CN113001584B - 一种可变刚度的机器人柔性关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变刚度的机器人柔性关节，其驱动电机110、谐波减速器130、弹簧架底座210、交叉滚子轴承250和驱动输出连杆340转动轴线相同，驱动输出连杆340和下连杆140作为柔性关节的两端；当机器人柔性关节运动时，整个驱动电机110将力矩和运动传递给谐波减速器130，谐波减速器130带动弹簧架底座210转动，弹簧架底座210将力矩和运动传递给弹簧组220，通过弹簧组的缓冲后将力矩和运动最终传递给驱动输出连杆340，实现整个关节的柔性驱动。

Description

一种可变刚度的机器人柔性关节

技术领域

本发明属于机器人技术领域，更为具体地讲，涉及一种可变刚度的机器人柔性关节。

背景技术

目前，在机器人运动关节设计中，电机输入轴与关节输出机构之间普遍采用刚性连接的驱动方式，这种方式虽然结构设计简单紧凑、定位精度高、能即时响应，但由于没有机构上的柔顺性使得机器人关节更容易受到外部冲击的影响而损坏，同时刚性驱动的力控制精度较低，使得人机交互性能不佳，且由于电机输入与关节输出之间没有类似生物肌腱这样的弹性储能元件，使得关节能耗较高。

近些年，一种具有模拟人类肌肉伸缩功的串联柔性驱动关节引起广泛研究，串联驱动柔性驱动关节能够在受到外部冲击时实现自我缓冲，从而避免了机器人机构的损坏，提高了与人协作时的安全性，并且通过弹性元件的储能特性提高能量利用效率。

然而，不同的应用场景对于串联柔性驱动关节的刚度有不同的需求，因此可变刚度的串联柔性驱动关节具有较高的应用价值，目前现有的机器人关节变刚度方法多通过复杂的凸轮结构等方式来改变关节刚度，且关节刚度可调节范围小，复杂的变刚度机构也使得机器人关节的体积较大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可变刚度的机器人柔性关节，适应不同应用场景的有同刚度需求，且可调刚度的范围变化大。

为实现上述发明目的，本发明一种可变刚度的机器人柔性关节，其特征在于，包括：驱动输入组、柔性模块组、刚度调节及输出组；

所述驱动输入组的输出端与柔性模块组的输入端连接，驱动输入组具体包括驱动电机、法兰盘、谐波减速器和上连杆；其中，谐波减速器又分为三部分：波发生器、谐波减速器输出端和谐波减速器固定端；

驱动电机与法兰盘固定连接，驱动电机的输出端连接谐波减速器的波发生器，谐波减速器固定端的左端面与法兰盘固定连接，谐波减速器固定端的右端面与上连杆固定连接，这样通过谐波减速器既能够降低驱动电机的输出转速，又能增加驱动电机的输出转矩；

所述柔性模块组包括弹簧架底座，弹簧组、圆弧导轨、压板以及交叉滚子轴承；

弹簧架底座的左端与谐波减速器输出端的右端相连，这样谐波减速器的运动和力能够输出到柔性模块组；弹簧架底座的右端连接圆弧导轨、弹簧组和交叉滚子轴承，压板的左端与弹簧架底座右端共同夹紧圆弧导轨和弹簧组的两端，圆弧导轨外表面穿插弹簧组，这样使弹簧组的形变方向只能沿着圆弧导轨的圆形轴线方向；交叉滚子轴承的内圈与弹簧架底座固定连接，交叉滚子轴承的外圈与驱动输出连杆固定连接，交叉滚子轴承用于承受驱动输出连杆所受的弯矩并且约束驱动输出连杆只能沿着关节轴线转动；

所述刚度调节及输出组包括拉手、卡杆、微型弹簧和驱动输出连杆；

驱动输出连杆用于输出柔性关节力矩和运动，驱动输出连杆与交叉滚子轴承的外圈固定连接，使得驱动输出连杆只能沿着交叉滚子轴承的轴向转动；卡杆贯穿一个微型弹簧，在无外部作用力时，微型弹簧两端分别作用于驱动输出连杆和卡杆，用于给卡杆提供向上的压力，以此压紧卡杆，防止其在运动中脱落；卡杆的下部与拉手固定连接，使用者可通过拉手调节卡杆的上下位置，进而调节卡杆是否卡入弹簧组；当卡杆未卡入弹簧组时，可手动调节驱动输出连杆和卡杆相对于弹簧组的位置，实现驱动输出连杆相对上连杆转动刚度的大范围变化；当卡杆卡入弹簧组时，卡杆将弹簧组分为两段，两段弹簧共同作用于卡杆，则将两段弹簧视作并联弹簧，从而增大驱动输出连杆绕关节轴心转动时的转动刚度，实现关节输出刚度的调节；

