曲线滑道的曲率变化满足关节刚度的线性调节；所述刚度调节电机6具备位置伺服功能，安装于关节底盘4的圆台和刚度调节盘5的圆柱形凹槽之间，刚度调节电机6定子端套于关节底盘4圆台之上并同轴固定于关节底盘4，刚度调节电机6转子端嵌于刚度调节盘5圆柱形凹槽之内与刚度调节盘5同轴连接，刚度调节电机6用于驱动刚度调节盘5使之与关节底盘4发生相对运动，使销轴11在刚度调节盘5的曲线滑道的限制作用下沿关节底盘4滑道移动，在刚度调节电机6位置伺服模式下实现销轴11在关节底盘4滑道内位置的精确调整；

所述弹簧座7为一圆盘形结构部件，弹簧座7周向边缘均匀布置三个凸台701，相邻两凸台之间固定安装有圆柱形滑轨702，使三个圆柱形滑轨分别位于以弹簧座7中心为形心的正三角形的三个边上；在每个圆柱形滑轨的中部嵌套安装有滑块9，所述弹簧8嵌套于圆柱形滑轨上，且每个圆柱形滑轨布置两个弹簧8，弹簧8的两端分别与滑块的侧面和相邻的凸台侧面完全接触；滑块9与圆柱形滑轨构成一移动副，通过改变弹簧8压缩量调节关节刚度，实现关节的主被动柔性；所述滑块9的上表面设有T形凸台901；所述滑杆10为上下端面均开有T形凹槽的杆状部件，下端的T形凹槽与滑块的T形凸台901相配合，滑杆10的下端远离弹簧座中心的一端设置有圆柱体1001；所述销轴11为一T形轴类部件，销轴11的大端与滑杆上端的T形凹槽相配合，销轴11的小端依次穿过刚度调节盘5的曲线滑道和关节底盘4的径向滑道，销轴11的小端端面设置螺纹孔，通过垫片及螺钉实现销轴与滑杆10、刚度调节盘5和关节底盘4之间的固定；滑杆10与销轴11、滑块构成两个移动副，销轴与曲线滑道、径向滑道构成两个移动副，曲线滑道用于调节销轴11位置，径向滑道用于实现销轴11沿滑道的移动；所述滑杆上的圆柱体与关节输出端固定连接；上述关节底盘、刚度调节盘、滑块、滑杆和销轴构成一杠杆机构；

所述关节输出端包括输出壳体，输出壳体与关节支架通过轴承固定，且谐波减速器2及刚度调节机构均位于输出壳体内，滑杆上的圆柱体与输出壳体构成一转动副。

本发明的刚度调节机构中关节底盘、刚度调节盘、滑块、滑杆和销轴构成了一杠杆机构，其中滑块上的T形凸台可视为杠杆机构支点，滑杆上圆柱体可视为杠杆机构阻力作用点，作为杠杆机构中动力作用点的销轴由关节底盘提供动力，销轴的大端在刚度调节盘曲线滑道的作用下可沿滑杆上端的T形凹槽在杠杆机构支点和阻力作用点间任意移动，通过改变动力臂长度，可实现关节刚度从完全刚性到完全柔性的大幅连续调整。

本发明中关节驱动端配置带有编码器的关节驱动电机，可实现关节底盘和销轴的高精度位置控制，同时，关节支架与输出壳体间配置有输出端编码器，用于检测关节输出壳体与关节支架间的相对转角，关节驱动端的编码器与输出端编码器配合，通过利用双编码器计算关节输出壳体与关节支架间的相对转角，调节关节刚度。通过采用双编码器的结构形式，可在实现关节驱动端与关节输出端相对位置检测的同时，利用输出端编码器反馈位置信息构成一全闭环位置伺服系统，大幅提高关节的定位精度。

本发明的进一步特征在于刚度调节机构中用于通过改变销轴位置进而调整关节刚度的刚度调节盘采用具有位置伺服功能的中空电机驱动，更便于嵌套安装，减小结构尺寸，可实现销轴位置与关节刚度的精确调节，刚度调节盘曲线滑道采用变曲率曲线以满足关节刚度的线性调节，此外，销轴外柱面与关节底盘径向滑道、刚度调节盘曲线滑道以及滑杆T形凹槽表面均相切，由于关节运动过程中刚度调节盘曲线滑道仅承受较小的切向力，因此可大幅降低对刚度调节电机输出转矩的要求。

