CN108608458A - 一种串联驱动柔顺机械臂关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串行驱动柔顺机械臂关节，包括关节电机、谐波减速器、四连杆机构、关节外壳、输出外壳，所述关节电机与电机谐波连接件通过螺钉固定连接，电机谐波连接件上设有谐波减速器，谐波减速器波发生器的外侧套设有谐波减速器柔轮，谐波减速器柔轮的上表面与法兰盘连接，谐波减速器柔轮与法兰盘通过螺钉固定连接，法兰盘上固定有片弹簧底座，片弹簧底座上方固定连接有片弹簧，片弹簧的上方设有四连杆机构，通过刚度电机驱动主动锥齿轮，通过齿轮啮合带动从动锥齿轮，从而带动凸轮旋转，由于凸轮与四连杆机构的连接点接触，使得四连杆鞍形支架在片弹簧上的支撑点位置发生了改变，从而改变了关节刚度，实现关节刚度的可控调节。

Description

一种串联驱动柔顺机械臂关节

技术领域

本发明涉及一种机器人领域，具体是一种串联驱动柔顺机械臂关节。

背景技术

机器人是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。自上世纪 60 年代以来，机器人技术在工业领域得到了长足的发展，极大提高了劳动生产效率。

然而，随着机器人应用领域不断扩大，机器人进入了其他非工业领域，如服务、医疗、娱乐等。随着各个领域的服务型和精密加工、装配等机器人的不断涌现，使得人们在生活的各个方面都不同程度的存在与机器人的交互。传统的机器人大多采用高刚度或者刚度不变的单一弹性元件驱动执行器，机器人和人类在协同工作中出现碰撞的情况是不可避免的，高刚度或者刚度不变的传统机器人和人类在交互过程中的安全性很差。虽然可以通过复杂的力反馈控制系统进行主动刚度调节，但是大大提高了成本，降低了系统的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种串联驱动柔顺机械臂关节，该电机由关节电机、谐波减速器、变刚度机构及输出臂杆串联组成，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种串联驱动柔顺机械臂关节，包括关节电机、谐波减速器、四连杆机构、关节外壳、输出外壳，所述关节电机与关节外壳的底部及电机谐波连接件通过螺钉固定连接，电机谐波连接件上设有谐波减速器，谐波减速器波发生器的外侧套设有谐波减速器柔轮，谐波减速器柔轮的上表面与法兰盘连接，谐波减速器柔轮与法兰盘通过螺钉固定连接，法兰盘上固定有片弹簧底座，片弹簧底座上方设有片弹簧，片弹簧的一端通过螺钉固定在片弹簧底座上，片弹簧的上方设有四连杆机构，四连杆机构包括四连杆鞍形支架、连杆、四连杆连接支架，片弹簧的另一端插入四连杆鞍形支架的腿部，四连杆鞍形支架的上方和下方均设有连杆，四连杆鞍形支架的上方设有连接件且与连接件通过螺钉连接，连接件的上方设有第一导轨滑块，且与第一导轨滑块通过螺钉连接，四连杆机构上安装有四连杆连接支架，四连杆连接支架通过销轴与连杆相连接，四连杆连接支架的内部设有第二小轴承，四连杆连接支架上方设有第二导轨滑块，第二导轨滑块与四连杆连接支架通过螺钉连接，第一导轨滑块、第二导轨滑块分别安装在第一直线导轨、第二直线导轨上，第一导轨滑块、第二导轨滑块分别与第一直线导轨、第二直线导轨滑动连接。

作为本发明进一步的方案：所述第一直线导轨、第二直线导轨的上方设有下层输出盘，且第一直线导轨、第二直线导轨分别通过螺钉与下层输出盘连接，下层输出盘的上方设有上层输出盘，下层输出盘、与上层输出盘与输出外壳通过螺钉连接，上层输出盘上固定有输出臂杆，关节外壳套在输出外壳的外侧，输出外壳和关节外壳之间设有上薄壁轴承、下薄壁轴承，套筒位于上薄壁轴承、下薄壁轴承之间，上薄壁轴承的上方设有薄壁轴承盖，薄壁轴承盖通过螺栓固定在关节外壳上。

