CN112092008B - 一种紧凑型模块化变刚度关节 - Google Patents

Abstract

一种紧凑型模块化变刚度关节，它包括关节外壳、主驱动模块、弹性模块和调刚模块；弹性模块包括变刚度基座、直线弹簧模组和杠杆组件；变刚度基座由主驱动模块的输出端带动转动；变刚度基座上可转动地设置有两个呈轴对称布置的杠杆组件，每个杠杆组件具有一滑槽，直线弹簧模组可滑动地设置在变刚度基座上；调刚模块包括调刚驱动器、锥齿轮副、凸轮盘座、凸轮盘、滑块和第一凸轮轴承随动器；调刚驱动器安装在关节外壳上，凸轮盘座可转动地设置在关节外壳内，两个滑块可滑动地设置在关节外壳内，每个滑块上相对的两侧面分别安装有一个第一凸轮轴承随动器。本发明刚度调节范围大，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。

Description

一种紧凑型模块化变刚度关节

技术领域

本发明涉及一种变刚度关节，具体涉及一种紧凑型模块化变刚度关节。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(如公开号CN 111390695A，一种通用型变刚 度关节机械臂关节)，具有摩擦大，调刚系统能耗大的缺点；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、 高回滞和稳定性差的缺陷。

发明内容

本发明是为克服现有技术不足，提供一种紧凑型模块化变刚度关节。该变刚度关节刚 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。

本发明的技术方案是：

一种紧凑型模块化变刚度关节包括关节外壳、主驱动模块、弹性模块和调刚模块；

所述弹性模块包括变刚度基座、直线弹簧模组和杠杆组件；

所述主驱动模块设置在关节外壳内且二者可相对转动，所述弹性模块布置在关节外壳 内，变刚度基座由主驱动模块的输出端带动转动；变刚度基座上可转动地设置有两个呈轴 对称布置的杠杆组件，每个杠杆组件具有一滑槽，所述滑槽的一端开口，一端封闭，两个 开口相对设置，每个滑槽的两个外壁分别对应顶靠有一个直线弹簧模组，直线弹簧模组可 滑动地设置在变刚度基座上；所述调刚模块包括调刚驱动器、锥齿轮副、凸轮盘座、凸轮盘、滑块和第一凸轮轴承随动器；所述调刚驱动器安装在关节外壳上，调刚驱动器的输出端连接有锥齿轮副的一个锥齿轮，锥齿轮副的另一个锥齿轮安装在凸轮盘座上，凸轮盘座可转动地设置在关节外壳内，凸轮盘与凸轮盘座固接，两个滑块可滑动地设置在关节外壳内，每个滑块上相对的两侧面分别安装有一个第一凸轮轴承随动器，凸轮盘上具有两个呈中心对称的弧形孔，其中两个第一凸轮轴承随动器分别限位在两个弧形孔内并可相对滑动， 另外两个第一凸轮轴承随动器分别限位在两个滑槽内并可相对滑动。

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，具有大的调刚范围(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。

调刚模块设计紧凑，具有出力大、调刚响应速度快和调刚能耗低的优点，弹性模块的 杠杆组件成对对称设置，有效提升了关节的承载能力，并可消除关节内部的附加弯矩，提 升了关节的可靠性，直线弹簧模组替代扭簧稳定性好，设置为可滑动，使得关节刚度曲线 具备线性度好、低回滞和稳定性好的优点，

本发明变刚度关节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为本发明的紧凑型模块化变刚度关节的立体图；

图2为图1的主剖视图；

图3为凸轮随动器与凸轮盘布置关系图；

图4为弹性模块的示意图；

图5为直线弹簧模组的示意图；

图6为杠杆组件的滑槽的示意图；

图7为弹性模块的剖视图；

图8为调刚模块的示意图；

图9为调刚驱动器与锥齿轮副布置关系图；

图10为主驱动模块的立体图；

图11为返回轴和对接杆连接关系图；

图12为本发明变刚度关节的变刚度原理图；

图13为本发明弹性模块和凸轮随动器工作简图。

具体实施方式

参见图1-图6所示，本实施方式的一种紧凑型模块化变刚度关节包括关节外壳10、主 驱动模块A、弹性模块和调刚模块C；

所述弹性模块包括变刚度基座B9、直线弹簧模组B13和杠杆组件B14；

所述主驱动模块A设置在关节外壳10内且二者可相对转动，所述弹性模块布置在关节 外壳10内，变刚度基座B9由主驱动模块A的输出端带动转动；变刚度基座B9上可转动地 设置有两个呈轴对称布置的杠杆组件B14，每个杠杆组件B14具有一滑槽B14-1，所述滑槽 B14-1的一端开口，一端封闭，两个开口相对设置，每个滑槽B14-1的两个外壁分别对应顶 靠有一个直线弹簧模组B13，直线弹簧模组B13可滑动地设置在变刚度基座B9上；

