CN109877874A

CN109877874A - 一种基于对称式曲柄滑块机构的变刚度关节

Info

Publication number: CN109877874A
Application number: CN201910340621.7A
Authority: CN
Inventors: 魏世民; 喻洋; 张英坤; 杨政; 盛海燕; 朱赣闽; 陈冠男
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2019-04-25
Filing date: 2019-04-25
Publication date: 2019-06-14

Abstract

本发明属于机械工程领域，具体的说，涉及一种基于对称式曲柄滑块机构的变刚度关节。其中，关节驱动电机、连接架、减速器、连接法兰、输入盘、固定环、输出盘、输出杆、板簧共同组成关节位置调节装置，板簧中心与输入盘固连，板簧两端与输出盘两侧弧面槽孔有接触，固定环与输入盘固连，可使输出盘轴向固定；刚度调节电机与输入盘固连，经过圆柱齿轮、短连杆、长连杆、板簧夹具组件，共同组成曲柄滑块机构，用来调节关节刚度，曲柄滑块机构共一对，通过齿轮传动相对板簧中心对称运动。本发明结构设计简单，使变刚度关节体积更小；关节位置和关节刚度可独立调节；输出刚度具有大范围连续性变化特点，可以满足仿人机械臂的柔性需要。

Description

一种基于对称式曲柄滑块机构的变刚度关节

技术领域

本发明属于机械工程领域，具体涉及一种基于对称式曲柄滑块机构的变刚度关节。

背景技术

近年来，随着工业的发展和科技的进步，机器人技术成为了推动智能制造的重要力量，柔性仿人机械臂是机器人未来发展的趋势之一，将在家庭服务机器人、工业机器人及航空航天等众多应用领域发挥重要作用。目前柔性仿人机械臂在结构拟人化方面还存在诸多不足，而柔性关节驱动的成熟度是一项能体现机械臂拟人化水平的关键技术指标，变刚度关节驱动器作为柔性关节驱动的一种重要方式，现阶段其设计主要存在以下缺陷：

1、结构设计大多过于复杂，因此所设计的变刚度关节尺寸较大，不易很好地运用到小型机械臂上。

2、变刚度关节的位置调节和刚度调节大多存在耦合，关节位置变化的同时往往会对关节的刚度造成影响，甚至于关节刚度只能被动调节，因此不能很好的实现变刚度关节位置和刚度的独立调节。

3、变刚度关节的刚度调节范围越大，越能满足仿人机械臂的实际柔性需求，但现有的变刚度关节的刚度调节范围还有待改善。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种基于对称式曲柄滑块机构的变刚度关节，其结构设计相对简单，体积更小，且关节的位置和刚度能够分别独立调节，输出刚度可以连续性大范围变化，因此能够满足仿人机械臂的柔性需求。

本发明的技术方案是：基于对称式曲柄滑块机构的变刚度关节，包括关节驱动电机、连接架、减速器、连接法兰、输入盘、固定环、输出盘、输出杆、刚度调节电机、圆柱齿轮、短连杆、长连杆、铰接柱、板簧滑块、板簧、支撑轴、深沟球轴承、套筒；关节驱动电机、连接架、减速器、连接法兰、输入盘、板簧、输出盘、输出杆共同组成关节位置调节装置，其中，连接法兰、输入盘与固定环通过螺栓连接，输出盘底部被轴向固定在输入盘的圆形凹槽内，板簧中心与输入盘的板簧固定轴通过螺栓连接，板簧两端与输出盘两侧的弧面槽孔有接触，输出盘与输出杆通过螺钉固定连接；板簧滑块、支撑轴、深沟球轴承、套筒共同组成板簧夹具组件，其中，支撑轴固连在板簧滑块上，深沟球轴承、套筒安装在支撑轴上，板簧夹具组件属于对称式结构，与板簧两侧面通过深沟球轴承外圈进行接触；刚度调节电机、输入盘、圆柱齿轮、短连杆、长连杆、铰接柱、板簧夹具组件、板簧共同组成关节刚度调节装置，其中，刚度调节电机固定在输入盘连接板上，与圆柱齿轮连接，圆柱齿轮输出轴与短连杆通过螺钉固连，短连杆与长连杆通过铰接柱连接，长连杆与板簧滑块输出轴铰接，板簧滑块与输入盘凸台凹槽进行面接触，只能在凹槽中左右滑动，整个关节刚度调节装置属于一种曲柄滑块机构，共一对，通过齿轮啮合传动，对称分布在板簧中心两侧。

所述输入盘为圆盘结构，上端面有圆形凹槽与限位挡板，用于与输出盘底部外径配合，并对输出盘与输入盘的相对转角限位；另外，还有刚度调节电机连接板，带凹槽的板簧夹具滑动凸台，凸台上有一用来固定板簧的板簧固定轴，整个输入盘结构是一体的。

