CN114851241B - 一种基于齿条直动式变刚度关节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于齿条直动式变刚度关节装置，包括外壳、齿条移动组件、变节矩组件、外连电机移动件、外连卡爪移动件以及调刚驱动组件；外壳内中部设置齿条移动组件，齿条移动组件的两端分别固定连接变节矩组件，齿条移动组件一端连接的变节矩组件与外连电机移动件固定相连，齿条移动组件另一端连接的变节矩组件与外连卡爪移动件固定相连；外连电机移动件与外壳一端内侧壁配合卡接，外连卡爪移动件与外壳另一端内侧壁之间设置缓冲弹簧，缓冲弹簧的两端分别与外连卡爪移动件、外壳内侧壁固定相连，调刚驱动组件固定安装于外壳中部并与外壳内的齿条移动组件相连；本发明可实现较小刚度到无穷大刚度的调节，且结构简单紧凑，控制较为容易。

Description

一种基于齿条直动式变刚度关节装置

技术领域

本发明属于工业机器人关节技术领域，可以应用于机器人、机械手等，具体地是涉及一种基于齿条直动式变刚度关节装置。

背景技术

由于全球老龄化与人工成本的上升，人们越来越关注机器人的发展，企图通过各式各样的机器人来取代人类所进行的危险或高强度的重复劳动。目前在医疗、航天、工业生产、军事等各种领域均有机器人的参与，但这也随着带来新的问题。机器人在工作时难免会与人进行交互，特别是一些需要和人进行直接接触的场合，如何更好的保障人类的安全成了设计者们需要思考的问题。变刚度关节应运而生，其所具有的本质安全性、高能效以及高动态特性，可以满足新一代机器人在物理性人机交互及高动态运动任务中的性能需求。

现有的变刚度关节主要是转动式变刚度，如：申请公布号为CN112092008A的发明专利，其公开了《一种紧凑型模块化变刚度关节》，包括关节外壳、主驱动模块、弹性模块和调刚模块；弹性模块包括变刚度基座、直线弹簧模组和杠杆组件；变刚度基座由主驱动模块的输出端带动转动；变刚度基座上可转动地设置有两个呈轴对称布置的杠杆组件，每个杠杆组件具有一滑槽，直线弹簧模组可滑动地设置在变刚度基座上；调刚模块包括调刚驱动器、锥齿轮副、凸轮盘座、凸轮盘、滑块和第一凸轮轴承随动器；调刚驱动器安装在关节外壳上，凸轮盘座可转动地设置在关节外壳内，两个滑块可滑动地设置在关节外壳内，每个滑块上相对的两侧面分别安装有一个第一凸轮轴承随动器。其工作原理是利用二级杠杆放大原理，通过滑块位置的调整来实现刚度的调整，但装置中大量的采用滑动的方式进行位置的调整，不可避免的增大了摩擦，引起能量的浪费。且机构较为复杂，控制困难。

而另有，申请公布号为CN111390965A的发明专利，其公开了《一种新型通用变刚度机械臂关节》，包括：谐波减速器的输出与梯形丝杠螺纹端固连，当梯形丝杠旋转，丝杠螺母与梯形丝杠能够产生相对轴向运动；丝杠螺母与丝杠螺母固定盘固连、丝杠螺母固定盘和滚子轴承盘能够沿着固定在关节外壳内侧的导轨相对于关节外壳做轴向运动；模具弹簧套装在丝杠螺母固定盘和滚子轴承盘之间；滚子轴承盘与梯形丝杠的水平端之间安装弧形轮盘，弧形轮盘套装在梯形丝杠上，梯形丝杠的水平端通过轴承径向定位梯形丝杠及承载模具弹簧作用力，并将其传递到弧形轮盘上；弧形轮盘和输出法兰固连，通过轴承支撑相对于关节外壳转动；弧形轮盘与安装在滚子轴承盘上的滚子轴承配合。其通过弧形轮盘与滚子轴承将作用在输出法兰上的外界力矩转换成弹簧的压缩力，以此实现刚度的调整，但调刚范围较小。

总的来说，目前变刚度关节普遍为转动式，且存在控制困难、结构复杂、且调刚范围有所限制，通用性相对较差。因此，有必要设计一种更好的变刚度关节装置，以解决上述问题。

发明内容

本发明就是针对上述问题，弥补现有技术的不足，提供一种基于齿条直动式变刚度关节装置；其具有结构简单、可靠性高的优点，刚度调节范围较大。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

本发明提供的一种基于齿条直动式变刚度关节装置，包括外壳、齿条移动组件、变节矩组件、外连电机移动件、外连卡爪移动件以及调刚驱动组件；

所述外壳内中部设置有齿条移动组件，齿条移动组件的两端分别固定连接变节矩组件，齿条移动组件一端连接的变节矩组件与外连电机移动件固定相连，齿条移动组件另一端连接的变节矩组件与外连卡爪移动件固定相连；