作为本发明再进一步的方案：所述上层输出盘上固定连接有刚度电机固定支架，刚度电机固定在刚度电机固定支架上，刚度电机支架的上表面固定连接有刚度电机，刚度电机的输出轴与主动锥齿轮连接，主动锥齿轮与从动锥齿轮相啮合，从动锥齿轮的下方设有凸轮，从动锥齿轮与凸轮通过螺钉固定连接，从动锥齿轮与凸轮通过小轴承盖及小轴承轴向固定在法兰盘上，凸轮侧面与四连杆连接支架内部的第二小轴承抵接，第二小轴承位于四连杆鞍形支架内部。

作为本发明再进一步的方案：所述谐波减速器包括谐波减速器刚轮、谐波减速器柔轮、谐波减速器波发生器，电机谐波连接件的上方设有谐波减速器刚轮，关节电机输出轴与谐波减速器波发生器固连，且电机谐波连接件与谐波减速器刚轮通过螺钉固定连接。

作为本发明再进一步的方案：所述连杆的两端分别贯穿有销轴，两个销轴上分别套设有第一小轴承、第二小轴承，四连杆鞍形支架、第一小轴承和连杆的一端通过销轴连接，第一小轴承位于四连杆鞍形支架内部，四连杆连接支架、第二小轴承和连杆的另一端通过销轴连接。

作为本发明再进一步的方案：所述片弹簧与四连杆鞍形支架的腿部间隙配合。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明结构简单，成本低廉，本发明采用双电机串联驱动的结构，关节电机用于控制关节输出位置，刚度电机用于控制关节刚度变化，该方式具有结构紧凑的优点。

本发明通过刚度电机驱动主动锥齿轮，通过齿轮啮合带动从动锥齿轮，从而带动凸轮旋转，由于凸轮与四连杆机构的连接点接触，使得四连杆鞍形支架在片弹簧上的支撑点位置发生了改变，从而改变了关节刚度，实现关节刚度的可控调节。关节内部含有片弹簧，当发生碰撞冲击的时候片弹簧能够发生弯曲或者伸缩，对于碰撞起到了缓冲的作用，可以保证人机交互的安全性，其刚度调节机构为纯机械结构，大大提高了系统的可靠性，降低了故障发生的概率，节约了资源。

附图说明

图1为串联驱动柔顺机械臂关节的驱动结构示意图；

图2为串联驱动柔顺机械臂关节的结构示意图；

图3为串行驱动柔顺机械臂关节的四连杆机构的结构示意图；

图4为串行驱动柔顺机械臂关节中下层输出盘的结构示意图；

图5为串行驱动柔顺机械臂关节中凸轮的结构示意图。

图中：1-关节电机；2-电机谐波连接件；3-谐波减速器刚轮；4-谐波减速器波发生器；5-谐波减速器柔轮；6-法兰盘；7-片弹簧底座；8-片弹簧；9-四连杆鞍形支架；10-连接件；111-第一导轨滑块；121-第一直线导轨；112-第二导轨滑块；122-第二直线导轨；13-下层输出盘；14-上层输出盘；15-输出臂杆；16-薄壁轴承盖；17-关节外壳；181-上薄壁轴承；182-下薄壁轴承；19-套筒；20-输出外壳；21-刚度电机固定支架；22-刚度电机；23-主动锥齿轮；24-从动锥齿轮；25-凸轮；26-小轴承盖；27-小轴承；28-连杆；29-四连杆连接支架；301-第一小轴承；302-第二小轴承。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-5，本发明实施例中，一种串联驱动柔顺机械臂关节，包括关节电机1、谐波减速器、四连杆机构、关节外壳17、输出外壳20，关节电机1与关节外壳17的底部及电机谐波连接件2通过螺钉固定连接，电机谐波连接件2上设有谐波减速器，谐波减速器包括谐波减速器刚轮3、谐波减速器波发生器4、谐波减速器柔轮5，电机谐波连接件2的上方设有谐波减速器刚轮3，关节电机1输出轴与谐波减速器波发生器4固连，且电机谐波连接件2与谐波减速器刚轮3通过螺钉固定连接，谐波减速器波发生器4的外侧套设有谐波减速器柔轮5，谐波减速器柔轮5的上表面与法兰盘6连接，谐波减速器柔轮5与法兰盘6通过螺钉固定连接，法兰盘6上固定有片弹簧底座7，片弹簧8的一端通过螺钉固定在片弹簧底座7上，片弹簧8的上方设有四连杆机构，四连杆机构包括四连杆鞍形支架9、连杆28、四连杆连接支架29，片弹簧8的另一端插入四连杆鞍形支架9的腿部，片弹簧8与四连杆鞍形支架9的腿部间隙配合，四连杆鞍形支架9的上方和下方均设有连杆28，连杆28的两端分别贯穿有销轴，两个销轴上分别套设有第一小轴承301、第二小轴承302，四连杆鞍形支架9、第一小轴承301和连杆28的一端通过销轴连接，第一小轴承301位于四连杆鞍形支架9内部，四连杆连接支架29、第二小轴承302和连杆28的另一端也通过销轴连接，四连杆鞍形支架9的上方设有连接件10且与连接件10通过螺钉连接，连接件10的上方设有第一导轨滑块111，且与第一导轨滑块111通过螺钉连接，四连杆机构上安装有四连杆连接支架29，四连杆连接支架29通过销轴与连杆28相连接，四连杆连接支架29的内部设有第二小轴承302，四连杆连接支架29上方设有第二导轨滑块112，第二导轨滑块112与四连杆连接支架29通过螺钉连接，第一导轨滑块111、第二导轨滑块112分别安装在第一直线导轨121、第二直线导轨122上，第一导轨滑块111、第二导轨滑块112分别与第一直线导轨121、第二直线导轨122滑动连接，第一导轨滑块111、第二导轨滑块112分别沿着第一直线导轨121、第二直线导轨122的方向直线滑动，第一直线导轨121、第二直线导轨122的上方设有下层输出盘13，且第一直线导轨121、第二直线导轨122分别通过螺钉与下层输出盘13连接，下层输出盘13的上方设有上层输出盘14，下层输出盘13与上层输出盘14与输出外壳20通过螺钉连接，上层输出盘14上固定有输出臂杆15，关节外壳17套在输出外壳20的外侧，输出外壳20和关节外壳17之间设有上薄壁轴承181、下薄壁轴承182，套筒19位于上薄壁轴承181、下薄壁轴承182之间，上薄壁轴承181的上方设有薄壁轴承盖16，薄壁轴承盖16通过螺栓固定在关节外壳17上。

