CN110640784A - 一种基于杠杆机构的变刚度关节装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于杠杆机构的变刚度关节装置，包括主轴、主传递盘、滑轨、滑块一、滑块二、套杆、滑块三、杠杆、输出盘以及机构，其中主传递盘与主轴同步转动，滑轨固定在主传递盘的上方，滑块一设在滑轨上，其上设有杠杆支点，滑块二设在滑轨上，套杆通过安装支架固定在滑块二的上方，滑块三套在套杆上，其上设有弹簧支点，在套杆位于滑块三的两侧设有弹簧，杠杆具有滑槽一、滑槽二，杠杆支点位于滑槽一内，弹簧支点位于滑槽二内，输出盘通过连接轴与杠杆之间铰接；机构用于同时改变杠杆支点在滑槽一中位置、弹簧支点在滑槽二中位置的机构，驱动滑块一、滑块二在滑轨上进行滑移。本发明能够实现刚度的快速调节。

Description

一种基于杠杆机构的变刚度关节装置

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种基于杠杆机构的变刚度关节装置。

背景技术

在机器人领域，为了提高机器人与周围环境的交互性能，要求机器人具有一定的柔顺性能，采用具有变刚度性能的柔性关节可以很好的解决这一问题。

在设计变刚度关节的过程中，考虑应用场景及需求，尽可能使得关节的结构紧凑，具有较大的刚度调节范围以及较快的刚度响应速度。目前，变刚度关节已经有较多的成果，但是，较大的刚度范围和快速的刚度响应速率仍然是亟待解决的难题。基于杠杆机构的变刚度关节，具有较大的刚度调节范围，可以满足多种场合的刚度变化的需求。目前，刚度的快速响应性能，仍然具有较大的局限性。

中国专利201611248593.9公开了一种基于可变支点的变刚度柔性驱动器，包括，包括动力输入机构、刚度调节机构和动力输出机构，刚度调节机构包括杠杆、支点柱、滑块和直线导轨，杠杆一端铰接在动力输出机构上，杠杆上下面分别设置有顶面滑槽和底面滑槽，支点柱一端与顶面滑槽配合连接，另一端连接在动力输入机构上，且与动力输入机构之间设置有支点调节结构，支点调节结构用于调节支点柱相对于动力输入机构的驱动轴的位置，滑块与底面滑槽配合连接且套接在直线导轨上，直线导轨连接在动力输出机构上，直线导轨上还套接有两段弹簧，两段弹簧分别位于滑块两侧。上述现有技术中刚度的调节是通过杠杆机构的支点实现的，支点的移动是通过阿基米德螺旋线实现的。

中国专利201510762250.3公开了一种模块化变刚度关节，该关节包括输入机构、输出机构、支架、编码器和两套扭簧机构；输入机构包括主电机、减速器和输入盘；输出机构包括副输出盘、主输出盘、调刚电机、带轮、钢丝绳、滑块、滑轨、两个惰轮和两个滚子；每套扭簧机构包括扭簧和扭簧架；副输出盘转动安装在支架上，主电机的输出轴与减速器的输入端连接，减速器固装在支架上，输入盘安装在减速器的输出端且穿出副输出盘；调刚电机、滑轨和两个惰轮分别安装在主输出盘上。上述现有技术中关节的柔性是通过两套扭簧机构实现的，通过杠杆机构的支点实现刚度的调节，支点的移动是通过绳驱的方式实现的。

现有技术中的变刚度关节装置的依旧存在难以实现刚度的快速调节，基于此，本申请提供了一种基于杠杆机构的变刚度关节装置，以解决现有技术的缺陷。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于杠杆机构的变刚度关节装置，能够实现刚度的快速调节。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于杠杆机构的变刚度关节装置，包括：

