CN114131647B - 一种基于凸轮的杠杆式可变刚度柔性关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于凸轮的杠杆式可变刚度柔性关节，包括一体化驱动机构和变刚度机构，所述变刚度机构包括驱动盘、凸轮盘、滑块、簧片和输出盘，所述一体化驱动机构的输出端与驱动盘固定，所述的凸轮盘与驱动盘转动连接并同轴布置，所述的凸轮盘具有绕圆周布置的多个工作曲面；所述的簧片一端与驱动盘转动连接，另一端与输出盘固定，所述的输出盘与驱动盘转动连接并同轴布置，所述的滑块一端插入驱动盘的滑槽中，另一端插入簧片两侧可沿簧片滑动，同时滑块圆柱形滚子与凸轮的工作曲面配合，当凸轮盘转动时推动滑块沿簧片滑动，通过改变簧片的有效工作长度来实现刚度的调节。本发明公开的柔性关节具有结构紧凑、响应快的特点。

Description

一种基于凸轮的杠杆式可变刚度柔性关节

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种基于凸轮的杠杆式可变刚度柔性关节。

背景技术

可变刚度柔性关节按照刚度调节原理不同，可分为5类：等效控制实现刚度控制、拮抗控制实现刚度控制、改变弹性体结构控制关节刚度、利用弹簧预紧实现刚度控制和改变输出传动比实现刚度控制。等效控制实现刚度控制是在普通的SEA关节上，利用柔性关节在实现准确力控制方面的优势，通过控制所需关节刚度下的实际力、位输出模拟实现关节的刚度控制。Hollander利用该原理设计了一个关节驱动器并应用于踝部矫形器上，大大降低了使用者在康复训练中的关节驱动功率。拮抗控制实现刚度控制是通过改变对称布置弹簧的伸缩量来实现整体刚度的非线性，最早由加拿大的Eglish和Russell提出。佐治亚理工学院的Migliore科研组基于上述原理，设计了一种具有肌肉特性的变刚度系统，该系统通过两个电机分别控制对抗布置的两个弹簧的拉伸量来实现刚度调节。改变弹性体结构控制关节刚度方法一般是通过调节弹性体的有效作用长度来改变系统的整体刚度。四川大学高文翔等提出了一种凸轮结构变刚度弹性关节，专利公开号CN105171771A，该关节就是通过弹簧片的有效作用长度来实现刚度调节。利用弹簧预紧实现刚度控制是通过改变弹簧的预紧力来改变关节的恢复力矩，从而实现关节刚度的改变。德国宇航中心DLR的Wolf等人基于该原理设计了VS-Joint，通过调整两个凸轮盘之间的距离来改变弹簧的预紧力。改变输出传动比实现刚度控制是基于可调整杠杆有效长度原理的变刚度机构，意大利技术研究院IIT的Jafari等人利用该原理设计了AwAS-I/II，通过电机带动丝杠滑块运动来改变系统刚度。尽管目前有很多关于变刚度柔性关节的研究，但是还存在很多问题，如刚度调节范围窄、变更刚度结构复杂、关节尺寸大等。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于凸轮的杠杆式可变刚度柔性关节。

为了实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于凸轮的杠杆式可变刚度柔性关节，包括一体化驱动机构和变刚度机构；所述的变刚度机构包括驱动盘、凸轮盘、滑块、簧片和输出盘；所述驱动盘与一体化驱动机构的输出端连接；所述的凸轮盘设置于驱动盘和输出盘之间；所述滑块安装于驱动盘上，并与簧片配合；所述簧片的一端与驱动盘连接，另一端与输出盘连接；所述一体化驱动机构、驱动盘、凸轮盘和输出盘同轴布置。

进一步地，所述的驱动盘为盘型结构，其输出端面设置有多组沿径向均布的滑槽，使滑块沿滑槽滑动；所述滑槽外侧还设置有圆柱形销轴。

进一步地，所述的凸轮盘为凸轮型结构，其沿圆周均匀分布有多组完全相同的凸轮形工作曲面，该曲面的轮廓线为变半径曲线。

进一步地，所述滑块的底部与驱动盘的滑槽连接，上部位于簧片的两侧约束所述簧片并沿簧片滑动；所述滑块的中间部分设置有圆柱形滚子，并与凸轮盘的凸轮形工作曲面配合。

进一步地，所述簧片中间为矩形结构，插入滑块上部形成的凹槽中；所述簧片的两端设置有圆柱形中空轴孔；一端轴孔插入驱动盘的圆柱形销轴中绕销轴转动，另一端的轴孔与输出盘固定连接；所述滑块和簧片数量与凸轮盘的工作曲面数量相同。

