CN112092007A - 一种模块化钢丝绳驱动变刚度关节 - Google Patents

Abstract

一种模块化钢丝绳驱动变刚度关节，包括关节外壳、主驱动机构、弹性机构和刚度调节机构；弹性机构包括变刚度底盘、直线弹簧模块和杠杆组件；变刚度底盘上可转动地偏置有杠杆组件，支点滑槽的两个外壁分别对应顶靠有一个直线弹簧模块，直线弹簧模块可滑动地设置在变刚度底盘上，变刚度底盘由主驱动机构带动相对关节外壳能转动；刚度调节机构包括刚度调节驱动器、钢丝绳传动组件、平移滑块、输出端盖和第一凸轮轴承随动器；平移滑块由钢丝绳传动组件中的钢丝绳带动相对输出端盖滑动，第一凸轮轴承随动器安装在平移滑块的下表面上，并限位在支点滑槽内能滑动。本发明变刚度关节刚度调节范围大，可以满足不同载荷情况下关节刚度的灵活调整。

Description

一种模块化钢丝绳驱动变刚度关节

技术领域

本发明涉及一种变刚度关节，具体涉及一种模块化钢丝绳驱动变刚度关节。属于机器人关节技术领域。

背景技术

传统工业机器人采用刚性关节设计，具有较高的位置控制精度，但是安全性较差，一般工作于封闭的环境中。而服务机器人，野外特种操作机器人等机器人系统一般工作在开放的环境中，不仅需要应对灵活多变的复杂操作任务，还存在人机安全交互、机器人与非结构化环境交互的要求，因此，传统刚性关节不能很好的满足协作型机器人的操作需求。

现有技术中用丝杠螺母进行关节刚度调节，具有摩擦大，调刚系统能耗大；此外，这种基于弧形面的变刚度结构，其刚度曲线具有较强的非线性，且无法在平衡位置附近实现大范围的刚度调节。其刚度值会随着关节载荷的增大而迅速增大，无法实现关节载荷与刚度值的解耦，因此，刚度特性容易受关节载荷的影响。还有用扭簧调刚，这种方式会存在关节刚度线性度较差、高回滞和稳定性差。

发明内容

本发明是为克服现有技术不足，提供一种模块化钢丝绳驱动变刚度关节。该变刚度柔性关节刚度调节范围大，承载能力大，可以满足不同载荷情况下关节刚度的灵活调整。

一种模块化钢丝绳驱动变刚度关节包括关节外壳、主驱动机构、弹性机构和刚度调节机构；

所述弹性机构包括变刚度底盘、直线弹簧模块和杠杆组件；

所述主驱动机构设置在关节外壳内且二者可相对转动，所述弹性机构布置在关节外壳内，变刚度底盘上可转动地偏置有杠杆组件，杠杆组件具有支点滑槽，所述支点滑槽的一端开口，一端封闭，且开口端指向变刚度底盘中心，支点滑槽的两个外壁分别对应顶靠有一个直线弹簧模块，直线弹簧模块可滑动地设置在变刚度底盘上，变刚度底盘由主驱动机构带动相对关节外壳能转动；所述刚度调节机构包括刚度调节驱动器、钢丝绳传动组件、平移滑块、输出端盖和第一凸轮轴承随动器；所述刚度调节驱动器安装在输出外壳上，输出端盖与关节外壳连接，平移滑块由钢丝绳传动组件中的钢丝绳带动相对输出端盖滑动，钢丝绳传动组件的钢丝绳被刚度调节驱动器驱动运动，第一凸轮轴承随动器安装在平移滑块的下表面上，并限位在支点滑槽内能滑动。

本发明相比现有技术的有益效果是：

本发明利用二级杠杆放大原理，具有大的刚度调节范围(理论上可实现0到无穷大的变刚度范围)。

关节刚度与关节载荷解耦，其刚度值受关节载荷的影响小，可以保证不同载荷情况下关节刚度的灵活调整。

刚度调节机构采用钢丝绳驱动，布置灵活，结构紧凑，可以在紧凑空间内产生大的力或力矩，采用直线弹簧模块替代扭簧，具有稳定性好，且可滑动地设置，使得关节刚度曲线具备线性度好、低回滞的优点。本发明一方面可以满足协作型机械臂安全交互的需求，另一方面还可以根据不同的操作任务需求，进行实时的刚度调整，可以实现更加广泛的适应性。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：

