CN111390965B - 一种新型通用变刚度机械臂关节 - Google Patents

Abstract

一种新型通用变刚度机械臂关节，谐波减速器的输出与梯形丝杠螺纹端固连，当梯形丝杠旋转，丝杠螺母与梯形丝杠能够产生相对轴向运动；丝杠螺母与丝杠螺母固定盘固连、丝杠螺母固定盘和滚子轴承盘能够沿着固定在关节外壳内侧的导轨相对于关节外壳做轴向运动；模具弹簧套装在丝杠螺母固定盘和滚子轴承盘之间；滚子轴承盘与梯形丝杠的水平端之间安装弧形轮盘，弧形轮盘套装在梯形丝杠上，梯形丝杠的水平端通过轴承径向定位梯形丝杠及承载模具弹簧作用力，并将其传递到弧形轮盘上；弧形轮盘和输出法兰固连，通过轴承支撑相对于关节外壳转动；弧形轮盘与安装在滚子轴承盘上的滚子轴承配合，实现将作用在输出法兰上的外界作用力矩转换成作用在弹簧上的压缩力。

Description

一种新型通用变刚度机械臂关节

技术领域

本发明属于机械臂关节设计领域，涉及一种新型通用变刚度机械臂关节。

背景技术

对于操作用的多关节机器人来说，如果面对的是非结构化的环境，操作末端和环境产生碰撞或接触是不可避免的，刚性的碰撞可能造成机器人结构的永久损害，并可破坏操作对象或者危及操作人员。针对这种破坏性碰撞主要有两种解决方法，一种是通过软件上设计柔顺控制算法，调节与接触对象之间的接触力和力矩，保证接触的安全性，但这种方法受整个控制系统带宽的约束，无法快速响应。另一种方法是从硬件设计上改进，采用具有主动调节刚度的关节，在高刚度的驱动单元和操作对象之间加上了柔性机构，根据周围操作环境的变化和目标角动量的估算，关节的刚度进行实时调整，有效吸收接触目标的机械能，缓冲操作碰撞或者接触过程对关节的冲击。主动调节刚度关节的引入会有效地调节机械臂和操作目标的交互作用强弱，增加其机械臂操作过程中的环境适应能力，减小非预期碰撞带来的破坏。

为此，根据环境特征来调节机器人关节刚度，实现安全性和关节控制的精确性综合考虑是很必要的。为兼顾机器人在完成不同任务时的运动效率，这里给出一种新型的通用变刚度关节，可根据任务的不同，对弹性机构的刚度在线做出动态调整，设计的关节有以下特点：

(1)刚度变化范围大，结构上具有较高的可靠性；

(2)结构紧凑，有通用接口，便于和商业化机械臂一体关节集成；

(3)在任一种刚度条件下，当关节形变接近其最大形变时，要求其刚性值达到接近完全刚性，可避免关节形变超出范围而损坏关节；

(4)形变部件传导引起的回程误差非常小。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种新型通用变刚度机械臂关节，采用大刚度模具弹簧作为储能部件，通过变刚度电机的控制主动调节关节刚度。在外界不同的干扰力矩作用下，产生不同的旋转形变，适应与环境的接触交互需要，并能防止意外碰撞引起的破坏。

本发明解决技术的方案是：一种新型通用变刚度机械臂关节，包括输出法兰、关节外壳、梯形丝杠、丝杠螺母、弧形轮盘、滚子轴承盘、丝杠螺母固定盘、谐波减速器、刚度调节电机、电机驱动器；

刚度调节电机的输出连接谐波减速器、谐波减速器的输出与梯形丝杠螺纹端固连，丝杠螺母安装在所述的梯形丝杠上、二者之间能够产生相对轴向运动；丝杠螺母与丝杠螺母固定盘固连、所述的丝杠螺母固定盘和滚子轴承盘能够相对于关节外壳轴向运动；模具弹簧套装在所述丝杠螺母固定盘和滚子轴承盘之间；滚子轴承盘与梯形丝杠的水平端之间安装弧形轮盘，弧形轮盘套装在梯形丝杠上，所述梯形丝杠的水平端通过轴承径向定位梯形丝杠及承载模具弹簧作用力，并将其传递到弧形轮盘上；弧形轮盘和输出法兰固连，能够相对于关节外壳转动；弧形轮盘与安装在滚子轴承盘上的滚子轴承配合，实现将作用在输出法兰上的外界作用力矩转换成作用在弹簧上的压缩力。

