CN112894790A - 一种基于丝杆螺纹副的主动变刚度关节 - Google Patents
一种基于丝杆螺纹副的主动变刚度关节 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种基于丝杆螺纹副的主动变刚度关节,包括壳体、输入控制端和变刚度调节组件,壳体包括固定的第一壳体和活动的第二壳体,第二壳体转动设置在第一壳体上,输入控制端用于驱动第二壳体围绕其回转中心进行转动,其包括输入转轴和固定架,固定架设在输入转轴上并与输入转轴同步转动,变刚度调节组件用于根据第二壳体的实际需要调节关节的刚度值,其包括板簧、滑座、移动滑架、楔形滑筒、轨道盘和驱动丝杆。本发明通过主动调整滑座与板簧的相对位置,改变所输出的刚度,具有结构简单、刚度调节范围大、可靠性高等优点。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域,具体涉及一种基于丝杆螺纹副的主动变刚度关节。
背景技术
随着人们生产生活环境的日益多样化,人机协作和多机协作的情况越来越普遍,如何保证多机人之间的柔顺性以及降低与人交互之间碰撞安全性的问题日渐突出。关节驱动模块作为机器人本体的核心结构部件,不仅是使机器人完成各种灵活动作的动力源,也是保证人机交互安全性的可控关键结构点。传统的机器人驱动关节一般是有驱动电机和变速器组成的近乎纯刚性结构体,没有弹性元件,无法保证人机协作的安全性和机械臂的柔顺性。
相对于传统的纯刚度关节,可变刚度关节变现为,随着负载的变化,其关节刚度也不是一成不变的,变刚度关节分为被动变刚度关节和主动变刚度关节两种关节。被动变刚度关节的研究最多的是串联弹性驱动器,其是在普通刚性驱动器和外界负载之间连接的一个弹性元件,当弹性元件确定后,串联弹性驱动器的刚度特性也就确定了;主动变刚度关节是指一个关节使用两个电机驱动,可以实现独立或者分别地调节关节刚度和输出位置,克服了被动变刚度关节刚度不可调节的缺点,这也是真正意义上的“可变刚度柔性”关节。
目前主动变刚度关节的结构形式主要有拮抗型、弹簧型、摩擦片型、变传输型和混合型五种,其大多存在结构复杂、体积大、稳定性差及刚度线性控制难的问题,例如中国专利CN201610847050.2公开了一种刚度连续可调的机器人柔性关节,其通过压缩浮动弹簧的预压缩量实现刚度可调,虽能够实现刚度连续可调,但其结构复杂、体积大,环境适应性差;中国专利CN201510114055.X公开了种可变刚度的柔性关节,其采用多级齿轮传动机构,且结构较为复杂,传递过程复杂且精度低,不易控制刚度,应用受限。
基于此,需要提供一种刚度调节范围大、结构紧凑的主动变刚度关节。
发明内容
针对现有技术的缺陷,本发明提供了一种基于丝杆螺纹副的主动变刚度关节,通过主动调整滑座与板簧的相对位置,改变所输出的刚度,具有结构简单、刚度调节范围大、可靠性高等优点。
为了实现上述目的,本发明提供了一种基于丝杆螺纹副的主动变刚度关节,其包括壳体、输入控制端和变刚度调节组件,壳体包括固定的第一壳体和活动的第二壳体,其中第二壳体转动设置在第一壳体上,输入控制端用于驱动第二壳体围绕其回转中心进行转动,其包括输入转轴和固定架,固定架设在输入转轴上并与输入转轴同步转动,变刚度调节组件用于根据第二壳体的实际需要调节关节的刚度值,其包括:
一个以上的板簧,设置在固定架上;
滑座,可滑动地设置在板簧上;
移动滑架,与滑座固定连接;
楔形滑筒,位于第二壳体内并能够进行升降;
轨道盘,与第二壳体固定连接;以及
驱动丝杆;
其中楔形滑筒上设有轨道板和位于轨道板上的轨道槽,轨道槽相较于输入转轴倾斜设置,移动滑架上设有辊子轴,辊子轴设置为横穿轨道槽并能够在轨道槽内滚动或滑动;