附图说明

图1为本发明的模块化钢丝绳驱动变刚度关节的立体图；

图2为图1的主剖视图；

图3为弹性机构的示意图；

图4为直线弹簧模块的示意图；

图5为弹性机构的剖视图；

图6为刚度调节机构的立体图；

图7为刚度调节机构的主剖视图；

图8为主驱动机构的立体图；

图9为弹性膜片和四点接触轴承的布置图；

图10为本发明变刚度原理图。

具体实施方式

参见图1-图2所示，本实施方式的一种模块化钢丝绳驱动变刚度关节包括关节外壳11、主驱动机构H、弹性机构和刚度调节机构F；

所述弹性机构包括变刚度底盘E18、直线弹簧模块E19和杠杆组件E15；

所述主驱动机构H设置在关节外壳11内且二者可相对转动，所述弹性机构布置在关节外壳11内，变刚度底盘E18上可转动地偏置有杠杆组件E15，杠杆组件E15具有支点滑槽E15-1，所述支点滑槽E15-1的一端开口，一端封闭，且开口端指向变刚度底盘E18中心，支点滑槽E15-1的两个外壁分别对应顶靠有一个直线弹簧模块E19，直线弹簧模块E19可滑动地设置在变刚度底盘E18上，变刚度底盘E18由主驱动机构H带动相对关节外壳11能转动；

所述刚度调节机构F包括刚度调节驱动器F23、钢丝绳传动组件F22、平移滑块F20、输出端盖F21和第一凸轮轴承随动器F16；所述刚度调节驱动器F23安装在输出外壳F21上，输出端盖F21与关节外壳11连接，平移滑块F20由钢丝绳传动组件F22中的钢丝绳带动相对输出端盖F21滑动，钢丝绳传动组件F22的钢丝绳被刚度调节驱动器F23驱动运动，第一凸轮轴承随动器F16安装在平移滑块F20的下表面上，并限位在支点滑槽E15-1内能滑动。

可选地，本实施方式中关节外壳11分为上关节壳11-1和下关节壳11-2，上关节壳11-1和下关节壳11-2通过螺栓连接在一起，输出端盖F21与上关节壳11-1通过螺栓连接在一起，主驱动机构H与下关节壳11-2连接在一起。刚度调节采用钢丝绳传动，布置灵活，可以在紧凑空间内产生大的力/力矩。

进一步地，如图3和图4所示，每个所述直线弹簧模块E19包括线性弹簧E19-2、套筒E19-3和滑轨E19-4；套筒B19-3通过滑轨B19-4滑动设置在变刚度底盘E18上，套筒B13-3内设置有线性弹簧E19-2，线性弹簧E19-2的两端分别与变刚度底盘E18的凸缘和套筒E19-3的底部相抵，套筒E19-3的端部具有与杠杆组件E15相抵的可转动的第二凸轮轴承随动器E19-5。

如图5所示，所述杠杆组件E15包括杠杆轴E15-2和支撑凸缘E15-3；支点滑槽E15-1安装在杠杆轴E15-2一端，杠杆轴E15-2另一端转动安装在变刚度底盘E18上，支撑凸缘E15-3安装在支点滑槽E15-1的底部，套筒E19-3上的第二凸轮轴承随动器E19-5抵靠在支撑凸缘E15-3的侧面上。杠杆轴E15-2通过轴承座E15-4和深沟球轴承E15-4安装在变刚度底盘E18上。

采用二级杠杆放大原理，结合图2-图7和图10说明：第一凸轮轴承随动器F16作为支点在支点滑槽E15-1内滑动，构成一个杠杆放大机构；即在线性弹簧E19-2刚度给定的情况下，通过调整中间支点(平移滑块F20下方的第一凸轮轴承随动器F16)的位置来改变机构的放大比，从而改变关节的等效输出刚度。理论上当X从0增大至L时，关节刚度将从∞降低至0。当X为0时，支点在旋转轴(图10左侧大黑点，杠杆轴E15-2)位置，此时力臂为0，所需力矩为无穷大，等效刚度无穷大。当X增大时，相当于力臂变大，达到相同的力矩所需的力在变小，等效输出刚度变小。弹性机构E采用单侧结构设计，直线弹簧模块E19相对两组布置，套筒E19-3通过滑轨E19-4滑动，和杠杆组件一起构成等效扭转机构，

套筒E19-3中装有线性弹簧E19-2，线性弹簧E19-2的压缩产生弹性力，作用在杆杠上组件等效为扭转力，用直线弹簧替代扭簧，可以使得关节刚度曲线具备更好的线性度和稳定性。平移滑块F20通过交叉滚子导轨F24与输出端盖F21连接，所述滑轨E19-4为交叉滚子导轨，有效降低线性弹簧E19-2变形运动时的摩擦力，可以提高关节刚度曲线的线性度，提供刚度调节的响应速度，并且能降低关节回滞。

