CN113263519A - 一种基于拮抗控制的变刚度旋转关节 - Google Patents

Abstract

本发明属于仿生机器人关节领域，并具体公开了一种基于拮抗控制的变刚度旋转关节，其包括电机输入板块、变刚度底板板块、摇杆驱动板块、板簧板块、上关节固定板块、下关节输出板块；电机输入板块、变刚度底板板块、摇杆驱动板块对称设置在板簧板块两侧；电机输入板块包括上关节底座和电机；变刚度底板板块一端和电机相连，另一端与摇杆驱动板块相连；板簧板块包括与一侧摇杆数量对应的板簧组件，板簧组件中板簧夹在一对滚动圆柱之间，一端固定在中心轴板块上；上关节固定板块固定在上关节底座上，下关节输出板块安装在中心轴板块上。本发明通过两个电机输入扭矩的相同或不同，进行拮抗控制，可以使得在关节运动的时候进行刚度变化。

Description

一种基于拮抗控制的变刚度旋转关节

技术领域

本发明属于仿生机器人关节领域，更具体地，涉及一种基于拮抗控制的变刚度旋转关节。

背景技术

近年来，随着科技水平的不断提高，在仿人机器人或假肢臂领域中，柔性关节是一个研究热点，它具有缓解冲撞避免损伤、积累能量、随时改变力输出特性等优点。

目前柔性关节的实现办法有以下几种：串入弹性元件，但弹性元件的刚度不变，即只起到弹性驱动器作用；引入磁流变或电流变的介质进行控制，但其中的液体特性需要研究完全；利用气动肌肉模型，但是装置体积过大；利用形状记忆合金，但是不能使得刚度在任何时间随着自己的要求进行变化。以上方法均难以适应实际关节运动需要，故亟需一种可以在运动的任何时刻实现刚度的自由变化的柔性关节。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于拮抗控制的变刚度旋转关节，其目的在于，实现关节在运动任意时刻刚度的自由变化且能够持续保持。

为实现上述目的，本发明提出了一种基于拮抗控制的变刚度旋转关节，包括电机输入板块、变刚度底板板块、摇杆驱动板块、中心轴板块、板簧板块、上关节固定板块、下关节输出板块，其中：

所述电机输入板块、变刚度底板板块、摇杆驱动板块均成对存在，并分别对称设置在所述板簧板块两侧；所述电机输入板块包括上关节底座和安装在其上的电机；所述变刚度底板板块一端和所述电机相连，另一端与所述摇杆驱动板块相连；所述摇杆驱动板块包括数个摇杆；所述中心轴板块包括中心轴和套设固定在该中心轴上的中心固定块；

所述板簧板块包括与一侧摇杆数量对应的板簧组件，每个板簧组件包括一对移动作用平台、一对滚动圆柱和板簧，其中，一对移动作用平台分别与两侧摇杆连接，一对滚动圆柱安装在一对移动作用平台之间，所述板簧夹在一对滚动圆柱之间，且一端固定在所述中心固定块上；

所述上关节固定板块固定在所述上关节底座上，所述下关节输出板块安装在所述中心轴上。

作为进一步优选的，还包括悬空定位板块，其包括悬空固定板和定位轴，其中，所述悬空固定板通过轴承安装在所述中心轴上，多根所述定位轴周向分布在板簧处，定位轴一端固定在所述移动作用平台上，另一端固定在所述悬空固定板上。

作为进一步优选的，所述电机输入板块还包括小带传动轴、皮带和大带传动轴，其中，所述小带传动轴和大带传动轴均安装在所述上关节底座上，且小带传动轴和大带传动轴间通过所述皮带连接；所述小带传动轴与所述电机连接，所述大带传动轴与所述变刚度底板板块连接。

