CN108247666B - 一种并联式轻型机器人关节变刚度执行器 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人关节技术领域，特别涉及一种并联式轻型机器人关节变刚度执行器。包括动力输入部、动力输出部、刚度调节部及刚度变化执行部，其中动力输入部和动力输出部转动连接，刚度调节部设置于动力输入部上、且通过刚度变化执行部与动力输出部连接；当动力输出部受到不同载荷，动力输出部相对于动力输入部产生相对转动，使刚度变化执行部产生不同的工作状态，实现刚度的非线性变化；当动力输出部受到载荷一定时，通过刚度调节部调节刚度变化执行部的工作状态，使动力输入部和动力输出部的转动角度发生变化，实现刚度的主动调节。本发明体积更小，质量更轻，同时缩短了刚度调节时间。

Description

一种并联式轻型机器人关节变刚度执行器

技术领域

本发明属于机器人关节技术领域，特别涉及一种并联式轻型机器人关节变刚度执行器。

背景技术

机器人不再局限于结构化环境下代替人类完成传统工业生产，而逐渐从封闭作业空间中解放出来，进入非结构化环境，与人共融并协同作业。人机协作已成为机器人发展的必然趋势。传统的工业机器人高刚度关节缺乏缓冲和吸能储能功能，极易被强烈的冲击破坏，甚至对人类造成致命伤害。当前主流的主动柔性关节调节响应受限，耗能较为严重。而目前已有的变刚度关节如意大利研制的AwAS、AwAS–I I和韩国研制的VSJ。它们很难兼顾承载能力、刚度调节范围、体积和质量这几个重要参数。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种并联式轻型机器人关节变刚度执行器。

为了是实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种并联式轻型机器人关节变刚度执行器，包括动力输入部、动力输出部、刚度调节部及刚度变化执行部，其中动力输入部和动力输出部转动连接，所述刚度调节部设置于所述动力输入部上、且通过所述刚度变化执行部与所述动力输出部连接；当所述动力输出部受到不同载荷时，所述动力输出部相对于所述动力输入部产生相对转动，使刚度变化执行部产生不同的工作状态，实现关节刚度的非线性变化；当所述动力输出部受到载荷一定时，通过所述刚度调节部调节所述刚度变化执行部的工作状态，使所述动力输入部和所述动力输出部的转动角度发生变化，实现关节刚度的主动调节。

所述动力输入部包括动力输入架、动力输入副架及连接在所述动力输入架和动力输入副架之间的两个动力输入支撑轴，所述动力输入架和动力输入副架与所述动力输出部转动连接，所述刚度调节部与两个所述动力输入支撑轴滑动连接。

所述动力输出部包括动力输出件、动力输出架及动力输出支撑轴，其中动力输出件的两端分别与一动力输出架连接，两个所述动力输出架之间连接有两个动力输出支撑轴，两个所述动力输出支撑轴与所述刚度变化执行部滑动连接，两个所述动力输出架分别与所述动力输入架和动力输入副架转动连接。

所述刚度调节部包括丝杠、丝杠螺母及两组联动组件，其中丝杠的两端分别与所述动力输入架和动力输入副架转动连接，所述丝杠上设有两段旋向相反的螺纹，每段螺纹分别与一丝杠螺母形成螺纹副，两组所述联动组件分别与两个所述丝杠螺母连接，各所述联动组件的两端分别与两个所述动力输入支撑轴滑动连接。

所述联动组件包括调节联动件、滑动轴承、滑轮架及滑轮架轴承，其中调节联动件与所述丝杠螺母固定连接，所述调节联动件的两端通过滑动轴承分别与两个所述动力输入支撑轴连接，各所述滑动轴承上通过滑轮架轴承套装有一滑轮架，所述滑轮架与所述刚度变化执行部连接。

所述刚度变化执行部包括对称设置于所述丝杠两侧的第一刚度变化执行部和第二刚度变化执行部，所述第一刚度变化执行部和第二刚度变化执行部结构相同，均包括滑块、弹簧、直线轴承及传动机构，其中滑块为两个、且通过直线轴承套装在一所述动力输出支撑轴上，所述弹簧套装在所述动力输出支撑轴上、且受限于两个所述滑块之间，两个所述滑块通过传动机构分别与两组所述联动组件连接。

