CN111015729A - 仿人肘关节型机器人变刚度关节 - Google Patents

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刘玉旺
李晓虎
杨尚奎
王鹏
刘金国
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J17/00—Joints
    • B25J17/02—Wrist joints

Abstract

本发明涉及机器人领域，具体地说是一种仿人肘关节型机器人变刚度关节，包括大臂、小臂和变刚度单元，变刚度单元包括输入轴、连接架和输出盘，输入轴与连接架连接，连接架中间设有丝杠、两侧设有输入支撑杆，丝杠上设有两个螺向相反的丝母，输入支撑杆上设有两个滑轮架，且所述滑轮架与对应丝母固连，输出盘两侧设有输出支撑杆，且输出支撑杆上设有两个滑块，每个滑轮架两端设有滑轮，且位于同一侧的滑轮和滑块通过钢丝绳相连，输出支撑杆的两个滑块之间套设有弹簧，输出盘通过输出连接件与小臂连接，大臂内设有位姿驱动机构，小臂内设有调刚机构，输入轴通过位姿驱动机构驱动转动，丝杠通过调刚机构驱动转动。本发明能够主动实现关节刚度调节。

Description

仿人肘关节型机器人变刚度关节
技术领域
本发明涉及机器人领域，具体地说是一种仿人肘关节型机器人变刚度关节。
背景技术
传统的刚性关节具有优良的轨迹跟踪和末端定位能力，但缺乏缓冲和吸能储能功能，极易被强烈的冲击破坏，甚至对人类造成致命伤害。伴随着机器人不再局限于结构化环境下代替人类完成传统工业生产，而逐渐从封闭作业空间中解放出来，进入非结构化环境与人共融并协同作业，传统的刚性关节已经难以适应人机交互安全性的要求，在此情况下，作为实现关节柔顺性的一种主要形式，变刚度关节受到了人们的极大关注。机器人变刚度关节是在机械臂的关节刚性输入端和输出端的中间加入变刚度弹性元件来实现关节的刚度调节，这种控制方式具有弹性元件，能够吸收能量、缓和冲击。当前主流的变刚度关节多为被动柔性关节，且目前的变刚度关节多存在原理突破难、结构复杂庞大等缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种仿人肘关节型机器人变刚度关节，能够主动实现关节刚度调节，具有良好的人机交互性，并且结构紧凑。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种仿人肘关节型机器人变刚度关节，包括大臂、小臂和变刚度单元，变刚度单元包括输入轴、连接架和输出盘，其中输入轴与连接架连接，输出盘转动套装于输入轴上，连接架中间设有丝杠、两侧设有输入支撑杆，所述丝杠上设有两个螺向相反的丝母，输入支撑杆上设有两个可移动的滑轮架，且所述滑轮架与对应的丝母固连，输出盘两侧设有输出支撑杆，且输出支撑杆上设有两个滑块，每个滑轮架两端均设有滑轮，且位于同一侧的滑轮和滑块通过钢丝绳相连，输出支撑杆的两个滑块之间套设有弹簧，所述输出盘通过输出连接件与小臂连接，大臂内设有位姿驱动机构，小臂内设有调刚机构，且所述输入轴通过所述位姿驱动机构驱动转动，所述丝杠通过所述调刚机构驱动转动。
所述滑轮架通过滑动轴承安装于对应的输入支撑杆上。
连接架两侧对应的滑轮架通过一个调节连板与对应丝母的固连，且所述调节连板上设有供所述丝杠穿过的通孔。
所述连接架远离输入轴一端设有输入副轴，所述丝杠轴端穿过所述输入副轴并与所述输入副轴转动连接。
所述滑块通过直线轴承安装于对应的输出支撑杆上，且所述滑块上设有穿绳孔。
所述大臂内的位姿驱动机构包括位姿电机、第一蜗轮蜗杆机构和皮带传动机构，位姿电机的输出轴与第一蜗轮蜗杆机构中的蜗杆连接，第一蜗轮蜗杆机构中的蜗轮与皮带传动机构中的主动带轮同轴固连，皮带传动机构中的从动带轮与变刚度单元中的输入轴同轴固连。
所述小臂内的调刚机构包括调刚电机和第二蜗轮蜗杆机构，调刚电机的输出轴与第二蜗轮蜗杆机构中的蜗杆连接，第二蜗轮蜗杆机构中的蜗轮与变刚度单元中的丝杠同轴固连。
本发明的优点与积极效果为：
1、本发明变刚度单元中的丝杠通过小臂内的调刚机构驱动转动，能够主动实现关节刚度调节，具有良好的人际交互性。
2、本发明的变刚度单元整体结构紧凑，并且位姿调整机构集成于大臂内，调刚机构集成于小臂内，整体外观紧凑简洁。
附图说明
图1为本发明的结构示意图，
图2为图1中的变刚度单元结构示意图，
图3为图2中的变刚度单元剖视图，