所述外连电机移动件与外壳一端内侧壁配合卡接，外连卡爪移动件与外壳另一端内侧壁之间设置有缓冲弹簧，缓冲弹簧的两端分别与外连卡爪移动件、外壳内侧壁固定相连，调刚驱动组件固定安装于外壳中部并与外壳内的齿条移动组件相连；

通过所述调刚驱动组件驱动齿条移动组件，能使与齿条移动组件两端分别连接的变节矩组件及外连电机移动件、变节矩组件及外连卡爪移动件在外壳内往复运动。

进一步地，所述外壳内的齿条移动组件包括两个移动盘、两个齿条，两个移动盘平行设置，两个齿条平行设置，两个平行的齿条设于两个平行的移动盘之间；两个平行齿条的一组相对端与两个平行的移动盘分别垂直固定连接，两个平行齿条的另一组相对端为自由端，两个平行的齿条之间连接调刚驱动组件，通过调刚驱动组件的驱动能够使两个齿条带着各自的移动盘相向运动；所述外壳内的外连电机移动件、外连卡爪移动件均包括移动盘与轴杆，移动盘与轴杆相连，外连电机移动件上的轴杆连接有输入法兰，外连卡爪移动件上的轴杆连接有输出法兰。

进一步地，所述外壳内的变节矩组件包括多个，多个变节矩组件分为等数量的两组，两组等数量的变节矩组件各自固定连接于齿条移动组件与外连电机移动件之间、齿条移动组件与外连卡爪移动件之间；每个变节矩组件均包括变节矩弹簧、伸缩套杆，伸缩套杆包括可伸缩连接在一起的外套杆、内套杆，内套杆插接于外套杆中，变节矩弹簧套接于伸缩套杆上，变节矩弹簧一端与外套杆端部固定连接、另一端与内套杆端部固定连接。

进一步地，所述外壳为经其中心轴向分割的两个半壳体组成的柱状结构，柱状结构的外壳两端为限位封堵端，限位封堵端上设置有开口，外连电机移动件、外连卡爪移动件的轴杆经过开口露出于外壳，开口尺寸小于外连电机移动件、外连卡爪移动件的移动盘尺寸。

进一步地，所述外壳上中部径向设置有驱动安装套，调刚驱动组件通过驱动安装套设置于外壳上；调刚驱动组件包括调刚电机、圆柱齿轮、角接触球轴承，驱动安装套包括电机固定套、轴承固定套；电机固定套、轴承固定套相对连接于外壳侧方，调刚电机安装于电机固定套中，调刚电机的动力输出轴与圆柱齿轮固定连接，圆柱齿轮与平行的两个齿条啮合连接，调刚电机的动力输出轴端部与角接触球轴承相连，角接触球轴承安装于轴承固定套中。

进一步地，所述外壳被分割处经过设于外壳中部的驱动安装套，外壳被分割处的半壳体上端、半壳体中部驱动安装套上、半壳体下端均设置有螺栓连接耳，螺栓连接耳上设置有螺纹孔，两个半壳体之间通过内六角螺栓固定连接。

进一步地，所述外壳内侧壁由顶端至底端关于外壳中心对称设置有滑轨，齿条移动组件的两个移动盘上、外连电机移动件和外连卡爪移动件的移动盘上均设置有位于一条直线上的滑槽，滑槽与滑轨配合连接。

进一步地，所述调刚电机采用自带编码器与减速器的伺服电机。

本发明有益效果：

本发明通过调刚电机的转动带动圆柱齿轮，从而带动两齿条往不同方向运动，从而压缩变节矩弹簧，实现变刚度的目的；通过所设置的滑槽与滑轨以及伸缩套杆，保证了外壳中的所有部件均可保持直线运动，同时还具有导向、固定方向的作用。本发明的变刚度关节装置可实现对Z方向上任意角度的力的分力均有缓冲作用；同时，本发明变刚度关节装置可实现较小刚度到无穷大刚度的调节，且结构简单紧凑，控制较为容易。