整个机器人柔性关节运动时，驱动输出连杆和下连杆作为柔性关节的两端，驱动电机将力矩和运动传递给谐波减速器，谐波减速器带动弹簧架底座转动，弹簧架底座将力矩和运动传递给弹簧组，通过弹簧组的缓冲后将力矩和运动最终传递给驱动输出连杆，实现整个关节的柔性驱动。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种可变刚度的机器人柔性关节，其驱动电机110、谐波减速器130、弹簧架底座210、交叉滚子轴承250和驱动输出连杆340转动轴线相同，驱动输出连杆340和下连杆140作为柔性关节的两端；当机器人柔性关节运动时，整个驱动电机110将力矩和运动传递给谐波减速器130，谐波减速器130带动弹簧架底座210转动，弹簧架底座210将力矩和运动传递给弹簧组220，通过弹簧组的缓冲后将力矩和运动最终传递给驱动输出连杆340，实现整个关节的柔性驱动。

附图说明

图1是本发明一种可变刚度的机器人柔性关节结构图；

图2是驱动输入组的结构图；

图3是柔性模块组的结构图；

图4是机器人柔性关节的剖面图；

图5是弹簧组的结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明一种可变刚度的机器人柔性关节结构图。

在本实施例中，如图1所示，本发明一种可变刚度的机器人柔性关节，包括：驱动输入组100、柔性模块组200、刚度调节及输出组300；在本实施例中，可以将柔性模块组200与驱动输入组100高度集成，这样使机器人柔性关节体积较小，且二者中间无复杂的传动机构，保证了机器人柔性关节的可靠性与高传动精度；

其中，驱动输入组100的输出端与柔性模块组200的输入端连接，如图2所示，驱动输入组100具体包括驱动电机110、法兰盘120、谐波减速器130和上连杆140；其中，谐波减速器130为成熟工业元器件，主要分为三部分：波发生器131、谐波减速器输出端132和谐波减速器固定端133；

驱动电机110与法兰盘120固定连接，驱动电机110的输出端连接谐波减速器的波发生器131，谐波减速器固定端133的左端面与法兰盘120固定连接，谐波减速器固定端133的右端面与上连杆140固定连接，这通过谐波减速器130既能够降低驱动电机110的输出转速，又能增加驱动电机110的输出转矩；

如图3所示，柔性模块组200包括弹簧架底座210，弹簧组220、圆弧导轨230、压板240以及交叉滚子轴承250；

弹簧架底座210的左端与谐波减速器输出端132的右端相连，这样谐波减速器130的运动和力能够输出到柔性模块组200；弹簧架底座210的右端连接圆弧导轨230、弹簧组220和交叉滚子轴承250，压板240的左端与弹簧架底座210右端共同夹紧圆弧导轨230和弹簧组220的两端，圆弧导轨230外表面穿插弹簧组220，这样使弹簧组220的形变方向只能沿着圆弧导轨的圆形轴线方向；交叉滚子轴承250的内圈与弹簧架底座210固定连接，交叉滚子轴承250的外圈与驱动输出连杆340固定连接，交叉滚子轴承250用于承受驱动输出连杆340所受的弯矩并且约束驱动输出连杆340只能沿着关节轴线转动；

如图1所示，刚度调节及输出组300包括拉手310、卡杆320、微型弹簧330和驱动输出连杆340；

驱动输出连杆340用于输出柔性关节力矩和运动，驱动输出连杆340与交叉滚子轴承250的外圈固定连接，使得驱动输出连杆340只能沿着交叉滚子轴承250的轴向转动，提高了转动效率；如图4所示，卡杆320贯穿一个微型弹簧330，在无外部作用力时，微型弹簧330两端分别作用于驱动输出连杆340和卡杆320，用于给卡杆320提供向上的压力，以此压紧卡杆320，防止其在运动中脱落；卡杆320的下部与拉手310固定连接，使用者可通过拉手调节卡杆320的上下位置，进而调节卡杆320是否卡入弹簧组220；当卡杆320未卡入弹簧组220时，可手动调节驱动输出连杆340和卡杆320相对于弹簧组220的位置，实现关节的刚度变化范围为：