主轴；

主传递盘，设置在主轴上，与主轴同步转动；

滑轨，固定在主传递盘的上方；

滑块一，设置在滑轨上，滑块一上设有杠杆支点；

滑块二，设置在滑轨上；

套杆，通过安装支架固定在滑块二的上方；

滑块三，套在套杆上，滑块三上设有弹簧支点；

其中，在套杆位于滑块三的两侧设有弹簧，弹簧的一端抵在滑块三上，弹簧的另一端抵在安装支架上；

杠杆，其具有滑槽一、滑槽二，杠杆支点位于滑槽一内，弹簧支点位于滑槽二内；

输出盘，通过连接轴与杠杆之间铰接；以及

用于同时改变杠杆支点在滑槽一中位置、弹簧支点在滑槽二中位置的机构，机构驱动滑块一、滑块二在滑轨上进行滑移。

在本发明的上述技术方案中，通过主轴的转动，驱动主传递盘、以及滑轨进行转动，在转动过程中，滑块一与滑块二在滑轨上的位置不发生变化；此时，滑块一通过杠杆支点、滑块二通过弹簧支点(位于滑块三上)带动杠杆的转动，杠杆通过连接轴驱动输出盘，实现输出盘的转动。

进一步的，通过机构驱动滑块一、滑块二在滑轨上对向或者背向滑移，实现改变杠杆支点在滑槽一中的位置与弹簧支点在滑槽二中的位置，进而实现通过杠杆驱动输出盘的刚度的调整。

具体的，机构驱动滑块一在滑轨上的滑移与机构驱动滑块二在滑轨上的滑移，可以是同步的，也可以是异步的。

根据本发明的另一种具体实施方式，机构采用同步驱动方式，一种优选的机构具体包括：

能够旋转的转动盘，其上设有曲线槽一、曲线槽二；

滑块支点一，固定在滑块一上，并且伸入至曲线槽一中；

滑块支点二，固定在滑块二上，并且伸入至曲线槽二中；

其中，转动盘的旋转，能够驱动滑块支点一在曲线槽一内滑移、滑块支点二在曲线槽二内滑移，进而改变滑块一与滑块二的相对位置。

进一步的，机构采用齿轮传动结构进行驱动，其进一步包括：

用于承载转动盘的从动齿轮；

与从动齿轮啮合的主动齿轮；

用于驱动主动齿轮的变刚度驱动电机。

进一步的，从动齿轮设置为与主轴同心，其通过轴承构件一旋转支撑在主轴的外周。

根据本发明的另一种具体实施方式，进一步包括固定壳体、用于驱动主轴的输入电机，输入电机安装在固定壳体上。

进一步的，输出盘与固定壳体之间通过轴承构件二转动连接。

根据本发明的另一种具体实施方式，套杆设置为垂直于滑轨。

根据本发明的另一种具体实施方式，杠杆支点位于滑块一的上方一侧，杠杆位于滑块一的上方并且被滑块一承载，弹簧支点位于滑块三的下方一侧。

进一步的，滑块三抵在杠杆的上端面，并且可以相对杠杆滑动，本方案中的滑块一、滑块三分别与杠杆的上下端面支撑相抵，可以很好的限制杠杆的上下跳动，有利于传递过程的稳定性。

具体的，还可以在杠杆上设置限位螺栓，以限制杠杆的上下跳动，避免杠杆被卡死的现象出现。

根据本发明的另一种具体实施方式，还包括用于检测输出盘与主传递盘之间相对转角的组件，组件包括：

安装在主传递盘上的支座，其上设有固定圆弧形齿条；

安装在输出盘上的端盖；

编码器，位于端盖上；以及

随动齿轮，固定在编码器的输出轴上，并与编码器的输出轴同步转动，其中，随动齿轮与圆弧形齿条之间啮合。

本方案中，通过圆弧形齿条与随动齿轮之间的相互转动，带动编码器的输出轴转动，进而获取输出盘与主传递盘之间相对转角，属于一种机械式检测方式。

本发明具备以下有益效果：

本发明的变刚度关节装置中，通过位于导轨上的滑块一与滑块二的滑移，实现杠杆支点、弹簧支点的移动，其移动过程的摩擦力较小，具有相应速度快、传动平稳的优点。

本发明的变刚度关节装置中转动盘的曲线槽一、曲线槽二可以进行参数化设计，从而实现杠杆支点、弹簧支点移动的过程精确控制，其中，装置的刚度调节是通过滑块一、滑块二与滑块三同时移动后改变的，能够有效提高刚度调节的速率。