作为进一步优选的，还包括减速板块，该减速板块安装在所述大带传动轴和所述变刚度底板板块之间。

作为进一步优选的，所述移动作用平台两侧均安装有固定板组件，以将一对移动作用平台固定，该安装固定板组件包括相对安装的两个固定板，该固定板上一端开设有孔，一端开设有槽，相对的两个固定板孔与槽对应，并通过固定削连接。

作为进一步优选的，所述板簧一端固定在所述中心固定块上，另一端安装有螺钉，以防止板簧从滚动圆柱间脱离。

作为进一步优选的，所述板簧组件的数量为1～4组。

作为进一步优选的，所述板簧组件的数量为4组。

作为进一步优选的，所述上关节固定板块包括上关节固定板，该上关节固定板两侧分别通过一个上关节内壁侧固定板固定在上关节底座上，上关节固定板与外部上关节轴固连。

作为进一步优选的，所述下关节输出板块包括外关节轴套、下关节内壁侧固定板和下关节固定板，其中，一对外关节轴套分别通过键安装所述中间轴两侧，所述下关节固定板两端分别通过一个下关节内壁侧固定板与所述外关节轴套固定，该下关节固定板与外部下关节轴固连。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明通过两个电机输入扭矩的相同或不同，进行拮抗控制，可以使得在关节运动的时候进行刚度变化；具体通过设计摇杆和板簧组件的结构，当两个电机输入扭矩的不同时，通过两侧摇杆改变板簧的有效作用距离，当该作用距离缩短时，关节刚度增大，该作用距离增长时，关节刚度减小，从而在运动的任何时刻实现刚度的自由变化，且能够持续保持。

2.在关节受到冲撞时，关节将承受一定的冲击，板簧的存在具有缓冲与保存能量的作用，且板簧价格低廉，可以经常更换；同时，在不同的作用场景下，通过更换不同材料的板簧或者截面积不同的板簧，可以使得整体关节的刚度变化输出特性不一致，用来适应不同的作用环境；此外，通过设计不同的摇杆长度，同样可以通过四边形原理对板簧的实际作用长度进行调整，达到适应不同工作环境的作用。

3.本发明设计了悬空固定板以及在板簧周向分布的定位轴，该悬空固定板与中间轴没有力传递作用，只起到同心的作用，它的旋转可以促使四面的板簧移动平台永远是正对着中心轴径向移动，即移动作用平台只会对板簧产生切向力，而无径向力，从而不产生偏角，避免运动过程中板簧晃动。

4.本发明对电机输入板块进行设计，通过设计小带传动轴、皮带和大带传动轴，一方面减小了关节整体体积，使其可以适应在手肘等较小关节处的应用，另一方面与减速器配合，在减速同时增加扭矩，增大旋转关节的刚度调节范围。

5.理论上，板簧组件设置一组即可实现变刚度，但由于整体各部件的制约关系和稳定性考虑，本发明优选将板簧组件的数量设为4组，在保证关节稳定性的情况下，又不至于结构过于复杂。

