CN113084861B - 一种基于永磁弹簧的串联可重构变刚度机器人关节结构 - Google Patents

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Abstract

一种基于永磁弹簧的串联可重构变刚度机器人关节结构，包括基座、绳索、变刚度电机；所述基座的竖向基体一端加工成腰形盲孔，另一端加工有与腰形盲孔连通的上通孔和下通孔，下通孔内通过轴承安装有转轴Ⅰ，转轴Ⅰ一端依次连接有减速器和位置伺服电机，另一端位于腰形盲孔内部分安装有小带轮；上通孔内通过交叉滚子轴承Ⅰ与输出圆盘的轴体转动安装，且交叉滚子轴承Ⅰ的端面与输出圆盘的圆盘一端固定连接，输出圆盘的轴体位于腰形盲孔内部分安装有大带轮，在大带轮与小带轮之间安装有同步带，输出圆盘的圆盘通过交叉滚子轴承Ⅱ依次与连杆圆盘及变刚度装置连接。变刚度装置通过快速调整永磁弹簧及绳索布置方式改变刚度调节范围，适用范围更为广泛。

Description

一种基于永磁弹簧的串联可重构变刚度机器人关节结构
技术领域
本发明属于柔性机器人系统的串联可重构变刚度关节结构技术领域，具体涉及一种基于永磁弹簧的串联可重构变刚度机器人关节结构。
背景技术
当前，机器人已渗透到人们日常生产生活的各个方面并呈现爆发式增长态势，面向智能工厂、助老助残服务、医疗和教育娱乐等领域的机器人与人共融的需求逐渐增多。人机交互的安全性问题逐渐受到重视。利用柔性变刚度关节驱动器实现机器人的柔顺性和主动适应性受到越来越多研究人员的关注。
目前，变刚度关节驱动器主要采用如下几种方案：①采用基于力传感器的阻抗控制，由于传感器精度、稳定性和控制系统带宽的限制，并没有得到广泛应用；②采用机械式变刚度装置调节刚度，结构形式灵活多样，成本低，但机械式变刚度增加了结构复杂性，增大了关节的转动惯量；③电致聚合物类人工肌肉或形状记忆合金等新兴智能材料，使关节柔性表现出高韧性、高传动应变和内在减震能力，受到越来越多的学者关注。
变刚度柔性关节的结构形式多种多样，性能特点各异，在实际应用中仍然存在一些需要克服的问题。1)变刚度关节的刚度调节范围与刚度调节精度存在矛盾，如弹簧预拉伸长度、杠杆加载点位置、簧片有效作用长度等受关节尺寸约束均限制在有限区间内变化，因此，刚度调节范围越大，调节分辨率越低。2)大多变刚度关节在低刚度状态下承载能力不足。3)刚度调节范围随着变刚度装置内部结构确定而无法改变，适用范围小。4)大多数关节的变刚度装置结构复杂，增大了关节的质量和惯量。需要进一步简化结构并缩小尺寸，以适用于构建多自由度柔性机器人手臂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于永磁弹簧的串联可重构变刚度机器人关节结构，可用于医疗康复机器人、协作机器人、服务机器人等；永磁变刚度关节刚度调节范围大，可以根据任务需要实时调节刚度，提升人机交互安全性；通过快速重构变刚度装置永磁弹簧及绳索可以实现不同工作需求下刚度调节范围的改变；关节工作在低刚度状态下仍能保持额定的负载能力；变刚度装置结构简单，有利于减小关节的尺寸及质量，可靠性高；关节的位置与刚度无相互耦合作用，控制方法简单，可以保证关节的控制精度。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于永磁弹簧的串联可重构变刚度机器人关节结构，包括基座、绳索、变刚度电机；所述基座的竖向基体一端加工成腰形盲孔，另一端加工有与腰形盲孔连通的上通孔和下通孔，下通孔内通过轴承安装有转轴Ⅰ，转轴Ⅰ一端依次连接有减速器和位置伺服电机，且减速器底端固定安装在基座上表面处，另一端位于腰形盲孔内部分安装有小带轮；所述输出圆盘为带有轴体的圆盘，上通孔内通过交叉滚子轴承Ⅰ与输出圆盘的轴体转动安装，且交叉滚子轴承Ⅰ的端面与输出圆盘的圆盘一端固定连接，输出圆盘的轴体位于腰形盲孔内部分安装有大带轮，在大带轮与小带轮之间安装有同步带，输出圆盘的圆盘另一端面与交叉滚子轴承Ⅱ一端固定连接，交叉滚子轴承Ⅱ另一端与连杆圆盘的圆盘部分一端连接，连杆圆盘的圆盘部分另一端安装有变刚度装置。
所述变刚度装置包括外壳、多个导轨滑块组件，所述多个导轨滑块组件安装于连杆圆盘部分的阶梯盲孔的孔底处，且沿周向等间距布置，导轨滑块组件上布置一个固定永磁体和两个移动永磁体，两个移动永磁体之间设置固定永磁体，所述阶梯盲孔的孔底与梯形丝杠一端连接，梯形丝杠上螺纹连接有丝母，所述丝母、固定永磁体、移动永磁体及阶梯盲孔的台阶面上均安装有穿线座，绳索一端固定在丝母的穿线座上，另一端穿过阶梯盲孔的台阶面上的穿线座分成两根分绳索，其中一个分绳索穿过固定永磁体上的其中一个穿线座与其中一个移动永磁体上的穿线座连接，另一个分绳索穿过固定永磁体上的另一个穿线座与另一个移动永磁体上的穿线座连接；所述外壳大径端通过螺栓固定在连杆圆盘的圆盘部分上，外壳小径端通过带有轴承的端盖安装有变刚度电机，变刚度电机的输出轴末端与梯形丝杠另一端连接。