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明变刚度关节装置的整体结构示意图；

图2是本发明变刚度关节装置的结构示意图；

图3是图2的爆炸示意图；

图4是本发明变刚度关节装置中转动输出部分的结构示意图；

图5是本发明变刚度关节装置中滑块一、滑块二的结构示意图；

图6是本发明变刚度关节装置中套杆部分的结构示意图；

图7是本发明变刚度关节装置中杠杆的结构示意图；

图8是本发明变刚度关节装置中滑块支点一、滑块支点二的结构示意图；

图9是本发明变刚度关节装置中转动盘的结构示意图；

图10是本发明变刚度关节装置中刚度调节的原理示意图，其显示了处于刚度最小位置的示意图；

图11是本发明变刚度关节装置中刚度调节的原理示意图，其显示了处于刚度最大位置的示意图；

图12是图10受力后的原理状态示意图；

图13是本发明变刚度关节装置中组件的结构示意图。

具体实施方式

如图1-13所示，一种基于杠杆机构的变刚度关节装置，包括支架1、固定壳体2、主轴3、主传递盘4、滑轨5、滑块部分6、弹簧套杆部分7、杠杆8、输出盘9、刚度调节机构10、转角检测组件11。

支架1用于固定壳体2与外部设备的连接，固定壳体2呈圆筒状，主轴3通过输入电机12进行驱动，二者之间可以通过联轴器进行固定连接，输入电机12安装在固定壳体2的尾端，其中，主轴3优选为围绕固定壳体2的轴线上进行旋转；

主传递盘4位于主轴3上，通过主轴3驱动主传递盘4进行同步回转运动，具体的，主轴3具有较大的轴径，可以直接通过螺栓固定的方式与主传递盘4进行稳固连接；本发明中，主轴3带动主传递盘4的转动，为输入源。

进一步的，在主传递盘4的上方安装有滑轨5、滑块部分6，其中，滑轨5位于主传递盘4的一条直径上，滑块部分6设置在滑轨5上，并且可以在滑轨5上进行滑动。

其中，滑块部分6包括滑块一6-1、滑块二6-2与滑块三6-3，滑块一6-1与滑块二6-2均设在滑轨5上，二者在外力驱动下能够进行对向或者背向滑动，滑块三6-3通过弹簧套杆部分7安装在滑块二6-2上。

弹簧套杆部分7包括两个安装支架7-1、套杆7-2、两个弹簧7-3，两个安装支架7-1对向安装在滑块二6-2上，并且能够随着滑块二6-2进行滑动，套杆7-2为光滑的直杆，其优选以垂直的滑轨5的方式固定在两个安装支架7-1上，滑块三6-3套在套杆7-2上，并且在滑块三6-3与两个安装支架7-1之间均设有弹簧7-3，以使得滑块三6-3的位置更加稳定，其中弹簧7-3的一端抵在滑块三6-3上，弹簧7-3的另一端抵在安装支架7-1上。

本发明实现传动的方式为：设置有杠杆8、输出盘9，其中杠杆8的一端部位置与输出盘9之间通过连接轴13铰接，并且在滑块一6-1的上方设置了杠杆支点14，在滑块三6-3的下方设置了弹簧支点15；

其中，如图7所示，杠杆8上设置了不连通的滑槽一8-1、滑槽二8-2，杠杆支点14位于滑槽一8-1内，弹簧支点15位于滑槽二8-2内，在主轴3驱动主传递盘4转动的同时，主传递盘4带动滑轨5以及滑块一6-1、滑块二6-2进行转动，并分别通过杠杆支点14、弹簧支点15驱动杠杆8进行转动，最终驱动输出盘9进行回转，其中，输出盘9的转动，为输出源。

进一步的，滑块一6-1、滑块三6-3分别与杠杆8的上下端面支撑相抵，可以很好的限制杠杆8的上下跳动，有利于装置传递过程的稳定性，具体的，在杠杆上设置了限位螺栓，以限制杠杆的上下跳动，避免杠杆被卡死的现象出现。

在本发明的其他优选示例中，滑槽一与滑槽二之间也可以连通。

具体的，输出盘9也为筒状，并且输出盘9与固定壳体2的回转同心同轴，输出盘9与固定壳体2之间通过轴承构件二15实现转动连接。

本发明实现刚度调节的方式为：设置有刚度调节机构10，通过调节杠杆支点14在滑槽一8-1中的位置、弹簧支点15在滑槽二8-2中的位置，实现整个装置刚度的调节。

具体参见图10-13，当杠杆支点14、弹簧支点15在杠杆8的长度方向处于最小间距位置时(图10)，整个装置的刚度处于最小的状态，当杠杆支点14、弹簧支点15在杠杆8的长度方向处于最小间距位置时(图12)，整个装置的刚度处于最大的状态，由于杠杆8与输出盘9之间采用连接轴铰接的方式，在受力后，杠杆8会围绕连接轴转动至平衡位置后，再进一步进行传动。