上层输出盘14上固定连接有刚度电机固定支架21，刚度电机22固定在刚度电机固定支架21上，刚度电机支架21的上表面固定连接有刚度电机22，刚度电机22的输出轴与主动锥齿轮23连接，主动锥齿轮23与从动锥齿轮24相啮合，从动锥齿轮24的下方设有凸轮25，从动锥齿轮24与凸轮25通过螺钉固定连接，从动锥齿轮24与凸轮25通过小轴承盖26及小轴承27轴向固定在法兰盘6上，使得从动锥齿轮24和凸轮25可以绕法兰盘6的中心轴自由旋转，凸轮25侧面与四连杆连接支架29内部的第二小轴承302抵接，第二小轴承302位于四连杆鞍形支架9内部。

本发明的工作原理是：关节电机1驱动谐波减速器波发生器4旋转，通过谐波减速器进行减速，谐波减速器的柔轮5输出带动法兰盘6旋转，法兰盘6通过片弹簧底座7带动片弹簧8旋转，从而通过片弹簧8带动四连杆机构旋转，四连杆机构的连接件10通过第一直线导轨121、第二直线导轨122带动下层输出盘13旋转，下层输出盘13带动上层输出盘14旋转，上层输出盘14带动输出臂杆15输出力矩，利用片弹簧8实现柔性输出。