进一步地，所述的输出盘为盘型结构，其输入端面对应设置有与簧片数量相等的圆柱形销轴，并与簧片的圆柱形轴孔连接。

进一步地，所述一体化驱动机构包括谐波减速器和驱动电机；所述变刚度机构还包括刚度调节电机和刚度调节电机输出轴；所述的驱动电机经过谐波减速器驱动驱动盘，所述的刚度调节电机通过刚度调节电机输出轴驱动凸轮盘。

进一步地，所述的刚度调节电机的传动方式具体为：当刚度调节电机输出轴通过键驱动凸轮盘时，凸轮盘开有中心孔，刚度调节电机输出轴上开有键槽。

进一步地，所述的刚度调节电机前置，所述一体化驱动机构内设置有中空轴，即刚度调节电机输出轴穿过一体化驱动机构的中空轴，将刚度调节电机放置在一体化驱动机构的前端。

进一步地，所述的刚度调节电机侧置，即刚度调节电机输出轴与驱动电机的驱动轴平行，刚度调节电机的外壳与驱动电机的外壳固定或与谐波减速器的输出端固定，所述凸轮盘与刚度调节电机的输出端之间设置有一盘状结构件；当刚度调节电机输出轴通过蜗轮蜗杆驱动该盘状结构件时，盘状结构件的外圆周面加工为蜗轮形状；当刚度调节电机输出轴通过齿轮驱动该盘状结构件时，盘状结构件的外圆周面加工为齿轮形状。

与现有技术相比，采用了上述技术方案的一种基于凸轮的杠杆式可变刚度柔性关节，具有如下有益效果：

1、采用本发明的一种基于凸轮的杠杆式可变刚度柔性关节，一体化驱动机构和变刚度机构可作为两个独立的模块封装，与安装在电机和减速器之间的柔性关节相比，保持了一体化驱动机构及变刚度机构的完整性和独立性；

2、当不需要调节刚度时，可将整套变刚度机构拆卸下来，直接将末端连接件安装在减速器输出端即可，操作简单方便，并且通过模块化设计可减小维修、安装、拆卸的难度，节省时间成本；

3、采用本发明的一种基于凸轮的杠杆式可变刚度柔性关节，变刚度机构更为紧凑，可大大减小整个关节的轴向尺寸及整个关节的重量；

4、采用本发明的一种基于凸轮的杠杆式可变刚度柔性关节，其刚度调节电机的安装方式多样，可根据具体需求进行选择不同的安装方式，并且关节的位置和刚度调节相对独立，控制方法较为简单且刚度可连续调节。

附图说明

图1为本发明一种基于凸轮的杠杆式可变刚度柔性关节的变刚度机构剖面图；

图2为本发明一种基于凸轮的杠杆式可变刚度柔性关节的驱动盘结构示意图；

图3为本发明一种基于凸轮的杠杆式可变刚度柔性关节的凸轮盘结构示意图；

图4为本发明一种基于凸轮的杠杆式可变刚度柔性关节的簧片结构示意图；

图5为本发明一种基于凸轮的杠杆式可变刚度柔性关节的滑块结构示意图；

图6为本发明一种基于凸轮的杠杆式可变刚度柔性关节的输出盘结构示意图；

图7为本发明一种基于凸轮的杠杆式可变刚度柔性关节的变刚度机构和一体化驱动机构安装方式示意图；

图8为本发明一种基于凸轮的杠杆式可变刚度柔性关节的变刚度机构和一体化驱动机构安装方式剖面图；

图中：1、驱动盘；2、凸轮盘；3、滑块；4、簧片；5、输出盘；6、一体化驱动机构；7、输出盘轴承；8、驱动盘轴承；9、谐波减速器；10、驱动电机；11、刚度调节电机输出轴；12、电机轴承；13、刚度调节电机。

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，下面将结合附图对本发明的技术方案进行进一步阐述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，基于本发明中的方法，本领域人员在没有作出创造性劳动前提下所获得所有其他实施例，均属有本发明保护范围。

本发明提供了一种基于凸轮的杠杆式可变刚度柔性关节，包括一体化驱动机构6和变刚度机构。如图1为本发明一种基于凸轮的杠杆式可变刚度柔性关节的变刚度机构剖面图，所述的变刚度机构包括驱动盘1、凸轮盘2、滑块3、簧片4和输出盘5。所述一体化驱动机构6和驱动盘1、凸轮盘2和输出盘5同轴布置。所述驱动盘1的一端与一体化驱动机构6的输出端固定连接，另一端与凸轮盘2转动连接。所述滑块3安装于驱动盘1上，并与簧片4配合。所述簧片4的一端与驱动盘1转动连接，另一端与输出盘5固定连接。