所述传动机构包括钢丝及两个滑轮，两个所述滑轮分别可转动地设置于两组所述联动组件上，所述钢丝的一端与一所述滑块连接，另一端依次经过两个滑轮与另一滑块连接。

所述丝杠的一端从所述动力输入副架上设有的通孔伸出，用以刚度主动调节。

所述动力输出部设置于所述动力输入部的外侧。

本发明的优点及有益效果是：本发明具有被动刚度变化和主动刚度调节两个方面的特性。当不主动调节刚度时，受载部受载荷的变化引起钢丝的工作形态的变化，产生不同的力平衡状态，从而实现被动刚度的非线性变化。刚度的非线性变化特性可以利用有限的偏转角度承载较大的载荷，并最大限度的存储能量，完成类似跑步或跳跃等缓冲动作。同时，由于弹簧和传动机构采用并联方式联接，即使采用轻小型弹簧也可以承受相当大的载荷，并通过钢丝作为刚度变化的执行件，使变刚度执行器小型化、轻型化，提高了载荷/质量比。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的主视图；

图3是图2的俯视图；

图4是本发明中动力输入部的结构示意图；

图5是本发明中动力输出部的结构示意图；

图6是本发明中刚度调节部的局部结构示意图；

图7是本发明中刚度调节部的整体结构示意图；

图8是本发明的刚度变化执行部的结构示意图。

图中：1为动力输入架，2为动力输入支撑轴，3为动力输出件，4为动力输出架，5为动力输出支撑轴，6为丝杠，7为丝杠螺母，8为调节联动件，9为滑动轴承，10为滑轮架，11为滑块，12为弹簧，13为钢丝，14为滑轮，15为滑轮轴，16为动力输入副架，17为卡簧，18为滑轮架轴承，19为钢丝链接孔，20为直线轴承。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1-3所示，本发明提供的一种并联式轻型机器人关节变刚度执行器，包括动力输入部、动力输出部、刚度调节部及刚度变化执行部，其中动力输入部和动力输出部转动连接，刚度调节部设置于动力输入部上、且通过刚度变化执行部与动力输出部连接。当所述动力输出部受到不同载荷时，所述动力输出部相对于所述动力输入部产生相对转动，使刚度变化执行部产生不同的工作状态，实现关节刚度的非线性变化；当动力输出部受到载荷一定时，通过刚度调节部调节刚度变化执行部的工作状态，使动力输入部和动力输出部的转动角度发生变化，实现关节刚度的主动调节。

如图4所示，动力输出部设置于动力输入部的外侧。动力输入部包括动力输入架1、动力输入副架16及连接在动力输入架1和动力输入副架16之间的两个动力输入支撑轴2，动力输入架1和动力输入副架16与动力输出部转动连接，刚度调节部与两个动力输入支撑轴2滑动连接。动力从动力输入架1和动力输入副架16传动输入。

如图5所示，动力输出部包括动力输出件3、动力输出架4及动力输出支撑轴5，其中动力输出件3的两端分别与一动力输出架4连接，两个动力输出架4之间连接有两个动力输出支撑轴5，两个动力输出支撑轴5与刚度变化执行部滑动连接，两个动力输出架4分别与动力输入架1和动力输入副架16转动连接。动力输出件3是受载零件。

如图6-7所示，刚度调节部包括丝杠6、丝杠螺母7及两组联动组件，其中丝杠6的两端分别与动力输入架1和动力输入副架16转动连接，丝杠6上设有两段旋向相反的螺纹，每段螺纹分别与一丝杠螺母7形成螺纹副，两组联动组件分别与两个丝杠螺母7连接，各联动组件的两端分别与两个动力输入支撑轴2滑动连接。使丝杠6相对于动力输入部可以相对转动，丝杠6的一端从动力输入副架16上设有的通孔伸出，用以刚度主动调节。