附图说明

图1为本发明实施例基于拮抗控制的变刚度旋转关节结构等轴视图；

图2为本发明实施例电机输入板块示意图；

图3为本发明实施例减速板块示意图；

图4为本发明实施例减速板块细节图；

图5为本发明实施例变刚度底板板块示意图；

图6为本发明实施例摇杆驱动板块在板簧末端作用俯视图；

图7为本发明实施例摇杆驱动板块在板簧始端作用俯视图；

图8为本发明实施例板簧板块示意图；

图9为本发明实施例板簧板块爆炸视图；

图10为本发明实施例上关节固定板块示意图；

图11为本发明实施例下关节输出板块示意图；

图12为本发明实施例悬空定位板块示意图；

图13为本发明实施例中心轴板块示意图；

图14为本发明的基于拮抗控制的变刚度旋转关节工作状态示意图；

图15为本发明实施例基于拮抗控制的变刚度旋转关节结构侧视图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-电机输入板块，101Ⅰ、101Ⅱ-电机，102-上关节底座，103-上关节内壁侧固定板，104-小带传动轴，105-皮带，106-大带传动轴，2-减速板块，201-谐波减速器，3-变刚度底板板块，301-变刚度底板，4-摇杆驱动板块，401A、401a、401B、401b、401C、401c、401D、401d-摇杆，402-摇杆末端轴承，5-板簧板块，501-板簧，502、503-螺栓，504-滚动圆柱，505-移动作用平台，505A、505B-移动块，506-固定螺钉，507-轴承，508-固定板，509-固定削，6-上关节固定板块，601-上关节固定板，7-下关节输出板块，701-外关节轴套，702-下关节内壁侧固定板，703-下关节固定板，8-悬空定位板块，801-悬空固定板，802-定位轴，9-中心轴板块，901-中心固定块，902-中间轴，903-固定螺钉，904-紧固螺钉。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供的一种基于拮抗控制的变刚度旋转关节，如图1和图15所示，包括电机输入板块1、减速板块2、变刚度底板板块3、摇杆驱动板块4、板簧板块5、中心轴板块9、上关节固定板块6、下关节输出板块7和悬空定位板块8，其中：

所述电机输入板块1、减速板块2、变刚度底板板块3、摇杆驱动板块4均成对存在，并分别对称设置在所述板簧板块5两侧；

所述电机输入板块1包括上关节底座102、电机、小带传动轴104、皮带105和大带传动轴106，所述减速板块2包括谐波减速器201，所述变刚度底板板块3包括变刚度底板301，其中，如图2至图5所示，所述电机、小带传动轴104和大带传动轴106均安装在所述上关节底座102上，且小带传动轴104和大带传动轴106间通过所述皮带105连接；所述小带传动轴104与所述电机连接，所述大带传动轴106通过谐波减速器201与所述变刚度底板301连接。

所述摇杆驱动板块4包括周向分布的4个摇杆，即在整个旋转关节中有上下一对设置的共8个摇杆，如图6和图7所示，其中，摇杆401A与摇杆401a一对，摇杆401B与摇杆401b一对，摇杆401C与摇杆401c一对，摇杆401D与摇杆401d一对，每一对分别都通过摇杆末端轴承402与变刚度底板301周向分布相连。

所述板簧板块5包括与一侧摇杆数量对应的板簧组件，即4组板簧组件，如图8和图9所示，每个板簧组件包括一对移动作用平台505、一对滚动圆柱504和板簧501，其中，一对移动作用平台505即两个对称分布的移动块505A、移动块505B反向连接，移动块505A、移动块505B分别与两侧摇杆通过轴承507连接；同时一对移动作用平台505的互相固定由4个固定板508与4个固定削509连接，为了安装方便，留有一定的装配余量，在固定板508上一端是孔，一端是槽，相对的两个固定板508的孔与槽对应，并通过固定削509连接；一对滚动圆柱504即滚动圆柱504A和滚动圆柱504B，套连安装在一对移动作用平台505之间，可以实现移动作用平台505上下平行运动；所述板簧501夹在一对滚动圆柱504之间，且板簧501始端被螺栓502、螺栓503固定，防止在旋转运动过程中连杆的运动范围超过了板簧501的最长距离，板簧501末端通过固定螺钉506、903固定在所述中心固定块901上；具体的，滚动圆柱504的外径决定了板簧5被压力作用的截面积高度，是一项重要指标，可以实现不同目标刚度板簧安装需求。

所述中心轴板块9是整个系统的输出模块，如图13所示，其包括中心轴902和中心固定块901，中心固定块901通过键槽与紧固螺钉904安装在中心轴902的正中间。

所述上关节固定板块6包括上关节固定板601，如图10所示，该上关节固定板601两侧分别通过一个上关节内壁侧固定板103固定在上关节底座102上，上关节固定板601与外部上关节轴固连。

