CN108818506A - 一种基于杠杆机构的变刚度模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于杠杆机构的变刚度模块，包括：输出壳体、输入控制端和变刚度调节组件，输入控制端包括输入法兰、滑块平台和固定设置于输入法兰与滑块平台之间的传动轴；变刚度调节组件包括滑块、两个板簧、螺纹杆、螺纹传动架和四根连杆；滑块平台设有对称的两个滑槽，滑槽中均设有滑块；两个板簧对称设在传动轴的两侧，并与传动轴固定连接，每个板簧上均设有支点位移调整部件，两个板簧分别通过板簧连接板连接至输出壳体；输入法兰上设有对称的两个支撑板，螺纹杆贯穿传动轴设置；螺纹传动架转动设置于螺纹杆上，并和滑块固定连接；连杆的两端分别铰接至支点位移调整部件和滑块，形成菱形四连杆结构；本发明的柔顺性好、结构稳定性强。

Description

一种基于杠杆机构的变刚度模块

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种基于杠杆机构的变刚度模块。

背景技术

在机器人与人的交互过程中，为了增加安全性，需要对机器人提出柔顺作业的要求。传统的机器人，由于机械结构为刚性部件，为了实现柔顺性，一般采用例如增加传感器并利用相应的控制算法进行控制，由于存在传感器出现故障、以及控制算法失效的风险，因此，这种方式的机器人柔顺性往往并不可靠。

近年来，随着变刚度关节的出现，为机器人的柔顺性提出了另一种途径。根据变刚度关节的实现原理，可以将变刚度关节的实现方式分为凸轮机构式、杠杆机构式、弹簧式以及其他实现方式。杠杆机构式，输入输出之间通过柔性板簧以增加其柔顺性，在实际应用中有巨大的应用价值。

例如中国专利文献201510072095.2公开了一种可同步调整位移式变刚度关节驱动器和机器人关节刚度的一种调整方法，具体包括基座、摇臂位置控制组件，变刚度调整组件，角度偏差测量组件，摇臂位置控制组件用于使摇臂运动到指定的平衡位置点，变刚度调整组件用于根据需要改变驱动器刚度值，角度偏差测量组件用于测量和采集角度偏差。变刚度调整组件利用杠杆机构原理，采用板簧作为弹性元件，阿基米德螺旋线盘作为同步位移调整机构。该专利缺陷在于，当驱动支点位移调整部件运动时，运动的传动角小，阿基米德螺旋线盘受力较大，摩擦造成的能量损失较大。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种结构稳定性强的基于杠杆机构的变刚度模块。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于杠杆机构的变刚度模块，包括：输出壳体、输入控制端和设置于输出壳体内部的变刚度调节组件，其特征在于，输入控制端用于驱使输出壳体围绕其回转中心转动，变刚度调节组件用于根据输出壳体的实际需要调节关节的刚度值；

输入控制端包括输入法兰、滑块平台和固定设置于输入法兰与滑块平台之间的传动轴；

变刚度调节组件包括滑块、两个板簧、螺纹杆、螺纹传动架和四根连杆；

其中，滑块平台设有对称的两个滑槽，每个滑槽中均设有滑块；两个板簧对称设在传动轴的两侧，并与传动轴固定连接，每个板簧上均设有支点位移调整部件，两个板簧分别通过板簧连接板连接至输出壳体；

输入法兰上设有对称的两个支撑板，螺纹杆沿着垂直于板簧所在平面贯穿传动轴，且螺纹杆的两端分别转动设在两个支撑板上；螺纹传动架转动设置于螺纹杆上，并和滑块固定连接；

每一连杆的两端分别铰接至支点位移调整部件和滑块，四根连杆形成菱形四连杆结构；

螺纹杆的转动驱使两个螺纹传动架同时靠近或者远离传动轴运动，进一步带动两个滑块在滑槽中同时背向或者相向滑动，从而使两个支点位移调整部件沿着板簧同时背向或者相向滑动。

