CN111376306A - 机器人变刚度关节 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及机器人领域，具体地说是一种机器人变刚度关节，包括支撑架、转接座、旋转驱动结构、叶片弹簧机构和刚度调整机构，转接座与支撑架转动连接，旋转驱动机构设于支撑架内，且转接座通过旋转驱动机构驱动转动，叶片弹簧机构和刚度调整机构均设于转接座内，叶片弹簧机构包括凸轮随动块和两个叶片弹簧，且凸轮随动块通过刚度调整机构驱动移动，凸轮随动块上设有两个凸轮，两个叶片弹簧设于两个凸轮之间，转接座一侧设有可转动的侧盖，所述侧盖内侧设有侧盖压柱，且所述侧盖压柱设于两个叶片弹簧之间。本发明能够保证机器人在跳跃或发生碰撞时的能量缓冲，并可通过刚度调整机构驱动凸轮随动块移动改变叶片弹簧弧度，实现刚度的非线性调节。

Description

机器人变刚度关节
技术领域
本发明涉及机器人领域，具体地说是一种机器人变刚度关节。
背景技术
机器人技术经过半个世纪的发展已经日益成熟，并且已经在人类的生产和生活中得到广泛应用，而且机器人不再局限于封闭的结构化环境下代替人类完成传统工业生产，而是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，因此机器人与人类的接触越来越密切，而提高人机交互安全性成为未来机器人设计的首要因素。
未来的机器人在本质上应是安全的，与它们互动不应该比一个有意识的人有更大的风险，这就要求未来的机器应具有与人类相似的尺寸、速度、强度和柔顺性等特征，而人体最灵活的是人体关节，人体关节的运动形成了人的整体运动。现在传统的机器人关节几乎都是刚性关节，其柔顺性等方面还难以满足人机共融要求，当由这些刚性关节组成的刚性机械臂在工作时一般都与人隔离开来以防对人类造成伤害。
发明内容
本发明的目的在于提供一种机器人变刚度关节，能够保证机器人在跳跃或发生碰撞时的能量缓冲，并可通过刚度调整机构驱动凸轮随动块移动改变叶片弹簧弧度，实现刚度的非线性调节。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种机器人变刚度关节，包括支撑架、转接座、旋转驱动结构、叶片弹簧机构和刚度调整机构，转接座与支撑架转动连接，旋转驱动机构设于支撑架内，且所述转接座通过所述旋转驱动机构驱动转动，叶片弹簧机构和刚度调整机构均设于所述转接座内，所述叶片弹簧机构包括凸轮随动块和两个叶片弹簧，且所述凸轮随动块通过所述刚度调整机构驱动在所述转接座内移动，在所述凸轮随动块上设有两个凸轮，且两个叶片弹簧设于所述两个凸轮之间，所述转接座一侧设有可转动的侧盖与所述支撑架连接，所述侧盖内侧设有侧盖压柱，且所述侧盖压柱设于所述两个叶片弹簧之间。
所述转接座内设有一个支撑板，所述凸轮随动块和叶片弹簧设于所述支撑板靠近所述侧盖一侧，且所述凸轮随动块与所述支撑板滑动连接，所述刚度调节机构包括刚度调整电机和钢丝，所述刚度调整电机设于所述支撑板远离所述侧盖一侧，所述钢丝一端设于刚度调整电机的输出轴上，另一端穿过所述支撑板后与所述凸轮随动块固连。
所述支撑板上设有一个供所述钢丝穿过的通孔，在所述通孔处设有一个滑轮，且所述钢丝绕过所述滑轮。
所述支撑板远离所述钢丝一侧设有一个安装块，所述凸轮随动块通过一个复位弹簧与所述安装块相连。
所述叶片弹簧端部固装于所述安装块上。
所述支撑架呈凹型，所述转接座一侧设有可转动的侧盖，另一侧设有固定端盖，且所述侧盖和固定端盖分别通过转轴与所述支撑架两侧的侧板转动连接。
所述旋转驱动结构包括旋转驱动电机和传动组件，所述旋转驱动电机固装于所述支撑架上，所述传动组件设于所述支撑架一侧的侧板上，且所述转接座与支撑架该侧侧板连接的转轴通过所述旋转驱动电机驱动旋转，所述旋转驱动电机通过所述传动组件传递转矩。
所述传动组件为齿轮传动组件，其中主动齿轮安装于所述旋转驱动电机的输出轴上，从动齿轮与所述转轴固连。
本发明的优点与积极效果为：
