CN109483590B - 空间可控时变刚度柔性关节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间可控时变刚度柔性关节装置，包括转动输入组件、转动输出组件、设置在转动输入组件和转动输出组件之间的旋转机构，所述旋转机构包括端曲面齿轮、与端曲面齿轮啮合的至少两个从动齿轮、用于为从动齿轮提供沿端曲面齿轮轴向的弹力使从动齿轮与端曲面齿轮保持啮合的弹性组件，所述端曲面齿轮与转动输入组件固定连接，所述弹性组件的一端与从动齿轮转动配合，另一端与转动输出组件固定连接。该新型变刚度柔性关节能够满足柔性机械臂的需求,提高了柔性关节在大载荷、高精度领域的应用。

Description

空间可控时变刚度柔性关节装置

技术领域

本发明涉及机器人连接关节驱动机构领域，具体涉及一种空间可控时变刚度柔性关节装置。

背景技术

机器人连接关节驱动机构的性能是影响机器人综合性能指标的内因所在,它决定了机器人在特殊复杂的工况环境下运行的环境适应性、可靠性等。目前的机器人关节驱动机构大多选用连杆加弹簧的运动形式，其承载和定位是靠弹簧的拉伸与连杆的旋转组合来实现，这种方式不能承受大负载、定位不精确。作为一种组合传动机构，通常随着运动规律和轨迹要求的复杂性增加，组合机构的零部件数量也随之增多，结构也随之变得复杂，而机构可靠性往往随之下降，同时会出现摩擦、发热，磨损厉害、寿命短等问题。可变刚度柔性关节是一种刚度可以人为调节的柔性驱动器。柔性驱动器的概念与刚性驱动器对应，柔性驱动器由于固有的柔顺性，当输出负载为零时驱动器位于平衡位置，在外力作用下将发生偏移。现有的被动柔性关节普遍存在抗干扰能力即稳定性较差，承载能力不够，难以应用于重载飞行器和地面移动平台上；且由于主要零部件始终处于拉伸或反复拉压状态，寿命也不足，结构形式较为固定，刚度调节困难。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种空间可控时变刚度柔性关节装置，可以提高变刚度柔性关节的使用范围、承载能力和抗干扰能力。

空间可控时变刚度柔性关节装置，包括转动输入组件、转动输出组件、设置在转动输入组件和转动输出组件之间的旋转机构，所述旋转机构包括端曲面齿轮、与端曲面齿轮啮合的至少两个从动齿轮、用于为从动齿轮提供沿端曲面齿轮轴向的弹力使从动齿轮与端曲面齿轮保持啮合的弹性组件，所述端曲面齿轮与转动输入组件固定连接，所述弹性组件的一端与从动齿轮转动配合，另一端与转动输出组件固定连接。

进一步，所述从动齿轮在端曲面齿轮节曲线上圆周等角度分布，每一个从动齿轮对应一个弹性组件。

进一步，所述弹性组件包括支架和弹簧，所述弹簧设置在支架和转动输出组件之间并为支架提供沿端曲面齿轮轴向的弹力，所述支架与从动齿轮转动配合并通过弹簧将从动齿轮与端曲面齿轮保持啮合。

进一步，所述弹性组件还包括用于弹簧导向的导向杆，所述支架可沿端曲面齿轮轴向移动的方式与所述导向杆连接。

进一步，所述转动输出组件包括输出轴及与之固定连接并进行同步转动的上底板，所述导向杆的一端通过法兰与所述上底板固定连接，另一端设置有长孔，所述支架包括支架本体，所述支架本体上一体成型设置有用于与从动齿轮转动配合的连接部以及与所述导向杆的长孔配合的光杆，所述弹簧外套设置在光杆和导向杆外，上下两端分别通过法兰和连接部进行限位。

进一步，所述转动输入组件包括输入轴及与之固定连接并进行同步转动的下底板，所述下底板与端曲面齿轮固定连接，所述上底板和下底板之间设置有中间轴,所述中间轴与上底板固定连接，所述中间轴与下底板转动连接且轴向定位。

进一步，所述柔性关节装置还包括外壳，所述外壳为上端开口的圆筒状，所述旋转机构设置在外壳内,所述外壳的底部固定设置在端曲面齿轮和下底板之间，所述端曲面齿轮中间通孔，外壳的中部向上一体形成用于与中间轴转动配合的台座。

