CN110253623B - 一种可变刚度的机器人关节模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变刚度的机器人关节模块，涉及机器人领域，包括输入端，输出端，刚度调节机构及模块外壳，所述刚度调节机构包括传动机构，弹性元件，中央大圆盘，中央小圆盘，导向轴，轴套，滚子，滚子固定件，所述输入端经由所述刚度调节机构与输出端连接，所述输出端与所述弹性元件一端固定，所述输出端与模块外壳与所述导向轴固定，所述传动机构与所述中央大圆盘和所述中央小圆盘固定，所述弹性元件穿过所述所述滚子固定件，所述滚子固定件上固定有可转动的滚子，所述弹性元件与所述滚子接触，所述滚子固定件固定所述中央大圆盘上。本发明结构简单紧凑，体积小，适用于更多场合，更易于控制，有利于提高模块的负载能力。

Description

一种可变刚度的机器人关节模块

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种可变刚度的机器人关节模块。

背景技术

随着工业技术的发展，机器人获得越来越广泛的应用，其传统采用的刚性关节具有结构简单、响应及时等优点，但是在如今人机合作及交互的场合日益增加的情况下，刚性关节有着一定的机械伤人的危险。另外，当机器人在未知的环境中作业时，刚性关节也容易因碰撞而发生损坏。

传统的机器人关节采用刚性连接，即整个机器人由驱动电机刚性地驱动，这样会带来机械伤人的危险，解决的办法是在其中引入一个柔性模块，当机械发生碰撞(例如说与人)时，其可以根据环境或设定等调整到合适的刚度。现有技术，存在以下技术问题：

1、存在间隙，不易控制

2、结构复杂

3、对弹性元件要求高

因此，本领域的技术人员致力于开发一种可变刚度的机器人关节模块，易于控制，结构简单，具有较高负载能力。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是：

1、存在间隙，不易控制

2、结构复杂

3、对弹性元件要求高

为实现上述目的，本发明提供了一种可变刚度的机器人关节模块，包括输入端，输出端，刚度调节机构及模块外壳，其中，所述刚度调节机构包括传动机构，弹性元件，中央大圆盘，中央小圆盘，导向轴，轴套，滚子，滚子固定件，所述输入端经由所述刚度调节机构与输出端连接，所述输入端用于输入扭矩，所述输入端与所述传动机构一端固定，所述输出端用于输出扭矩，所述输出端与所述传动机构另一端固定，所述输出端与所述模块外壳整体固定，所述输出端与所述弹性元件一端固定，所述输出端与所述导向轴一端固定，所述模块外壳与所述导向轴的另一端固定，所述中央大圆盘和所述中央小圆盘经所述轴套穿过所述导向轴，所述传动机构与所述中央大圆盘和所述中央小圆盘固定，用于带动所述中央大圆盘和所述中央小圆盘上下移动，所述弹性元件穿过所述所述滚子固定件，所述滚子固定件上固定有可转动的滚子，所述弹性元件与所述滚子接触，所述滚子固定件固定所述中央大圆盘上。

进一步地，所述传动机构是滚珠丝杠，所述滚珠丝杠包括螺母与螺杆，所述螺杆分别与所述输入端和所述输出端固定，所述螺母与所述中央大圆盘和所述中央小圆盘固定。

进一步地，所述传动机构是齿轮齿条，所述齿轮齿条包括齿轮和齿条，所述齿条与所述输入端和所述输出端固定，所述齿轮与所述中央大圆盘和所述中央小圆盘固定。

进一步地，所述传动机构采用的是同步带或者线缆传动或者液压传动。

进一步地，所述弹性元件采用的是板簧或者弹簧片或者弹性梁。

进一步地，所述弹性元件有多个。

进一步地，所述弹性元件仅一侧与所述滚子接触，另一侧并未与所述滚子固定件接触。

进一步地，同一所述滚子固定件上有两个所述弹性元件穿过。

进一步地，两个所述弹性元件略呈“O”形。

进一步地，所述刚度调节机构还包括刚度调节电机和同步带，所述传动结构由所述刚度调节电机经所述同步带驱动。

在本发明的较佳实施方式中，结构简单紧凑，体积小，适用于更多场合。当中央大、小圆盘移动时，与两圆盘固定的滚子(仅位置固定，不限制转动)与板簧的接触点发生变化，使得如图5所示自板簧底端到滚子与板簧接触点之间的板簧长度发生变化，而这一段板簧为模块受扭矩负载时，弹性元件实际“有效”的长度，而滚子到输出端一侧的板簧间的这一段不会承受负载。通过改变板簧“有效”的长度，就可以改变板簧提供的弹力的力矩(作用点在滚子与板簧的接触点)，就可以改变外部扭矩不变的情况下，板簧弹力的大小，改变板簧的形变，改变输入端与输出端相对的转动角，改变模块的刚度。本发明避免了齿轮传动，更易于控制。