1、本发明的转接座承受载荷时，转接座一侧的侧盖相对转动并使该侧盖内侧的侧盖压柱压紧相应的叶片弹簧实现力平衡，满足关节柔顺性要求，能够在转角较小的情况下实现大载荷的承载，保证机器人在跳跃、发生碰撞时能量的缓冲，并可通过刚度调整机构驱动凸轮随动块移动改变叶片弹簧弧度，实现刚度的非线性调节。
2、本发明结构紧凑，调刚范围大且控制简单，能够满足人机交互安全性，更好地实现机器人与人共融。
附图说明
图1为本发明的立体示意图，
图2为本发明的主视图，
图3为本发明的侧视图，
图4为图1中的支撑架结构示意图，
图5为图1中的转接座剖视图，
图6为图5中的转接座内部结构示意图，
图7为图6中的叶片弹簧和凸轮随动块的位置关系示意图。
其中，1为支撑架，2为转接座，201为侧盖，202为侧盖轴承，203为叶片弹簧，204为钢丝，205为转轴孔，206为刚度调整电机，207为滑轨，208为支撑板，209为复位弹簧，210为安装块，211为凸轮随动块，212为侧盖压柱，213为凸轮，214为滑轮，3为转轴，4为旋转驱动电机，5为传动组件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图1～7所示，本发明包括支撑架1、转接座2、旋转驱动结构、叶片弹簧机构和刚度调整机构，所述支撑架1呈凹型，所述转接座2设于所述支撑架1的凹口内，且所述转接座2两侧通过转轴3与所述支撑架1两侧的侧板转动连接，旋转驱动机构设于所述支撑架1上，且所述转接座2通过所述旋转驱动机构驱动转动，叶片弹簧机构和刚度调整机构均设于转接座2内，如图5～7所示，所述叶片弹簧机构包括凸轮随动块211和两个叶片弹簧203，所述凸轮随动块211通过所述刚度调整机构驱动在所述转接座2内移动，在所述凸轮随动块211上设有两个凸轮213，且两个叶片弹簧203设于所述两个凸轮213之间，所述转接座2一侧设有可转动的侧盖201，且所述侧盖201通过转轴3与所述支撑架1一侧的侧板转动连接，所述侧盖201内侧设有侧盖压柱212，且所述侧盖压柱212设于两个叶片弹簧203之间。所述叶片弹簧203又称作板弹簧，具有弹性且呈一定弧度，所述叶片弹簧203为本领域公知技术，当转接座2承受载荷时，所述侧盖201相对转动并使侧盖压柱212压紧任一侧的叶片弹簧203实现力平衡，满足关节柔顺性要求，当凸轮随动块211通过所述刚度调整机构驱动移动时，所述凸轮随动块211上的凸轮213压紧叶片弹簧203的位置改变，进而改变叶片弹簧203弧度，实现叶片弹簧203的预紧力调整。
如图5～6所示，在所述转接座2内设有一个支撑板208，所述凸轮随动块211和叶片弹簧203设于所述支撑板208靠近所述侧盖201一侧，且所述凸轮随动块211与所述支撑板208滑动连接，在所述支撑板208上设有滑轨207，在所述凸轮随动块211下侧设有与所述滑轨207配合的滑槽，所述刚度调节机构包括刚度调整电机206和钢丝204，所述刚度调整电机206设于所述支撑板208远离所述侧盖201一侧，所述钢丝204一端设于刚度调整电机206的输出轴上，另一端与所述凸轮随动块211固连，在所述支撑板208上设有一个供所述钢丝204穿过的通孔，且所述通孔处设有一个滑轮214，所述钢丝204绕过所述滑轮214后与所述凸轮随动块211相连，在所述支撑板208远离所述钢丝204一侧设有一个安装块210，所述叶片弹簧203端部通过螺钉固装于所述安装块210上，所述凸轮随动块211通过一个复位弹簧209与所述安装块210相连，复位弹簧209保证了刚度调整电机206的拉力平衡。
如图5所示，所述侧盖201通过侧盖轴承202支承安装于所述转接座2上，所述转接座2另一侧设有固定端盖，且所述侧盖201和固定端盖上均设有供所述转轴3插入的转轴孔205。
如图1和图4所示，所述旋转驱动结构包括旋转驱动电机4和传动组件5，所述旋转驱动电机4固装于所述支撑架1上，所述传动组件5设于所述支撑架1一侧的侧板上，且所述转接座2与支撑架1该侧侧板连接的转轴3通过所述旋转驱动电机4驱动旋转，所述旋转驱动电机4通过所述传动组件5传递转矩。本实施例中，所述传动组件5包括依次啮合的主动齿轮、中间齿轮和从动齿轮，其中主动齿轮安装于所述旋转驱动电机4的输出轴上，从动齿轮与所述转轴3固连。
