CN113021404B - 一种基于凸轮机构的一体化主被动变刚度关节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于凸轮机构的一体化主被动变刚度关节，包括依次连接在一起的关节主被动刚度调节模块、关节动力驱动模块、关节控制反馈模块和机架；关节主被动刚度调节模块包括齿轮、齿条、滚轮架、弹簧、弹簧套杆、凸轮输出盘、滑块和变刚度模块外壳；关节动力驱动模块包括中空力矩电机、谐波减速器和刚度调节电机；关节控制模块包括磁编码器、编码器支架、控制板和控制板安装柱。本发明设计合理，并采用平面盘形凹槽凸轮机构配置弹簧的方式实现关节刚度的主被动调节，采用凸轮机构使得关节更加紧凑，关节动力驱动模块与关节主被动刚度调节模块可拆卸作为单独的模块进行使用，安装使用方便，且通用性较强。

Description

一种基于凸轮机构的一体化主被动变刚度关节

技术领域

本发明属于智能机器人技术领域，尤其是一种基于凸轮机构的一体化主被动变刚度关节。

背景技术

关节作为机械臂和足式机器人的核心零部件，是确保其具备优越运动稳定性与环境适应性的关键。传统的刚性关节采用刚性零部件，其结构简单、安装方便且关节驱动控制较为简单，但是关节刚度是固定的，这就导致机器人在非结构化工作空间或面临复杂地形环境时，机器人的环境适应性欠佳，且工作过程中外界扰动的存在，极易冲击机器人关节甚至对机体内部灵敏元器件造成无法修复的损伤，因此，为满足机器人的柔顺需求进一步提升关节的整体性能，具备刚度可调的关节被提出。

目前，变刚度关节按照刚度调节方式可大致分为两类：第一类，传统刚性关节与柔顺控制方法相结合的方式，但是，由于机械带宽、传感器误差、响应速度等局限性，使得通过柔顺控制方法调节关节刚度的方式刚度实时调整效果不佳，往往是在机器人受到碰撞之后变刚度特性才显现出来，具有一定的滞后性。第二类，从关节机械结构入手，通过在传统刚性关节中添加弹性元件以实现关节刚度可调，并且采用添加额外驱动的方式调节弹性元件实现关节刚度的实时可调。综上所述，现有的变刚度关节大都存在关节尺寸大、刚度调节机构结构复杂、关节刚度动态调节效果不佳且模块化程度低等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于凸轮机构的一体化主被动变刚度关节，通过主动控制关节输出刚度的同时被动缓冲关节外部扰动，以达到关节期望刚度跟随的效果。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于凸轮机构的一体化主被动变刚度关节，包括关节主被动刚度调节模块、关节动力驱动模块、关节控制反馈模块和机架，所述关节主被动刚度调节模块、关节动力驱动模块和关节控制反馈模块采用串联方式安装在一起；

所述关节主被动刚度调节模块包括齿轮、齿条、滚轮架、弹簧、弹簧套杆、弹簧套杆安装盘、凸轮输出盘、滑块和变刚度模块外壳，所述变刚度模块外壳连接于谐波减速器柔轮并与其一同转动，该变刚度模块外壳与凸轮输出盘通过壳体上周向布置的螺纹连接，输出关节整体运动；所述齿轮与齿条相连接构成齿轮齿条机构，该齿轮齿条机构通过键连接方式安装在刚度调节电机输出轴，该刚度调节电机输出轴通过与齿条固联的弹簧挡块对弹簧压缩量进行调节，所述弹簧套杆安装盘中心对称布置的齿条由固联于弹簧套杆安装盘的滚轮架和滚轮轴承支撑沿平行于弹簧压缩方向滑动；所述弹簧通过弹簧套杆支撑于弹簧套杆安装盘上，所述弹簧套杆两端攻有螺纹通过螺母固定于弹簧套杆安装盘上；所述滑块通过与凸轮输出盘上凸轮槽配合对弹簧进行调节；