所述调刚模块C包括调刚驱动器C17、锥齿轮副C22、凸轮盘座C21、凸轮盘C20、滑块C18和第一凸轮轴承随动器C15；所述调刚驱动器C17安装在关节外壳10上，调刚驱动 器C17的输出端连接有锥齿轮副C22的一个锥齿轮，锥齿轮副C22的另一个锥齿轮安装在 凸轮盘座C21上，凸轮盘座C21可转动地设置在关节外壳10内，凸轮盘C20与凸轮盘座C21 固接，两个滑块C18可滑动地设置在关节外壳10内，每个滑块C18上相对的两侧面分别安 装有一个第一凸轮轴承随动器C15，凸轮盘C20上具有两个呈中心对称的弧形孔C20-1，其 中两个第一凸轮轴承随动器C15分别限位在两个弧形孔C20-1内并可相对滑动，另外两个 第一凸轮轴承随动器C15分别限位在两个滑槽B14-1内并可相对滑动。

调刚驱动器C17和锥齿轮副C22将水平方向的旋转转换为垂直方向的旋转，同时进行 二级减速。

进一步地，如图4-图5所示，每个所述直线弹簧模组B13包括线性弹簧B13-2、套筒B13-3和滑轨B13-4；套筒B13-3通过滑轨B13-4滑动设置在模座B13-1上，模座B13-1安 装在变刚度基座B9上，套筒B13-3内设置有线性弹簧B13-2，线性弹簧B13-2的两端分别 与模座B13-1的凸缘和套筒B13-3的底部相抵，套筒B13-3的端部具有与杠杆组件B14相 抵的可转动的第二凸轮轴承随动器B13-3-1。如图6-图7所示，所述杠杆组件B14包括杠 杆轴B14-2和支撑凸缘B14-3；滑槽B14-1安装在杠杆轴B14-2的一端，杠杆轴B14-2的另 一端转动安装在变刚度基座B9上，支撑凸缘B14-3安装在滑槽B14-1的下方的杠杆轴B14-2 上，套筒B13-3上的第二凸轮轴承随动器B13-3-1抵靠在支撑凸缘B14-3的侧面上。杠杆 轴B14-2通过轴承座B14-5安装在变刚度基座B9上。

采用二级杠杆放大原理，如图12所示：即在线性弹簧B13-2刚度给定的情况下，通过 调整中间支点(滑块下方的凸轮随动器C15)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12左侧大黑点，杠杆轴B14-2)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。其设计简化图如图13所示，弹性模块采用左右对称的结构设计，一方面可 以在有限的设计空间内增加关节的承载能力，另一方面还可以消除加载时由非对称结构引 起的附加弯矩，提高关节内部结构的可靠性和稳定性。用线性弹簧B13-2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。图13所示的是，整个弹性模块的变刚度基 座B9在主驱动模块A的驱动下，沿顺时针转动时，带动滑槽B14-1转动，对两个凸轮随动 器C15产生作用，此时直线弹簧模组B13对应的线性弹簧B13-2被作用，如箭头所示。

第一凸轮轴承随动器C15作为支点在U形槽内滑动，构成一个杠杆放大机构。当支点 (第一凸轮轴承随动器C15)在U形槽最左端时，如图12所示，构成刚性连接，等效输出 刚度最大。当支点向右移动时，等效输出刚度逐渐变小。

直线弹簧模组如图5所示。套筒B13-3左右各一对，通过滑轨B13-4滑动，和杠杆组件B14一起构成等效扭转机构。套筒B13-3中装有线性弹簧B13-2，弹簧的压缩产生弹性力，等效为扭转力。滑块C18通过交叉滚子导轨C16与输出盘C17-4连接，采用摩擦系数低的 交叉滚子导轨支撑，具有调刚响应速度快、调刚能耗低的优点。滑轨B13-4为交叉滚子导 轨，直线弹簧模组B13内设置有交叉滚子导轨，有效降低弹簧变形运动时的摩擦力，可以 提高关节刚度曲线的线性度，并且降低关节回滞，稳定性好。

更近一步地，如图2和图10所示，所述主驱动模块A包括主电机A1、电机法兰A2、 第一交叉滚子轴承A3和谐波减速器；主电机A1安装在电机法兰A2上，电机法兰A2与第 一交叉滚子轴承A3的内圈固接，关节外壳10与第一交叉滚子轴承A3的外圈固接，主电机 A1的轴与谐波减速器的波发生器A4固接，电机法兰A2与谐波减速器的刚轮A6连接，变刚 度基座B9由谐波减速器的柔轮A5驱动转动，刚轮A6与变刚度基座B9相对转动。