优选的，所述的关节外壳上设置轨道，轨道上安装滑块，通过滑块与丝杠螺母盘、滚子轴承盘固连，进而实现相对关节外壳的轴向运动。

优选的，滚子轴承盘和丝杠螺母固定盘均安装三组滑块，滑块沿圆周等角度安装，提供轴向自由度；所述的轨道固定在关节外壳内壁，共三根，沿圆周等角度安装，提供轴向滑动导向。

优选的，所述梯形丝杠的水平端通过深沟球轴承径向定位梯形丝杠，通过推力轴承承受梯形丝杠和弧形轮盘之间的轴向压力。

优选的，通过刚度调节电机的输出调节丝杠螺母固定盘和滚子轴承盘之间的间距，控制模具弹簧的压紧力，该压紧力与弧形轮盘和滚子轴承盘相对旋转所需要的外界冲击力矩大小对应；通过不同的压紧力控制实现机械臂关节的刚度调节。

优选的，所述的弧形轮盘一侧为圆周对称分布的三部分凹形弧面，该弧面采用贝塞尔曲线设计，弧面两边最高点处的切平面与轮盘的盘面垂直，与所述弧面同侧同轴设置凹凸卡合面，所述弧面另一侧同轴设置花键和输出法兰固连，轴外侧通过安装在交叉滚柱轴承座上的一对交叉滚柱轴承支撑，能够相对于关节外壳转动，通过交叉滚柱轴承将作用在输出法兰上的外界作用力矩传递到弧形轮盘上。

优选的，所述的交叉滚柱轴承座上安装绝对编码器读数头，所述的绝对编码器读数头用于与安装在弧形轮盘上的磁环配合读出外力矩引起的关节转角。

优选的，所述的滚子轴承盘为中空盘形结构；所述的盘形结构的一面沿圆形边缘突出，用于对套装在其上的模具弹簧一端进行限位；盘形结构的另一面圆周对称分布三个支撑突起，上有安装孔，用于安装滚子轴承，三个滚子轴承外表面和弧形轮盘一侧所分布的三处凹形弧面相接触，当外界没有施加力矩时，滚子轴承在凹形弧面最低点，当弧形轮盘在外界力矩作用下转动时，滚子轴承在凹形弧面上相对滚动，由于凹形弧面的作用，滚子轴承盘会沿着轴向移动压缩弹簧；当滚子轴承转到了凹形弧面的极限位置，这时接触的弧面垂直于盘面，弧形轮盘和滚子轴承盘无法发生相对转动。

优选的，所述的丝杠螺母固定盘为中空的圆柱形结构，中空处通过螺钉与丝杠螺母法兰同轴固连，梯形丝杠和丝杠螺母通过梯形螺纹连接；所述的圆柱形结构的一端向外弯折形成一个凹槽，用于对套装在其上的模具弹簧一端进行限位；圆柱形结构的另一端端部设置凹凸卡合面，当丝杠螺母固定盘和滚子轴承盘轴向相对运动压缩弹簧时，移动到极限位置，该凹凸卡合面会与弧形轮盘上的凹凸卡合面接触，限制弧形轮盘的转动，机械臂关节完全刚性；圆柱形结构的另一端外侧和滚子轴承盘中心为花键配合，能将丝杠螺母固定盘受到的力矩负载分散到滚子轴承盘上的同时，不约束丝杠螺母固定盘和滚子轴承盘的轴向相对运动。

优选的，通过机械连接的方式，将弧形轮盘完全固定在关节外壳上，作用在输出法兰上的外界冲击力矩会直接传递到关节外壳上，关节不发生形变，保持完全刚性。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

本发明可以方便集成，并兼容一般协作臂中空走线的需求。

本专利给出了一种新型变刚度关节的设计，关节结构紧凑，刚度变化范围大，具有和通用机械臂关节集成的接口，可以和通用机械臂一体关节紧密集成，可用于工业臂和协作臂设计安装，防止大冲击下的损坏，使用上会大大增加可靠性。相比现有的关节驱动方式，在机器人与环境交互的安全性上有巨大的应用潜力。

附图说明

图1为本发明关节外形图；

图2为本发明关节整体剖视图；

图3为本发明关节内部结构和组成示意图；

图4为本发明弹簧、弧形轮盘和滚子轴承盘机构的驱动示意；

图5为本发明变刚度关节和机械臂一体关节集成安装；

图6为本发明弧形轮盘示意图；

图7为本发明滚子轴承盘机构示意；

图8为本发明丝杠螺母固定盘机构示意。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明关节外形如图1所示，关节的剖视图如图2所示，图3给出了其内部结构和组成，关节的各部分的部件和功能如下所示：