本发明的工作原理为：
本发明工作时，所述转接座2通过所述旋转驱动电机4驱动转动，所述旋转驱动电机4通过所述传动组件5传递转矩，所述转接座2一侧设有可转动的侧盖201，且所述侧盖201内侧设有一个侧盖压柱212设于叶片弹簧机构的两个叶片弹簧203之间，当转接座2承受载荷时，所述侧盖201相对转动并使侧盖压柱212压紧相应的叶片弹簧203实现力平衡，满足关节柔顺性要求，且侧盖压柱212和叶片弹簧203提供非线性刚度变化，能够在转角较小的情况下实现大载荷的承载，保证机器人在跳跃、发生碰撞时能量的缓冲，并可通过刚度调整机构驱动凸轮随动块211移动，使所述凸轮随动块211上的凸轮213压紧叶片弹簧203的位置改变，进而改变叶片弹簧203弧度，实现刚度的非线性调节。

Claims (8)

1.一种机器人变刚度关节，其特征在于：包括支撑架(1)、转接座(2)、旋转驱动结构、叶片弹簧机构和刚度调整机构，转接座(2)与支撑架(1)转动连接，旋转驱动机构设于支撑架(1)内，且所述转接座(2)通过所述旋转驱动机构驱动转动，叶片弹簧机构和刚度调整机构均设于所述转接座(2)内，所述叶片弹簧机构包括凸轮随动块(211)和两个叶片弹簧(203)，且所述凸轮随动块(211)通过所述刚度调整机构驱动在所述转接座(2)内移动，在所述凸轮随动块(211)上设有两个凸轮(213)，且两个叶片弹簧(203)设于所述两个凸轮(213)之间，所述转接座(2)一侧设有可转动的侧盖(201)与所述支撑架(1)连接，所述侧盖(201)内侧设有侧盖压柱(212)，且所述侧盖压柱(212)设于所述两个叶片弹簧(203)之间。
2.根据权利要求1所述的机器人变刚度关节，其特征在于：所述转接座(2)内设有一个支撑板(208)，所述凸轮随动块(211)和叶片弹簧(203)设于所述支撑板(208)靠近所述侧盖(201)一侧，且所述凸轮随动块(211)与所述支撑板(208)滑动连接，所述刚度调节机构包括刚度调整电机(206)和钢丝(204)，所述刚度调整电机(206)设于所述支撑板(208)远离所述侧盖(201)一侧，所述钢丝(204)一端设于刚度调整电机(206)的输出轴上，另一端穿过所述支撑板(208)后与所述凸轮随动块(211)固连。
3.根据权利要求2所述的机器人变刚度关节，其特征在于：所述支撑板(208)上设有一个供所述钢丝(204)穿过的通孔，在所述通孔处设有一个滑轮(214)，且所述钢丝(204)绕过所述滑轮(214)。
4.根据权利要求2所述的机器人变刚度关节，其特征在于：所述支撑板(208)远离所述钢丝(204)一侧设有一个安装块(210)，所述凸轮随动块(211)通过一个复位弹簧(209)与所述安装块(210)相连。
5.根据权利要求4所述的机器人变刚度关节，其特征在于：所述叶片弹簧(203)端部固装于所述安装块(210)上。
6.根据权利要求1所述的机器人变刚度关节，其特征在于：所述支撑架(1)呈凹型，所述转接座(2)一侧设有可转动的侧盖(201)，另一侧设有固定端盖，且所述侧盖(201)和固定端盖分别通过转轴(3)与所述支撑架(1)两侧的侧板转动连接。
7.根据权利要求6所述的机器人变刚度关节，其特征在于：所述旋转驱动结构包括旋转驱动电机(4)和传动组件(5)，所述旋转驱动电机(4)固装于所述支撑架(1)上，所述传动组件(5)设于所述支撑架(1)一侧的侧板上，且所述转接座(2)与支撑架(1)该侧侧板连接的转轴(3)通过所述旋转驱动电机(4)驱动旋转，所述旋转驱动电机(4)通过所述传动组件(5)传递转矩。
8.根据权利要求7所述的机器人变刚度关节，其特征在于：所述传动组件(5)为齿轮传动组件，其中主动齿轮安装于所述旋转驱动电机(3)的输出轴上，从动齿轮与所述转轴(3)固连。
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