所述关节动力驱动模块包括中空力矩电机、谐波减速器和刚度调节电机；所述中空力矩电机通过螺栓与电机保护壳连接，该中空力矩电机定子通过定子固定法兰固定连接在电机套筒上，该电机套筒通过关节右端盖固定安装于机架上，同时电机保护壳与驱动端外壳通过螺栓连接固定安装在机架上；所述谐波减速器包括谐波减速器波发生器、谐波减速器刚轮和谐波减速器柔轮，该谐波减速器波发生器通过波发生器法兰固联在定子固定法兰上，该谐波减速器刚轮与电机保护壳连接并与电机转子一同转动，并通过谐波减速器柔轮输出运动；所述刚度调节电机嵌套于电机套筒内并通过刚度电机固定支架固定于法兰上；

所述关节控制模块包括磁编码器、编码器支架、控制板和控制板安装柱，所述控制板集成于关节动力驱动模块右端，通过控制板安装柱安装于机架上；两个磁编码器分别采集关节中空力矩电机旋转角与凸轮输出盘输出角度，磁编码器的磁环通过编码器支架安装于电机保护壳上同电机转子一同转动，磁编码器的读头通过编码器支架安装于关节右端盖上采集磁环旋转角度信息；

所述凸轮输出盘为平面槽型凸轮，该凸轮为由四段相同的曲线轮廓组成的8字形凸轮。

进一步，所述滑块的一端带有凸轮滚子，该凸轮滚子嵌套于弹簧套杆上并沿凸轮输出盘直径对称布置，同时与凸轮输出盘上凸轮槽配合沿凸轮轮廓曲线运动。

进一步，所述弹簧套杆上开有定位销孔，以保证套杆中心与弹簧套杆安装盘中心保持重合。

进一步，所述机架通过螺钉连接于关节右端端盖上，用于连接机械臂、下一关节或者作为关节连接其他装置的预留位置直接被替换。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明将关节主被动刚度调节模块、关节动力驱动模块和关节控制反馈模块串联安装在一起，并且主被动变刚度模块采用平面盘形凹槽凸轮机构配置弹簧的方式实现关节刚度的主被动调节，采用凸轮机构使得关节更加紧凑，且弹簧采用沿关节径向布置的方式缩减了关节整体长度。

2、本发明的关节动力驱动模块与关节主被动刚度调节模块可拆卸作为单独的模块进行使用，安装使用方便，且通用性较强。

3、本发明在关节机体上集成了控制模块，使得关节更加模块化、小型化、简约化且增强了关节互换性。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的整体结构的轴向剖视图；

图3为本发明的主被动变刚度调节模块轴向剖视图；

图4为本发明的驱动模块剖视图；

图5为本发明的关节主被动刚度调节模块中主动刚度调节装置在一个视角下的示意图；

图6为本发明的关节主被动刚度调节模块中主动刚度调节装置在另一个视角下的示意图；

图7为本发明的关节主被动刚度调节模块中被动刚度调节装置的示意图；

图中，1：关节动力驱动模块，2：关节主被动刚度调节模块，3：关节控制反馈模块，4：机架，

101：中空力矩电机，101-1：电机定子，101-2：电机转子，102：谐波加速器，102-1：谐波减速器刚轮，102-2：谐波减速器柔轮，102-3：谐波减速器波发生器，

103：关节右端盖，104：驱动端支架，105：驱动端外壳，106：大轴承，107：小轴承，108：定子固定法兰，109：电机套筒，110：电机保护壳，111：波发生器法兰，112：法兰，113：刚度电机固定支架，114：刚度调节电机；

201：变刚度模块外壳，202：凸轮输出盘，203：弹簧套杆安装盘，204：弹簧，205：弹簧套杆，206：滚轮架，207：滚轮轴承，208：齿轮，209：齿条，210：滑块，211：弹簧挡块；

301：控制板，302：控制板安装柱，303：编码器支架，304：编码器，304-1：编码器读头，304-2：编码器磁圈，305：磁圈固定法兰。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详述。

一种基于凸轮机构的一体化主被动变刚度关节，如图1至图7所示，包括关节主被动刚度调节模块2、关节动力驱动模块1、关节控制反馈模块3和机架4，所述关节主被动刚度调节模块2、关节动力驱动模块1和关节控制反馈模块3采用串联布置的方式连接，所述关节控制反馈模块3安装在机架4上，所述机架4安装于其他连接构件或机器人机体上。

