CN112157656B - 一种可实现全范围刚度调整的对称式变支点刚度调节模块 - Google Patents

Abstract

一种可实现全范围刚度调整的对称式变支点刚度调节模块，它涉及机器人技术领域。本发明为解决现有VSJ刚度调节范围有限、刚度调节机构无法实现模块化的问题。本发明包括支点调节机构、弹性传递机构和一对第一轴承，支点调节机构与弹性传递机构之间通过一对第一轴承转动连接。本发明用于柔性机器人。

Description

一种可实现全范围刚度调整的对称式变支点刚度调节模块

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种可实现全范围刚度调整的对称式变支点刚度调节模块。

背景技术

传统机器人大多应用于工业生产，在结构化环境中按照既定的轨迹进行动作，以完成特定的任务。为了使机器人具有较高的重复定位精度、较好的轨迹跟踪效果和较快的响应速度，同时保证一定的安全性，机器人系统通常采用“刚性机械结构、主动柔顺控制”的设计方案。但当机器人在非结构化环境中与刚性物体发生碰撞时，基于“主动柔顺控制”的机器人在碰撞瞬间仍然表现出刚性状态。随着机器人应用范围的不断拓宽，特别是在公共服务、医疗康复、陪护养老等行业的广泛应用，能够实现人机交互，且对环境友好的柔性关节机器人成为近些年来研究的热点之一。

柔性关节内部集成有弹性元件，呈现出固有柔顺性：在与外界环境发生碰撞时，弹性元件能够产生柔性变形，降低关节输出连杆和电机之间传动链路上的峰值扭矩，从而起到保护机器人和周围环境的目的。作为柔性关节的典型代表，可变杆刚度柔性关节(Variable Stiffness Joint,VSJ)旨在模拟并实现类似于生物关节的动力学、运动学特性以及固有柔顺性等。VSJ不但可以通过释放弹性元件中存储的弹性势能来提高输出连杆动能，降低能量消耗，与串联弹性驱动器(Series Elastic Actuator,SEA)相比，VSJ还可通过主动调节自身刚度以适应不同任务需求，改善输出连杆的动态性能。

目前，VSJ样机的研制和原理验证的相关工作较多，但现有VSJ的刚度可调范围有限，无法兼顾柔顺性和动态性能，从而降低了关节的适应性。此外，现有VSJ一般采用驱动机构和刚度调节机构一体式设计方案，刚度调节机构嵌入到整个VSJ中，无法实现刚度调节机构的模块化设计。

发明内容

本发明为了解决现有VSJ刚度调节范围有限、刚度调节机构无法实现模块化的问题，进而提出一种可实现全范围刚度调整的对称式变支点刚度调节模块。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种可实现全范围刚度调整的对称式变支点刚度调节模块包括支点调节机构、弹性传递机构和一对第一轴承，支点调节机构与弹性传递机构之间通过一对第一轴承转动连接。

本发明与现有技术相比包含的有益效果是：

1、本发明采用改变支点位置的杠杆原理方案解决了通过改变弹簧力作用位置，或改变外部力作用位置的杠杆原理方案所存在的刚度调节范围有限的问题；本发明所述杠杆采用双层滑槽设计消除了零件之间的几何约束，实现了刚度调节模块从零到无穷大的刚度调整。

2、本发明采用中心对称式结构设计，一方面可以在有限的空间内增加刚度调节模块(关节)的最大承载能力(40Nm)，另一方面还可以消除由非对称结构引起的附加弯矩，提高内部结构的可靠性和稳定性。

3、本发明实现了基于杠杆原理的刚度调节机构的模块化设计，普通刚性关节可通过挂载所设计的刚度调节模块转化为VSJ。

4、本发明仅使用线性弹簧、滑块、直线导轨、杠杆、支点等较少零部件就实现了刚度调节模块的结构设计，具有所需零部件少，结构简单紧凑的特点，使得构造VSJ或VSJ机械臂成为可能。