本发明一种优选的刚度调节机构10的方式为，参见图3、图4、图5、图8、图9，包括转动盘10-1、滑块支点一10-2与滑块支点二10-3，其中转动盘10-1能够进行旋转，在转动盘10-1上设有曲线槽一10-1a、曲线槽二10-1b，滑块支点一10-2固定在滑块一6-1上，并且伸入至曲线槽一10-1a中，滑块支点二10-3，固定在滑块二6-2上，并且伸入至曲线槽二10-1b中，曲线槽一10-1a、曲线槽二10-1b均为非圆弧线槽，转动盘10-1的旋转，能够驱动滑块支点一10-2在曲线槽一10-1a内滑移、滑块支点二10-3在曲线槽二10-1b内滑移，进而改变滑块一6-1与滑块二6-2的相对位置，最终实现装置刚度的快速调节。

进一步的，转动盘10-1的驱动方式采用齿轮结构，包括从动齿轮10-4、主动齿轮10-5以及变刚度驱动电机10-6，转动盘10-1安装在从动齿轮10-4上，其中变刚度驱动电机10-6安装在固定壳体2上，主动齿轮10-5固定在变刚度驱动电机10-6的输出轴上，从动齿轮10-4位于固定壳体2内，其与主动齿轮10-5之间啮合，并且从动齿轮10-4与主轴3同心，其通过轴承构件一16旋转支撑在主轴3的外周，以进一步节省安装的空间。

具体的，从动齿轮10-4的齿数远超过主动齿轮10-5的齿数，二者之间的传递比达到1：8甚至1：12以上，通过被驱动的从动齿轮10-4的转动，带动转动盘10-1旋转一定的角度，驱使滑块支点一10-2与滑块支点二10-3的滑动，最终实现杠杆支点14、弹簧支点15的位置变化，改变装置整体的刚度。

本发明中的曲线槽一10-1a、曲线槽二10-1b可以进行参数化设计，通过控制转动盘10-1的转动角度，最终可以获取滑块支点一10-2与滑块支点二10-3的位置，进而获得装置各个位置准确的刚度。

本发明中的转角检测组件11用于检测输出盘9与主传递盘4之间的相对转角，以体现整个装置的柔性，转角检测组件11包括支座11-1、圆弧形齿条11-2、随动齿轮11-3、编码器11-4。

支座11-1位于输出盘9内，并固定安装在主传递盘4上，圆弧形齿条11-2设在支座11-1上，并且圆弧形齿条11-2的弧线中心位于输出盘9的回转中心上，在输出盘9上设有端盖9-1，编码器11-4固定在端盖9-1上，随动齿轮11-3与圆弧形齿条11-2之间啮合，其固定在编码器11-4的输出轴上，并与编码器11-4的输出轴同步转动。

本发明中主轴3转动后，通过主传递盘4、杠杆8的传动，实现输出盘9的转动，在不同刚度输出时，杠杆8相对围绕连接轴13的转动角度是不同的，进而输出盘9相对主传递盘4的转动也存在着一定的延迟，基于圆弧形齿条11-2(支座11-1)与主传递盘4之间是同步转动的、随动齿轮11-3与输出盘9之间也是同步的，可以通过圆弧形齿条11-2与随动齿轮11-3之间的相对转动，并通过编码器11-4的输出轴转动，进而获取输出盘9与主传递盘4之间相对转角，以显示出本发明装置的柔性化。

虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种基于杠杆机构的变刚度关节装置，其特征在于，包括：

主轴(3)；

主传递盘(4)，设置在所述主轴(3)上，与所述主轴(3)同步转动；

滑轨(5)，固定在所述主传递盘(4)的上方；

滑块一(6-1)，设置在所述滑轨(5)上，所述滑块一(6-1)上设有杠杆支点(14)；

滑块二(6-2)，设置在所述滑轨(5)上；

套杆(7-2)，通过安装支架(7-1)固定在所述滑块二(6-2)的上方；

滑块三(6-3)，套在所述套杆(7-2)上，所述滑块三(6-3)上设有弹簧支点(15)；

其中，在所述套杆(7-2)位于所述滑块三(6-3)的两侧设有弹簧(7-3)，所述弹簧(7-3)的一端抵在所述滑块三(6-3)上，所述弹簧(7-3)的另一端抵在所述安装支架(7-1)上；