由本发明的上述方案可知，本发明中的变刚度调节组件采用杠杠原理，输入法兰、传动轴和滑块平台之间固定连接，外部驱动电机驱使输入法兰的转动，进一步带动传动轴和滑块平台转动，其中，在传动轴的两侧设有对称的两个板簧，例如两个板簧设在传动轴的左右两侧，具体的，在板簧上设有可以沿着板簧的长度方向滑动的支点位移调整部件；在滑块平台设置了两个对称的滑槽，滑槽中设有滑块，例如两个滑槽设在传动轴的前后两侧，从而通过四根连杆依次将滑块①—支点位移调整部件①—滑块②—支点位移调整部件②—滑块①连接起来，四根连杆形成菱形平面四连杆结构。

进一步的，两个板簧分别通过板簧连接板连接至输出壳体，从而通过板簧的转动带动输出壳体的转动，完成扭矩的输出，其中，输出壳体为至少一侧开口的圆筒状；优选的，板簧连接板呈T字形，输出壳体上设有对称设置的两个通槽，板簧连接板固定在输出壳体上，并穿过通槽与板簧例如采用螺栓的方式固定连接；在传动轴转动过程中，滑块平台、滑块、四根连杆、板簧以及支点位移调整部件与传动轴转动，进而驱使输出壳体的转动，由于外部载荷的存在，支点位移调整部件与输出壳体之间的板簧会发生一定的变形，具体的，板簧的变形程度根据外部载荷的大小的变化而变化，从而实现关节的柔顺性。

为了实现本发明中关节刚度的主动调节，变刚度调节组件还包括螺纹杆和与螺纹杆连接的螺纹传动架，其中，输入法兰上设有对称的两个支撑板，螺纹杆沿着垂直于板簧所在平面贯穿传动轴，且螺纹杆的两端分别转动设在两个支撑板上，优选的，在螺纹杆与两个支撑板连接的位置均设置了轴套，以更好的实现螺纹杆的转动；螺纹传动架转动设置于螺纹杆上，并和滑槽中的滑块固定连接。具体的，螺纹杆包括依次连接的左旋螺纹段、光杆连接段和右旋螺纹段，光杆螺纹段设置于传动轴的内部，左旋螺纹段和右旋螺纹段对称设置于光杆连接段的两侧，且二者的长度相等。

本发明中刚度的主动调节过程为：通过例如刚度调节电机的方式驱动螺纹杆转动，螺纹杆的转动驱使两个螺纹传动架同时靠近或者远离传动轴运动，进一步带动两个滑块在滑块平台的滑槽中同时背向或者相向滑动，从而使两个支点位移调整部件沿着板簧同时背向或者相向滑动，改变支点位移调整部件和输出壳体连接点(具体指板簧连接板所在的位置)之间的距离，使板簧进行适应性的变形，以承载外部载荷，实现改变关节的刚度。

为了降低支点位移调整部件在沿着板簧长度方向滑动过程的摩擦阻力，作为本发明的上述方案的另一种具体实施方式，支点位移调整部件包括两个钢珠架、钢珠、用于将钢珠压至钢珠架的钢珠压板、上连接板和下连接板，两个钢珠架对称设置于板簧的两侧，并通过上连接板和下连接板相连接。优选的，钢珠架呈匚形状(具体例如一个上横板、一个竖板和一个下横板的布置方式)，在钢珠架靠近板簧的侧面设有多个圆弧沟槽，圆弧沟槽沿着板簧的长度方向设置，且圆弧沟槽中至少放置有两个钢珠，钢珠架与板簧之间存在间隙，例如1mm的间隙，以使钢珠与板簧之间接触，钢珠架靠近板簧的侧板与板簧之间不接触；再优选的，钢珠压板设有用于容纳钢珠的球面凹槽，球面凹槽与钢珠接触，钢珠压板与钢珠架的连接处设有间隙，例如0.5mm的间隙；支撑位移调整部件与板簧之间采用滚动形式，可减少摩擦带来的能量损耗，进一步提高能量利用率。