本发明进一步特征在于弹簧和滑块均嵌套于弹簧座的圆柱形滑轨之上，弹簧座上的三个凸台具有两个互相垂直的侧面，弹簧两端分别与弹簧座上凸台的一个侧面和滑块的侧面完全接触，使弹簧与弹簧座凸台侧面和滑块侧面的平面均垂直，进而保证滑块运动方向与弹簧受力方向始终保持在一条直线上，使弹簧始终保持正压缩，避免弹簧压缩过程中因弯曲导致弹簧受力方向与弹簧压缩方向产生夹角的问题，减小因力的分解而产生的计算误差，使弹簧压缩量与压力呈现线性关系，从而便于高精度刚度调节模型的建立，进而便于关节刚度的精确控制。

本发明可变刚度的柔性关节的工作原理和过程是：

关节驱动电机提供关节主驱动转矩，经过谐波减速器将主驱动转矩传递至与谐波减速器固定连接的关节底盘，使关节底盘和弹簧座同步转动，关节底盘通过滑道将动力传递给销轴，刚度调节机构中关节底盘、刚度调节盘、滑块、滑杆和销轴构成了一杠杆机构，其中滑块上T形凸台可视为杠杆机构支点，滑杆上圆柱体可视为杠杆机构阻力作用点，作为杠杆机构中动力作用点的销轴由关节底盘提供动力，最终关节主驱动转矩经杠杆机构将动力传输至与杠杆机构阻力作用点相连接的输出壳体，实现对输出壳体的驱动，此外，针对关节刚度的调节，可采用多种刚度调节模式以满足关节刚度的主被动调节：其一，刚度调节电机带动刚度调节盘转动，使得刚度调节盘与关节底盘发生相对转动，改变刚度调节盘的曲线滑道与关节底盘的径向滑道相交位置，从而带动销轴沿滑杆移动，进而控制作为杠杆机构中动力作用点的销轴在滑杆中的位置，而作为杠杆机构支点的滑块上T形凸台的位置不变，作为杠杆机构阻力作用点的滑杆上圆柱体的位置不变，通过改变支点与弹簧相连接的杠杆机构中动力臂与阻力臂比值来调节关节刚度；其二，调节关节驱动端关节驱动电机的电流来控制关节驱动端输出转矩，通过转矩调节控制关节刚度；其三，利用输出端编码器检测关节驱动端与关节输出端间的相对位置，通过调节关节驱动端与关节输出端间的相对位置改变弹簧压缩量，实现关节刚度的调节。

实施例1

本实施例基于杠杆机构的可变刚度柔性关节，包括关节驱动端、刚度调节机构和关节输出端；所述关节驱动端用于提供驱动关节运动所需的动力；所述关节输出端与关节负载相连接，用于带动关节负载运动；所述刚度调节机构两端分别与关节驱动端和关节输出端刚性连接，用于调节关节驱动端与关节输出端之间连接刚度，将关节驱动端输出动力传递至关节输出端，实现关节的刚度调节与柔性输出。

所述关节驱动端包括关节支架1、谐波减速器2和关节驱动电机3；所述关节支架1为一U形结构部件，关节支架1左端分别设置有与谐波减速器2安装法兰和关节驱动电机3安装法兰相配合的连接法兰，用于通过螺钉连接将谐波减速器2和关节驱动电机3同轴固定于关节支架1；关节支架1右端设置有与输出端编码器15安装法兰相配合的连接法兰，用于通过螺钉连接实现输出端编码器15与关节支架1的刚性连接，关节支架1右端的连接法兰中心开设有一与输出端轴承14外圈相配合的轴承孔，用于输出端轴承14的定位和安装，关节支架1下端平面开设若干连接通孔，用于实现柔性关节与基座或其它关节的固定连接；所述谐波减速器2固定安装于关节支架1上，其中谐波减速器2输入端与关节驱动电机3的输出轴固定连接，谐波减速器2的输出端与所述刚度调节机构相连接；安装有编码器的关节驱动电机3固定安装于关节支架1上，关节驱动电机3的输出轴与谐波减速器2输入端相连接，用于通过谐波减速器2驱动刚度调节机构运动，实现关节的位置伺服控制。