进一步，所述从动齿轮为直齿圆柱齿轮。

进一步，从动齿轮的齿数z取值范围，

式中，r是从动齿轮的节曲线半径，m是从动齿轮的模数；r_e是指端曲面齿轮节曲线的瞬时等效半径，r_e'和r_e″分别是瞬时等效半径r_e的一阶导数和二阶导数。

本发明的有益效果：本发明通过引入端曲面齿轮副，创新性地在柔性关节中采用齿轮副代替现有摩擦副，提高精度和承载能力的同时使得刚度变化规律的主要导向原理(共轭接触面)没有直接相互作用，延长了关节使用寿命。考虑到端曲面齿轮副轮齿重合度，各啮合轮齿在进入啮合和退出啮合时的齿轮副系统刚度具有明显突变，该突变刚度使得端曲面齿轮副能够适应较大的瞬时冲击，同时单齿啮合状态下的较小刚度能够为系统提供一定的抗干扰稳定能力，因此，该新型变刚度柔性关节具有大载荷、高精度以及一定的抗干扰能力。

曲面齿轮副轮齿参数(齿数、模数等)、从动轮和弹簧组成的从动机构组数可以根据工作的载荷环境进行调节，且所有压缩弹簧和小齿轮移动方向均与从动轴轴线平行，在端曲面齿轮上节曲线上呈圆周等分数分布，并始终与端曲面齿轮保持啮合，在改善承载能力和抗干扰能力的同时防止端曲面齿轮副承受过大的偏载。

本发明的基于端曲面齿轮可变刚度的柔性关节,端曲面齿轮与输入轴固连作为输入端；上底板与输出轴固连作为输出端,上底板通过输出轴将负载传递到含弹簧、从动齿轮和端曲面齿轮的中间组件，通过从动齿轮沿端曲面齿轮空间节曲线的纯滚动压缩弹簧实现刚度的改变，并且通过安装不同组数的从动机构改变柔性关节的刚度范围，通过改变端曲面齿轮副的齿数、模数等轮齿参数改变端曲面齿轮副啮合轮齿的等效刚度,从而达到实现系统整体刚度的微调,同时其单齿啮合状态下的较小刚度和双齿啮合时的较大刚度突变阀值能够为系统提供一定的抗干扰稳定能力，因此，该新型变刚度柔性关节能够满足柔性机械臂的需求,提高了柔性关节在大载荷、高精度领域的应用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为旋转机构的结构示意图；

图2为本发明内部结构的装配示意图；

图3为外壳的装配示意图；

图4为从动齿轮的运动状态示意图；

图5和图6为从动齿轮运动规律的示意图；

图7为端曲面齿轮节曲线展开线的示意图；

图8为端曲面齿轮轮齿模型；

图9为端曲面齿轮的齿根截面；

图10为端曲面齿轮啮合齿轮对的刚度变化示意图；

图11为多组从动机构刚度变化示意图。

具体实施方式

图1为旋转机构的结构示意图，图2为本发明内部结构的装配示意图，图3为外壳的装配示意图。空间可控时变刚度柔性关节装置，包括转动输入组件1、转动输出组件3、设置在转动输入组件1和转动输出组件3之间的旋转机构，所述旋转机构包括端曲面齿轮21、与端曲面齿轮21啮合的至少两个从动齿轮22、用于为从动齿轮22提供沿端曲面齿轮21的轴向的弹力使从动齿轮22与端曲面齿轮21保持啮合的弹性组件23，所述端曲面齿轮21与转动输入组件1固定连接，所述弹性组件23的一端与从动齿轮22转动配合，另一端与转动输出组件3固定连接。外部载荷带动从动齿轮22在端曲面齿轮21上做啮合运动，由于端曲面齿轮21的节曲线为空间曲线，故从动齿轮22会同时进行旋转运动和轴向运动。本实施例中，在转动的过程中，整体刚度不断变化，因而在轴向上设置了弹性组件23，存在最大的刚度支撑力，转动输入组件1即可将转动力传输给转动输出组件3上。

本实施例中，所述从动齿轮22在端曲面齿轮21节曲线上等分数分布，每一个从动齿轮22对应一个弹性组件23。等分数分布即各从动齿轮22在与端曲面齿轮21啮合的同时，在投影在端曲面齿轮21端面的圆周上是均布的。

本实施例中，所述弹性组件23包括支架231和弹簧232，所述弹簧232设置在支架231和转动输出组件3之间并为支架231提供沿端曲面齿轮21的轴向的弹力，所述支架231与从动齿轮22转动配合并通过弹簧232将从动齿轮22与端曲面齿轮21保持啮合。所述弹性组件23还包括用于弹簧232导向的导向杆233，所述支架231可沿端曲面齿轮21的轴向移动的方式与所述导向杆233连接。所述转动输出组件3包括输出轴31及与之固定连接并进行同步转动的上底板32，所述导向杆233的一端通过法兰234与所述上底板32固定连接，另一端设置有长孔，所述支架231包括支架本体，所述支架本体上一体成型设置有用于与从动齿轮转动配合的连接部以及与所述导向杆233的长孔配合的光杆235，所述弹簧232外套设置在光杆235和导向杆233外，上下两端分别通过法兰234和连接部进行限位。