作为本发明的上述方案的又一种具体实施方式，输入控制端进一步包括与输入法兰固定连接的连接法兰，连接法兰与输出壳体之间通过交叉滚子轴承进行转动连接，其中，交叉滚子轴承主要承载输出壳体所受的外力；交叉滚子轴承包括轴承内圈和轴承外圈，连接法兰靠近输入法兰的一侧设有内挡圈，轴承内圈套在连接法兰的外侧，并与内挡圈相抵，轴承内圈与连接法兰之间紧配合连接；输出壳体内设有外挡圈，轴承外圈设置于输出壳体的内部，并与外挡圈相抵，轴承外圈与输出壳体之间紧配合连接。进一步的，输入控制端还包括轴承内圈定位环和轴承外圈定位环，轴承内圈定位环固定至连接法兰，并与轴承内圈的侧面相抵，轴承内圈设在轴承内圈定位环和内挡圈之间；轴承外圈定位环固定至输出壳体，并与轴承外圈的侧面相抵，轴承外圈设在轴承外圈定位环和外挡圈之间；其中，轴承外圈定位环设在轴承内圈定位环的外侧，二者均设在交叉滚子轴承远离输出壳体的一侧。本方案中的交叉滚子轴承主要承载输出壳体的负载。

本发明中的变刚度组件是具有力放大功能的机构，作为本发明的上述方案的再一种具体实施方式，设置于同一支点位移调整部件上的两根连杆之间的夹角小于90°，以使螺纹杆的驱动力得到放大，并通过连杆传递至支点位移调整部件，即对滑块施加小的驱动力，能够对支点位移调整部件产生较大的驱动力，采用较小的电机及减速装置即可满足需求，以更进一步简化整体结构。

本发明的有益之处在于：

1、本发明螺纹杆的两端分别采用左旋螺纹段和右旋螺纹段，分别实现对两个滑块的转动，具有传动角大、能量利用率高的特点；

2、变刚度组件具有力放大功能，对滑块施加小的驱动力，能够对支点位移调整部件产生较大的驱动力，采用较小的电机及减速装置即可满足需求，以更进一步简化整体结构；

3、支点位移调整部件与板簧之间，采用滚动形式的相对运动，减少运动的摩擦阻力，提高能量的利用率；

4、输入控制端和输出壳体之间采用交叉滚子轴承及多个定位部件，实现输出壳体与输入法兰之间的相对平稳的转动，进行扭矩的输出。

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明变刚度模块实施例1的整体结构示意图；

图2是本发明变刚度模块实施例1的变刚度组件的结构示意图；

图3是本发明变刚度模块实施例1的变刚度组件的部分结构示意图；

图4是本发明变刚度模块实施例1的支点位移调整部件的爆炸示意图；

图5是本发明变刚度模块实施例1的输出壳体的结构示意图；

图6是本发明变刚度模块实施例1的交叉滚子轴承处的连接示意图；

图7是本发明变刚度模块实施例1的变刚度组件力放大的原理示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种基于杠杆机构的变刚度模块，如图1－7所示，其包括：输出壳体1、输入控制端2和变刚度调节组件3。

其中，输入控制端2用于驱使输出壳体1围绕其回转中心转动，具体包括输入法兰4、滑块平台5和传动轴6，传动轴6在输入法兰4与滑块平台5之间，输入法兰4和传动轴6之间采用例如螺栓的方式固定连接，滑块平台5和传动轴6之间采用例如螺栓的方式固定连接；滑块平台5具体为一组对边为弧边的矩形状，其中弧边的弧度和输出壳体1相适应，例如上述弧边的圆心和输出壳体1的回转中心重合，其中，输出壳体1为一侧开口的圆筒状，变刚度调节组件3置于输出壳体1的内部，输出壳体1的一种具体结构如图1所示；在滑块平台5设有对称的两个滑槽7，滑槽7的槽向沿着传动轴6的径向方向设置；在输入法兰4上设有对称的两个支撑板8，支撑板8的具体位置例如设在滑块平台5的正下方。