所述刚度调节机构包括关节底盘4、刚度调节盘5、刚度调节电机6、弹簧座7、弹簧8、滑块9、滑杆10和销轴11；所述关节底盘4为一圆盘形结构部件，关节底盘4中心左右端面分别设置有与谐波减速器2输出端法兰和刚度调节电机6定子端安装法兰相配合的连接法兰，用于通过螺钉连接将关节底盘4和刚度调节电机6同轴固定于谐波减速器2的输出端，实现关节底盘4和刚度调节电机6随谐波减速器2输出端的同步转动，关节底盘4中心处设置有一个圆台，圆台端面中心设置有若干与弹簧座7通孔相配合的螺纹孔，用于通过螺钉连接将弹簧座7同轴固定至关节底盘4上，实现弹簧座7随谐波减速器2输出端的同步转动，关节底盘4的盘面均匀布置三个径向滑道，与销轴11配合构成一移动副，实现销轴11沿径向滑道的移动；所述刚度调节盘5为一圆盘形结构部件，刚度调节盘5中心配置有一圆柱形凹槽501，凹槽底面配置有与刚度调节电机6转子端安装法兰相配合的连接法兰502，用于通过螺钉连接将刚度调节盘5同轴固定于刚度调节电机6，刚度调节盘5盘面均匀布置三条曲线滑道503，曲线滑道的曲率变化满足关节刚度的线性调节，曲线滑道与销轴11配合构成一移动副，用于调节销轴11位置；所述刚度调节电机6为一具备位置伺服功能的中空电机，安装于关节底盘4的圆台和刚度调节盘5的圆柱形凹槽之间，其中刚度调节电机6定子端套于关节底盘4圆台之上同轴固定于关节底盘4，刚度调节电机6转子端嵌于刚度调节盘5圆柱形凹槽之内与刚度调节盘5同轴连接，刚度调节电机6用于驱动刚度调节盘5使之与关节底盘4发生相对运动，使销轴11在刚度调节盘5的曲线滑道的限制作用下沿关节底盘4滑道移动，在刚度调节电机6位置伺服模式下实现销轴11在关节底盘4的径向滑道内位置的精确调整；所述弹簧座7为一圆盘形结构部件，弹簧座7周向边缘均匀布置三个凸台701，相邻两凸台之间固定安装一圆柱形滑轨702，使三个圆柱形滑轨分别位于以弹簧座7中心为形心的正三角形的三个边上，用于实现对弹簧8和滑块9的支撑，弹簧座7中心处设置有与关节底盘4圆台端面中心螺纹孔相配合的通孔703，用于通过螺钉连接将弹簧座7同轴固定于关节底盘4；所述弹簧8嵌套于弹簧座7的圆柱形滑轨之上，且每个圆柱形滑轨布置两个弹簧8，弹簧8两端分别与弹簧座7凸台侧面和滑块9侧面的平面完全接触；所述滑块9嵌套于弹簧座7的圆柱形滑轨之上，位于两弹簧8之间，滑块与圆柱形滑轨构成一移动副，用于通过改变弹簧8压缩量调节关节刚度，实现关节的主被动柔性，滑块9上部设置有一与滑杆10的T形凹槽相配合的T形凸台901，使滑杆10与滑块9之间能同时进行相对移动和转动；所述滑杆10为上下侧面均开设T形凹槽的杆状部件，两侧T形凹槽分别与销轴11和滑块9的T形凸台901配合构成两移动副，滑杆10在与滑块9的T形凸台901相配合的T形凹槽靠近端部的位置设置有一圆柱体1001，圆柱体与输出壳体12的相应通孔相配合构成一转动副，圆柱体端面中心开设螺纹孔，用于通过垫片和螺钉实现滑杆10与输出壳体12间的连接；所述销轴11为一T形轴类部件，销轴11大端与滑杆10的T形凹槽配合构成一移动副，小端依次穿过刚度调节盘5的曲线滑道和关节底盘4的径向滑道，通过开设在销轴11小端端面的螺纹孔，利用垫片和螺钉实现滑杆10、刚度调节盘5和关节底盘4间的连接。