本实施例中，所述转动输入组件1包括输入轴11及与之固定连接并进行同步转动的下底板12，所述下底板12与端曲面齿轮21固定连接，所述上底板32和下底板12之间设置有中间轴4。所述柔性关节装置还包括外壳5，所述外壳5为上端开口的圆筒状，所述旋转机构设置在外壳5内,所述外壳5的底部固定设置在端曲面齿轮21和下底板12之间，所述端曲面齿轮21中间通孔，外壳5的中部向上一体形成用于与中间轴4转动配合的台座51。外壳用于保护旋转机构的外围。中间轴4的上端与上底板12固定连接，下端与台座51转动配合连接且轴向定位，可以理解，在不用外壳5的时候，中间轴4的下端可与下底板12转动配合连接。

本实施例中，所述从动齿轮22为直齿圆柱齿轮。并根据直齿圆柱齿轮进行分析。如图4所示，当端曲面齿轮21等速回转时，从动齿轮22在平行于凸轮轴线的圆柱面内沿端曲面齿轮21节曲线作纯滚动，因此，从动齿轮的运动状态是旋转加移动的空间运动。从动齿轮22与端曲面齿轮21始终做纯滚动，同时还伴有其在端曲面齿轮21所在圆柱面上的轴向移动；其运动规律为图5和6所示的周期性地往复运动。

从动齿轮22始终通过随动轴与弹簧232连接，提供必要的回复力和刚度，保证端曲面齿轮21与从动齿轮22即主动轮始终保持啮合。由变刚度关节各机构之间的相互关系可知，由于端曲面齿轮21的节曲线为空间任意曲线，其转角与从动齿轮22的位移为非线性关系。在关节运动的过程中，从动齿轮22始终与端曲面齿轮21相切，根据节曲线相切得到在任一啮合位置P点处的夹角

为

此时弹簧232的长度为

根据此时弹簧232的长度、弹性势能与瞬时力矩、瞬时刚度的相互关系得到该装置的瞬时力矩T_s(θ₁)、瞬时刚度k_s(θ₁)；

定义端曲面齿轮21节曲线的影响参数有偏心率e、幅值L(θ₁)、阶数n，得到单组从动齿轮22弹簧变刚度组件的刚度变化特性及组件各参数变化对关节整体刚度的影响特性。随着行程和偏心率的改变，关节刚度范围改变，同一转角θ₁下的瞬时力矩和瞬时刚度也改变，扩大了该空间可控刚度柔性关节的适用范围。

建立空间三维直角坐标系，确定一个圆柱面和两个底面，根据载荷范围、尺寸与关节刚度范围的关系，计算端曲面齿轮21节曲线方程；并根据一对共轭啮合齿轮啮合时两节曲线作纯滚动的原理，计算主动圆柱齿轮节曲线方程。

首先根据关节整体尺寸要求设置参数L_s、其次根据关节设计要求的刚度上下极限值k_s-min和k_s-max设置D值及行程极限值L(θ₁)_max并选定适配的弹簧。端曲面齿轮的节曲线是空间任意曲线，在设计过程中需要根据实际需要的刚度特性指定一些特殊点进行反求、拟合，特殊点越多需要的节曲线展开方程的数量就越多，满足展开线方程数量与特殊点数量一一对应。根据设计要求中n个特殊点位置与转角θ_i的关系

对其进行求解即可得到端曲面齿轮节曲线展开方程，如图7所示。

再将面齿轮平面齿顶与齿根曲线转化成圆柱面曲线，最终可以得到端曲面齿轮的齿顶和齿根曲线参数方程。由于端曲面齿轮21的节曲线为空间任意曲线，其上各点的曲率半径不同，若与之啮合的圆柱齿轮半径过大，将出现不完全啮合状态，不符合齿轮正确啮合条件，从而限制从动齿轮22的齿数z取值范围

结合主从动轮节曲线和抗干扰、精度要求等条件设置齿轮副模数、齿顶系数等相关参数，对柔性关节刚度进行微调。在轮齿啮合过程中，将轮齿简化为图8和9所示的悬臂模型，其截面可以近似为等腰梯形。设齿宽为b，齿根截面内端宽度为c，外端宽度为d。

忽略啮合点处引起的齿面变形。设接触力在轮齿对称面法向分量为F，该力在悬臂杆的根部会产生一个弯矩M_x，通过应力和弯矩之间的关系得到该轮齿在任一啮合点处的刚度K_g；最终得到端曲面齿轮21啮合齿轮对的刚度变化如图10所示。