变刚度调节组件3用于根据输出壳体1的实际需要调节关节的刚度值，具体包括两个滑块9、两个板簧10、一根螺纹杆11、两个螺纹传动架12和四根连杆13；具体的，两个滑块9分别滑动设置于滑块平台5的两个滑槽7中，两个板簧10对称设在传动轴6的两侧，并与传动轴6固定连接，每个板簧10上均设有支点位移调整部件14，支点位移调整部件14可以沿着板簧10的长度方向进行滑动，两个板簧10分别通过板簧连接板15连接至输出壳体1，从而通过板簧10的转动带动输出壳体1的转动，完成扭矩的输出；优选的，板簧连接板15呈T字形，输出壳体1上设有对称设置的两个通槽16，板簧连接板15固定在输出壳体1上，并穿过通槽16与板簧10例如采用螺栓的方式固定连接；

进一步的，螺纹杆11沿着垂直于板簧10所在平面贯穿传动轴6，且螺纹杆11的两端分别转动设在两个支撑板8上，优选的，在螺纹杆11与两个支撑板8连接的位置均设置了轴套17，以更好的实现螺纹杆11的转动；螺纹传动架12转动设置于螺纹杆11上，并和滑槽7中的滑块9固定连接。更具体的，螺纹杆11包括依次连接的左旋螺纹段、光杆连接段和右旋螺纹段，光杆螺纹段通过例如轴承的方式设置于传动轴6的内部，左旋螺纹段和右旋螺纹段对称设置于光杆连接段的两侧，且二者的长度相等。

每一连杆13的两端分别铰接至支点位移调整部件14和滑块9，四根连杆13依次将滑块①—支点位移调整部件①—滑块②—支点位移调整部件②—滑块①连接起来，四根连杆13形成菱形平面四连杆结构。本实施例中连杆13与支点位移调整部件14和滑块9的连接方式，可以采用例如图2所示的转轴与通孔的铰接方式，具体的，在转轴上设有对连杆13进行轴向固定的C型卡环。

为了降低支点位移调整部件14在沿着板簧10长度方向滑动过程的摩擦阻力，本实施例中的支点位移调整部件14采用滚动的形式，如图4所示，支点位移调整部件14包括两个钢珠架18、钢珠19、用于将钢珠19压至钢珠架18的钢珠压板20、上连接板21和下连接板22，两个钢珠架18对称设置于板簧10的两侧，并通过上连接板21和下连接板22相连接。优选的，钢珠架18呈匚形状，具体例如采用为一个上横板、一个竖板和一个下横板的布置方式，在钢珠架18靠近板簧10的侧面设有多个圆弧沟槽，圆弧沟槽沿着板簧10的长度方向设置，且圆弧沟槽中至少放置有两个钢珠19，钢珠架18与板簧10之间设有间隙，例如1mm间隙，且钢珠19与板簧10接触；再优选的，钢珠压板20设有用于容纳钢珠19的球面凹槽，球面凹槽与钢珠19接触，钢珠压板20与钢珠架18的连接处设有间隙，例如0.5mm间隙；支撑位移调整部件与板簧10之间采用滚动形式，可减少摩擦带来的能量损耗，进一步提高能量利用率。

本实施例中，为了实现输出壳体1和输入法兰4之间的同步或者异步转动，具体的，输入控制端2包括与输入法兰4固定连接的连接法兰23、轴承内圈定位环24和轴承外圈定位环25，连接法兰23与输出壳体1之间通过交叉滚子轴承26进行转动连接；交叉滚子轴承26包括轴承内圈和轴承外圈，连接法兰23靠近输入法兰4的一侧设有内挡圈27，轴承内圈套在连接法兰23的外侧，并与内挡圈27相抵，轴承内圈与连接法兰23之间紧配合连接，轴承内圈定位环24固定至连接法兰23，并与轴承内圈的侧面相抵，轴承内圈设在轴承内圈定位环24和内挡圈27之间；输出壳体1内设有外挡圈28，轴承外圈设置于输出壳体1的内部，并与外挡圈28相抵，轴承外圈与输出壳体1之间紧配合连接，轴承外圈定位环25固定至输出壳体1，并与轴承外圈的侧面相抵，轴承外圈设在轴承外圈定位环25和外挡圈28之间；其中，轴承外圈定位环25设在轴承内圈定位环24的外侧，二者均设在交叉滚子轴承26远离输出壳体1的一侧。