所述关节输出端主要包括输出壳体12、驱动端轴承13、输出端轴承14和输出端编码器15，所述输出壳体12(参见图6)为一左端无盖的圆柱形壳体，输出壳体12左端与安装于谐波减速器2的刚轮外表面的驱动端轴承13外圈相配合，

输出壳体12右端中心设置一个圆柱形凸台1201，圆柱形凸台端面中心开设一与输出端编码器15输出轴相配合的轴孔，圆柱形凸台外柱面与安装于关节支架1右端的输出端轴承14内圈相配合，利用驱动端轴承13和输出端轴承14实现对输出壳体12的有效支撑，输出壳体12右端端面开设三个与滑杆10圆柱体相配合的通孔1202，通过垫片和螺钉连接实现输出壳体12与刚度调节机构的刚性连接，输出壳体12外柱面设有U形支架1203，U形支架下端平面设置有若干连接通孔1204，用于实现柔性关节与负载或其它关节的固定连接；所述驱动端轴承13内圈与谐波减速器2的刚轮外表面相配合，外圈与输出壳体12相配合；所述输出端轴承14内圈与输出壳体12的圆柱形凸台相配合，外圈与关节支架1右端轴承孔相配合；所述输出端编码器15固定连接于关节支架1，输出端编码器15的输出轴与输出壳体12的圆柱形凸台轴孔相连接，实现输出端编码器15输出轴随输出壳体12的同步转动，用于检测输出壳体12与关节支架1间的相对转角。

需要补充说明的是，本发明所述的“前、后；左、右；上、下”等方位词是为了描述清楚，只具有相对意义，一般情况下，以关节驱动电机所在的一端为左，以输出端编码器所在的一端为右，并作为其他方位词的基准。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (4)

1.一种基于杠杆机构的可变刚度柔性关节，包括用于提供驱动关节运动所需动力的关节驱动端、刚度调节机构和用于带动关节负载运动的关节输出端；所述刚度调节机构两端分别与关节驱动端和关节输出端刚性连接，所述关节输出端与关节负载相连接，且关节输出端安装有输出编码器；其特征在于：

所述关节驱动端包括关节支架、谐波减速器和安装有编码器的关节驱动电机；所述关节支架为U形结构部件，关节支架左端连接谐波减速器和关节驱动电机，右端外侧连接输出端编码器，谐波减速器的输入端与关节驱动电机的输出轴固定连接，谐波减速器的输出端与所述刚度调节机构相连接，所述关节驱动电机位于关节支架的外侧，谐波减速器位于关节支架的内侧，谐波减速器和关节驱动电机同轴固定于关节支架上；关节支架的下端连接基座或其它关节；

所述刚度调节机构包括关节底盘、刚度调节盘、刚度调节电机、弹簧座、弹簧、滑块、滑杆和销轴；所述关节底盘为一圆盘形结构部件，关节底盘一端与谐波减速器的输出端法兰固定连接，另一端与刚度调节电机的定子端安装法兰相配合连接，关节底盘和刚度调节电机同轴固定于谐波减速器的输出端，实现关节底盘和刚度调节电机随谐波减速器输出端的同步转动；所述关节底盘中心处设置有一个圆台，以圆台为中心，向关节底盘的边缘均匀分布有三个径向滑道；圆台端面中心与弹簧座的内侧中心通过螺钉连接使弹簧座与关节底盘同轴固定，实现弹簧座随谐波减速器输出端的同步转动；

所述刚度调节盘为一圆盘形结构部件，刚度调节盘中心配置有一圆柱形凹槽，圆柱形凹槽底面配置有与刚度调节电机转子端安装法兰相配合的连接法兰，通过螺钉连接将刚度调节盘同轴固定于刚度调节电机，刚度调节盘的盘面均匀布置三条曲线滑道，曲线滑道的曲率变化满足关节刚度的线性调节；所述刚度调节电机具备位置伺服功能，安装于关节底盘的圆台和刚度调节盘的圆柱形凹槽之间，刚度调节电机定子端套于关节底盘圆台之上并同轴固定于关节底盘，刚度调节电机转子端嵌于刚度调节盘圆柱形凹槽之内与刚度调节盘同轴连接，刚度调节电机用于驱动刚度调节盘使之与关节底盘发生相对运动，使销轴在刚度调节盘的曲线滑道的限制作用下沿关节底盘滑道移动，在刚度调节电机位置伺服模式下实现销轴在关节底盘滑道内位置的精确调整；