附图说明

图1为本发明一种基于齿条直动式变刚度关节装置的整体结构示意图。

图2为本发明一种基于齿条直动式变刚度关节装置的内部立体结构示意图。

图3为本发明一种基于齿条直动式变刚度关节装置的内部平面结构示意图。

图4为本发明的一个变节矩组件的结构示意图。

图5为本发明一种基于齿条直动式变刚度关节装置内部的变节矩组件与外连卡爪移动件连接的结构示意图。

图6为本发明一种基于齿条直动式变刚度关节装置内部的变节矩组件与外连电机移动件连接的结构示意图。

图中标记：1—调刚电机、2—输出法兰、3—输入法兰、4—外壳、5—内六角螺栓、6—外连电机移动件、7—变节矩弹簧、8—移动盘、9—电机固定套、10—外连卡爪移动件、11—螺纹孔、12—滑槽、13—轴承固定套、14—缓冲弹簧、15—法兰螺纹孔、16—固定槽、17—角接触球轴承、18—滑轨、19—外套杆、20—内套杆、21—齿条、22—圆柱齿轮。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、Z……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

请参阅图1至图6所示，一种基于齿条直动式变刚度关节装置，包括外壳4、齿条移动组件、变节矩组件、外连电机移动件6、外连卡爪移动件10以及调刚驱动组件；所述外壳4内中部设置有齿条移动组件，齿条移动组件的两端分别固定连接变节矩组件，齿条移动组件一端连接的变节矩组件与外连电机移动件6固定相连，齿条移动组件另一端连接的变节矩组件与外连卡爪移动件10固定相连；所述外连电机移动件6与外壳4一端内侧壁配合卡接，外连卡爪移动件10与外壳4另一端内侧壁之间设置有缓冲弹簧14，缓冲弹簧14的两端分别与外连卡爪移动件10、外壳4内侧壁固定相连，调刚驱动组件固定安装于外壳4中部并与外壳4内的齿条移动组件相连；通过所述调刚驱动组件驱动齿条移动组件，能使与齿条移动组件两端分别连接的变节矩组件及外连电机移动件6、变节矩组件及外连卡爪移动件10在外壳4内往复运动。

所述外壳4内的齿条移动组件包括两个移动盘8、两个齿条21，两个移动盘8平行设置，两个齿条21平行设置，两个平行的齿条21设于两个平行的移动盘8之间；两个平行齿条21的一组相对端与两个平行的移动盘8分别垂直固定连接，两个平行齿条21的另一组相对端为自由端，两个平行的齿条21之间连接调刚驱动组件，通过调刚驱动组件的驱动能够使两个齿条21带着各自的移动盘8相向运动；所述外壳4内的外连电机移动件6、外连卡爪移动件10均包括移动盘8与轴杆，移动盘8与轴杆相连，外连电机移动件6上的轴杆连接有输入法兰3，外连卡爪移动件10上的轴杆连接有输出法兰2；输入法兰3与输出法兰2上均设置有法兰螺纹孔15，输入法兰3上的法兰螺纹孔15用于外连电机移动件6与外部电机进行安装，以控制整个变刚度关节装置的转动；输出法兰2上的法兰螺纹孔15用于外连卡爪移动件10与外部执行机构进行安装。

所述外壳4内的变节矩组件包括多个，多个变节矩组件分为等数量的两组，两组等数量的变节矩组件各自固定连接于齿条移动组件与外连电机移动件6之间、齿条移动组件与外连卡爪移动件10之间；每个变节矩组件均包括变节矩弹簧7、伸缩套杆，伸缩套杆包括可伸缩连接在一起的外套杆19、内套杆20，内套杆20插接于外套杆19中，变节矩弹簧7套接于伸缩套杆上，变节矩弹簧7一端与外套杆19端部固定连接、另一端与内套杆20端部固定连接，变节矩弹簧7可以随伸缩套杆的伸缩而伸缩，以此实现变刚度的目的。

具体地，所述齿条移动组件的两个移动盘8、外连电机移动件6与外连卡爪移动件10的移动盘8上均设置有固定槽16，所述齿条移动组件的两个移动盘8上的固定槽16用于与变节矩组件的一端固定安装，所述外连电机移动件6与外连卡爪移动件10的移动盘8上的固定槽16用于与变节矩组件的另一端固定安装；另外，在外连卡爪移动件10的移动盘8上还设置有与缓冲弹簧14一端配合固定安装的卡槽，在外壳4端部内侧壁上设置有与缓冲弹簧14另一端配合固定安装的卡槽；所述的缓冲弹簧14的数量与一组变节矩组件的数量相同，缓冲弹簧14的安装位置与变节矩组件的安装位置相对应，缓冲弹簧14的作用是能够实现Z-方向的冲击保护。

具体地，在本发明实施例中，所述变节矩组件设置有八个，八个变节矩组件分为等数量的两组，一组为四个，分别固定连接于齿条移动组件与外连电机移动件6之间、齿条移动组件与外连卡爪移动件10之间；所述齿条移动组件与外连电机移动件6之间的四个变节矩组件、齿条移动组件与外连卡爪移动件10之间的四个变节矩组件的安装位置相对应，所述变节矩组件实现了变刚度的目的。