在本发明的另一较佳实施方式中，板簧仅一侧与滚子接触，另一侧(在未受负载，不发生形变，即如图5所示的状态下)并未与滚子固定件接触，相邻的滚子(位于同一滚子固定件中的滚子)对相邻的两板簧有排斥、挤压的安装载荷，即相邻的板簧(穿过同一滚子固定件的两板簧)略呈“O”形，有利于减小系统间隙。

本发明的另一较佳实施方式中，可容纳更多弹性元件，有利于提高模块的负载能力。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的一种可变刚度的机器人关节模块的整体结构示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的一种可变刚度的机器人关节模块隐藏侧壁后的内部结构示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的一种可变刚度的机器人关节模块的输入端爆炸装配示意图；

图4是本发明的一个较佳实施例的一种可变刚度的机器人关节模块的输出端爆炸装配示意图；

图5是本发明的一个较佳实施例的一种可变刚度的机器人关节模块的刚度调节机构的示意图；

图6是本发明的一个较佳实施例的一种可变刚度的机器人关节模块的中央大圆盘和中央小圆盘示意图。

图7是本发明的一个较佳实施例的一种可变刚度的机器人关节模块的外壳结构示意图。

其中，1-输入端，101-输入端圆盘，102-滚珠丝杠支撑座，103-输入端法兰，104-编码盘，2-输出端，201-输出端法兰，202-输出端圆盘，203-导向轴固定件，204-板簧固定件，205-滚珠丝杆支承座，3-刚度调节机构，301-滚珠丝杠，302-板簧，303-滚子，304-滚子固定件，305-中央小圆盘，306-中央大圆盘，307-减速器，308-刚度调节电机，309-驱动器，310-轴套，311-导向轴，4-模块外壳，401-读数头连接器，402-模块侧壁，403-导向轴固定角铁。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1所示，可变刚度的机器人关节模块包括输入端1、输出端2和模块外壳4。如图2所示，可变刚度的机器人关节模块隐藏侧壁后可见还包括刚度调节机构3。

如图3所示，输入端1包括输入端圆盘101，滚珠丝杠支撑座102，输入端法兰103和编码盘104，均固定连接，读数头连接器401与模块外壳4固定。编码盘104和读数头连接器401其作用主要是测量输入端、输出端的相对转动角度，用于测量及调试。

如图4所示，输出端2包括输出端法兰201，输出端圆盘202，导向轴固定件203，板簧固定件204和滚珠丝杆支承座205。板簧固定件204为4个独立的小方块，通过螺栓与输出端圆盘上对应的4个凸起小方块固定，中间穿过的板簧被压紧固定；输出端法兰与输出端圆盘固定；导向轴固定件203与导向轴一端的外螺纹旋紧，穿过输出端法兰201压紧在输出端圆盘202上，完成对导向轴一端的固定；整个输出端2另通过螺丝与模块外壳4固定连接。

如图5所示，刚度调节机构包括滚珠丝杠301，板簧302，滚子303，滚子固定件304，中央小圆盘305，中央大圆盘306，减速器307，刚度调节电机308，驱动器309，轴套310，导向轴311。中央大圆盘306、中央小圆盘305、滚子固定件304、轴套310互相为固定连接。滚子303由滚子固定件304固定，可转动，滚子303与滚子固定件304之间的空隙穿过板簧302，使得中央大、小圆盘306、305可沿板簧302进行阻力较小的移动；导向轴311两端由输出端2及模块外壳4固定，穿过轴套310，限制中央大、小圆盘306、305的转动；滚珠丝杠301的螺杆由输入端1与输出端2的螺杆固定座固定位置，不限制转动，滚珠丝杠301的螺母与中央大圆盘306固定，使中央大圆盘306与螺杆形成滚珠丝杠副；当转动螺杆时，由于中央大、小圆盘306、305不能相对模块外壳转动，所以将会沿着螺杆向上/向下移动。当中央大、小圆盘306、305移动时，与两圆盘固定的滚子303(仅位置固定，不限制转动)与板簧302的接触点发生变化，使得如图5所示自板簧302底端到滚子303与板簧302接触点之间的板簧302长度发生变化，而这一段板簧302为模块受扭矩负载时，弹性元件实际“有效”的长度，而滚子303到输出端2一侧的板簧302间的这一段不会承受负载。通过改变板簧302“有效”的长度，就可以改变板簧302提供的弹力的力矩(作用点在滚子303与板簧302的接触点)，就可以改变外部扭矩不变的情况下，板簧302弹力的大小，改变板簧302的形变，改变输入端与输出端相对的转动角，改变模块的刚度。