所述下关节输出板块7包括外关节轴套701、下关节内壁侧固定板702和下关节固定板703，其中，如图11所示，一对外关节轴套701分别通过键安装所述中间轴902两侧，所述下关节固定板703两端分别通过一个下关节内壁侧固定板702与所述外关节轴套701固定，该下关节固定板703与外部下关节轴固连。

所述悬空定位板块8包括悬空固定板801和定位轴802，如图12所示，所述悬空固定板801通过轴承安装在所述中心轴902上，多根所述定位轴802周向分布在板簧501处，定位轴802一端固定在所述移动作用平台505上，另一端固定在所述悬空固定板801上；具体的，十六根定位轴802分为四组在周向分布，每一侧面的四根定位轴802的初端通过了移动作用平台505的四个小孔，末端与上下对称分布的悬空固定板801固连，而悬空固定板801的内侧面与中间轴902是没有力传递作用的，只起到了同心的作用，它的旋转可以促使四面的板簧移动平台505永远是正对着中心轴902径向移动，即移动作用平台505只会对板簧产生切向力，而无径向力，从而不会产生偏角。

工作时，电机输入板块1是由电机101Ⅰ与电机101Ⅱ共同作用的，作为拮抗控制，当两个电机的输入转速相同且方向一致时，板簧的有效作用距离(指板簧在滚动圆柱和中心固定块之间的长度)不会改变，将会使得旋转关节以固定刚度进行单自由度旋转运动，该旋转关节可看作是由4根固定刚度的板簧共同作用的串联弹性驱动器(SEA)。

当两个电机的输出不同步时，将会使板簧的有效作用距离变化，当板簧有效作用距离短时，关节刚度大，当板簧的有效作用距离长时，关节刚度小，进而达到变刚度的作用。具体的，两个电机分别进行带传动，依次经由小带传动轴104、皮带105和大带传动轴106输入后，进一步由谐波减速器201减速同时增加扭矩输出给变刚度底板301；进而变刚度底板301接收到了减速器201传来的扭矩进行旋转运动，并将其传递给摇杆；每一对摇杆的运动都是周向相同的，且对每一根板簧的左右压力一致；当上下扭转速度一致时，会使得每组摇杆牵连着板簧呈径向静止、轴向旋转运动；而上下变刚度底板301扭转速度不一致时，会使得每组摇杆沿着板簧501的径向进行伸缩运动，从而改变了板簧501的有效作用距离，进而改变关节刚度。同时，中心轴板块9经过层层减速与提高了的扭矩传递，经由板簧501的传力作用，板簧501的旋转带动中心固定块901的旋转，进而板簧501的旋转力矩传递到中心轴902上，中间轴901通过两侧顶部的键带动外关节轴套701做同角速度同方向运动，进而连接着下关节，带动下关节内壁侧固定板702上固连的下关节固定板703，可以用来固连下关节轴进行运动；而上关节固定板601与外部上关节轴固连，保持不动，从而实现上关节轴与下关节轴相对运动，实现旋转关节功能，如图14所示。

以下为具体实施例：

将本发明的变刚度旋转关节应用于人体肘部，平衡了刚度、总结结构直径、输出转矩的相互制约，设计板簧的相关参数如下表1，板簧工作状态中的相关参数如下表2：

表1

表2

可以实现板簧的总刚度在20N·m/rad～240N·m/rad之间变化，关节输出力矩为3N·m，板簧的实际工作长度为20mm～105mm，弯曲最大正应力为819.0Mpa，整体关节的大小为直径25cm，符合人体肘部实际大小。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于拮抗控制的变刚度旋转关节，其特征在于，包括电机输入板块(1)、变刚度底板板块(3)、摇杆驱动板块(4)、中心轴板块(9)、板簧板块(5)、上关节固定板块(6)、下关节输出板块(7)，其中：