输出法兰1：连接关节负载；深沟球轴承2：对调力中空梯形丝杠进行同心定位；交叉滚柱轴承外挡圈3：轴向固定两组交叉滚柱轴承；交叉滚柱轴承4：一对并排安装，用于承载外界负载，对弧形轮盘进行同心定位；交叉滚柱轴承座5：为一对交叉滚柱提供支撑固定，并提供绝对编码器读数头安装位置；推力球轴承6：固定中空梯形丝杠一端，承载弹簧作用力，将其传递到弧形轮盘上；绝对编码器读数头7：配合磁环读出外力矩引起的关节转角；弧形轮盘8：和滚子轴承盘配合，把弹簧压缩力转换为转矩；绝对编码器磁环9：安装在弧形轮盘上，和读数头配合测量关节转角；完全刚度锁紧螺钉10：锁紧外壳和弧形轮盘，用于实现关节近似刚性；滚子轴承11：三组，圆周均匀分布安装在13的滚子轴承盘上；中空梯形丝杠12：配合螺母，产生对弹簧的压缩力；滚子轴承盘13：固定安装三组滚子轴承，承担弹簧压力；模具弹簧14：变刚度关节的储能元件，用弹簧张紧程度来调节刚度；滑块15：滚子轴承盘和丝杠螺母固定盘均安装三组，沿圆周等角度安装，提供轴向自由度；导轨16：固定在关节外壳内壁，共三根，沿圆周等角度安装，提供轴向滑动导向；丝杠螺母固定盘17：和丝杠螺母固连，可实现主动轴向运动压缩弹簧；谐波输出工装18：谐波减速器输出端和梯形丝杠一端连接件；丝杠螺母19：和丝杠螺母固定盘固连，传递丝杠旋转引起的轴向运动；谐波固定座20：将谐波减速器外法兰固定在关节外壳内；谐波减速器21：将刚度调节电机的旋转力矩放大，为丝杠旋转提供动力；谐波输入工装22：刚度调节电机和谐波输入端的连接件；电机固定座23：将刚度调节电机固定在关节外壳上；关节外盖24；刚度调节电机25：为刚度调节提供动力；电机驱动器26：为电机提供驱动，实现精确位置伺服；关节外壳27：容纳和固定各种组件。

其工作过程介绍如下：变刚度关节通过外盖一侧的刚度调节电机，通过传动转接，带动谐波减速器，谐波减速器输出法兰通过转接件和梯形丝杠固连，当变刚度电机旋转时，运动通过谐波减速器传递到丝杠旋转，丝杠的另一端有两个轴承，一个是推力轴承，此轴承承受丝杠和弧形轮盘之间的轴向压力(弹簧受压产生的)，另一个是普通深沟球轴承，用于径向定位丝杠。丝杠旋转时，丝杠螺母会发生轴向运动，由于丝杠螺母和丝杠螺母固定盘(图8)固连，丝杠螺母固定盘会和滚子轴承盘(图7)产生轴向压力，因为丝杠螺母固定盘和滚子轴承盘都是通过滑块和导轨固定在外壳上的，两个盘的边缘按照圆周均分，均固定了三个滑块，滑块能够沿着固定在外壳上的三条轨道滑动，丝杠螺母固定盘和滚子轴承盘之间就会产生轴向运动，从而压缩弹簧，这样，通过控制变刚度伺服电机的旋转，就可以控制中心模具弹簧的张紧力。

弹簧的另一端是压在滚子轴承盘上的，弹簧、弧形轮盘和滚子轴承盘机构见图4，这是本关节的核心部件，弧形轮盘部件见图6。

弧形轮盘的一侧有圆周对称分布的三部分凹形弧面，另一侧通过花键和输出法兰固连，当外界有冲击力矩作用在输出法兰上时，力矩会传导到弧形轮盘和滚子轴承盘之间，这时弧形轮盘和滚子轴承盘机构相对旋转——滚子轴承会沿着弧形轮盘的凹形弧面滚动，减小了滚子轴承盘和丝杠螺母固定盘之间的轴向距离，弹簧会逐渐被压紧，需要的力矩会逐渐增大。当变刚度电机控制中心模具弹簧的张紧力不同时，迫使弧形轮盘和滚子轴承盘机构相对旋转所需要的外界冲击力矩大小也会发生变化，也就是说，弧形轮盘转动相同的角度受到的反向力矩也会发生相应的变化，从而实现刚度可调节。