所述板簧滑块下端为一方形块，可与输入盘凸台凹槽进行面接触，上端为一带有螺纹孔的阶梯轴，中间有一方形通孔，用于通过板簧，上下面各有两个对称通孔，用于连接支撑轴、套筒及深沟球轴承。

所述板簧为一扁平长方体结构，材料为弹簧钢，具有一定的弹性，可以发生弹性变形，中心开一孔，用于固定在输入盘凸台板簧固定轴上。

本发明采用了两个电机，分别实现了关节位置的调节和关节刚度的调节，并通过对称式曲柄滑块机构实现了关节输出刚度的连续性变化，本发明的有益效果在于：1、采用对称式曲柄滑块机构使整个变刚度关节结构设计更加简单，节省了工作空间；2、关节刚度调节与位置调节相互独立，在允许范围内，可在任意关节位置调整所需要的关节刚度；3、输出刚度的大范围连续性变化特点，能更好的满足仿人机械臂的柔性需求。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

其中，1、关节驱动电机；2、连接架；3、减速器；4、连接法兰；5、输入盘；6、固定环；7、输出盘；8、输出杆。

图2是变刚度关节对称式曲柄滑块机构的结构示意图。

其中，4、连接法兰；5、输入盘；6、固定环；9、刚度调节电机；10、圆柱齿轮；11、短连杆；12、长连杆；13、铰接柱；14、板簧滑块；15、板簧。

图3是板簧夹具组件的结构示意图。

其中，14、板簧滑块；16、支撑轴；17、深沟球轴承；18、套筒。

图4是输入盘结构示意图。

图5是输出盘结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图具体说明本发明。

结合图1、图2、图3、图4、图5，本发明包括关节驱动电机1、连接架2、减速器3、连接法兰4、输入盘5、固定环6、输出盘7、输出杆8、刚度调节电机9、圆柱齿轮10、短连杆11、长连杆12、铰接柱13、板簧滑块14、板簧15、支撑轴16、深沟球轴承17、套筒18；关节驱动电机1、连接架2、减速器3、连接法兰4、输入盘5、固定环6、输出盘7、输出杆8及板簧15共同组成关节位置调节装置，其中，连接法兰4、输入盘5与固定环6通过螺栓连接，输出盘7底部被轴向固定在输入盘5的圆形凹槽内，板簧15中心与输入盘5的板簧固定轴通过螺栓连接，板簧15两端与输出盘7两侧的弧面槽孔有接触，输出盘7与输出杆8通过螺钉固定连接；板簧滑块14、支撑轴16、深沟球轴承17、套筒18共同组成板簧夹具组件，其中，支撑轴16固连在板簧滑块14上，深沟球轴承17、套筒18安装在支撑轴16上，板簧夹具组件属于对称式结构，与板簧15两侧面通过深沟球轴承17外圈接触；刚度调节电机9、输入盘5、圆柱齿轮10、短连杆11、长连杆12、铰接柱13、板簧夹具组件、板簧15共同组成关节刚度调节装置，其中，刚度调节电机9固定在输入盘5连接板上，与圆柱齿轮10连接，圆柱齿轮10输出轴与短连杆11通过螺钉固连，短连杆11与长连杆12通过铰接柱13连接，长连杆12与板簧滑块14输出轴铰接，板簧滑块14与输入盘5的凸台凹槽进行面接触，只能在凹槽中左右滑动，整个关节刚度调节装置属于一种曲柄滑块机构，共一对，通过齿轮啮合传动，对称分布在板簧15中心两侧。

本发明的工作原理如下：

关节驱动电机1经过减速器3可带动输入盘5转动，由于板簧15与输入盘5固连，输入盘5的转动可带动板簧15一起转动，板簧15两端与输出盘7两侧的弧面槽孔有接触，输出杆8与输出盘7固连，所以驱动关节驱动电机1后，输出杆8会随之转动。

驱动刚度调节电机9后，由于刚度调节电机9与圆柱齿轮10固连，圆柱齿轮10会随之转动，并带动短连杆11一起转动，由于短连杆11与长连杆12铰接，长连杆12与板簧滑块14铰接，短连杆11与长连杆12、长连杆12与板簧滑块14可分别实现相对转动，因此，当驱动刚度调节电机9后，板簧滑块14可在输入盘5的凸台凹槽中左右移动，致使深沟球轴承17外圈与板簧15两侧面的接触位置可以在一定范围内变化，所谓接触位置即板簧15与板簧夹具组件的接触力支点，由于所设计的曲柄滑块机构共一对，通过齿轮啮合相对于板簧15左右对称，所以，驱动刚度调节电机9可同时使板簧15两侧的接触力支点对称移动。