如图2为本发明一种基于凸轮的杠杆式可变刚度柔性关节的驱动盘结构示意图，所述的驱动盘1为一个盘型结构，其输出端面设置有多组沿径向均布的滑槽，以便滑块3底端可以插入滑槽中，与滑槽配合。滑块3沿滑槽滑动，所述滑槽外侧还对应设置有圆柱形销轴，以便簧片4一端可以插入该圆柱形销轴中，使簧片4可绕销轴转动。

如图3为本发明一种基于凸轮的杠杆式可变刚度柔性关节的凸轮盘结构示意图，所述的凸轮盘2为凸轮型结构，其沿圆周分布有多组完全相同的凸轮形工作曲面，所述的滑块3和簧片4的数量与凸轮盘2的工作曲面数量相同。

如图4为本发明一种基于凸轮的杠杆式可变刚度柔性关节的簧片结构示意图，所述的簧片4中间为矩形结构，可插入滑块3上部形成的凹槽中。所述的簧片4两端设置有圆柱形中空轴孔，一端的轴孔与驱动盘1的圆柱形销轴转动连接，另一端的轴孔与输出盘5固定连接。

如图5为本发明一种基于凸轮的杠杆式可变刚度柔性关节的滑块结构示意图，所述的滑块3的底部插入驱动盘1的滑槽中，上部位于簧片4的两侧以约束所述簧片4并沿簧片4滑动。所述滑块3的中间部分设置有圆柱形滚子，并与凸轮盘2的凸轮形工作曲面配合。当凸轮盘2转动时可推动滑块3沿簧片4滑动，可使与其配合的滑块滚子沿径向移动，凸轮盘2转动时滚子的中心与凸轮盘2的中心距离发生改变，通过改变簧片4的作用支点来改变簧片的有效工作长度从而改变系统的刚度。

如图6为本发明一种基于凸轮的杠杆式可变刚度柔性关节的输出盘结构示意图，所述的输出盘5为盘型结构，其输入端面对应设置有与簧片4数量相等的圆柱形销轴，用以与簧片4的圆柱形轴孔固定连接，所述的输出盘5的输出端面设置有螺纹孔，与末端连接件固定连接。

所述一体化驱动机构包括谐波减速器9和驱动电机10。所述变刚度机构还包括刚度调节电机13和刚度调节电机输出轴11。所述一体化驱动机构、刚度调节电机13和变刚度机构的安装形式多样，下面结合实施例进行说明。

实施例1

如图7-8为本发明一种基于凸轮的杠杆式可变刚度柔性关节的变刚度机构和一体化驱动机构安装方式示意图和剖面图。所述的驱动电机10经过谐波减速器9驱动驱动盘1转动，所述的刚度调节电机13通过刚度调节电机输出轴11驱动凸轮盘2，所述的凸轮盘2和刚度调节电机输出轴11配合，所述的刚度调节电机13的外壳和驱动电机10的外壳固定连接。所述的刚度调节电机前置，即将刚度调节电机放置在一体化驱动机构的前端。所述一体化驱动机构6内设置有中空轴。所述驱动盘1、凸轮盘2和输出盘5与刚度调节电机输出轴11配合；所述的刚度调节电机输出轴11穿过一体化驱动机构6的中空轴通过电机轴承12和驱动盘轴承8与一体化驱动机构6转动连接。所述的刚度调节电机输出轴11的末端穿过输出盘5的轴孔通过输出盘轴承7与输出盘5转动连接。

以上所述是本发明的优选实施方式，对于本领域的普通技术人员来说不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些也应视为本发明的保护范围。另外，除上述刚度调节电机安装方式(前置)外，也可将刚度调节电机侧置或后置。

当刚度调节电机侧置时，刚度调节电机的输出轴11与驱动电机10的驱动轴平行，所述刚度调节电机13的外壳与驱动电机10的外壳固定或与谐波减速器9的输出端固定。所述刚度调节电机13和凸轮盘2之间的驱动机构还可选择蜗轮蜗杆驱动或齿轮驱动。须在凸轮盘和刚度调节电机输出端之间增加一个盘状结构件与凸轮盘固定连接；如果采用蜗轮蜗杆驱动，则盘状结构件的外圆周面加工为蜗轮形状与驱动结构的蜗杆配合；如果采用直齿轮驱动，则盘状结构件的外圆周面加工为齿轮形状与驱动结构的齿轮配合。