所述固定永磁体和移动永磁体的同极相对布置形成永磁弹簧。
本发明的技术效果为：
1、变刚度关节刚度调节范围大，可以根据任务需要实时调节刚度，提升人机交互安全性。
2、可重构变刚度装置可以通过快速调整永磁弹簧及绳索布置方式改变刚度调节范围，适用范围更为广泛，用于柔性机械臂、服务机器人等。
3、关节工作在低刚度状态下仍能保持额定的负载能力。
4、梯形丝杠与丝母传动副可在刚度调整后自锁，变刚度电机无需处于伺服状态，降低关节能耗。
5、变刚度装置结构简单，有利于减小关节的尺寸及质量，可靠性高。
6、关节的位置与刚度无相互耦合作用，可以保证关节的控制精度。
附图说明
图1本发明一种基于永磁弹簧的串联可重构变刚度机器人关节结构的第一视角示意图；
图2本发明一种基于永磁弹簧的串联可重构变刚度机器人关节结构的第二视角示意图；
图3本发明一种基于永磁弹簧的串联可重构变刚度机器人关节结构的变刚度装置去掉外壳、变刚度电机及带有轴承的端盖后的侧向图；
图4本发明一种基于永磁弹簧的串联可重构变刚度机器人关节结构的变刚度装置去掉外壳、变刚度电机及带有轴承的端盖后的主视图；
1、基座；2、交叉滚子轴承Ⅰ；3、输出圆盘；4、交叉滚子轴承Ⅱ；5、连杆圆盘；6、变刚度装置；7、变刚度电机；8、带有轴承的端盖；901、减速器；902、位置伺服电机；10、小带轮；11、同步带；12、轴体；13、大带轮；14、丝母；15、梯形丝杠；16、绳索；17、穿线座；18、固定永磁体；19、移动永磁体；20、导轨滑块组件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1至图4所示，一种基于永磁弹簧的串联可重构变刚度机器人关节结构，包括基座1、绳索16、变刚度电机7；所述基座1的竖向基体一端加工成腰形盲孔，另一端加工有与腰形盲孔连通的上通孔和下通孔，下通孔内通过轴承安装有转轴Ⅰ，转轴Ⅰ一端依次连接有减速器901和位置伺服电机902，且减速器901底端固定安装在基座1上表面处，另一端位于腰形盲孔内部分安装有小带轮10；所述输出圆盘3为带有轴体12的圆盘，上通孔内通过交叉滚子轴承Ⅰ2与输出圆盘3的轴体12转动安装，且交叉滚子轴承Ⅰ2的端面与输出圆盘3的圆盘一端固定连接，输出圆盘3的轴体12位于腰形盲孔内部分安装有大带轮13，在大带轮13与小带轮10之间安装有同步带11，输出圆盘3的圆盘另一端面与交叉滚子轴承Ⅱ4一端固定连接，交叉滚子轴承Ⅱ4另一端与连杆圆盘5的圆盘部分一端连接，连杆圆盘5的圆盘部分另一端安装有变刚度装置6。
所述变刚度装置6包括外壳、三个导轨滑块组件20，所述三个导轨滑块组件20安装于连杆圆盘5部分的阶梯盲孔的孔底处，且沿周向等间距布置，导轨滑块组件20上布置一个固定永磁体18和两个移动永磁体19，两个移动永磁体19之间设置固定永磁体18，所述阶梯盲孔的孔底与梯形丝杠15一端连接，梯形丝杠15上螺纹连接有丝母14，所述丝母14、固定永磁体18、移动永磁体19及阶梯盲孔的台阶面上均安装有穿线座17，绳索16一端固定在丝母14的穿线座17上，另一端穿过阶梯盲孔的台阶面上的穿线座17分成两根分绳索16，其中一个分绳索穿过固定永磁体18上的其中一个穿线座17与其中一个移动永磁体19上的穿线座17连接，另一个分绳索穿过固定永磁体18上的另一个穿线座17与另一个移动永磁体19上的穿线座17连接；所述外壳大径端通过螺栓固定在连杆圆盘5的圆盘部分上，外壳小径端通过带有轴承的端盖8安装有变刚度电机7，变刚度电机7的输出轴末端与梯形丝杠15另一端连接。
所述固定永磁体18和移动永磁体19的同极相对布置形成永磁弹簧。
一种基于永磁弹簧的串联可重构变刚度机器人关节结构的使用方法，包括以下步骤：
启动位置伺服电机902，位置伺服电机902工作，通过减速器901带动小带轮10转动，进而通过同步带11带动大带轮13转动，进而通过输出圆盘3带动连杆圆盘5的连杆摆动角度，连杆圆盘5的连杆调整角度后，位置驱动电机停止工作，同时变刚度电机7启动，通过变刚度电机7带动梯形丝杠15旋转，进而带动梯形丝杠15上的丝母14沿着梯形丝杠15移动，丝母14的沿着梯形丝杠15的轴向运动转化为绳索16的收放运动，同时使移动永磁体19向固定永磁体18靠拢或远离而改变固定永磁体18和移动永磁体19间的气隙间距和绳索16张力，利用梯形丝杠15与丝母14的自锁特性保持永磁体间的气隙间距，降低系统能耗，将绳索16拉力通过连杆圆盘5传递至机械臂，通过绳索16拉力变化实现连杆圆盘5输出刚度的改变，进而实现机械臂的刚度控制。通过改变永磁弹簧及绳索16数量实现变刚度装置6重构，满足不同工作环境和条件下对不同刚度调节范围的实际应用需求。