图4为本发明的外观示意图，
图5为本发明另一角度示意图。
其中，1为大臂，101为位姿电机，102为第一蜗轮蜗杆机构，103为皮带传动机构，2为小臂，201为调刚电机，202为第二蜗轮蜗杆机构，3为变刚度单元，301为输出盘，302为输入支撑杆，303为滑动轴承，304为滑轮架，305为调节连板，306为丝杠，307为输入副轴，308为输出支撑杆，309为滑块，3091为穿绳孔，310为弹簧，311为直线轴承，312为钢丝绳，313为滑轮，314为输入轴，315为连接架，316为丝母，317为输出连接件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图1～5所示，本发明包括大臂1、小臂2和变刚度单元3，如图2～3所示，所述变刚度单元3包括输入轴314、连接架315和输出盘301，其中输入轴314与连接架315连接，输出盘301通过轴承支撑套装于所述输入轴314上，所述连接架315中间设有丝杠306、两侧设有输入支撑杆302，所述丝杠306上设有两个螺向相反的丝母316，每个输入支撑杆302上均设有两个可移动的滑轮架304，且所述滑轮架304与对应侧的丝母316固连，所述丝杠306转动即驱动两个丝母316反向移动，进而驱动每个输出支撑杆308上的两个滑轮架304反向移动，所述输出盘301两侧设有输出支撑杆308，且每个输出支撑杆308上均设有两个滑块309，每个滑轮架304两端均设有滑轮313，且位于同一侧的滑轮313和滑块309通过钢丝绳312相连，在每个输出支撑杆308的两个滑块309之间套设有弹簧310，如图5所示，所述输出盘301通过输出连接件317与小臂2连接，如图1所示，所述大臂1内设有位姿驱动机构，所述小臂2内设有调刚机构，且所述输入轴314通过所述位姿驱动机构驱动转动，所述丝杠306通过所述调刚机构驱动转动。本发明工作时，如图2～3所示，输入轴314带动连接架315转动，连接架315两侧输入支撑杆302上的滑轮架304通过滑轮313、钢丝绳312和分别对应的输出支撑杆308驱动输出盘301转动，如图5所示，所述输出盘301通过输出连接件317驱动小臂2转动实现位姿调整，本实施例中，所述输出连接线317为一个套筒，调节刚度时所述丝杠306转动并驱动两个丝母316反向移动，进而带动每个输出支撑杆308上的两个滑轮架304反向移动，两个滑轮架304进而通过钢丝绳312驱动对应输出支撑杆308上的两个滑块309移动压缩弹簧310，从而改变关节刚度。
如图2～3所示，所述滑轮架304通过滑动轴承303安装于对应的输入支撑杆302上，从而实现移动，并且两侧滑轮架304通过一个调节连板305实现与对应丝母316的固连，所述调节连板305上设有供所述丝杠306穿过的通孔。所述连接架315远离输入轴314一端设有输入副轴307，所述丝杠306轴端穿过所述输入副轴307并与所述输入副轴307转动连接，所述滑块309通过直线轴承311安装于对应的输出支撑杆308上，从而实现移动，所述滑块309上设有穿绳孔3091用于连接钢丝绳312。
如图1所示，所述大臂1内的位姿驱动机构包括位姿电机101、第一蜗轮蜗杆机构102和皮带传动机构103，位姿电机101的输出轴通过联轴器与第一蜗轮蜗杆机构102中的蜗杆连接，蜗轮则与皮带传动机构103中的主动带轮同轴固连，皮带传动机构103中的从动带轮与变刚度单元3中的输入轴314同轴固连。
如图1所示，所述小臂2内的调刚机构包括调刚电机201和第二蜗轮蜗杆机构202，调刚电机201的输出轴通过联轴器与第二蜗轮蜗杆机构202中的蜗杆连接，蜗轮与变刚度单元3中的丝杠306同轴固连。
本发明的工作原理为：
本发明工作时，变刚度单元3中的输入轴314通过大臂1内的位姿驱动机构驱动转动，输入轴314转动带动连接架315转动，连接架315两侧输入支撑杆302上的滑轮架304通过滑轮313、钢丝绳312和分别对应的输出支撑杆308驱动输出盘301转动，如图5所示，所述输出盘301通过输出连接件317驱动小臂2转动，从而实现小臂2位姿调整，调节刚度时，变刚度单元3中的丝杠306通过小臂2内的调刚机构驱动转动，所述丝杠306转动即驱动两个丝母316反向移动，进而带动每个输出支撑杆308上的两个滑轮架304反向移动，两个滑轮架304进而通过钢丝绳312驱动对应输出支撑杆308上的两个滑块309移动压缩弹簧310，从而改变关节刚度。