其中轨道盘设有凹形直线导槽,移动滑架上设有连接支角,连接支角嵌设在凹形直线导槽中并能够在凹形直线导槽内滑动;
其中驱动丝杆与楔形滑筒之间丝杆螺纹配合以驱动楔形滑筒上升或下降,楔形滑筒能够驱动辊子轴在轨道槽内滑动,滑动的辊子轴驱动移动滑架在板簧的长度方向上沿凹形直线导槽向内或向外滑行,以调节板簧的有效长度实现关节刚度的改变。
根据本发明的另一种具体实施方式,滑座为辊子滑动座,其包括座体和两个辊子,座体与移动滑架固定连接,两个辊子套装在板簧上。
根据本发明的另一种具体实施方式,板簧的数目在两个或两个以上,两个或两个以上的板簧围绕输入转轴阵列或相对分布在固定架上。
根据本发明的另一种具体实施方式,位于不同板簧上的滑座与输入转轴的距离相同。
根据本发明的另一种具体实施方式,轨道板为设置在输入转轴径向方向上的三角形板或梯形板。
根据本发明的另一种具体实施方式,轨道盘与楔形滑筒之间层叠,轨道盘进一步设有通槽,轨道板设置为穿过通槽。
根据本发明的另一种具体实施方式,辊子轴上设有辊筒。
根据本发明的另一种具体实施方式,第二壳体通过两个四点接触薄壁轴承转动设置在第一壳体内。
根据本发明的另一种具体实施方式,变刚度调节组件进一步包括压盘和调刚度电机,压盘固定在第二壳体上,调刚度电机设置在压盘上,驱动丝杆与调刚度电机的输出轴驱动连接。
根据本发明的另一种具体实施方式,输入控制端进一步包括驱动盘,驱动盘与第一壳体固定连接,输入转轴为阶梯轴,驱动盘上设有安装槽孔,输入转轴的一端通过位于安装槽孔内的第一轴承与驱动盘连接,输入转轴的另一端通过第二轴承与第二壳体连接。
本发明具备以下有益效果:
本发明采用丝杆螺纹副驱动楔形滑筒上下移动,驱动移动滑架相对于楔形滑筒上倾斜的轨道槽滑动,使得移动滑架沿着轨道盘的凹形直线导槽做远离或者靠近轨道盘回转中心的径向滑动,实现驱动滑座座沿着板簧的滑动,从而改变板簧的有效长度,具有结构简单、刚度调节范围大且工作平稳的特点;
本发明采用楔形滑筒和辊子轴的配合方式,使得各个移动滑架在沿轨道盘凹形直线导槽滑动时,不容易被卡死,且能同步带动对应的滑座移动,提高了变刚度关节的可靠性和稳定性。
本发明刚度调节范围大,仿真实验表明移动滑架在轨道盘上的滑动范围较大,因此该发明的滑座在板簧长度方向上的移动范围也较大,进而使得刚度调节范围较大。
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
附图说明
图1是本发明变刚度关节的整体结构示意图;
图2是本发明变刚度关节的剖视图;
图3是本发明变刚度关节的内部结构示意图;
图4是本发明变刚度关节中三个板簧的分布示意图;
图5是本发明变刚度关节中楔形滑筒的结构示意图;
图6是本发明变刚度关节中轨道盘的结构示意图;
图7是本发明变刚度关节中移动滑架的结构示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点,下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是,本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施,因此,本发明的保护范围并不限于下面公开的具体实施例的限制。
实施例1
本实施例提供了一种基于丝杆螺纹副的主动变刚度关节,如图1-7所示,包括壳体100、输入控制端200和变刚度调节组件300。
壳体100包括嵌套的第一壳体110和第二壳体120,其中第一壳体110为外壳体,第二壳体120为内壳体,第二壳体120优选采用两个四点接触薄壁轴承130转动设置在第一壳体110内。
输入控制端200用于驱动第二壳体120围绕其回转中心进行转动,其包括驱动盘210、位置电机220、输入转轴230和固定架240。