如图8所示，所述调刚驱动器C17包括调刚电机C17-1、调刚电机外壳C17-2、行星减速器C17-3和输出盘C17-4；调刚电机外壳C17-2与输出盘C17-4连接，调刚电机C17-2与 行星减速器C17-3的输入端连接，行星减速器C17-3的输出端与锥齿轮副C22的一个锥齿 轮连接，凸轮盘座C21通过轴承与输出盘C17-4转动连接，输出盘C17-4与关节外壳10连 接。

套筒B13-3左右各一对，通过交叉滚子滑轨滑动，和杠杆组件一起构成等效扭转机构。 套筒B13-3中装有弹簧，弹簧的压缩产生弹性力，等效为扭转力。直线弹簧模组B13内设置有交叉滚子滑轨，有效降低弹簧变形运动时的摩擦力，可以提高关节刚度曲线的线性度，并且降低关节回滞。

可选地，如图2、图7和图11所示，在变刚度基座的中空腔内布置有返回轴和扭转角磁编码器，返回轴D1的一端与变刚度基座B9转动连接，另一端连接有对接杆D3，对接杆 D3与输出盘C17-4固接，扭转角磁编码器D2的磁环安装在返回轴D1上，扭转角磁编码器D2的读头安装在中空腔内的变刚度基座B9上。返回轴D1(外面套磁环)与扭转角磁编码 器D2的读数头固定在变刚度基座B9上。扭转角磁编码器D2可以满足主电机A1和调刚电 机C17-1的精确轨迹控制。

在一个实施例中，如图2所示，所述谐波减速器的柔轮A5上还连接有一个扭矩传感器 A8，扭矩传感器A8与变刚度基座B9连接。刚轮A6通过第二交叉滚子轴承A7与变刚度基座B9相对转动，采用摩擦系数低的交叉滚子轴承支撑，具有调刚响应速度快、调刚能耗低的优点。；所述扭矩传感器，可以满足主电机A1和调刚电机C17-1的精确轨迹控制，同时 扭矩传感器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。所 述滑槽B14-1为U型槽，另外一对凸轮随动器C15限位在所述两个滑槽B14-1内并支撑在 支撑凸缘B14-3上表面上。

另一个实施例中，如图6所示，所述滑槽B14-1为U型槽，另外两个第一凸轮轴承随动器C15限位在两个滑槽B14-1内并支撑在支撑凸缘B14-3上表面上。

刚度调节原理与特性：首先调刚驱动器C17驱动锥齿轮副C22将水平方向的旋转转换 为垂直方向的旋转同时增大输出扭矩，然后通过凸轮盘C20将垂直方向的旋转运动转换成 水平方向的直线运动，最终驱动直线式的两个滑块C18实现水平开合。而起支点作用的凸 轮随动器C15就安装在滑块C18上，通过两个滑块C18的开合即可实现刚度的调整。整个关节实现两极半放大，调刚电机自带减速，此为一级；锥齿轮副C22，此为二级；凸轮盘 C20加水平滑块C18也有放大的效果，所以称其为两级半放大，单侧可以提供700N的强大 驱动力。该调刚模块C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调 刚响应速度。

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 (8)

1.一种紧凑型模块化变刚度关节，其特征在于：它包括关节外壳（10）、主驱动模块（A）、弹性模块和调刚模块（C）；

所述弹性模块包括变刚度基座（B9）、直线弹簧模组（B13）和杠杆组件（B14）；

所述主驱动模块（A）设置在关节外壳（10）内且二者可相对转动，所述弹性模块布置在关节外壳（10）内，变刚度基座（B9）由主驱动模块（A）的输出端带动转动；变刚度基座（B9）上可转动地设置有两个呈轴对称布置的杠杆组件（B14），每个杠杆组件（B14）具有一滑槽（B14-1），所述滑槽（B14-1）的一端开口，一端封闭，两个开口相对设置，每个滑槽（B14-1）的两个外壁分别对应顶靠有一个直线弹簧模组（B13），直线弹簧模组（B13）可滑动地设置在变刚度基座（B9）上；

