CN109968397B - 一种自适应被动变刚度关节 - Google Patents

Abstract

本发明属于变刚度关节技术领域，特别涉及一种自适应被动变刚度关节。包括手臂和关节，其中手臂内设有连杆机构，关节包括关节外壳及设置于关节外壳内的杠杆机构、滑块移动机构、角度测量机构及连接盖，连接盖可转动地安装在关节外壳内，杠杆机构可转动地与连接盖连接，杠杆机构通过滑块移动机构与连杆机构连接，连杆机构将重力信息转化为滑块移动机构的位置信息，滑块移动机构的移动改变杠杆机构两端力的分配信息，以使关节整体刚度发生变化，角度测量机构用于测量关节的偏转角度。本发明的整体尺寸可以大大的减小，关节刚度响应速度也大大提高。

Description

一种自适应被动变刚度关节

技术领域

本发明属于变刚度关节技术领域，特别涉及一种自适应被动变刚度关节。

背景技术

变刚度关节在机器人研究领域已经逐渐变成一个热门的研究领域，由于它可以根据不同的需要来改变自身的刚度，可以提高在场人员的生命安全，尤其是在与人接触密切的场合，比如服务业、医疗业等，由于其广阔的前景，越来越多的人开始着手变刚度关节的研究。德国宇航局(DLR)基于凸轮盘的结构设计出变刚度关节FSJ、BAVS，意大利研究院基于杠杆原理设计出变刚度关节AWAS-Ⅰ、AWAS-Ⅱ以及Compact-VSA等等。目前研制成功的变刚度关节大都采用两个电机驱动，一个进行位置调节一个进行刚度调节或者两个电机配合使用共同调节关节本身的位置和关节刚度，这样会造成关节尺寸大、响应慢等问题给变刚度关节的实际应用带来很大的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种自适应被动变刚度关节，以解决现有变刚度关节存在的关节尺寸大、控制复杂等问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种自适应被动变刚度关节，包括手臂和关节，其中手臂内设有连杆机构，所述关节包括关节外壳及设置于所述关节外壳内的杠杆机构、滑块移动机构、角度测量机构及连接盖，所述连接盖可转动地安装在所述关节外壳内，所述杠杆机构可转动地与所述连接盖连接，所述杠杆机构通过滑块移动机构与所述连杆机构连接，所述连杆机构将重力信息转化为所述滑块移动机构的位置信息，所述滑块移动机构的移动改变所述杠杆机构两端力的分配信息，以使所述关节整体刚度发生变化，所述角度测量机构用于测量所述关节的偏转角度。

所述连杆机构包括主动杆、连杆、从动杆及曲柄杆，其中主动杆与所述手臂铰接、且一端由所述手臂内伸出，所述从动杆的一端与所述手臂铰接，另一端与曲柄杆的一端铰接，所述曲柄杆的另一端与所述滑块移动机构连接，所述连杆的两端分别与所述主动杆的另一端和所述从动杆铰接。

所述滑块移动机构包括导轨、滑块及滑块复位机构，其中导轨固定在所述关节外壳上，滑块可滑动地安装在导轨上、且与所述连杆机构和所述杠杆机构连接，所述滑块复位机构安装在所述关节外壳上、且与滑块连接。

所述滑块复位机构包括两个弹簧用立柱和两个拉伸弹簧，两个弹簧用立柱固定在所述关节外壳上，两个拉伸弹簧的一端均与滑块连接，另一端分别与两个弹簧用立柱连接。

所述杠杆机构包括齿轮用立柱、齿轮、齿形带、杠杆及扭转弹簧，其中齿轮用立柱固定在所述关节外壳上，所述杠杆的一端可转动地安装在所述连接盖上、且与所述滑块活动连接，另一端设有齿形带，齿轮可转动地安装在齿轮用立柱上、且与齿形带啮合，扭转弹簧的一端与齿轮连接，另一端与关节外壳上的凸起接触。

所述杠杆的一端设有条形滑槽，所述滑块上设有容置于所述条形滑槽内的导轴。

所述杠杆的另一端为环形结构，所述环形结构内侧设有所述齿形带。

所述角度测量机构包括连接块及编码器，编码器固定到连接盖上，连接块一端固定到关节外壳上，另一端与编码器的输出轴相连。

所述手臂通过螺钉固定在关节上，所述关节通过螺钉与关节支架固定连接。

所述关节外壳包括可拆卸连接的上盖和下盖，所述滑块移动机构设置于上盖上，所述连接盖通过轴承与下盖连接。

本发明的优点及有益效果是：本发明利用四杆套杆机构将重力信息转化为滑块的位置信息，滑块的移动改变杠杆两端力的分配信息，最终体现到关节整体刚度发生变化。通过这种方式变刚度关节的整体尺寸可以大大的减小，关节刚度响应速度也大大提高。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的手臂的结构示意图；