驱动盘210与第一壳体110固定连接,位置电机220装配在驱动盘210上,其中位置电机220的输出轴为D形轴,输入转轴230设有D形孔以与位置电机220的输出轴一端固定连接,输入转轴230设置在第二壳体120的回转中心线上,固定架240设置在输入转轴230上并与输入转轴230同步转动。
具体的输入转轴230为阶梯轴,驱动盘210上设有安装槽孔211,输入转轴230的一端通过位于安装槽孔211内的第一轴承250与驱动盘210转动支撑连接,输入转轴230的另一端通过第二轴承260与第二壳体120转动支撑连接。
变刚度调节组件300用于根据第二壳体120的实际需要调节关节的刚度值,其包括压盘310、调刚度电机320、板簧330、滑座340、移动滑架350楔形滑筒360、轨道盘370和驱动丝杆380。
其中板簧330的数量优选为至少三个,例如图3示出的阵列分布在输入转轴230外周的三个板簧330,滑座340滑动设置在板簧330上,并且位于不同板簧330上的滑座340与输入转轴230的距离相同,即可实现移动滑块350的滑动是对称等速的,滑座340的滑动也是对称等速的。
移动滑架350与滑座340固定连接;
压盘310固定在第二壳体120上,调刚度电机320设置在压盘310上,调刚度电机320与驱动丝杆380之间固定连接(例如通过键连接)以带动驱动丝杆380进行正反转,楔形滑筒360位于第二壳体120内并与驱动丝杆380之间螺纹配合连接以形成丝杆螺纹副,转动的驱动丝杆380能够带动楔形滑筒360进行升降。
其中楔形滑筒360上设有轨道板361和位于轨道板361上的轨道槽362,轨道板361优选为设置在输入转轴230径向方向上的梯形板,轨道槽362相较于输入转轴230倾斜设置,移动滑架350上设有辊子轴351,辊子轴351设置为横穿轨道槽362并能够在轨道槽362内滚动或滑动;
优选的,辊子轴351上设有辊筒352,以降低滚动摩擦,运动更加顺畅。
轨道盘370与第二壳体120之间固定连接,并且轨道盘370与楔形滑筒360之间上下层叠,轨道盘370上设有通槽371,轨道板361设置为穿过通槽371并能够在通槽371内升降。
进一步的,在轨道盘370设有三组凹形直线导槽372,移动滑架350上设有连接支角353,连接支角353能够嵌设在凹形直线导槽372中并能够在凹形直线导槽372内滑动。
如图3所示,驱动丝杆380与楔形滑筒360之间丝杆螺纹配合能够驱动楔形滑筒360上升或下降,楔形滑筒360能够驱动辊子轴351在轨道槽362内滑动,滚动的辊子轴351驱动移动滑架350在板簧330的长度方向上沿凹形直线导槽372向内或向外滑行,以调节板簧330的有效长度实现关节刚度的改变。
本实施例中的滑座340优选为辊子滑动座,其包括座体341和两个辊子342,座体341与移动滑块350固定连接,两个辊子342套装在板簧330上,其中两个辊子342之间的距离为板簧330的厚度。
本实施例的位置传输过程为:
位置电机220驱动输入转轴230进行转动,输入转轴230通过固定架240带动与其固连的三个板簧330转动,接着带动套在板簧330上的滑座340绕第一壳体110的回转中心进行旋转,由于滑座340与移动滑块350之间固定连接,然后滑座340带动移动滑块350绕第一壳体110的回转中心转动,并且通过移动滑块350带动第二壳体120绕其回转中心进行转动,最后通过设置在第二壳体120上的输出连杆臂140进行输出转动。
本实施例的主动变刚度过程为:
调刚度电机320带动驱动丝杆380相对于第二壳体120的回转中心进行转动,驱动丝杆380通过丝杆螺纹副驱动楔形滑筒360上下移动(升降),驱动移动滑架350相对于楔形滑筒360上倾斜的轨道槽362进行滑动,同时移动滑架350同步地沿着轨道盘370的凹形直线导槽372做远离或者靠近轨道盘370回转中心的径向滑动,最终带动与移动滑架350固定连接的滑座340沿着板簧330的长度方向进行同步移动,实现地改变板簧的有效长度,改变关节刚度。