联动组件包括调节联动件8、滑动轴承9、滑轮架10及滑轮架轴承18，其中调节联动件8与丝杠螺母7固定连接，调节联动件8的两端通过滑动轴承9分别与两个动力输入支撑轴2连接，各滑动轴承9上通过滑轮架轴承18套装有一滑轮架10，滑轮架10与刚度变化执行部连接。

刚度调节部中，丝杠螺母7与丝杠6配合，使两丝杠螺母7获得直线运动的性能。进一步的，丝杠6为左右牙丝杠，可以获得相对反向运动的性能。调节联动件8通过螺丝与丝杠螺母7固定，在调节联动件8两侧，分别与滑动轴承9套合，并通过卡簧17将滑动轴承9固定在调节联动件8两侧，另外，滑轮架10与滑轮架轴承18套合，整体套合在滑动轴承9上，使滑轮架10可以移动和转动两个自由度。

如图8所示，刚度变化执行部包括对称设置于丝杠6两侧的第一刚度变化执行部和第二刚度变化执行部，第一刚度变化执行部和第二刚度变化执行部结构相同，均包括滑块11、弹簧12、直线轴承20及传动机构，其中滑块11为两个、且通过直线轴承20套装在一动力输出支撑轴5上，弹簧12套装在动力输出支撑轴5上、且受限于两个滑块11之间，两个滑块11通过传动机构分别与两组联动组件连接。

传动机构包括钢丝13及两个滑轮14，两个滑轮14分别可转动地设置于两组联动组件上，钢丝13的一端与一滑块11连接，另一端依次经过两个滑轮14与另一滑块11连接。最终使滑轮14可以沿动力输入支撑轴2的轴向方向移动。

刚度变化执行部中，滑块11套合在直线轴承20上，减小滑动摩擦。同时，直线轴承20与所述的动力输出部中的动力输出支撑轴5套合，使滑块11可以在动力输出支撑轴5上滑动和转动。同时钢丝13穿入滑块11的钢丝链接孔，进入滑块11和直线轴承20留有的缝隙中，通过紧定螺钉19将钢丝13与滑块11链接在一起。另外钢丝13绕过滑轮14，钢丝13另一端用同样的方式与滑块11链接。弹簧12夹在两个滑块11之间。另外，滑轮14与滑轮轴15套合。

本发明提供的一种并联式轻型机器人关节变刚度执行器，被用于机器人关节中，实现机器人关节刚度非线性变化，并使刚度可调。其工作原理如下：一方面，当不进行刚度主动调节时，动力输出部中的动力输出件3受到载荷，动力输出部相对于动力输入部产生相对转动，从而改变了滑轮14到滑块11直接的距离。从而使滑块11压缩弹簧12产生柔顺效果，同时当所受载荷不同，力传递的传动角变化和弹簧12预紧的不同，使刚度变化执行部产生不同的工作状态，实现刚度的非线性变化。更有利于完成跳跃和奔跑等高冲击力动作；另一方面，当载荷一定时，通过转动丝杠6，由于丝杠6为正反牙设置，所以是滑轮14做相反方向的运动，主动改变了钢丝13的工作形态和弹簧12的预紧力，从而使动力输入部和动力输出部的转动角度发生变化，实现刚度的主动调节。进一步的，结合两方面的工作特点，使变刚度执行器不仅具有被动非线性的刚度变化，也可以同时实时调节。

本发明中受载部受到载荷时，钢丝的形态发生变化，牵引滑块压缩弹簧直至受力平衡，实现机器人关节刚度的主动或被动发生变化。当关节受到不同的载荷，会产生不同的平衡状态，从而实现被动刚度的非线性变化。刚度的非线性变化特性可以利用有限的偏转角度承载较大的载荷，并最大限度的存储能量，完成类似跑步或跳跃等缓冲动作。而需要不同的刚度时，可以通过刚度调节轴自主调节机器人关节刚度。本发明中，弹簧与传动机构采用并联方式，弹簧不直接承载载荷，所以即使采用轻小型弹簧也可以承受相当大的载荷。同时，由于采用钢丝作为主要传动件，可使机器人关节的体积更小和质量更轻。另外，本发明通过同时改变力的传动角和弹簧预紧力，缩短了刚度调节时间。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种并联式轻型机器人关节变刚度执行器，其特征在于，包括动力输入部、动力输出部、刚度调节部及刚度变化执行部，其中动力输入部和动力输出部转动连接，所述刚度调节部设置于所述动力输入部上、且通过所述刚度变化执行部与所述动力输出部连接；当所述动力输出部受到不同载荷时，所述动力输出部相对于所述动力输入部产生相对转动，使刚度变化执行部产生不同的工作状态，实现关节刚度的非线性变化；当所述动力输出部受到载荷一定时，通过所述刚度调节部调节所述刚度变化执行部的工作状态，使所述动力输入部和所述动力输出部的转动角度发生变化，实现关节刚度的主动调节；