通过刚度电机22驱动主动锥齿轮23，主动锥齿轮23驱动从动锥齿轮24，从动锥齿轮24带动凸轮25绕轴旋转，由于凸轮25与四连杆连接支架29内部的第二小轴承302抵接，凸轮25旋转时，驱动四连杆连接支架29在直线导轨的作用下做向外直线运动，由于四连杆机构的铰接点受到第一直线导轨121、第二直线导轨122的限制，四连杆连接支架29直线运动时，带动连接件10沿第一直线导轨121向内直线运动，从而带动四连杆鞍形支架9做向内直线运动，迫使四连杆鞍形支架9在片弹簧8上的支撑点位置发生了改变，从而改变了本发明的关节刚度，实现对本发明关节刚度的调节。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种串行驱动柔顺机械臂关节，包括关节电机（1）、谐波减速器、四连杆机构、关节外壳（17）、输出外壳（20），其特征在于，所述关节电机（1）与关节外壳（17）的底部及电机谐波连接件（2）通过螺钉固定连接，电机谐波连接件（2）上设有谐波减速器，谐波减速器波发生器（4）的外侧套设有谐波减速器柔轮（5），谐波减速器柔轮（5）的上表面与法兰盘（6）连接，谐波减速器柔轮（5）与法兰盘（6）通过螺钉固定连接，法兰盘（6）上固定有片弹簧底座（7），片弹簧底座（7）上方设有片弹簧（8），片弹簧（8）的一端通过螺钉固定在片弹簧底座（7）上，片弹簧（8）的上方设有四连杆机构，四连杆机构包括四连杆鞍形支架（9）、连杆（28）、四连杆连接支架（29），片弹簧（8）的另一端插入四连杆鞍形支架（9）的腿部，四连杆鞍形支架（9）的上方和下方均设有连杆（28），四连杆鞍形支架（9）的上方设有连接件（10）且与连接件（10）通过螺钉连接，连接件（10）的上方设有第一导轨滑块（111），且与第一导轨滑块（111）通过螺钉连接，四连杆机构上安装有四连杆连接支架（29），四连杆连接支架（29）通过销轴与连杆（28）相连接，四连杆连接支架（29）的内部设有第二小轴承（302），四连杆连接支架（29）上方设有第二导轨滑块（112），第二导轨滑块（112）与四连杆连接支架（29）通过螺钉连接，第一导轨滑块（111）、第二导轨滑块（112）分别安装在第一直线导轨（121）、第二直线导轨（122）上，第一导轨滑块（111）、第二导轨滑块（112）分别与第一直线导轨（121）、第二直线导轨（122）滑动连接。

2.根据权利要求1所述的串行驱动柔顺机械臂关节，其特征在于，所述第一直线导轨（121）、第二直线导轨（122）的上方设有下层输出盘（13），且第一直线导轨（121）、第二直线导轨（122）分别通过螺钉与下层输出盘（13）连接，下层输出盘（13）的上方设有上层输出盘（14），下层输出盘（13）、与上层输出盘（14）与输出外壳（20）通过螺钉连接，上层输出盘（14）上固定有输出臂杆（15），关节外壳（17）套在输出外壳（20）的外侧，输出外壳（20）和关节外壳（17）之间设有上薄壁轴承（181）、下薄壁轴承（182），套筒（19）位于上薄壁轴承（181）、下薄壁轴承（182）之间，上薄壁轴承（181）的上方设有薄壁轴承盖（16），薄壁轴承盖（16）通过螺栓固定在关节外壳（17）上。

3.根据权利要求2所述的串行驱动柔顺机械臂关节，其特征在于，所述上层输出盘（14）上固定连接有刚度电机固定支架（21），刚度电机（22）固定在刚度电机固定支架（21）上，刚度电机支架（21）的上表面固定连接有刚度电机（22），刚度电机（22）的输出轴与主动锥齿轮（23）连接，主动锥齿轮（23）与从动锥齿轮（24）相啮合，从动锥齿轮（24）的下方设有凸轮（25），从动锥齿轮（24）与凸轮（25）通过螺钉固定连接，从动锥齿轮（24）与凸轮（25）通过小轴承盖（26）及小轴承（27）轴向固定在法兰盘（6）上，凸轮（25）侧面与四连杆连接支架（29）内部的第二小轴承（302）抵接，第二小轴承（302）位于四连杆鞍形支架（9）内部。

4.根据权利要求1所述的串行驱动柔顺机械臂关节，其特征在于，所述谐波减速器包括谐波减速器刚轮（3）、谐波减速器波发生器（4）、谐波减速器柔轮（5），电机谐波连接件（2）的上方设有谐波减速器刚轮（3），关节电机（1）输出轴与谐波减速器波发生器（4）固连，且电机谐波连接件（2）与谐波减速器刚轮（3）通过螺钉固定连接。

5.根据权利要求1所述的串行驱动柔顺机械臂关节，其特征在于，所述连杆（28）的两端分别贯穿有销轴，两个销轴上分别套设有第一小轴承（301）、第二小轴承（302），四连杆鞍形支架（9）、第一小轴承（301）和连杆（28）的一端通过销轴连接，第一小轴承（301）位于四连杆鞍形支架（9）内部，四连杆连接支架（29）、第二小轴承（302）和连杆（28）的另一端通过销轴连接。

6.根据权利要求1所述的串行驱动柔顺机械臂关节，其特征在于，所述片弹簧（8）与四连杆鞍形支架（9）的腿部间隙配合。