考虑到只有一个弹性机构E及一对直线弹簧模块E19，不对称结构会产生附加弯矩，所以这里加了一个弹性膜片K10和四点接触轴承K11，如图5和图9所示，在变刚度底盘E18的底面安装有弹性膜片K10，弹性膜片K10与主驱动机构H的输出端连接，变刚度底盘E18边缘通过四点接触轴承K11与关节外壳11连接。四点接触轴承K11的内圈通过四点接触轴承座K12安装在变刚度底盘E18上，四点接触轴承K11的外圈安装在关节外壳11上，变刚度底盘E18可相对关节外壳11转动，四点接触轴承选用四点接触等截面薄壁轴承。弹性膜片K10和四点接触等截面薄壁轴承配合使用，可以把关节内部的附加弯距传递到关节外壳11，避免附加弯矩对精密器件的不良影响，提高传感器的测量精度以及结构稳定性。

如图2和图8所示，所述主驱动机构H包括主电机H1、电机法兰H2、交叉滚子轴承H6和谐波减速器；主电机H1安装在电机法兰H2上，主电机A1的轴与谐波减速器的波发生器H5固接，电机法兰H2与谐波减速器的柔轮H3连接，柔轮H3与交叉滚子轴承H6的内圈固接，关节外壳11与交叉滚子轴承H6的外圈固接，变刚度底盘E18由谐波减速器的刚轮H4驱动转动，刚轮H4与变刚度底盘E18固接。进一步地，所述谐波减速器中的刚轮H4上还连接有一个扭矩传感器12，扭矩传感器12与变刚度底盘E18连接。弹性膜片K10和四点接触等截面薄壁轴承配合使用，可以把关节内部的附加弯矩传递到关节外壳11，避免附加弯矩对扭矩传感器12和谐波减速器等精密器件的不良影响，提高扭矩传感器12的测量精度以及结构稳定性。扭矩传感器12的集成可以实现主被动结合式阻抗控制，从而使关节获得更好的柔顺特性。

结合图6和图7说明，所述刚度调节驱动器F23包括刚度调节电机F23-1、刚度调节基座F23-2和行星减速器F23-3；刚度调节基座F23-2与输出端盖F21连接，刚度调节电机F23-1与行星减速器F23-3的输入端连接，行星减速器F23-3输出驱动钢丝绳传动组件F22中的钢丝绳运动。

更近一步地，如图8所示，在关节外壳11与扭矩传感器12之间还布置有扭转角磁编码器13和编码器基座14，编码器基座14与扭矩传感器12连接，扭转角磁编码器13的磁环安装在编码器基座14上，扭转角磁编码器13的读数头安装在关节外壳11上，编码器基座14与弹性膜片K10连接。扭转角磁编码器13可以满足主电机H1和刚度调节电机F23-1的精确轨迹控制。同时扭矩传感器12的集成可以实现主被动结合式阻抗控制，从而使关节获得更好的柔顺特性。

其中一个实施例，如图6和图7所示，所述钢丝绳传动组件F22包括主动轮F22-1、两个导向轮F22-2和四个定滑轮F22-3；行星减速器F23-3的输出轴上安装有主动轮F22-1，主动轮F22-1外侧面上开有两个定位孔F22-1-1，位于主动轮F22-1两侧的输出端盖F21上分别可转动地设置有一个导向轮F22-2和两个定滑轮F22-3，且导向轮F22-2与主动轮F22-1的轴向平行，并与定滑轮F22-3的轴向垂直，定滑轮F22-3的轴向与主电机H1的轴向平行，钢丝绳F22-0的两端分别固定在两个定位孔F22-1-1内，钢丝绳F22-0反向绕过主动轮F22-1的两个主轮槽后搭在两个导向轮F22-2和四个定滑轮F22-3的导向槽内与平移滑块F20固接。