每个所述直线弹簧模组（B13）包括线性弹簧（B13-2）、套筒（B13-3）和滑轨（B13-4）；套筒（B13-3）通过滑轨（B13-4）滑动设置在模座（B13-1）上，模座（B13-1）安装在变刚度基座（B9）上，套筒（B13-3）内设置有线性弹簧（B13-2），线性弹簧（B13-2）的两端分别与模座（B13-1）的凸缘和套筒（B13-3）的底部相抵，套筒（B13-3）的端部具有与杠杆组件（B14）相抵的可转动的第二凸轮轴承随动器（B13-3-1）；所述杠杆组件（B14）包括杠杆轴（B14-2）和支撑凸缘（B14-3）；滑槽（B14-1）安装在杠杆轴（B14-2）的一端，杠杆轴（B14-2）的另一端转动安装在变刚度基座（B9）上，支撑凸缘（B14-3）安装在滑槽（B14-1）的下方的杠杆轴（B14-2）上，套筒（B13-3）上的第二凸轮轴承随动器（B13-3-1）抵靠在支撑凸缘（B14-3）的侧面上；

所述调刚模块（C）包括调刚驱动器（C17）、锥齿轮副（C22）、凸轮盘座（C21）、凸轮盘（C20）、滑块（C18）和第一凸轮轴承随动器（C15）；所述调刚驱动器（C17）安装在关节外壳（10）上，调刚驱动器（C17）的输出端连接有锥齿轮副（C22）的一个锥齿轮，锥齿轮副（C22）的另一个锥齿轮安装在凸轮盘座（C21）上，凸轮盘座（C21）可转动地设置在关节外壳（10）内，凸轮盘（C20）与凸轮盘座（C21）固接，两个滑块（C18）可滑动地设置在关节外壳（10）内，每个滑块（C18）上相对的两侧面分别安装有一个第一凸轮轴承随动器（C15），凸轮盘（C20）上具有两个呈中心对称的弧形孔（C20-1），每个滑块上的一个第一凸轮轴承随动器（C15）分别限位在两个弧形孔（C20-1）内并可相对滑动，每个滑块上的另外一个第一凸轮轴承随动器（C15）分别限位在两个滑槽（B14-1）内并可相对滑动。

2.根据权利要求1所述一种紧凑型模块化变刚度关节，其特征在于：所述主驱动模块（A）包括主电机（A1）、电机法兰（A2）、第一交叉滚子轴承（A3）和谐波减速器；主电机（A1）安装在电机法兰（A2）上，电机法兰（A2）与第一交叉滚子轴承（A3）的内圈固接，关节外壳（10）与第一交叉滚子轴承（A3）的外圈固接，主电机（A1）的轴与谐波减速器的波发生器（A4）固接，电机法兰（A2）与谐波减速器的刚轮（A6）连接，变刚度基座（B9）由谐波减速器的柔轮（A5）驱动转动，刚轮（A6）与变刚度基座（B9）相对转动。

3.根据权利要求2所述一种紧凑型模块化变刚度关节，其特征在于：所述调刚驱动器（C17）包括调刚电机（C17-1）、调刚电机外壳（C17-2）、行星减速器（C17-3）和输出盘（C17-4）；调刚电机外壳（C17-2）与输出盘（C17-4）连接，调刚电机（C17-1）与行星减速器（C17-3）的输入端连接，行星减速器（C17-3）的输出端与锥齿轮副（C22）的一个锥齿轮连接，凸轮盘座（C21）通过轴承与输出盘（C17-4）转动连接，输出盘（C17-4）与关节外壳（10）连接。

4.根据权利要求3所述一种紧凑型模块化变刚度关节，其特征在于：滑块（C18）通过交叉滚子导轨（C16）与输出盘（C17-4）连接，滑轨（B13-4）为交叉滚子导轨。

5.根据权利要求3或4所述一种紧凑型模块化变刚度关节，其特征在于：在变刚度基座（B9）的中空腔内布置有返回轴（D1）和扭转角磁编码器（D2），返回轴（D1）的一端与变刚度基座（B9）转动连接，另一端连接有对接杆（D3），对接杆（D3）与输出盘（C17-4）固接，扭转角磁编码器（D2）的磁环安装在返回轴（D1）上，扭转角磁编码器（D2）的读头安装在变刚度基座（B9）上。

6.根据权利要求2所述一种紧凑型模块化变刚度关节，其特征在于：所述谐波减速器的柔轮（A5）上还连接有一个扭矩传感器（A8），扭矩传感器（A8）与变刚度基座（B9）连接。

7.根据权利要求2或6所述一种紧凑型模块化变刚度关节，其特征在于：刚轮（A6）通过第二交叉滚子轴承（A7）与变刚度基座（B9）相对转动。

8.根据权利要求7所述一种紧凑型模块化变刚度关节，其特征在于：所述滑槽（B14-1）为U形槽，每个滑块上的另外一个第一凸轮轴承随动器（C15）分别限位在两个滑槽（B14-1）内并支撑在支撑凸缘（B14-3）上表面上。

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