本实施例的运动传递过程为：

当外部驱动电机驱动输入法兰4转动，输入法兰4带动传动轴6和滑块平台5的转动，在整体结构不处于刚度调节状态下(即输出扭矩可以抵消外部载荷时)，滑块平台5和传动轴6带动滑块9、连杆13、板簧10和支点位移调整部件14转动，板簧10将运动传递给板簧连接板15，从而将运动传递给输出壳体1，完成运动的传递。

本实施例的变刚度模块柔顺性的实现过程为：

在输入法兰4驱使传动轴6的转动过程中，滑块平台5、滑块9、四根连杆13、板簧10以及支点位移调整部件14与传动轴6转动，进而驱使输出壳体1的转动，由于外部载荷的存在，支点位移调整部件14与输出壳体1之间的板簧10会发生一定的变形，其中，板簧10的变形程度根据外部载荷的变化而变化，从而实现关节的柔顺性。

本实施例中刚度的主动调节过程为：

通过例如刚度调节电机的方式驱动螺纹杆11转动，螺纹杆11的转动驱使两个螺纹传动架12同时靠近或者远离传动轴6运动，进一步带动两个滑块9在滑块平台5的滑槽7中同时背向或者相向滑动，从而使两个支点位移调整部件14沿着板簧10同时背向或者相向滑动，改变支点位移调整部件14和输出壳体1连接点(具体指板簧连接板15所在的位置)之间的距离，使板簧10进行适应性变形，并承载外部载荷，实现改变关节的刚度。

本实施例中的变刚度调节组件具有力放大功能，力放大的原理如图7所示，对其中一根连杆AB进行受力分析(图中箭头A1表示板簧的长度方向，也是支点位移调整部件的运动方向；箭头A2表示螺纹杆的方向，也是主动调节过程的驱动方向)：

对于A点(连杆和支点位移调整部件的连接点)：

其中F_x为连杆(11)驱动支点位移调整部件所产生的驱动力；

对于B点(连杆和滑块的连接点)：

其中F_y′为滑块(10)所产生的驱动力；

根据F_A＝F_B可推出：

由于变刚度模块若要进行力放大所需的约束条件为：F_x>F_y′，

则可推出力放大所需的约束条件为：即设置于同一支点位移调整部件上的两根连杆之间的夹角小于90°。

两根连杆之间具体的夹角角度可以根据不同的选型或者设计要求进行适应性设计，以使螺纹杆11的驱动力得到放大，并通过连杆13传递至支点位移调整部件14，即对滑块9施加小的驱动力，能够对支点位移调整部件14产生较大的驱动力，采用较小的外部驱动电机及减速装置即可满足需求，以更进一步简化整体结构。

本实施例中所提及到的术语“刚度调节电机”和“外部驱动电机”，主要作用是作为动力源存在，因此，不能理解为对本发明的限制，并应对其作广义的理解，例如实现驱动螺纹杆转动的电机即为刚度调节电机，对于本领域的技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义，为更好的显示变刚度模块的整体结构，二者不在图中进行显示。

虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种基于杠杆机构的变刚度模块，包括：输出壳体、输入控制端和设置于所述输出壳体内部的变刚度调节组件，其特征在于，所述输入控制端用于驱使所述输出壳体围绕其回转中心转动，所述变刚度调节组件用于根据所述输出壳体的实际需要调节关节的刚度值；

所述输入控制端包括输入法兰、滑块平台和固定设置于所述输入法兰与所述滑块平台之间的传动轴；

所述变刚度调节组件包括滑块、两个板簧、螺纹杆、螺纹传动架和四根连杆；

其中，所述滑块平台设有对称的两个滑槽，每个所述滑槽中均设有所述滑块；两个所述板簧对称设在所述传动轴的两侧，并与所述传动轴固定连接，每个所述板簧上均设有支点位移调整部件，两个所述板簧分别通过板簧连接板连接至所述输出壳体；

