CN109968399B - 一种单电机变刚度关节 - Google Patents

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Abstract

本发明属于关节技术领域，特别涉及一种单电机变刚度关节。包括关节和手臂，其中手臂内设有杠杆机构，关节包括上盖、下盖、滑块移动机构及刚度调节机构，其中上盖和下盖转动连接，滑块移动机构设置于上盖上，刚度调节机构设置于下盖上、且与滑块移动机构连接，杠杆机构与滑块移动机构传动连接。本发明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。

Description

一种单电机变刚度关节
技术领域
本发明属于关节技术领域，特别涉及一种单电机变刚度关节。
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(4)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单电机变刚度关节，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：
一种单电机变刚度关节，包括关节和手臂，其中手臂内设有杠杆机构，所述关节包括上盖、下盖、滑块移动机构及刚度调节机构，其中上盖和下盖转动连接，所述滑块移动机构设置于所述上盖上，所述刚度调节机构设置于所述下盖上、且与所述滑块移动机构连接，所述杠杆机构与所述滑块移动机构传动连接。
所述杠杆机构包括前支撑杆、后支撑杆、杠杆、主动齿轮及齿形带，其中前支撑杆和后支撑杆设置于所述手臂上，所述杠杆可转动地安装在前支撑杆上、且前端由所述手臂伸出，所述杠杆的后端设有传动齿，所述主动齿轮可转动地安装在后支撑杆上、且与所述传动齿啮合，所述主动齿轮通过齿形带与所述滑块移动机构传动连接。
所述杠杆的后端为环形结构，所述传动齿设置于所述环形结构的后端内侧。
所述滑块移动机构包括导轨、滑块、扭转弹簧、摆动杆及从动齿轮，其中导轨设置于所述上盖上，所述滑块与所述导轨滑动连接，所述从动齿轮可转动地安装在支撑轴、且与所述齿形带传动连接，所述摆动杆的一端与所述滑块滑动连接，另一端与所述从动齿轮固定连接，所述扭转弹簧套设于所述支撑轴上、且一端与所述从动齿轮连接，另一端与所述上盖上设有的限位凸起抵接。
所述摆动杆为长条形封闭环，所述滑块容置于所述封闭环内、且可在所述封闭环内滑动。
所述导轨与所述齿形带的传动方向垂直。
所述刚度调节机构包括右旋扭转弹簧和左旋扭转弹簧，所述右旋扭转弹簧和左旋扭转弹簧固定在所述下盖上，所述滑块位于所述右旋扭转弹簧和左旋扭转弹簧之间。
所述关节与关节支架连接。
本发明的优点及有益效果是：本发明通过杠杆机构与变刚度机构的配合使用，以手爪抓取重物的重力作为调节关节刚度的信息，进行关节刚度调节。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。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的手臂杠杆的结构示意图；
图3是本发明的滑块移动机构的结构示意图；
图4是本发明的变刚度机构的结构示意图。
图中：1为支架，2为上盖，3为手臂，4为杠杆，5为前支撑杆，6为后支撑杆，7为齿形带，8为主动齿轮，9为扭转弹簧，10为从动齿轮，11为滑块，12为摆动杆，13为导轨，14为右旋扭转弹簧,15为左旋扭转弹簧，16为下盖。
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1-2所示，本发明提供的一种单电机变刚度关节，包括关节和手臂3，其中手臂3内设有杠杆机构，关节包括上盖2、下盖16、滑块移动机构及刚度调节机构，其中上盖2和下盖16转动连接，滑块移动机构设置于上盖2上，刚度调节机构设置于下盖16上、且与滑块移动机构连接，杠杆机构与滑块移动机构传动连接。
进一步地，手臂3通过螺钉固定在关节上，关节通过螺钉与关节支架1固定在一起，位于关节的后面。
杠杆机构包括前支撑杆5、后支撑杆6、杠杆4、主动齿轮8及齿形带7，其中前支撑杆5和后支撑杆6设置于外壳上，杠杆4通过轴承可转动地安装在前支撑杆5上、且前端由手臂3伸出，杠杆4的后端设有传动齿，主动齿轮8通过轴承可转动地安装在后支撑杆6上、且与传动齿啮合，主动齿轮8通过齿形带7与滑块移动机构传动连接。
进一步地，杠杆4的后端为环形结构，传动齿设置于环形结构的后端内侧。
如图3所示，滑块移动机构包括导轨13、滑块11、扭转弹簧9、摆动杆12及从动齿轮10，其中导轨13通过螺钉固定于上盖2上，滑块11与导轨13滑动连接。从动齿轮10可转动地安装在支撑轴上、且与齿形带7传动连接，摆动杆12的一端与滑块11滑动连接，另一端与从动齿轮10共同固定在支撑轴上、且与从动齿轮10一起转动。扭转弹簧9套设于支撑轴上、且一端与从动齿轮10连接，另一端与上盖2上设有的限位凸起抵接。
进一步地，摆动杆12为长条形封闭环，滑块11容置于封闭环内、且可在封闭环内滑动。导轨13与齿形带7的传动方向垂直。
当在杠杆4的末端施加一个重力时，通过杠杆4放大机构实现杠杆4绕前支撑杆5旋转，杠杆4另一端带有传动齿与主动齿轮8啮合，杠杆4的旋转带动主动齿轮8自转，主动齿轮8将自身的旋转运动通过齿形带7传递给从动齿轮10。
当主动齿轮8通过齿形带7将动力传递给从动齿轮10后，由于从动齿轮10与摆动杆12固定在一起，当从动齿轮10旋转时，摆动杆12也会随之摆动，拨动滑块11在导轨13上移动，扭转弹簧9被压缩。当重力消失后压缩弹簧恢复到初始状态，滑块11也回到初始位置。
如图4所示，刚度调节机构包括右旋扭转弹簧14和左旋扭转弹簧15，右旋扭转弹簧14和左旋扭转弹簧15固定在下盖16上，滑块11位于右旋扭转弹簧14和左旋扭转弹簧15之间。
当滑块11移动后，支点距离扭转弹簧9末端的位置随之改变，支点距离扭转弹簧9末端的距离不同，关节的刚度也不相同。支点距离扭转弹簧9末端越近刚度越大，距离扭转弹簧9越远刚度越小。
本发明通过杠杆机构与变刚度机构的配合使用，以手爪抓取重物的重力作为调节关节刚度的信息，进行关节刚度调节。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。
本发明提供的一种单电机变刚度关节，该关节采用一个电机作为驱动源，将杠杆机构应用到变刚度关节中，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。而单电机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 (5)