进一步地，钢丝绳F22-0可为一根钢丝绳，也可为两段钢丝绳，采用一根钢丝绳时，钢丝绳的一端固定在其中一个定位孔F22-1-1内，经主动轮F22-1中心孔穿出置刚度调节基座F23-2端部的钢丝锁紧器F22-4上，利用钢丝锁紧器F22-4实现钢丝绳锁紧。然后钢丝绳F22-0绕(半圈绕)在主动轮F22-1的主动轮槽上，从下部引出搭在一个导向轮F22-2和两个定滑轮F22-3后穿过平移滑块F20通孔后通过紧定螺钉与平移滑块F20固定在一起，然后依次搭在另外两个定滑轮F22-3和另外一个导向轮F22-2上，经另一个导向轮F22-2下部引出再绕在主动轮F22-1的主动轮槽上，最后另一端穿过另一个定位孔F22-1-1和主动轮F22-1中心孔并利用钢丝锁紧器F22-4实现钢丝绳锁紧。当主动轮F22-1被刚度调节电机F23-1带动正反转时，钢丝绳F22-0一部分张紧，另一部分放松，实现平移滑块F20正向和反向平动。

采用两段钢丝绳时，两段钢丝绳的两端分别经两个定位孔F22-1-1，经主动轮F22-1中心孔穿出置刚度调节基座F23-2端部的钢丝锁紧器F22-4上，利用钢丝锁紧器F22-4实现钢丝绳锁紧，两段钢丝绳分别反向绕在主动轮F22-1的主动轮槽上，引出先后搭在导向轮F22-2和两个定滑轮F22-3上，两段钢丝绳另外两端固定在平移滑块F20的通孔内。同样，当主动轮F22-1被刚度调节电机F23-1带动正反转时，两段钢丝绳F22-0其中一段张紧，另一段放松，实现平移滑块F20正向和反向平动。

如图3所示，另一个实施例中，所述支点滑槽E15-1为U形槽，第一凸轮轴承随动器F16限位在支点滑槽E15-1内并支撑在支撑凸缘E15-3上表面上。U形槽加工方便，使用便捷，满足实际需要。

刚度调节原理与特性：首先刚度调节驱动器F23驱动钢丝绳传动组件F22将水平方向的旋转转换为平移滑块F20水平方向移动的同时增大输出力矩。而起支点作用的第一凸轮轴承随动器F16安装在平移滑块F20上，通过平移滑块F20在支点滑槽E15-1内的往复移动即可实现刚度的调整。刚度调节电机F23-1自带减速，钢丝绳传动组件F22起到换向的作用。该刚度调节机构F在有限的空间内实现了较大的驱动力/力矩，从而显著提高关节的刚度调节响应速度。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (11)

1.一种模块化钢丝绳驱动变刚度关节，其特征在于：它包括关节外壳(11)、主驱动机构(H)、弹性机构和刚度调节机构(F)；

所述弹性机构包括变刚度底盘(E18)、直线弹簧模块(E19)和杠杆组件(E15)；

所述主驱动机构(H)设置在关节外壳(11)内且二者可相对转动，所述弹性机构布置在关节外壳(11)内，变刚度底盘(E18)上可转动地偏置有杠杆组件(E15)，杠杆组件(E15)具有支点滑槽(E15-1)，所述支点滑槽(E15-1)的一端开口，一端封闭，且开口端指向变刚度底盘(E18)中心，支点滑槽(E15-1)的两个外壁分别对应顶靠有一个直线弹簧模块(E19)，直线弹簧模块(E19)可滑动地设置在变刚度底盘(E18)上，变刚度底盘(E18)由主驱动机构(H)带动相对关节外壳(11)能转动；

所述刚度调节机构(F)包括刚度调节驱动器(F23)、钢丝绳传动组件(F22)、平移滑块(F20)、输出端盖(F21)和第一凸轮轴承随动器(F16)；所述刚度调节驱动器(F23)安装在输出外壳(F21)上，输出端盖(F21)与关节外壳(11)连接，平移滑块(F20)由钢丝绳传动组件(F22)中的钢丝绳带动相对输出端盖(F21)滑动，钢丝绳传动组件(F22)的钢丝绳被刚度调节驱动器(F23)驱动运动，第一凸轮轴承随动器(F16)安装在平移滑块(F20)的下表面上，并限位在支点滑槽(E15-1)内能滑动。

2.根据权利要求1所述一种模块化钢丝绳驱动变刚度关节，其特征在于：每个所述直线弹簧模块(E19)包括线性弹簧(E19-2)、套筒(E19-3)和滑轨(E19-4)；套筒(B19-3)通过滑轨(B19-4)滑动设置在变刚度底盘(E18)上，套筒(B13-3)内设置有线性弹簧(E19-2)，线性弹簧(E19-2)的两端分别与变刚度底盘(E18)的凸缘和套筒(E19-3)的底部相抵，套筒(E19-3)的端部具有与杠杆组件(E15)相抵的可转动的第二凸轮轴承随动器(E19-5)。