Claims (7)

1.一种仿人肘关节型机器人变刚度关节，其特征在于：包括大臂(1)、小臂(2)和变刚度单元(3)，变刚度单元(3)包括输入轴(314)、连接架(315)和输出盘(301)，其中输入轴(314)与连接架(315)连接，输出盘(301)转动套装于输入轴(314)上，连接架(315)中间设有丝杠(306)、两侧设有输入支撑杆(302)，所述丝杠(306)上设有两个螺向相反的丝母(316)，输入支撑杆(302)上设有两个可移动的滑轮架(304)，且所述滑轮架(304)与对应的丝母(316)固连，输出盘(301)两侧设有输出支撑杆(308)，且输出支撑杆(308)上设有两个滑块(309)，每个滑轮架(304)两端均设有滑轮(313)，且位于同一侧的滑轮(313)和滑块(309)通过钢丝绳(312)相连，输出支撑杆(308)的两个滑块(309)之间套设有弹簧(310)，所述输出盘(301)通过输出连接件(317)与小臂(2)连接，大臂(1)内设有位姿驱动机构，小臂(2)内设有调刚机构，且所述输入轴(314)通过所述位姿驱动机构驱动转动，所述丝杠(306)通过所述调刚机构驱动转动。
2.根据权利要求1所述的仿人肘关节型机器人变刚度关节，其特征在于：所述滑轮架(304)通过滑动轴承(303)安装于对应的输入支撑杆(302)上。
3.根据权利要求1所述的仿人肘关节型机器人变刚度关节，其特征在于：连接架(315)两侧对应的滑轮架(304)通过一个调节连板(305)与对应丝母(316)的固连，且所述调节连板(305)上设有供所述丝杠(306)穿过的通孔。
4.根据权利要求1所述的仿人肘关节型机器人变刚度关节，其特征在于：所述连接架(315)远离输入轴(314)一端设有输入副轴(307)，所述丝杠(306)轴端穿过所述输入副轴(307)并与所述输入副轴(307)转动连接。
5.根据权利要求1所述的仿人肘关节型机器人变刚度关节，其特征在于：所述滑块(309)通过直线轴承(311)安装于对应的输出支撑杆(308)上，且所述滑块(309)上设有穿绳孔(3091)。
6.根据权利要求1所述的仿人肘关节型机器人变刚度关节，其特征在于：所述大臂(1)内的位姿驱动机构包括位姿电机(101)、第一蜗轮蜗杆机构(102)和皮带传动机构(103)，位姿电机(101)的输出轴与第一蜗轮蜗杆机构(102)中的蜗杆连接，第一蜗轮蜗杆机构(102)中的蜗轮与皮带传动机构(103)中的主动带轮同轴固连，皮带传动机构(103)中的从动带轮与变刚度单元(3)中的输入轴(314)同轴固连。
7.根据权利要求1所述的仿人肘关节型机器人变刚度关节，其特征在于：所述小臂(2)内的调刚机构包括调刚电机(201)和第二蜗轮蜗杆机构(202)，调刚电机(201)的输出轴与第二蜗轮蜗杆机构(202)中的蜗杆连接，第二蜗轮蜗杆机构(202)中的蜗轮与变刚度单元(3)中的丝杠(306)同轴固连。
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