1.一种单电机变刚度关节，其特征在于，包括关节和手臂(3)，其中手臂(3)内设有杠杆机构，所述关节包括上盖(2)、下盖(16)、滑块移动机构及刚度调节机构，其中上盖(2)和下盖(16)转动连接，所述滑块移动机构设置于所述上盖(2)上，所述刚度调节机构设置于所述下盖(16)上、且与所述滑块移动机构连接，所述杠杆机构与所述滑块移动机构传动连接；
所述杠杆机构包括前支撑杆(5)、后支撑杆(6)、杠杆(4)、主动齿轮(8)及齿形带(7)，其中前支撑杆(5)和后支撑杆(6)设置于所述手臂(3)上，所述杠杆(4)可转动地安装在前支撑杆(5)上、且前端由所述手臂(3)伸出，所述杠杆(4)的后端设有传动齿，所述主动齿轮(8)可转动地安装在后支撑杆(6)上、且与所述传动齿啮合，所述主动齿轮(8)通过齿形带(7)与所述滑块移动机构传动连接；
所述滑块移动机构包括导轨(13)、滑块(11)、扭转弹簧(9)、摆动杆(12)及从动齿轮(10)，其中导轨(13)设置于所述上盖(2)上，所述滑块(11)与所述导轨(13)滑动连接，所述从动齿轮(10)可转动地安装在支撑轴、且与所述齿形带(7)传动连接，所述摆动杆(12)的一端与所述滑块(11)滑动连接，另一端与所述从动齿轮(10)固定连接，所述扭转弹簧(9)套设于所述支撑轴上、且一端与所述从动齿轮(10)连接，另一端与所述上盖(2)上设有的限位凸起抵接；
所述刚度调节机构包括右旋扭转弹簧(14)和左旋扭转弹簧(15)，所述右旋扭转弹簧(14)和左旋扭转弹簧(15)固定在所述下盖(16)上，所述滑块(11)位于所述右旋扭转弹簧(14)和左旋扭转弹簧(15)之间。
2.根据权利要求1所述的单电机变刚度关节，其特征在于，所述杠杆(4)的后端为环形结构，所述传动齿设置于所述环形结构的后端内侧。
3.根据权利要求1所述的单电机变刚度关节，其特征在于，所述摆动杆(12)为长条形封闭环，所述滑块(11)容置于所述封闭环内、且可在所述封闭环内滑动。
4.根据权利要求1所述的单电机变刚度关节，其特征在于，所述导轨(13)与所述齿形带(7)的传动方向垂直。
5.根据权利要求1所述的单电机变刚度关节，其特征在于，所述关节与关节支架(1)连接。
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