本发明引入端曲面齿轮副，创新性地在柔性关节中采用齿轮副代替现有摩擦副，提高精度和承载能力的同时使得刚度变化规律的主要导向原理(共轭接触面)没有直接相互作用，延长了关节使用寿命。考虑到端曲面齿轮副轮齿重合度，各啮合轮齿在进入啮合和退出啮合时的齿轮副系统刚度具有明显突变，该突变刚度使得端曲面齿轮副能够适应较大的瞬时冲击，同时单齿啮合状态下的较小刚度能够为系统提供一定的抗干扰稳定能力，因此，该新型变刚度柔性关节具有大载荷、高精度以及一定的抗干扰能力。

端曲面齿轮副轮齿参数(齿数、模数等)、从动轮和弹簧组成的从动机构组数可以根据工作的载荷环境进行调节，且所有压缩弹簧和小齿轮移动方向均与从动轴轴线平行，在端曲面齿轮上节曲线上呈圆周等分数分布，并始终与端曲面齿轮保持啮合，在改善承载能力和抗干扰能力的同时防止端曲面齿轮副承受过大的偏载。

如图11所示，为增强端曲面齿轮变刚度关节的整体刚度，可以采取多组从动机构在端曲面齿轮节曲线上等分数分布形式对刚度范围进行扩大，使其使用于大载荷、高刚度需求的环境。综上，得到基于端曲面齿轮副的变刚度柔性关节主体结构，结合驱动电机、输出力臂即可得到完整的端曲面齿轮副变刚度柔性关节模型。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.空间可控时变刚度柔性关节装置，其特征在于：包括转动输入组件、转动输出组件、设置在转动输入组件和转动输出组件之间的旋转机构，所述旋转机构包括端曲面齿轮、与端曲面齿轮啮合的至少两个从动齿轮、用于为从动齿轮提供沿端曲面齿轮轴向的弹力使从动齿轮与端曲面齿轮保持啮合的弹性组件，所述端曲面齿轮与转动输入组件固定连接，所述弹性组件的一端与从动齿轮转动配合，另一端与转动输出组件固定连接。

2.根据权利要求1所述的空间可控时变刚度柔性关节装置，其特征在于：所述从动齿轮在端曲面齿轮节曲线上圆周等角度分布，每一个从动齿轮对应一个弹性组件。

3.根据权利要求2所述的空间可控时变刚度柔性关节装置，其特征在于：所述弹性组件包括支架和弹簧，所述弹簧设置在支架和转动输出组件之间并为支架提供沿端曲面齿轮轴向的弹力，所述支架与从动齿轮转动配合并通过弹簧将从动齿轮与端曲面齿轮保持啮合。

4.根据权利要求3所述的空间可控时变刚度柔性关节装置，其特征在于：所述弹性组件还包括用于弹簧导向的导向杆，所述支架可沿端曲面齿轮轴向移动的方式与所述导向杆连接。

5.根据权利要求4所述的空间可控时变刚度柔性关节装置，其特征在于：所述转动输出组件包括输出轴及与之固定连接并进行同步转动的上底板，所述导向杆的一端通过法兰与所述上底板固定连接，另一端设置有长孔，所述支架包括支架本体，所述支架本体上一体成型设置有用于与从动齿轮转动配合的连接部以及与所述导向杆的长孔配合的光杆，所述弹簧外套设置在光杆和导向杆外，所述弹簧的上下两端分别通过法兰和连接部进行限位。

6.根据权利要求5所述的空间可控时变刚度柔性关节装置，其特征在于：所述转动输入组件包括输入轴及与之固定连接并进行同步转动的下底板，所述下底板与端曲面齿轮固定连接，所述上底板和下底板之间设置有中间轴,所述中间轴与上底板固定连接，所述中间轴与下底板转动连接且轴向定位。

7.根据权利要求6所述的空间可控时变刚度柔性关节装置，其特征在于：所述柔性关节装置还包括外壳，所述外壳为上端开口的圆筒状，所述旋转机构设置在外壳内,所述外壳的底部固定设置在端曲面齿轮和下底板之间，所述端曲面齿轮中间通孔，外壳的中部向上一体形成用于与中间轴转动配合的台座。

8.根据权利要求4所述的空间可控时变刚度柔性关节装置，其特征在于：所述从动齿轮为直齿圆柱齿轮。

9.根据权利要求8所述的空间可控时变刚度柔性关节装置，其特征在于：从动齿轮的齿数z取值范围，

式中，r是从动齿轮的节曲线半径，m是从动齿轮的模数；r_e是指端曲面齿轮节曲线的瞬时等效半径，r_e'和r_e”分别是瞬时等效半径r_e的一阶导数和二阶导数。

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