3.根据权利要求2所述一种模块化钢丝绳驱动变刚度关节，其特征在于：所述杠杆组件(E15)包括杠杆轴(E15-2)和支撑凸缘(E15-3)；支点滑槽(E15-1)安装在杠杆轴(E15-2)一端，杠杆轴(E15-2)另一端转动安装在变刚度底盘(E18)上，支撑凸缘(E15-3)安装在支点滑槽(E15-1)的底部，套筒(E19-3)上的第二凸轮轴承随动器(E19-5)抵靠在支撑凸缘(E15-3)的侧面上。

4.根据权利要求3所述一种模块化钢丝绳驱动变刚度关节，其特征在于：在变刚度底盘(E18)的底面安装有弹性膜片(K10)，弹性膜片(K10)与主驱动机构(H)的输出端连接，变刚度底盘(E18)边缘通过四点接触轴承(K11)与关节外壳(11)连接。

5.根据权利要求2、3或4所述一种模块化钢丝绳驱动变刚度关节，其特征在于：所述主驱动机构(H)包括主电机(H1)、电机法兰(H2)、交叉滚子轴承(H6)和谐波减速器；主电机(H1)安装在电机法兰(H2)上，主电机(A1)的轴与谐波减速器的波发生器(H5)固接，电机法兰(H2)与谐波减速器的柔轮(H3)连接，柔轮(H3)与交叉滚子轴承(H6)的内圈固接，关节外壳(11)与交叉滚子轴承(H6)的外圈固接，变刚度底盘(E18)由谐波减速器的刚轮(H4)驱动转动，刚轮(H4)与变刚度底盘(E18)固接。

6.根据权利要求5所述一种模块化钢丝绳驱动变刚度关节，其特征在于：所述刚度调节驱动器(F23)包括刚度调节电机(F23-1)、刚度调节基座(F23-2)和行星减速器(F23-3)；刚度调节基座(F23-2)与输出端盖(F21)连接，刚度调节电机(F23-1)与行星减速器(F23-3)的输入端连接，行星减速器(F23-3)输出驱动钢丝绳传动组件(F22)中的钢丝绳运动。

7.根据权利要求6所述一种模块化钢丝绳驱动变刚度关节，其特征在于：所述钢丝绳传动组件(F22)包括主动轮(F22-1)、两个导向轮(F22-2)和四个定滑轮(F22-3)；

行星减速器(F23-3)的输出轴上安装有主动轮(F22-1)，主动轮(F22-1)外侧面上开有两个定位孔(F22-1-1)，位于主动轮(F22-1)两侧的输出端盖(F21)上分别可转动地设置有一个导向轮(F22-2)和两个定滑轮(F22-3)，且导向轮(F22-2)与主动轮(F22-1)的轴向平行，并与定滑轮(F22-3)的轴向垂直，定滑轮(F22-3)的轴向与主电机(H1)的轴向平行，钢丝绳(F22-0)的两端分别固定在两个定位孔(F22-1-1)内，钢丝绳反向绕过主动轮(F22-1)的两个主轮槽后搭在两个导向轮(F22-2)和四个定滑轮(F22-3)的导向槽内与平移滑块(F20)固接。

8.根据权利要求2或7所述一种模块化钢丝绳驱动变刚度关节，其特征在于：平移滑块(F20)通过交叉滚子导轨(F24)与输出端盖(F21)连接，滑轨(E19-4)为交叉滚子导轨。

9.根据权利要求5、6或7所述一种模块化钢丝绳驱动变刚度关节，其特征在于：所述谐波减速器中的刚轮(H4)上还连接有一个扭矩传感器(12)，扭矩传感器(12)与变刚度底盘(E18)连接。

10.根据权利要求9所述一种模块化钢丝绳驱动变刚度关节，其特征在于：在关节外壳(11)与扭矩传感器(12)之间还布置有扭转角磁编码器(13)和编码器基座(14)，编码器基座(14)与扭矩传感器(12)连接，扭转角磁编码器(13)的磁环安装在编码器基座(14)上，扭转角磁编码器(13)的读数头安装在关节外壳(11)上，编码器基座(14)与弹性膜片(K10)连接。

11.根据权利要求3或10所述一种模块化钢丝绳驱动变刚度关节，其特征在于：所述支点滑槽(E15-1)为U形槽，第一凸轮轴承随动器(F16)限位在支点滑槽(E15-1)内并支撑在支撑凸缘(E15-3)上表面上。

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