所述关节主被动刚度调节模块2包括齿轮208、齿条209、滚轮架206、弹簧204、弹簧套杆205、凸轮输出盘202、变刚度模块外壳201，变刚度模块外壳201连接于谐波减速器柔轮102-2与其一同转动，变刚度模块外壳201与凸轮输出盘202通过壳体上周向布置的螺纹连接，输出关节整体运动。刚度调节电机114输出轴通过键连接的方式驱动齿轮齿条机构，并通过与齿条209固联的弹簧挡块211对弹簧204压缩量进行调节，其中沿弹簧套杆安装盘203中心对称布置的齿条209由固联于弹簧套杆安装盘203的滚轮架206和滚轮轴承207支撑沿平行于弹簧压缩方向滑动。弹簧209通过弹簧套杆205支撑于弹簧套杆安装盘203上，其中弹簧套杆205两端攻有螺纹可通过螺母固定于弹簧套杆安装盘203。滑块210通过与凸轮输出盘202上凸轮槽配合对弹簧209进行调节。

所述凸轮输出盘202为平面槽型凸轮，凸轮为由四段相同的曲线轮廓组成的8字形凸轮。

所述滑块210的一端带有凸轮滚子，嵌套于弹簧套杆205上并沿凸轮输出盘202直径对称布置，同时与凸轮输出盘202上凸轮槽配合沿凸轮轮廓曲线运动。

所述弹簧套杆205上开有定位销孔，以保证套杆中心与弹簧套杆安装盘203中心保持重合。

所述关节动力驱动模块1包括中空力矩电机101、谐波减速器102、刚度调节电机114。中空力矩电机101通过螺栓与电机保护壳110连接，中空力矩电机定子101-1通过定子固定法兰108固定连接在电机套筒109上，电机套筒109通过关节右端盖103固定安装于机架4上，同时电机保护壳110与驱动端外壳105通过螺栓连接固定安装在机架4上。谐波减速器102分为三部分：谐波减速器波发生器102-3、谐波减速器刚轮102-1、谐波减速器柔轮102-2，其中谐波减速器波发生器102-3通过波发生器法兰111固联在定子固定法兰108上，谐波减速器刚轮102-1与电机保护壳110连接并与电机转子101-2一同转动，最后通过谐波减速器柔轮102-2输出运动。刚度调节电机114嵌套于电机套筒109内并通过刚度电机固定支架113固定于法兰112上。

所述关节控制模块3包括磁编码器304、编码器支架303、控制板301、控制板安装柱302，控制板301集成于关节动力驱动模块1右端，通过控制板安装柱302安装于机架4上。关节采用两个磁编码器304分别采集关节中空力矩电机101旋转角与凸轮输出盘201输出角度，电机端磁编码器：磁环通过编码器支架303安装于电机保护壳110上同电机转子101-2一同转动，编码器读头304-1通过编码器支架303安装于关节右端盖103上采集磁环旋转角度信息。

本发明的工作原理和工作流程如下：

本发明可作为机器人关节，将机架4安装于其他连接构件或机器人机体上，凸轮输出盘202连接另一连接构件。关节动力驱动流程为：中空力矩电机定子101-1固定，电机转子101-2作为动力输出通过电机保护壳110将运动传输给谐波减速器刚轮102-1，由谐波减速器柔轮102-2输出运动至变刚度机构外壳201与凸轮输出盘202，实现关节周向旋转运动。

关节在运动和工作过程中，按照预设关节刚度期望曲线，刚度电机114主动调节主被动变刚度模块2中齿轮齿条机构，齿条209带动弹簧挡板211对弹簧204压缩量进行调节，改变作用在滑块210上的弹性作用力，从而调节关节输出力矩和输出刚度动态调节的效果。

机器人在非结构化环境中工作时，机器人末端容易受到外界扰动干扰，刚性冲击传至机器人关节，关节中凸轮输出盘202在冲击力的影响下产生偏转，凸轮旋转通过滑块改变弹簧204压缩量，关节在弹簧204的作用下被动变刚度，并在弹簧力的作用下关节输出位置快速调整实现关节输出位置跟随。

关节采用两个磁编码器304，分别布置在电机端与关节输出端，电机端编码器磁环304-2随电机保护壳110一同转动，由安装于编码器支架303的编码器读头304-1读取电机输出转角；关节输出端编码器磁环304-2安装于凸轮输出盘202，编码器读头304-1通过编码器支架303安装于弹簧套杆安装盘203采集编码器磁环304-2旋转角度。输出端编码器实时监测关节输出位置实现关节运动过程中精确定位，同时通过反馈与电机端输出转角差对关节刚度进行监测，进而调节关节刚度实现关节刚度精确跟随。