板簧302仅一侧与滚子303接触，另一侧(在未受负载，不发生形变，即如图5所示的状态下)并未与滚子固定件304接触，相邻的滚子303(如图5所示位于同一滚子固定件304中的滚子303)对相邻的两板簧302有排斥、挤压的安装载荷，即相邻的板簧302(如图5所示穿过同一滚子固定件304的两板簧302)略呈“O”形，从而减小间隙。

刚度调节电机308、减速器307及驱动器309固定在输出端法兰201上；滚珠丝杠301的螺杆由刚度调节电机308经同步带驱动，实现刚度调节电机对中央大、小圆盘306、305轴向位置的控制。

如图6所示，在对应滚子固定件的地方，中央大圆盘306开有槽而中央小圆盘305没有，中央小圆盘305起到承托的作用。

如图7所示，模块外壳4包括读数头连接器401，模块侧壁402，导向轴固定角铁403。导向轴固定角铁403穿过模块侧壁402且与其固定，另与导向轴311另一端(相对输出端2所固定的一端)固定，完成对导向轴311的固定。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种可变刚度的机器人关节模块，其特征在于，包括输入端，输出端，刚度调节机构及模块外壳，其中，所述刚度调节机构包括传动机构，弹性元件，中央大圆盘，中央小圆盘，导向轴，轴套，滚子，滚子固定件，所述输入端经由所述刚度调节机构与输出端连接，所述输入端用于输入扭矩，所述输入端与所述传动机构一端固定，所述输出端用于输出扭矩，所述输出端与所述传动机构另一端固定，所述输出端与所述模块外壳整体固定，所述输出端与所述弹性元件一端固定，所述输出端与所述导向轴一端固定，所述模块外壳与所述导向轴的另一端固定，所述中央大圆盘和所述中央小圆盘经所述轴套穿过所述导向轴，所述传动机构与所述中央大圆盘和所述中央小圆盘固定，用于带动所述中央大圆盘和所述中央小圆盘上下移动，所述弹性元件穿过所述滚子固定件，所述滚子固定件上固定有可转动的滚子，所述弹性元件与所述滚子接触，所述滚子固定件固定所述中央大圆盘上；同一所述滚子固定件上有两个所述弹性元件穿过，所述弹性元件略呈“O”形；所述传动机构是滚珠丝杠，所述滚珠丝杠包括螺母与螺杆，所述螺杆分别与所述输入端和所述输出端固定，所述螺母与所述中央大圆盘和所述中央小圆盘固定。

2.如权利要求1所述的可变刚度的机器人关节模块，其特征在于，所述传动机构是齿轮齿条，所述齿轮齿条包括齿轮和齿条，所述齿条与所述输入端和所述输出端固定，所述齿轮与所述中央大圆盘和所述中央小圆盘固定。

3.如权利要求1所述的可变刚度的机器人关节模块，其特征在于，所述传动机构采用的是同步带或者线缆传动或者液压传动。

4.如权利要求1所述的可变刚度的机器人关节模块，其特征在于，所述弹性元件采用的是板簧或者弹簧片或者弹性梁。

5.如权利要求1所述的可变刚度的机器人关节模块，其特征在于，所述弹性元件有多个。

6.如权利要求1所述的可变刚度的机器人关节模块，其特征在于，所述弹性元件仅一侧与所述滚子接触，另一侧并未与所述滚子固定件接触。

7.如权利要求1所述的可变刚度的机器人关节模块，其特征在于，所述刚度调节机构还包括刚度调节电机和同步带，传动结构由所述刚度调节电机经所述同步带驱动。

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