图3是本发明的滑块移动机构的结构示意图；

图4是本发明的杠杆机构的结构示意图；

图5是本发明的角度测量机构的结构示意图。

图中：1为支架，2为手臂用内六角螺钉，3为下盖，4为手臂，5为主动杆，6为从动杆，7为连杆，8为曲柄杆，9为导轨，10为滑块，11为上盖，12为弹簧用立柱，13为扭转弹簧，14为齿轮用立柱，15为齿轮，16为拉伸弹簧，17为齿形带，18为杠杆，19为连接块，20为连接盖，21为编码器。

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所示，本发明提供的一种自适应被动变刚度关节，包括手臂4和关节，其中手臂4内设有连杆机构，关节包括关节外壳及设置于关节外壳内的杠杆机构、滑块移动机构及角度测量机构，杠杆机构可转动地与关节外壳连接，杠杆机构通过滑块移动机构与连杆机构连接，连杆机构将重力信息转化为滑块移动机构的位置信息，滑块移动机构的移动改变杠杆机构两端力的分配信息，以使关节整体刚度发生变化，角度测量机构用于测量关节的偏转角度。手臂4通过螺钉固定在关节上，关节通过螺钉与关节支架1固定。

进一步地，关节外壳包括上盖11和下盖3，上盖11和下盖3通过螺栓可拆卸连接。滑块移动机构设置于上盖11上，连接盖20通过轴承与下盖3连接。

如图2所示，连杆机构包括主动杆5、连杆7、从动杆6及曲柄杆8，其中主动杆5与手臂4铰接、且一端由手臂4内伸出，伸出端连接手爪用于抓取物体。从动杆6的一端与手臂4铰接，另一端与曲柄杆8的一端铰接，曲柄杆8的另一端与杠杆机构连接，连杆7的两端分别与主动杆5的另一端和从动杆6铰接。

如图2-3所示，滑块移动机构包括导轨9、滑块10及滑块复位机构，其中导轨9固定在关节外壳上，滑块10可滑动地安装在导轨9上、且与曲柄杆8和杠杆机构连接，滑块复位机构安装在关节外壳的上盖11上、且与滑块10连接。

滑块复位机构包括两个弹簧用立柱12和两个拉伸弹簧16，两个弹簧用立柱12固定在上盖11上，两个拉伸弹簧16的一端均与滑块10连接，另一端分别与两个弹簧用立柱12连接。

如图3-4所示，杠杆机构包括齿轮用立柱14、齿轮15、齿形带17、杠杆18及扭转弹簧13，其中齿轮用立柱14固定在关节外壳的上盖11上，杠杆18的一端通过轴承可转动地安装在连接盖20上、且与滑块10活动连接，杠杆18的另一端设有齿形带17。齿轮15可转动地安装在齿轮用立柱14上、且与齿形带17啮合，扭转弹簧13套设于齿轮用立柱14上、且一端与齿轮15连接，另一端与上盖11上的凸起接触。

进一步地，杠杆18的一端设有条形滑槽，滑块10上设有容置于条形滑槽内的导轴。杠杆18的另一端为环形结构，环形结构内侧设有齿形带17。

如图5所示，角度测量机构包括连接块19和编码器21，编码器21固定到连接盖20上，连接块19一端固定到下盖3上，另一端与编码器21的输出轴相连。当关节发生偏转时可以测量关节的偏转角度。

当主动杆5杆受力绕着支撑杆摆动时，经过连杆机构的传动，最终实现滑块10在导轨9上的移动，主动杆5末端受到的外力越大，滑块10移动的位移越大，主动杆5末端受到的外力越小，滑块10移动的位移越小，主动杆5末端受到的外力最终与拉伸弹簧16达到平衡。

滑块10在曲柄杆8的作用下在导轨9上进行移动，齿轮15的旋转可以带动扭转弹簧13进行压缩。

进一步地，杠杆18的一端通过轴承与连接盖20连接到一起，杠杆18的另一端通过螺钉与齿形带17固定到一起，齿形带17与齿轮15啮合在一起，滑块10可以在杠杆18的条形滑槽中滑动。当关节受力后杠杆18绕着与连接盖20的连接端摆动，齿轮15在齿轮用立柱14上自转，扭转弹簧13压缩，滑块10移动的位移不同关节的偏转角度也不相同，关节的刚度也会改变。

变刚度关节采用的轴承、编码器21、导轨9、螺钉、螺母、齿轮15以及齿形带17都是标准参数，便于加工和购买。关节外壳机构，由上盖、下盖组成，上盖与下盖在下盖侧面通过螺钉固定在一起。