5、本发明所述的变支点刚度调节模块可应用在普通刚性关节上，无需改变关节原有结构，即可将刚性关节转化为可变刚度关节。

附图说明

图1是本发明整体内部结构的剖视图；

图2是与图1剖视图相垂直截面的剖视图；

图3是本发明的侧视图；

图4是本发明中模块输入端1-1的轴测图；

图5是本发明中阿基米德螺旋线盘1-2的轴测图；

图6是本发明中杠杆2-2一侧的轴测图；

图7是本发明中杠杆2-2另一侧的轴测图；

图8是本发明整体结构的轴测图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式所述一种可实现全范围刚度调整的对称式变支点刚度调节模块包括支点调节机构1、弹性传递机构2和一对第一轴承3，支点调节机构1与弹性传递机构2之间通过一对第一轴承3转动连接。

本实施方式中第一轴承3的外圈由模块输入1-1加工的止口和挡圈经螺钉固定，第一轴承3的内圈由模块输出2-1加工的止口和挡圈经螺钉固定，支点调节机构1和弹性传递机构2可通过第一轴承3相对旋转。

具体实施方式二：结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式所述支点调节机构1包括模块输入端1-1、阿基米德螺旋线盘1-2、刚度调节电机1-5、谐波减速器1-6、电机基座1-7和两个支点1-4，

模块输入端1-1与电机基座1-7的端部固接，阿基米德螺旋线盘1-2设置在电机基座1-7的内侧且与电机基座1-7之间转动连接，模块输入端1-1的内侧端面上沿轴线方向对称设有两个直线通槽1-1-1，阿基米德螺旋线盘1-2的外侧端面上沿轴线方向对称设有两个曲线槽1-2-1，两个支点1-4设置在模块输入端1-1与阿基米德螺旋线盘1-2之间，每个支点1-4的一端分别插装在一个直线通槽1-1-1内且与直线通槽1-1-1滑动连接，每个支点1-4的另一端分别插装在一个曲线槽1-2-1内且与曲线槽1-2-1滑动连接，谐波减速器1-6的钢轮与阿基米德螺旋线盘1-2连接，谐波减速器1-6的柔轮与电机基座1-7连接，刚度调节电机1-5设置在电机基座1-7的外侧端，刚度调节电机1-5的电机轴穿过电机基座1-7与谐波减速器1-6的波发生器连接。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

本实施方式中刚度调节电机1-5和谐波减速1-6的柔轮与电机基座1-7通过螺钉连接。

曲线槽1-2-1的形状为阿基米德螺旋线状。

具体实施方式三：结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式所述刚度调节电机1-5的电机轴通过电机轴连接件1-8与谐波减速器1-6的波发生器连接。其它组成和连接方式与具体实施方式二相同。

本实施方式中刚度调节电机1-5的D型电机轴插入至电机轴连接件1-8加工的D型孔中；电机轴连接件1-8的轴向位置由支撑刚度调节电机1-5电机轴的深沟球轴承经挡圈和刚度调节电机1-5固定；电机轴连接件1-8与谐波减速器1-6的波发生器通过螺钉连接。

具体实施方式四：结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式所述刚度调节电机1-5上设有编码器，通过编码器测量支点1-4的直线位移。其它组成和连接方式与具体实施方式二相同。

具体实施方式五：结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式所述支点1-4的中部设有凸缘，凸缘的外侧端面与模块输入端1-1的内侧端面配合，凸缘的内侧端面与阿基米德螺旋线盘1-2的外侧端面配合。其它组成和连接方式与具体实施方式二相同。

如此设计支点1-4中段加工的凸缘置于模块输入1-1和阿基米德螺旋线盘1-2之间，起到固定支点1-4轴向的作用。

具体实施方式六：结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式所述阿基米德螺旋线盘1-2与电机基座1-7之间通过一对第二轴承1-3转动连接。其它组成和连接方式与具体实施方式二相同。

本实施方式中模块输入端1-1与电机基座1-7的端部通过螺钉固接，第二轴承1-3的外圈由电机基座1-7加工的止口和挡圈经螺钉固定，第二轴承1-3的内圈由阿基米德螺旋线盘1-2加工的止口和挡圈经螺钉固定。