所述电机输入板块(1)、变刚度底板板块(3)、摇杆驱动板块(4)均成对存在，并分别对称设置在所述板簧板块(5)两侧；所述电机输入板块(1)包括上关节底座(102)和安装在其上的电机；所述变刚度底板板块(3)一端和所述电机相连，另一端与所述摇杆驱动板块(4)相连；所述摇杆驱动板块(4)包括数个摇杆；所述中心轴板块(9)包括中心轴(902)和套设固定在该中心轴(902)上的中心固定块(901)；

所述板簧板块(5)包括与一侧摇杆数量对应的板簧组件，每个板簧组件包括一对移动作用平台(505)、一对滚动圆柱(504)和板簧(501)，其中，一对移动作用平台(505)分别与两侧摇杆连接，一对滚动圆柱(504)安装在一对移动作用平台(505)之间，所述板簧(501)夹在一对滚动圆柱(504)之间，且一端固定在所述中心固定块(901)上；

所述上关节固定板块(6)固定在所述上关节底座(102)上，所述下关节输出板块(7)安装在所述中心轴(902)上。

2.如权利要求1所述的基于拮抗控制的变刚度旋转关节，其特征在于，还包括悬空定位板块(8)，其包括悬空固定板(801)和定位轴(802)，其中，所述悬空固定板(801)通过轴承安装在所述中心轴(902)上，多根所述定位轴(802)周向分布在板簧(501)处，定位轴(802)一端固定在所述移动作用平台(505)上，另一端固定在所述悬空固定板(801)上。

3.如权利要求1所述的基于拮抗控制的变刚度旋转关节，其特征在于，所述电机输入板块(1)还包括小带传动轴(104)、皮带(105)和大带传动轴(106)，其中，所述小带传动轴(104)和大带传动轴(106)均安装在所述上关节底座(102)上，且小带传动轴(104)和大带传动轴(106)间通过所述皮带(105)连接；所述小带传动轴(104)与所述电机连接，所述大带传动轴(106)与所述变刚度底板板块(3)连接。

4.如权利要求3所述的基于拮抗控制的变刚度旋转关节，其特征在于，还包括减速板块(2)，该减速板块(2)安装在所述大带传动轴(106)和所述变刚度底板板块(3)之间。

5.如权利要求1所述的基于拮抗控制的变刚度旋转关节，其特征在于，所述移动作用平台(505)两侧均安装有固定板组件，以将一对移动作用平台(505)固定，该安装固定板组件包括相对安装的两个固定板(508)，该固定板(508)上一端开设有孔，一端开设有槽，相对的两个固定板(508)孔与槽对应，并通过固定削(509)连接。

6.如权利要求1所述的基于拮抗控制的变刚度旋转关节，其特征在于，所述板簧(501)一端固定在所述中心固定块(901)上，另一端安装有螺钉，以防止板簧(501)从滚动圆柱(504)间脱离。

7.如权利要求1所述的基于拮抗控制的变刚度旋转关节，其特征在于，所述板簧组件的数量为1～4组。

8.如权利要求7所述的基于拮抗控制的变刚度旋转关节，其特征在于，所述板簧组件的数量为4组。

9.如权利要求1所述的基于拮抗控制的变刚度旋转关节，其特征在于，所述上关节固定板块(6)包括上关节固定板(601)，该上关节固定板(601)两侧分别通过一个上关节内壁侧固定板(103)固定在上关节底座(102)上，上关节固定板(601)与外部上关节轴固连。

10.如权利要求1-9任一项所述的基于拮抗控制的变刚度旋转关节，其特征在于，所述下关节输出板块(7)包括外关节轴套(701)、下关节内壁侧固定板(702)和下关节固定板(703)，其中，一对外关节轴套(701)分别通过键安装所述中间轴(902)两侧，所述下关节固定板(703)两端分别通过一个下关节内壁侧固定板(702)与所述外关节轴套(701)固定，该下关节固定板(703)与外部下关节轴固连。

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