本发明的关节主动变刚度的过程为：当关节有刚度动态调节需求时，参照关节预设的目标刚度，通过刚度电机动态调节弹簧预压缩量来改变关节输出刚度。

本发明的关节被动变刚度的过程为：当关节收到外界扰动时，关节输出盘在其原有的目标运动状态下产生突变，通过弹簧与凸轮的配合，凸轮旋转改变弹簧压缩量并通过弹簧吸收外界扰动带来的冲击，进而恢复关节运动状态实现关节被动变刚度。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种基于凸轮机构的一体化主被动变刚度关节，其特征在于：包括关节主被动刚度调节模块、关节动力驱动模块、关节控制反馈模块和机架，所述关节主被动刚度调节模块、关节动力驱动模块和关节控制反馈模块采用串联方式安装在一起；

所述关节主被动刚度调节模块包括齿轮、齿条、滚轮架、弹簧、弹簧套杆、弹簧套杆安装盘、凸轮输出盘、滑块和变刚度模块外壳，所述变刚度模块外壳连接于谐波减速器柔轮并与其一同转动，该变刚度模块外壳与凸轮输出盘通过壳体上周向布置的螺纹连接，输出关节整体运动；所述齿轮与齿条相连接构成齿轮齿条机构，该齿轮齿条机构通过键连接方式安装在刚度调节电机输出轴，该刚度调节电机输出轴通过与齿条固联的弹簧挡块对弹簧压缩量进行调节，所述弹簧套杆安装盘中心对称布置的齿条由固联于弹簧套杆安装盘的滚轮架和滚轮轴承支撑沿平行于弹簧压缩方向滑动；所述弹簧通过弹簧套杆支撑于弹簧套杆安装盘上，所述弹簧套杆两端攻有螺纹通过螺母固定于弹簧套杆安装盘上；所述滑块通过与凸轮输出盘上凸轮槽配合对弹簧进行调节；

所述关节动力驱动模块包括中空力矩电机、谐波减速器和刚度调节电机；所述中空力矩电机通过螺栓与电机保护壳连接，该中空力矩电机定子通过定子固定法兰固定连接在电机套筒上，该电机套筒通过关节右端盖固定安装于机架上，同时电机保护壳与驱动端外壳通过螺栓连接固定安装在机架上；所述谐波减速器包括谐波减速器波发生器、谐波减速器刚轮和谐波减速器柔轮，该谐波减速器波发生器通过波发生器法兰固联在定子固定法兰上，该谐波减速器刚轮与电机保护壳连接并与电机转子一同转动，并通过谐波减速器柔轮输出运动；所述刚度调节电机嵌套于电机套筒内并通过刚度电机固定支架固定于法兰上；

所述关节控制模块包括磁编码器、编码器支架、控制板和控制板安装柱，所述控制板集成于关节动力驱动模块右端，通过控制板安装柱安装于机架上；两个磁编码器分别采集关节中空力矩电机旋转角与凸轮输出盘输出角度，磁编码器的磁环通过编码器支架安装于电机保护壳上同电机转子一同转动，磁编码器的读头通过编码器支架安装于关节右端盖上采集磁环旋转角度信息；

所述凸轮输出盘为平面槽型凸轮，该凸轮为由四段相同的曲线轮廓组成的8字形凸轮。

2.根据权利要求1所述的一种基于凸轮机构的一体化主被动变刚度关节，其特征在于：所述滑块的一端带有凸轮滚子，该凸轮滚子嵌套于弹簧套杆上并沿凸轮输出盘直径对称布置，同时与凸轮输出盘上凸轮槽配合沿凸轮轮廓曲线运动。

3.根据权利要求1所述的一种基于凸轮机构的一体化主被动变刚度关节，其特征在于：所述弹簧套杆上开有定位销孔，以保证套杆中心与弹簧套杆安装盘中心保持重合。

4.根据权利要求1所述的一种基于凸轮机构的一体化主被动变刚度关节，其特征在于：所述机架通过螺钉连接于关节右端端盖上，用于连接机械臂、下一关节或者作为关节连接其他装置的预留位置直接被替换。

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