在任一种刚度条件下，当关节形变接近其最大形变时，也就是说，滚子轴承转到了弧形轮盘的极限位置，这时弧形线接近垂直，滚子轴承被卡死，力矩方向上，弧形轮盘和滚子轴承盘无法发生相对转动，关节接近完全刚性。可以看出，本关节实现了任一种刚度条件下，当形变接近其最大形变，刚性值达到接近完全刚性，可避免关节形变超出范围而损坏关节。

滚子轴承沿着弧形轮盘滚动恢复时，弹簧会松弛，当弹簧的恢复原位时，关节的刚度最小。

当弹簧压紧到极限位置时，弹簧两侧的凹凸卡合面会互相咬合，从而阻止弧形轮盘和滚子轴承盘会发生相对旋转，这种情况下，机械臂关节接近完全刚性。

另外，当要求关节长时间保持完全刚性时，可以在弧形轮盘对应的关节外壳上，拧紧一个固定螺钉，这样会将弧形轮盘完全固定在外壳上，作用在输出法兰上的外界冲击力矩会直接传递到外壳上，关节不发生形变，保持完全刚性。这种状态下的机械臂可以完全兼容一般的工业臂和协作臂的控制方法。

当变刚度关节在任意一种刚度下进行机械臂的关节控制时，由绝对编码器测量并实时反馈关节的形变角度，用于上位机的控制算法的解算。

本发明设计的关节的结构紧凑，具有和通用机械臂关节集成的接口，图5给出了多关节串联机械臂的肘关节装配图，图5右侧的关节是通用协作机械臂关节，左侧的是本申请设计的变刚度关节，可以方便集成，并兼容一般协作臂中空走线的需求。

实施例

图6弧形轮盘给出了能够实现上述功能的一种优选结构形式。

如图6所示，弧形轮盘的一侧为图出的中空轴，轴内侧为内花键，通过花键和端部锁紧螺钉实现弧形轮盘与输出法兰固连，梯形丝杠从中间孔穿过。弧形轮盘的另一侧有圆周对称分布的三部分凹形弧面，该弧面采用贝塞尔曲线设计，为滚子轴承提供滚动接触面，凹形弧面的两边最高处，弧面与轮盘的盘面垂直。同侧绕中间通孔设置凹凸卡合面，能够与丝杠螺母固定盘的凹凸卡合面配合，限制弧形轮盘的转动，实现关节完全刚性。

图7滚子轴承盘机构给出了能够实现上述功能的一种优选结构形式。

如图7所示，滚子轴承盘为中空盘形结构，中间为内花键，和丝杠螺母固定盘凹凸卡合面一端的外花键配合实现两者的轴向相对运动。滚子轴承盘一面沿圆形边缘突出，用于对套装在其上的模具弹簧一端进行限位，另一面圆周对称分布三个支撑突起，上有安装孔，用于安装滚子轴承，三个滚子轴承外表面和弧形轮盘一侧所分布的三处凹形弧面相接触。滚子轴承盘沿盘外侧安装三组滑块，滑块沿圆周等角度安装，提供轴向自由度。

图8丝杠螺母固定盘机构给出了能够实现上述功能的一种优选结构形式。

如图8所示，丝杠螺母固定盘为中空的圆柱形结构，中空处通过螺钉与丝杠螺母法兰同轴固连。圆柱形结构的一端向外弯折形成一个凹槽，用于对套装在其上的模具弹簧一端进行限位，圆柱形结构的另一端端部设置凹凸卡合面，当丝杠螺母固定盘和滚子轴承盘轴向相对运动压缩弹簧时，移动到极限位置，该凹凸卡合面会与弧形轮盘上的凹凸卡合面接触，限制弧形轮盘的转动。丝杠螺母固定盘凹凸卡合面一端外侧为外花键，和滚子轴承盘中心内花键配合。丝杠螺母固定盘外侧安装三组滑块，滑块沿圆周等角度安装，提供轴向自由度。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (9)

1.一种新型通用变刚度机械臂关节，其特征在于：包括输出法兰、关节外壳、梯形丝杠、丝杠螺母、弧形轮盘、滚子轴承盘、丝杠螺母固定盘、谐波减速器、刚度调节电机、电机驱动器；