具体实施方式七：结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式所述弹性传递机构2包括模块输出端2-1、两个杠杆2-2、两个滑块2-3、两个直线导轨2-4、两个滑块基座2-5、两个弹簧基座2-7和四个线性弹簧2-6，模块输出端2-1的内侧端面上沿轴线方向对称设有两个旋转孔，杠杆2-2一侧的一端设有旋转轴2-2-1，每个杠杆2-2的旋转轴2-2-1分别插装在一个旋转孔内，两个弹簧基座2-7对称固接在模块输出端2-1上，且弹簧基座2-7位于两个旋转孔的中间位置的两侧，每个滑块2-3分别与一个滑块基座2-5固接，每个滑块基座2-5分别套装在一个直线导轨2-4的中部且与直线导轨2-4滑动连接，直线导轨2-4的端部与弹簧基座2-7固接，每个滑块基座2-5端部与相邻的弹簧基座2-7之间均设有线性弹簧2-6，线性弹簧2-6套装在直线导轨2-4上，杠杆2-2一侧的另一端设有直线短滑槽2-2-2，滑块基座2-5的端面上设有圆柱销，每个圆柱销分别插装在一个直线短滑槽2-2-2内且与直线短滑槽2-2-2滑动连接。其它组成和连接方式与具体实施方式二、三、四、五或六相同。

本实施方式中每个杠杆2-2的旋转轴2-2-1分别插装在一个旋转孔内，并由弹簧卡圈固定；弹簧基座2-7对称安装在模块输入1-1上，并通过螺钉连接；滑块2-3与滑块基座2-5通过胶粘连接；直线导轨2-4的端部与弹簧基座2-7之间通过螺钉固接；经压缩后的线性弹簧2-6的两端由滑块基座2-5和弹簧基座2-7夹紧。

具体实施方式八：结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式所述杠杆2-2的另一侧设有直线长滑槽2-2-3，每个支点1-4的一端分别穿过直线通槽1-1-1后插装在一个直线长滑槽2-2-3内且与直线长滑槽2-2-3滑动连接。其它组成和连接方式与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式所述模块输入端1-1的中心设有键槽，模块输出端2-1的外侧端设有法兰盘。其它组成和连接方式与具体实施方式七相同。

本实施方式中普通刚性关节的驱动单元可通过键将运动和动力传递至模块输入端1-1；普通刚性关节的连杆输出可通过螺钉与模块输出端2-1连接。

具体实施方式十：结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式所述第一轴承3和第二轴承1-3均为超薄壁轴承。其它组成和连接方式与具体实施方式七相同。

工作原理

本发明的刚度调节功能实施方案：刚度调节电机1-5工作，电机轴带动电机轴连接件1-8旋转，电机轴连接件1-8带动谐波减速器1-6的钢轮，谐波减速器1-6的钢轮带动阿基米德螺旋线盘1-2相对于模块输入端1-1转动。在模块输入端1-1的直线通槽1-1-1和阿基米德螺旋线盘1-2的曲线槽1-2-1的共同约束下，刚度调节电机1-5的旋转运动线性地转化为支点1-4的直线运动；刚度调节电机1-5自带的编码器用于测量计算支点1-4的位置；当支点1-4的位置靠近刚度调节模块中心的极限位置时，刚度调节模块的刚度为0；当支点1-4的位置靠近远离刚度调节模块中心的极限位置时，刚度调节模块的刚度为+∞。

本发明的被动柔顺实现形式：当本发明中模块输出端2-1受到外力矩作用时，外力矩带动模块输出端2-1旋转；模块输出端2-1带动杠杆2-2绕支点1-4旋转；杠杆2-2带动弹簧基座2-7沿直线导轨2-4移动，改变线性弹簧2-6的变形量，缓冲外力矩带来的冲击，从而达到保护刚度调节模块(关节)、环境和人的目的。

本发明可根据具体工作情况随时调节关节刚度，不仅能够感知周围环境的碰撞、采取措施避免造成损伤，而且能够有效提高能量的利用率。本发明对提高机器人系统的控制速度和控制质量、简化控制系统以改善机器人性能尤其是在安全性及对未知环境的适应性方面有着重要意义。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (7)

1.一种可实现全范围刚度调整的对称式变支点刚度调节模块，其特征在于：所述一种可实现全范围刚度调整的对称式变支点刚度调节模块包括支点调节机构(1)、弹性传递机构(2)和一对第一轴承(3)，支点调节机构(1)与弹性传递机构(2)之间通过一对第一轴承(3)转动连接；

所述支点调节机构(1)包括模块输入端(1-1)、阿基米德螺旋线盘(1-2)、刚度调节电机(1-5)、谐波减速器(1-6)、电机基座(1-7)和两个支点(1-4)，