本发明通过连杆机构与杠杆机构配合使用，以手爪抓取重物的重力作为调节关节刚度的信息，该关节由于采用机械结构来调整关节的刚度使关节刚度响应速度快，同时由于只有一个电机进行驱动关节尺寸大大的减小，实现了变刚度关节小型化，响应快的目标。传统的变刚度关节具有两个电机，一个进行位置调节一个进行刚度调节或者两个电机配合使用共同调节关节本身的位置和关节刚度。由于两个电机的存在变刚度关节小型化的目标比较难，并且，传统关节信息传递量大、信息处理复杂继而关节变刚度响应速度慢。而自适应被动变刚度关节采用一个电机进行位置调节，关节刚度通过手爪抓取的重物进行关节自适应调节，手爪抓取的重物越轻关节的刚度越小，手爪抓取的重物越重关节的刚度越大。由于采用一个电机关节的尺寸得到了最小化，关节的刚度通过机械结构进行调节，响应速度得到大大提高。

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 (7)

1.一种自适应被动变刚度关节，其特征在于，包括手臂(4)和关节，其中手臂(4)内设有连杆机构，所述关节包括关节外壳及设置于所述关节外壳内的杠杆机构、滑块移动机构、角度测量机构及连接盖(20)，所述连接盖(20)可转动地安装在所述关节外壳内，所述杠杆机构可转动地与所述连接盖(20)连接，所述杠杆机构通过滑块移动机构与所述连杆机构连接，所述连杆机构将重力信息转化为所述滑块移动机构的位置信息，所述滑块移动机构的移动改变所述杠杆机构两端力的分配信息，以使所述关节整体刚度发生变化，所述角度测量机构用于测量所述关节的偏转角度；

所述滑块移动机构包括导轨(9)、滑块(10)及滑块复位机构，其中导轨(9)固定在所述关节外壳上，滑块(10)可滑动地安装在导轨(9)上、且与所述连杆机构和所述杠杆机构连接，所述滑块复位机构安装在所述关节外壳上、且与滑块(10)连接；

所述杠杆机构包括齿轮用立柱(14)、齿轮(15)、齿形带(17)、杠杆(18)及扭转弹簧(13)，其中齿轮用立柱(14)固定在所述关节外壳上，所述杠杆(18)的一端可转动地安装在所述连接盖(20)上、且与所述滑块(10)活动连接，另一端设有齿形带(17)，齿轮(15)可转动地安装在齿轮用立柱(14)上、且与齿形带(17)啮合，扭转弹簧(13)的一端与齿轮(15)连接，另一端与关节外壳上的凸起接触；

所述角度测量机构包括连接块(19)及编码器(21)，编码器(21)固定到连接盖(20)上，连接块(19)一端固定到关节外壳上，另一端与编码器(21)的输出轴相连。

2.根据权利要求1所述的自适应被动变刚度关节，其特征在于，所述连杆机构包括主动杆(5)、连杆(7)、从动杆(6)及曲柄杆(8)，其中主动杆(5)与所述手臂(4)铰接、且一端由所述手臂(4)内伸出，所述从动杆(6)的一端与所述手臂(4)铰接，另一端与曲柄杆(8)的一端铰接，所述曲柄杆(8)的另一端与所述滑块移动机构连接，所述连杆(7)的两端分别与所述主动杆(5)的另一端和所述从动杆(6)铰接。

3.根据权利要求1所述的自适应被动变刚度关节，其特征在于，所述滑块复位机构包括两个弹簧用立柱(12)和两个拉伸弹簧(16)，两个弹簧用立柱(12)固定在所述关节外壳上，两个拉伸弹簧(16)的一端均与滑块(10)连接，另一端分别与两个弹簧用立柱(12)连接。

4.根据权利要求1所述的自适应被动变刚度关节，其特征在于，所述杠杆(18)的一端设有条形滑槽，所述滑块(10)上设有容置于所述条形滑槽内的导轴。

5.根据权利要求1所述的自适应被动变刚度关节，其特征在于，所述杠杆(18)的另一端为环形结构，所述环形结构内侧设有所述齿形带(17)。

6.根据权利要求1所述的自适应被动变刚度关节，其特征在于，所述手臂(4)通过螺钉固定在关节上，所述关节通过螺钉与关节支架(1)固定连接。

7.根据权利要求1所述的自适应被动变刚度关节，其特征在于，所述关节外壳包括可拆卸连接的上盖(11)和下盖(3)，所述滑块移动机构设置于上盖(11)上，所述连接盖(20)通过轴承与下盖(3)连接。

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