Claims (2)

1.一种基于永磁弹簧的串联可重构变刚度机器人关节结构，其特征在于，包括基座、绳索、变刚度电机；所述基座的竖向基体一端加工成腰形盲孔，另一端加工有与腰形盲孔连通的上通孔和下通孔，下通孔内通过轴承安装有转轴Ⅰ，转轴Ⅰ一端依次连接有减速器和位置伺服电机，且减速器底端固定安装在基座上表面处，另一端位于腰形盲孔内部分安装有小带轮；输出圆盘为带有轴体的圆盘，上通孔内通过交叉滚子轴承Ⅰ与输出圆盘的轴体转动安装，且交叉滚子轴承Ⅰ的端面与输出圆盘的圆盘一端固定连接，输出圆盘的轴体位于腰形盲孔内部分安装有大带轮，在大带轮与小带轮之间安装有同步带，输出圆盘的圆盘另一端面与交叉滚子轴承Ⅱ一端固定连接，交叉滚子轴承Ⅱ另一端与连杆圆盘的圆盘部分一端连接，连杆圆盘的圆盘部分另一端安装有变刚度装置；
所述变刚度装置包括外壳、多个导轨滑块组件，所述多个导轨滑块组件安装于连杆圆盘部分的阶梯盲孔的孔底处，且沿周向等间距布置，导轨滑块组件上布置一个固定永磁体和两个移动永磁体，两个移动永磁体之间设置固定永磁体，所述阶梯盲孔的孔底与梯形丝杠一端连接，梯形丝杠上螺纹连接有丝母，所述丝母、固定永磁体、移动永磁体及阶梯盲孔的台阶面上均安装有穿线座，绳索一端固定在丝母的穿线座上，另一端穿过阶梯盲孔的台阶面上的穿线座分成两根分绳索，其中一个分绳索穿过固定永磁体上的其中一个穿线座与其中一个移动永磁体上的穿线座连接，另一个分绳索穿过固定永磁体上的另一个穿线座与另一个移动永磁体上的穿线座连接；所述外壳大径端通过螺栓固定在连杆圆盘的圆盘部分上，外壳小径端通过带有轴承的端盖安装有变刚度电机，变刚度电机的输出轴末端与梯形丝杠另一端连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于永磁弹簧的串联可重构变刚度机器人关节结构，其特征在于：所述固定永磁体和移动永磁体的同极相对布置形成永磁弹簧。
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