模块输入端(1-1)与电机基座(1-7)的端部固接，阿基米德螺旋线盘(1-2)设置在电机基座(1-7)的内侧且与电机基座(1-7)之间转动连接，模块输入端(1-1)的内侧端面上沿轴线方向对称设有两个直线通槽(1-1-1)，阿基米德螺旋线盘(1-2)的外侧端面上沿轴线方向对称设有两个曲线槽(1-2-1)，两个支点(1-4)设置在模块输入端(1-1)与阿基米德螺旋线盘(1-2)之间，每个支点(1-4)的一端分别插装在一个直线通槽(1-1-1)内且与直线通槽(1-1-1)滑动连接，每个支点(1-4)的另一端分别插装在一个曲线槽(1-2-1)内且与曲线槽(1-2-1)滑动连接，谐波减速器(1-6)的钢轮与阿基米德螺旋线盘(1-2)连接，谐波减速器(1-6)的柔轮与电机基座(1-7)连接，刚度调节电机(1-5)设置在电机基座(1-7)的外侧端，刚度调节电机(1-5)的电机轴穿过电机基座(1-7)与谐波减速器(1-6)的波发生器连接；

所述弹性传递机构(2)包括模块输出端(2-1)、两个杠杆(2-2)、两个滑块(2-3)、两个直线导轨(2-4)、两个滑块基座(2-5)、两个弹簧基座(2-7)和四个线性弹簧(2-6)，模块输出端(2-1)的内侧端面上沿轴线方向对称设有两个旋转孔，杠杆(2-2)一侧的一端设有旋转轴(2-2-1)，每个杠杆(2-2)的旋转轴(2-2-1)分别插装在一个旋转孔内，两个弹簧基座(2-7)对称固接在模块输出端(2-1)上，且弹簧基座(2-7)位于两个旋转孔的中间位置的两侧，每个滑块(2-3)分别与一个滑块基座(2-5)固接，每个滑块基座(2-5)分别套装在一个直线导轨(2-4)的中部且与直线导轨(2-4)滑动连接，直线导轨(2-4)的端部与弹簧基座(2-7)固接，每个滑块基座(2-5)端部与相邻的弹簧基座(2-7)之间均设有线性弹簧(2-6)，线性弹簧(2-6)套装在直线导轨(2-4)上，杠杆(2-2)一侧的另一端设有直线短滑槽(2-2-2)，滑块基座(2-5)的端面上设有圆柱销，每个圆柱销分别插装在一个直线短滑槽(2-2-2)内且与直线短滑槽(2-2-2)滑动连接；

所述模块输入端(1-1)的中心设有键槽，模块输出端(2-1)的外侧端设有法兰盘。

2.根据权利要求1所述一种可实现全范围刚度调整的对称式变支点刚度调节模块，其特征在于：所述刚度调节电机(1-5)的电机轴通过电机轴连接件(1-8)与谐波减速器(1-6)的波发生器连接。

3.根据权利要求1所述一种可实现全范围刚度调整的对称式变支点刚度调节模块，其特征在于：所述刚度调节电机(1-5)上设有编码器，通过编码器测量支点(1-4)的直线位移。

4.根据权利要求1所述一种可实现全范围刚度调整的对称式变支点刚度调节模块，其特征在于：所述支点(1-4)的中部设有凸缘，凸缘的外侧端面与模块输入端(1-1)的内侧端面配合，凸缘的内侧端面与阿基米德螺旋线盘(1-2)的外侧端面配合。

5.根据权利要求1所述一种可实现全范围刚度调整的对称式变支点刚度调节模块，其特征在于：所述阿基米德螺旋线盘(1-2)与电机基座(1-7)之间通过一对第二轴承(1-3)转动连接。

6.根据权利要求1所述一种可实现全范围刚度调整的对称式变支点刚度调节模块，其特征在于：所述杠杆(2-2)的另一侧设有直线长滑槽(2-2-3)，每个支点(1-4)的一端分别穿过直线通槽(1-1-1)后插装在一个直线长滑槽(2-2-3)内且与直线长滑槽(2-2-3)滑动连接。

7.根据权利要求5所述一种可实现全范围刚度调整的对称式变支点刚度调节模块，其特征在于：所述第一轴承(3)和第二轴承(1-3)均为超薄壁轴承。

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