其中，G为剪切弹性模量，d为弹簧线径，n为弹簧有效圈数，D为弹簧中心直径，从而实现驱动输出连杆340相对上连杆140转动刚度的大范围变化；当卡杆320卡入弹簧组220时，卡杆320将弹簧组220分为两段S1及S2，如图5所示，两段弹簧的刚度分别为：

及

其中，n₁、n₂为两段弹簧有效圈数且n₁+n₂为常数；两段弹簧共同作用于卡杆320，则将两段弹簧视作并联弹簧，从而增大驱动输出连杆340绕关节轴心转动时的转动刚度，此时的转动刚度为：

实现关节输出刚度的调节；

整个机器人柔性关节运动时，驱动输出连杆340和下连杆140作为柔性关节的两端，驱动电机110将力矩和运动传递给谐波减速器130，谐波减速器130带动弹簧架底座210转动，弹簧架底座210将力矩和运动传递给弹簧组220，通过弹簧组的缓冲后将力矩和运动最终传递给驱动输出连杆340，实现整个关节的柔性驱动。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种可变刚度的机器人柔性关节，其特征在于，包括：驱动输入组、柔性模块组、刚度调节及输出组；

所述驱动输入组的输出端与柔性模块组的输入端连接，驱动输入组具体包括驱动电机、法兰盘、谐波减速器和上连杆；其中，谐波减速器又分为三部分：波发生器、谐波减速器输出端和谐波减速器固定端；

驱动电机与法兰盘固定连接，驱动电机的输出端连接谐波减速器的波发生器，谐波减速器固定端的左端面与法兰盘固定连接，谐波减速器固定端的右端面与上连杆固定连接，这样通过谐波减速器既能够降低驱动电机的输出转速，又能增加驱动电机的输出转矩；

所述柔性模块组包括弹簧架底座，弹簧组、圆弧导轨、压板以及交叉滚子轴承；

弹簧架底座的左端与谐波减速器输出端的右端相连，这样谐波减速器的运动和力能够输出到柔性模块组；弹簧架底座的右端连接圆弧导轨、弹簧组和交叉滚子轴承，压板的左端与弹簧架底座右端共同夹紧圆弧导轨和弹簧组的两端，圆弧导轨外表面穿插弹簧组，这样使弹簧组的形变方向只能沿着圆弧导轨的圆形轴线方向；交叉滚子轴承的内圈与弹簧架底座固定连接，交叉滚子轴承的外圈与驱动输出连杆固定连接，交叉滚子轴承用于承受驱动输出连杆所受的弯矩并且约束驱动输出连杆只能沿着关节轴线转动；

所述刚度调节及输出组包括拉手、卡杆、微型弹簧和驱动输出连杆；

驱动输出连杆用于输出柔性关节力矩和运动，驱动输出连杆与交叉滚子轴承的外圈固定连接，使得驱动输出连杆只能沿着交叉滚子轴承的轴向转动；卡杆贯穿一个微型弹簧，在无外部作用力时，微型弹簧两端分别作用于驱动输出连杆和卡杆，用于给卡杆提供向上的压力，以此压紧卡杆，防止其在运动中脱落；卡杆的下部与拉手固定连接，使用者可通过拉手调节卡杆的上下位置，进而调节卡杆是否卡入弹簧组；当卡杆未卡入弹簧组时，可手动调节驱动输出连杆和卡杆相对于弹簧组的位置，实现驱动输出连杆相对上连杆转动刚度的大范围变化；当卡杆卡入弹簧组时，卡杆将弹簧组分为两段，两段弹簧共同作用于卡杆，则将两段弹簧视作并联弹簧，从而增大驱动输出连杆绕关节轴心转动时的转动刚度，实现关节输出刚度的调节；

整个机器人柔性关节运动时，驱动输出连杆和下连杆作为柔性关节的两端，驱动电机将力矩和运动传递给谐波减速器，谐波减速器带动弹簧架底座转动，弹簧架底座将力矩和运动传递给弹簧组，通过弹簧组的缓冲后将力矩和运动最终传递给驱动输出连杆，实现整个关节的柔性驱动。

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