所述动力输入部包括动力输入架(1)、动力输入副架(16)及连接在所述动力输入架(1)和动力输入副架(16)之间的两个动力输入支撑轴(2)，所述动力输入架(1)和动力输入副架(16)与所述动力输出部转动连接，所述刚度调节部与两个所述动力输入支撑轴(2)滑动连接。

2.根据权利要求1所述的并联式轻型机器人关节变刚度执行器，其特征在于，所述动力输出部包括动力输出件(3)、动力输出架(4)及动力输出支撑轴(5)，其中动力输出件(3)的两端分别与一动力输出架(4)连接，两个所述动力输出架(4)之间连接有两个动力输出支撑轴(5)，两个所述动力输出支撑轴(5)与所述刚度变化执行部滑动连接，两个所述动力输出架(4)分别与所述动力输入架(1)和动力输入副架(16)转动连接。

3.根据权利要求2所述的并联式轻型机器人关节变刚度执行器，其特征在于，所述刚度调节部包括丝杠(6)、丝杠螺母(7)及两组联动组件，其中丝杠(6)的两端分别与所述动力输入架(1)和动力输入副架(16)转动连接，所述丝杠(6)上设有两段旋向相反的螺纹，每段螺纹分别与一丝杠螺母(7)形成螺纹副，两组所述联动组件分别与两个所述丝杠螺母(7)连接，各所述联动组件的两端分别与两个所述动力输入支撑轴(2)滑动连接。

4.根据权利要求3所述的并联式轻型机器人关节变刚度执行器，其特征在于，所述联动组件包括调节联动件(8)、滑动轴承(9)、滑轮架(10)及滑轮架轴承(18)，其中调节联动件(8)与所述丝杠螺母(7)固定连接，所述调节联动件(8)的两端通过滑动轴承(9)分别与两个所述动力输入支撑轴(2)连接，各所述滑动轴承(9)上通过滑轮架轴承(18)套装有一滑轮架(10)，所述滑轮架(10)与所述刚度变化执行部连接。

5.根据权利要求3所述的并联式轻型机器人关节变刚度执行器，其特征在于，所述刚度变化执行部包括对称设置于所述丝杠(6)两侧的第一刚度变化执行部和第二刚度变化执行部，所述第一刚度变化执行部和第二刚度变化执行部结构相同，均包括滑块(11)、弹簧(12)、直线轴承(20)及传动机构，其中滑块(11)为两个、且通过直线轴承(20)套装在一所述动力输出支撑轴(5)上，所述弹簧(12)套装在所述动力输出支撑轴(5)上、且受限于两个所述滑块(11)之间，两个所述滑块(11)通过传动机构分别与两组所述联动组件连接。

6.根据权利要求5所述的并联式轻型机器人关节变刚度执行器，其特征在于，所述传动机构包括钢丝(13)及两个滑轮(14)，两个所述滑轮(14)分别可转动地设置于两组所述联动组件上，所述钢丝(13)的一端与一所述滑块(11)连接，另一端依次经过两个滑轮(14)与另一滑块(11)连接。

7.根据权利要求3所述的并联式轻型机器人关节变刚度执行器，其特征在于，所述丝杠(6)的一端从所述动力输入副架(16)上设有的通孔伸出，用以刚度主动调节。

8.根据权利要求1所述的并联式轻型机器人关节变刚度执行器，其特征在于，所述动力输出部设置于所述动力输入部的外侧。

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