杠杆(8)，其具有滑槽一(8-1)、滑槽二(8-2)，所述杠杆支点(14)位于所述滑槽一(8-1)内，所述弹簧支点(15)位于所述滑槽二(8-2)内；

输出盘(9)，通过连接轴(13)与所述杠杆(8)之间铰接；以及

用于改变所述杠杆支点(14)在所述滑槽一(8-1)中位置、所述弹簧支点(15)在所述滑槽二(8-2)中位置的机构(10)，所述机构(10)驱动所述滑块一(6-1)、所述滑块二(6-2)在所述滑轨(5)上同时进行滑移。

2.如权利要求1所述的基于杠杆(8)机构(10)的变刚度关节装置，其特征在于，所述机构(10)包括：

能够旋转的转动盘(10-1)，其上设有曲线槽一(10-1a)、曲线槽二(10-1b)；

滑块支点一(10-2)，固定在所述滑块一(6-1)上，并且伸入至所述曲线槽一(10-1a)中；

滑块支点二(10-3)，固定在所述滑块二(6-2)上，并且伸入至所述曲线槽二(10-1b)中；

其中，所述转动盘(10-1)的旋转，能够同时驱动所述滑块支点一(10-2)在所述曲线槽一(10-1a)内滑移、所述滑块支点二(10-3)在所述曲线槽二(10-1b)内滑移，进而改变所述滑块一(6-1)与所述滑块二(6-2)的相对位置。

3.如权利要求2所述的基于杠杆(8)机构(10)的变刚度关节装置，其特征在于，所述机构(10)进一步包括：

用于承载所述转动盘(10-1)的从动齿轮(10-4)；

与所述从动齿轮(10-4)啮合的主动齿轮(10-5)；

用于驱动所述主动齿轮(10-5)的变刚度驱动电机(10-6)。

4.如权利要求3所述的基于杠杆(8)机构(10)的变刚度关节装置，其特征在于，所述从动齿轮(10-4)设置为与所述主轴(3)同心，其通过轴承构件一(16)旋转支撑在所述主轴(3)的外周。

5.如权利要求1所述的基于杠杆(8)机构(10)的变刚度关节装置，其特征在于，进一步包括固定壳体(2)、用于驱动所述主轴(3)的输入电机(12)，所述输入电机(12)安装在所述固定壳体(2)上。

6.如权利要求5所述的基于杠杆(8)机构(10)的变刚度关节装置，其特征在于，所述输出盘(9)与所述固定壳体(2)之间通过轴承构件二(15)转动连接。

7.如权利要求1所述的基于杠杆(8)机构(10)的变刚度关节装置，其特征在于，所述套杆(7-2)设置为垂直于所述滑轨(5)。

8.如权利要求1所述的基于杠杆(8)机构(10)的变刚度关节装置，其特征在于，所述杠杆支点(14)位于所述滑块一(6-1)的上方一侧，所述杠杆(8)位于所述滑块一(6-1)的上方并且被所述滑块一(6-1)承载，所述弹簧支点(15)位于所述滑块三(6-3)的下方一侧。

9.如权利要求8所述的基于杠杆(8)机构(10)的变刚度关节装置，其特征在于，所述滑块三(6-3)抵在所述杠杆(8)的上端面，并且可以相对所述杠杆(8)滑动。

10.如权利要求1所述的基于杠杆(8)机构(10)的变刚度关节装置，其特征在于，还包括用于检测所述输出盘(9)与所述主传递盘(4)之间相对转角的组件(11)，所述组件(11)包括：

安装在所述主传递盘(4)上的支座(11-1)，其上设有固定圆弧形齿条(11-2)；

安装在所述输出盘(9)上的端盖(9-1)；

编码器(11-4)，位于所述端盖(9-1)上；以及

随动齿轮(11-3)，固定在所述编码器(11-4)的输出轴上，并与所述编码器(11-4)的输出轴同步转动，其中，所述随动齿轮(11-3)与所述圆弧形齿条(11-2)之间啮合。

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