所述输入法兰上设有对称的两个支撑板，所述螺纹杆沿着垂直于所述板簧所在平面贯穿所述传动轴，且所述螺纹杆的两端分别转动设在两个所述支撑板上；所述螺纹传动架转动设置于所述螺纹杆上，并和所述滑块固定连接；

每一所述连杆的两端分别铰接至所述支点位移调整部件和所述滑块，四根所述连杆形成菱形四连杆结构；

所述螺纹杆的转动驱使两个所述螺纹传动架同时靠近或者远离所述传动轴运动，进一步带动两个所述滑块在所述滑槽中同时背向或者相向滑动，从而使两个所述支点位移调整部件沿着所述板簧同时背向或者相向滑动。

2.如权利要求1所述的基于杠杆机构的变刚度模块，其特征在于，所述支点位移调整部件包括两个钢珠架、钢珠、用于将所述钢珠压至所述钢珠架的钢珠压板、上连接板和下连接板，两个所述钢珠架对称设置于所述板簧的两侧，并通过所述上连接板和所述下连接板相连接。

3.如权利要求2所述的基于杠杆机构的变刚度模块，其特征在于，所述钢珠架呈匚形状，其中：

所述钢珠架靠近所述板簧的侧面设有多个圆弧沟槽，所述圆弧沟槽沿着所述板簧的长度方向设置，且所述圆弧沟槽中至少放置有两个所述钢珠，所述钢珠架与所述板簧之间存在间隙，且所述钢珠与所述板簧接触。

4.如权利要求3所述的基于杠杆机构的变刚度模块，其特征在于，所述钢珠压板设有用于容纳所述钢珠的球面凹槽，所述球面凹槽与所述钢珠接触，所述钢珠压板与所述钢珠架的连接处存在间隙。

5.如权利要求1所述的基于杠杆机构的变刚度模块，其特征在于，所述输入控制端进一步包括与所述输入法兰固定连接的连接法兰，所述连接法兰与所述输出壳体之间通过交叉滚子轴承进行转动连接；所述交叉滚子轴承用于承载输出壳体所受的外力，其包括轴承内圈和轴承外圈，所述连接法兰靠近所述输入法兰的一侧设有内挡圈，所述轴承内圈套在所述连接法兰的外侧，并与所述内挡圈相抵，所述轴承内圈与所述连接法兰之间紧配合连接；所述输出壳体内设有外挡圈，所述轴承外圈设置于所述输出壳体的内部，并与所述外挡圈相抵，所述轴承外圈与所述输出壳体之间紧配合连接。

6.如权利要求5所述的基于杠杆机构的变刚度模块，其特征在于，所述输入控制端还包括轴承内圈定位环和轴承外圈定位环，所述轴承内圈定位环固定至所述连接法兰，并与所述轴承内圈的侧面相抵，所述轴承内圈设在所述轴承内圈定位环和所述内挡圈之间；所述轴承外圈定位环固定至所述输出壳体，并与所述轴承外圈的侧面相抵，所述轴承外圈设在所述轴承外圈定位环和所述外挡圈之间。

7.如权利要求1所述的基于杠杆机构的变刚度模块，其特征在于，设置于同一所述支点位移调整部件上的两根所述连杆之间的夹角小于90°，以使所述螺纹杆的驱动力得到放大，并通过所述连杆传递至所述支点位移调整部件。

8.如权利要求1所述的基于杠杆机构的变刚度模块，其特征在于，所述板簧连接板呈T字形，所述输出壳体上设有对称设置的两个通槽，所述板簧连接板固定在所述输出壳体上，并穿过所述通槽与所述板簧固定连接。

9.如权利要求1所述的基于杠杆机构的变刚度模块，其特征在于，所述螺纹杆包括依次连接的左旋螺纹段、光杆连接段和右旋螺纹段，所述光杆螺纹段设置于所述传动轴的内部，所述左旋螺纹段和所述右旋螺纹段对称设置于所述光杆连接段的两侧，且二者的长度相等。

10.如权利要求1所述的基于杠杆机构的变刚度模块，其特征在于，所述支撑板中设有用于承载所述螺纹杆的轴套。