当刚度调节电机后置时，刚度调节电机输出轴11穿过输出盘5的轴孔，将刚度调节电机13放置在输出盘5的后端。

本发明基于凸轮的杠杆式可变刚度柔性关节的工作过程为：驱动电机10经过谐波减速器9驱动驱动盘1转动，驱动盘1通过簧片4带动输出盘5转动，刚度调节电机13通过刚度调节电机输出轴11驱动凸轮盘2转动，从而带动滑块3沿其工作曲面转动的同时还沿簧片4滑动，通过改变簧片4的有效作用长度来实现刚度的调节。

Claims (5)

1.一种基于凸轮的杠杆式可变刚度柔性关节，其特征在于，包括一体化驱动机构（6）和变刚度机构；所述的变刚度机构包括驱动盘（1）、凸轮盘（2）、滑块（3）、簧片（4）和输出盘（5）；所述驱动盘（1）与一体化驱动机构（6）的输出端连接；所述的凸轮盘（2）设置于驱动盘（1）和输出盘（5）之间；所述滑块（3）安装于驱动盘（1）上，并与簧片（4）配合；所述簧片（4）的一端与驱动盘（1）连接，另一端与输出盘（5）连接；所述一体化驱动机构（6）、驱动盘（1）、凸轮盘（2）和输出盘（5）同轴布置；

所述的驱动盘（1）为盘型结构，其输出端面设置有多组沿径向均布的滑槽，使滑块（3）沿滑槽滑动；所述滑槽外侧还设置有圆柱形销轴；

所述的凸轮盘（2）为凸轮型结构，其沿圆周均匀分布有多组完全相同的凸轮形工作曲面，该曲面的轮廓线为变半径曲线；

所述簧片（4）中间为矩形结构，插入滑块（3）上部形成的凹槽中；所述簧片（4）的两端设置有圆柱形中空轴孔；一端轴孔插入驱动盘（1）的圆柱形销轴中绕销轴转动，另一端的轴孔与输出盘（5）固定连接；所述滑块（3）和簧片（4）数量与凸轮盘（2）的工作曲面数量相同；

所述的输出盘（5）为盘型结构，其输入端面对应设置有与簧片（4）数量相等的圆柱形销轴，并与簧片的圆柱形轴孔连接；

所述滑块（3）的底部与驱动盘（1）的滑槽连接，上部位于簧片（4）的两侧约束所述簧片（4）并沿簧片（4）滑动；所述滑块（3）的中间部分设置有圆柱形滚子，并与凸轮盘（2）的凸轮形工作曲面配合。

2.根据权利要求1所述的基于凸轮的杠杆式可变刚度柔性关节，其特征在于，所述一体化驱动机构包括谐波减速器（9）和驱动电机（10）；所述变刚度机构还包括刚度调节电机（13）和刚度调节电机输出轴（11）；所述的驱动电机（10）经过谐波减速器（9）驱动驱动盘（1），所述的刚度调节电机（13）通过刚度调节电机输出轴（11）驱动凸轮盘（2）。

3.根据权利要求2所述的基于凸轮的杠杆式可变刚度柔性关节，其特征在于，所述的刚度调节电机（13）的传动方式具体为：当刚度调节电机输出轴（11）通过键驱动凸轮盘时，凸轮盘（2）开有中心孔，刚度调节电机输出轴（11）上开有键槽。

4.根据权利要求2所述的基于凸轮的杠杆式可变刚度柔性关节，其特征在于，所述的刚度调节电机（13）前置，所述一体化驱动机构6内设置有中空轴，即刚度调节电机输出轴穿过一体化驱动机构的中空轴，将刚度调节电机（13）放置在一体化驱动机构的前端。

5.根据权利要求2所述的基于凸轮的杠杆式可变刚度柔性关节，其特征在于，所述的刚度调节电机（13）侧置，即刚度调节电机输出轴（11）与驱动电机（10）的驱动轴平行，刚度调节电机（13）的外壳与驱动电机（10）的外壳固定或与谐波减速器（9）的输出端固定，所述凸轮盘（2）与刚度调节电机的输出端之间设置有一盘状结构件；当刚度调节电机输出轴（11）通过蜗轮蜗杆驱动该盘状结构件时，盘状结构件的外圆周面加工为蜗轮形状；当刚度调节电机输出轴（11）通过齿轮驱动该盘状结构件时，盘状结构件的外圆周面加工为齿轮形状。

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