虽然本发明以较佳实施例揭露如上,但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员,在不脱离本发明的发明范围内,当可作些许的改进,即凡是依照本发明所做的同等改进,应为本发明的范围所涵盖。
Claims (10)
1.一种基于丝杆螺纹副的主动变刚度关节,其包括壳体、输入控制端和变刚度调节组件,所述壳体包括固定的第一壳体和活动的第二壳体,其中所述第二壳体转动设置在所述第一壳体上,所述输入控制端用于驱动所述第二壳体围绕其回转中心进行转动,其包括输入转轴和固定架,所述固定架设在所述输入转轴上并与所述输入转轴同步转动,所述变刚度调节组件用于根据所述第二壳体的实际需要调节关节的刚度值,其包括:
一个以上的板簧,设置在所述固定架上;
滑座,可滑动地设置在所述板簧上;
移动滑架,与所述滑座固定连接;
楔形滑筒,位于所述第二壳体内并能够进行升降;
轨道盘,与所述第二壳体固定连接;以及
驱动丝杆;
其中所述楔形滑筒上设有轨道板和位于所述轨道板上的轨道槽,所述轨道槽相较于所述输入转轴倾斜设置,所述移动滑架上设有辊子轴,所述辊子轴设置为横穿所述轨道槽并能够在所述轨道槽内滚动或滑动;
其中所述轨道盘设有凹形直线导槽,所述移动滑架上设有连接支角,所述连接支角嵌设在所述凹形直线导槽中并能够在所述凹形直线导槽内滑动;
其中所述驱动丝杆与所述楔形滑筒之间丝杆螺纹配合以驱动所述楔形滑筒上升或下降,所述楔形滑筒能够驱动所述辊子轴在所述轨道槽内滑动,滑动的所述辊子轴驱动所述移动滑架在所述板簧的长度方向上沿所述凹形直线导槽向内或向外滑行,以调节所述板簧的有效长度实现关节刚度的改变。
2.如权利要求1所述的基于丝杆螺纹副的主动变刚度关节,其特征在于,所述滑座为辊子滑动座,其包括座体和两个辊子,所述座体与所述移动滑架固定连接,两个所述辊子套装在所述板簧上。
3.如权利要求1所述的基于丝杆螺纹副的主动变刚度关节,其特征在于,所述板簧的数目在两个或两个以上,两个或两个以上的所述板簧围绕所述输入转轴阵列或相对分布在所述固定架上。
4.如权利要求1所述的基于丝杆螺纹副的主动变刚度关节,其特征在于,位于不同所述板簧上的所述滑座与所述输入转轴的距离相同。
5.如权利要求1所述的基于丝杆螺纹副的主动变刚度关节,其特征在于,所述轨道板为设置在所述输入转轴径向方向上的三角形板或梯形板。
6.如权利要求1所述的基于丝杆螺纹副的主动变刚度关节,其特征在于,所述轨道盘与所述楔形滑筒之间层叠,所述轨道盘进一步设有通槽,所述轨道板设置为穿过所述通槽。
7.如权利要求1所述的基于丝杆螺纹副的主动变刚度关节,其特征在于,所述辊子轴上设有辊筒。
8.如权利要求1所述的基于丝杆螺纹副的主动变刚度关节,其特征在于,所述第二壳体通过两个四点接触薄壁轴承转动设置在所述第一壳体内。
9.如权利要求1所述的基于丝杆螺纹副的主动变刚度关节,其特征在于,所述变刚度调节组件进一步包括压盘和调刚度电机,所述压盘固定在所述第二壳体上,所述调刚度电机设置在所述压盘上,所述驱动丝杆与所述调刚度电机的输出轴驱动连接。
10.如权利要求1所述的基于丝杆螺纹副的主动变刚度关节,其特征在于,所述输入控制端进一步包括驱动盘,所述驱动盘与所述第一壳体固定连接,所述输入转轴为阶梯轴,所述驱动盘上设有安装槽孔,所述输入转轴的一端通过位于所述安装槽孔内的第一轴承与所述驱动盘连接,所述输入转轴的另一端通过第二轴承与所述第二壳体连接。
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