所述弹簧座为一圆盘形结构部件，弹簧座周向边缘均匀布置三个凸台，相邻两凸台之间固定安装有圆柱形滑轨，使三个圆柱形滑轨分别位于以弹簧座中心为形心的正三角形的三个边上；在每个圆柱形滑轨的中部嵌套安装有滑块，所述弹簧嵌套于圆柱形滑轨上，且每个圆柱形滑轨布置两个弹簧，弹簧的两端分别与滑块的侧面和相邻的凸台侧面完全接触；滑块与圆柱形滑轨构成一移动副，通过改变弹簧压缩量调节关节刚度，实现关节的主被动柔性；所述滑块的上表面设有T形凸台；所述滑杆为上下端面均开有T形凹槽的杆状部件，下端的T形凹槽与滑块的T形凸台相配合，滑杆的下端远离弹簧座中心的一端设置有圆柱体；所述销轴为一T形轴类部件，销轴的大端与滑杆上端的T形凹槽相配合，销轴的小端依次穿过刚度调节盘的曲线滑道和关节底盘的径向滑道，销轴的小端端面设置螺纹孔，通过垫片及螺钉实现销轴与滑杆、刚度调节盘和关节底盘之间的固定；滑杆与销轴、滑块构成两个移动副，销轴与曲线滑道、径向滑道构成两个移动副，曲线滑道用于调节销轴位置，径向滑道用于实现销轴沿滑道的移动；所述滑杆上的圆柱体与关节输出端固定连接；上述关节底盘、刚度调节盘、滑块、滑杆和销轴构成一杠杆机构；

所述关节输出端包括输出壳体，输出壳体与关节支架通过轴承固定，且谐波减速器及刚度调节机构均位于输出壳体内，滑杆上的圆柱体与输出壳体构成一转动副。

2.根据权利要求1所述的基于杠杆机构的可变刚度柔性关节，其特征在于所述关节输出端包括输出壳体、驱动端轴承、输出端轴承和输出端编码器，所述输出壳体为一左端无盖的圆柱形壳体，输出壳体左端与安装于谐波减速器的刚轮外表面的驱动端轴承外圈相配合，输出壳体右端中心设置一个圆柱形凸台，圆柱形凸台端面中心开设一与输出端编码器输出轴相配合的轴孔，圆柱形凸台外柱面与安装于关节支架右端的输出端轴承内圈相配合，利用驱动端轴承和输出端轴承实现对输出壳体的有效支撑，输出壳体右端端面开设三个与滑杆圆柱体相配合的通孔，通过垫片和螺钉连接实现输出壳体与刚度调节机构的刚性连接，输出壳体外柱面设有U形支架，U形支架下端平面设置有若干连接通孔，用于实现柔性关节与负载或其它关节的固定连接；所述驱动端轴承内圈与谐波减速器壳体配合，外圈与输出壳体相配合；所述输出端轴承内圈与输出壳体的圆柱形凸台相配合，外圈与关节支架右端轴承孔相配合；所述输出端编码器与关节驱动电机上的编码器相配合，通过利用双编码器计算关节输出壳体与关节支架间的相对转角，调节关节刚度，输出端编码器的输出轴与输出壳体的圆柱形凸台轴孔相连接，实现输出端编码器输出轴随输出壳体的同步转动，用于检测输出壳体与关节支架间的相对转角。

3.根据权利要求1所述的柔性关节，其特征在于刚度调节电机为具有位置伺服功能的中空电机。

4.根据权利要求1所述的柔性关节，其特征在于弹簧两端分别与弹簧座凸台侧面和滑块侧面的平面完全接触，使弹簧与弹簧座凸台侧面和滑块侧面的平面均垂直。