当关节驱动电机1停转，外力驱动输出杆8转动，在同样的外力矩作用下，板簧15与板簧夹具组件的接触力支点位置不同，根据杠杆原理，输出盘7在外力下的被迫转动角度就不同，所表现出来的关节刚度也不同，因此，关节刚度可实现独立调节；单独驱动关节驱动电机1，输出杆8会随之转动，但板簧15与板簧夹具组件的接触力支点位置不同，关节刚度值不同，输出杆8的力矩输出特性及速度特性会随之改变；由于关节位置和关节刚度可独立调节，因此，可在不同的关节位置实时调节关节刚度，以适应工作环境的需要。

以上对本发明所提供的一种基于对称式曲柄滑块机构的变刚度关节，进行了详细介绍，任何人根据本发明的内容对本发明做出的些许简单修改及变形均落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于对称式曲柄滑块机构的变刚度关节，其特征在于，包括关节驱动电机(1)、连接架(2)、减速器(3)、连接法兰(4)、输入盘(5)、固定环(6)、输出盘(7)、输出杆(8)、刚度调节电机(9)、圆柱齿轮(10)、短连杆(11)、长连杆(12)、铰接柱(13)、板簧滑块(14)、板簧(15)、支撑轴(16)、深沟球轴承(17)、套筒(18)；

关节电机(1)、连接架(2)、减速器(3)、连接法兰(4)、输入盘(5)、固定环(6)、输出盘(7)、输出杆(8)及板簧(15)共同组成关节位置调节装置，其中，连接法兰(4)、输入盘(5)与固定环(6)通过螺栓连接，输出盘(7)底部被轴向固定在输入盘(5)的圆形凹槽内，板簧(15)中心与输入盘(5)的板簧固定轴通过螺栓连接，板簧15两端与输出盘(7)两侧的弧面槽孔有接触，输出盘(7)与输出杆(8)通过螺钉固定连接；

板簧滑块(14)、支撑轴(16)、深沟球轴承(17)、套筒(18)共同组成板簧夹具组件，其中，支撑轴(16)固连在板簧滑块(14)上，深沟球轴承(17)、套筒(18)安装在支撑轴(16)上，板簧夹具组件属于对称式结构，与板簧(15)两侧面通过深沟球轴承(17)外圈进行接触；

刚度调节电机(9)、输入盘(5)、圆柱齿轮(10)、短连杆(11)、长连杆(12)、铰接柱(13)、板簧夹具组件、板簧(15)共同组成关节刚度调节装置，其中，刚度调节电机(9)固定在输入盘(5)连接板上，与圆柱齿轮(10)连接，圆柱齿轮(10)输出轴与短连杆(11)通过螺钉固连，短连杆(11)与长连杆(12)通过铰接柱(13)连接，长连杆(12)与板簧滑块(14)输出轴铰接，板簧滑块(14)与输入盘(5)凸台凹槽进行面接触，只能在凹槽中左右滑动，整个关节刚度调节装置属于一种曲柄滑块机构，共一对，通过齿轮啮合传动，对称分布在板簧(15)中心两侧。

2.根据权利要求书1所述的一种基于对称式曲柄滑块机构的变刚度关节，其特征在于，所述输入盘(5)为圆盘结构，上端面有圆形凹槽与限位挡板，用于与输出盘(7)底部外径配合，并对输出盘(7)与输入盘(5)的相对转角限位；另外，还有用来安装刚度调节电机(9)的连接板，带凹槽的板簧夹具滑动凸台，凸台上有一用来固定板簧(15)的板簧固定轴，整个输入盘(5)结构是一体的。

3.根据权利要求书1所述的一种基于对称式曲柄滑块机构的变刚度关节，其特征在于，所述曲柄滑块机构对称分布在板簧(15)中心两侧，深沟球轴承(17)外圈与板簧(15)两侧面有接触，形成接触力支点，圆柱齿轮(10)共一对，通过刚度调节电机(9)驱动圆柱齿轮(10)，经过齿轮啮合传动，共同带动对称式曲柄滑块机构沿板簧(15)对称运动。

4.根据权利要求书1所述的一种基于对称式曲柄滑块机构的变刚度关节，其特征在于，所述板簧滑块(14)下端为一方形块，与输入盘(5)的凸台凹槽进行面接触，上端为一带有螺纹孔的阶梯轴，中间有一方形通孔，用于通过板簧(15)，上下面各有两个对称通孔，用于连接支撑轴(16)、深沟球轴承(17)及套筒(18)。

5.根据权利要求书1所述的一种基于对称式曲柄滑块机构的变刚度关节，其特征在于，所述板簧(15)为一扁平长方体结构，材料为弹簧钢，具有一定的弹性，可以发生弹性变形。