刚度调节电机的输出连接谐波减速器、谐波减速器的输出与梯形丝杠螺纹端固连，丝杠螺母安装在所述的梯形丝杠上、二者之间能够产生相对轴向运动；丝杠螺母与丝杠螺母固定盘固连、所述的丝杠螺母固定盘和滚子轴承盘能够相对于关节外壳轴向运动；模具弹簧套装在所述丝杠螺母固定盘和滚子轴承盘之间；滚子轴承盘与梯形丝杠的水平端之间安装弧形轮盘，弧形轮盘套装在梯形丝杠上，所述梯形丝杠的水平端通过轴承径向定位梯形丝杠及承载模具弹簧作用力，并将其传递到弧形轮盘上；弧形轮盘和输出法兰固连，能够相对于关节外壳转动；弧形轮盘与安装在滚子轴承盘上的滚子轴承配合，实现将作用在输出法兰上的外界作用力矩转换成作用在弹簧上的压缩力；

所述的弧形轮盘一侧为圆周对称分布的三部分凹形弧面，该弧面采用贝塞尔曲线设计，弧面两边最高点处的切平面与轮盘的盘面垂直，与所述弧面同侧同轴设置凹凸卡合面，所述弧面另一侧同轴设置花键和输出法兰固连，轴外侧通过安装在交叉滚柱轴承座上的一对交叉滚柱轴承支撑，能够相对于关节外壳转动，通过交叉滚柱轴承将作用在输出法兰上的外界作用力矩传递到弧形轮盘上。

2.根据权利要求1所述的关节，其特征在于：所述的关节外壳上设置轨道，轨道上安装滑块，通过滑块与丝杠螺母盘、滚子轴承盘固连，进而实现相对关节外壳的轴向运动。

3.根据权利要求2所述的关节，其特征在于：滚子轴承盘和丝杠螺母固定盘均安装三组滑块，滑块沿圆周等角度安装，提供轴向自由度；所述的轨道固定在关节外壳内壁，共三根，沿圆周等角度安装，提供轴向滑动导向。

4.根据权利要求1所述的关节，其特征在于：所述梯形丝杠的水平端通过深沟球轴承径向定位梯形丝杠，通过推力轴承承受梯形丝杠和弧形轮盘之间的轴向压力。

5.根据权利要求1所述的关节，其特征在于：通过刚度调节电机的输出调节丝杠螺母固定盘和滚子轴承盘之间的间距，控制模具弹簧的压紧力，该压紧力与弧形轮盘和滚子轴承盘相对旋转所需要的外界冲击力矩大小对应；通过不同的压紧力控制实现机械臂关节的刚度调节。

6.根据权利要求1所述的关节，其特征在于：所述的交叉滚柱轴承座上安装绝对编码器读数头，所述的绝对编码器读数头用于与安装在弧形轮盘上的磁环配合读出外力矩引起的关节转角。

7.根据权利要求1所述的关节，其特征在于：所述的滚子轴承盘为中空盘形结构；所述的盘形结构的一面沿圆形边缘突出，用于对套装在其上的模具弹簧一端进行限位；盘形结构的另一面圆周对称分布三个支撑突起，上有安装孔，用于安装滚子轴承，三个滚子轴承外表面和弧形轮盘一侧所分布的三处凹形弧面相接触，当外界没有施加力矩时，滚子轴承在凹形弧面最低点，当弧形轮盘在外界力矩作用下转动时，滚子轴承在凹形弧面上相对滚动，由于凹形弧面的作用，滚子轴承盘会沿着轴向移动压缩弹簧；当滚子轴承转到了凹形弧面的极限位置，这时接触的弧面垂直于盘面，弧形轮盘和滚子轴承盘无法发生相对转动。

8.根据权利要求1所述的关节，其特征在于：所述的丝杠螺母固定盘为中空的圆柱形结构，中空处通过螺钉与丝杠螺母法兰同轴固连，梯形丝杠和丝杠螺母通过梯形螺纹连接；所述的圆柱形结构的一端向外弯折形成一个凹槽，用于对套装在其上的模具弹簧一端进行限位；圆柱形结构的另一端端部设置凹凸卡合面，当丝杠螺母固定盘和滚子轴承盘轴向相对运动压缩弹簧时，移动到极限位置，该凹凸卡合面会与弧形轮盘上的凹凸卡合面接触，限制弧形轮盘的转动，机械臂关节完全刚性；圆柱形结构的另一端外侧和滚子轴承盘中心为花键配合，能将丝杠螺母固定盘受到的力矩负载分散到滚子轴承盘上的同时，不约束丝杠螺母固定盘和滚子轴承盘的轴向相对运动。

9.根据权利要求1所述的关节，其特征在于：通过机械连接的方式，将弧形轮盘完全固定在关节外壳上，作用在输出法兰上的外界冲击力矩会直接传递到关节外壳上，关节不发生形变，保持完全刚性。

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