所述外壳4为经其中心轴向分割的两个半壳体组成的柱状结构，柱状结构的外壳4两端为限位封堵端，限位封堵端上设置有开口，外连电机移动件6、外连卡爪移动件10的轴杆经过开口露出于外壳4，开口尺寸小于外连电机移动件6、外连卡爪移动件10的移动盘8尺寸；所述设有开口的限位封堵端的作用：可在圆柱齿轮22转动时，卡住所述外连电机移动件6与外连卡爪移动件10，以此增大刚度。

所述外壳4上中部径向设置有驱动安装套，调刚驱动组件通过驱动安装套设置于外壳4上；调刚驱动组件包括调刚电机1、圆柱齿轮22、角接触球轴承17，驱动安装套包括电机固定套9、轴承固定套13；电机固定套9、轴承固定套13相对连接于外壳4侧方，调刚电机1安装于电机固定套9中，调刚电机1的动力输出轴与圆柱齿轮22固定连接，圆柱齿轮22与平行的两个齿条21啮合连接，调刚电机1的动力输出轴端部与角接触球轴承17相连，角接触球轴承17安装于轴承固定套13中。

所述外壳4被分割处经过设于外壳4中部的驱动安装套，外壳4被分割处的半壳体上端、半壳体中部驱动安装套上、半壳体下端均设置有螺栓连接耳，螺栓连接耳上设置有螺纹孔11，两个半壳体之间通过内六角螺栓5固定连接。

所述外壳4内侧壁由顶端至底端关于外壳4中心对称设置有滑轨18，齿条移动组件的两个移动盘8上、外连电机移动件6和外连卡爪移动件10的移动盘8上均设置有位于一条直线上的滑槽12，滑槽12与滑轨18配合连接；通过滑轨18与滑槽12的配合，实现了导向作用，用于保持外壳4中由齿条移动组件、变节矩组件、外连电机移动件6、外连卡爪移动件10组成的变刚度移动结构在Z方向(包括Z+方向和Z-方向，如图2中所标注)上的稳定运行，达到了固定外壳4中变刚度移动结构运动方向的目的。

所述调刚电机1采用自带编码器与减速器的伺服电机。

具体地，在本发明实施例中，外壳4所采用的形状为经其中心轴向分割的两个半壳体组成的圆柱状结构，所述齿条移动组件的两个移动盘8、外连电机移动件6与外连卡爪移动件10的移动盘8均为圆饼式结构。

本发明的基于齿条直动式变刚度关节装置的工作过程介绍如下：通过外壳4中部一侧的调刚电机1带动圆柱齿轮22转动，圆柱齿轮22的转动引起与之相啮合的两个齿条21相向运动，进而会带动外连电机移动件6、外连卡爪移动件10运动，由于外壳4的两端有限位封堵端，所以当圆柱齿轮22继续转动时便会压缩变节矩弹簧7，实现刚度的增大。当所有变节矩弹簧7都并圈后，外壳4内部结构便不存在运动现象，此时本发明变刚度关节装置的刚度达到最大值，也是接近完全刚性；当调刚电机1带动圆柱齿轮22反转时，两个齿条21的自由端均与齿条移动组件的两个移动盘8接触时，本发明变刚度关节装置的刚度为最小值，在该位置时，变节矩弹簧7也有一定的预紧力；由此可见，本发明变刚度关节装置的刚度值可实现从较小值到无穷大。当Z-方向产生一定的冲击力，如输出法兰2一端连接的执行机构抓取的物件较重时，缓冲弹簧14会产生一定的缓冲，使本发明变刚度关节装置所受冲击减小，以此完成刚度的改变。本发明变刚度关节装置通过调刚电机1驱使齿条21的相对运动，能够压缩与伸长变节矩弹簧7，以此实现刚度大小变化的过程，并具有对Z方向(包括Z-方向和Z+方向)任意分力的缓冲作用，对机器人本身起到很好的保护效果，该变刚度关节装置实现的是直动式的刚度调节。

另外，本发明不仅刚度调节范围较大，而且可与商业机器人进行接口集成。所述变节矩弹簧7是实现变刚度的弹性元件，其螺旋角会随着位置的变化而变化,它的有效圈数也会随着弹簧受力增加引起的弹簧并圈而减少,而且有效圈数逐渐减少的过程也是弹簧刚度逐渐增大的过程,以此来实现变刚度的特性。同时，该装置紧凑化的设计，使其可用于服务性机器人与工业机器人中，既提高了人机交互时的柔顺性也对机器人本身有较好的保护作用。本发明变刚度关节装置的位置控制与刚度控制从设计上进行了解耦，使其控制相对容易。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于齿条直动式变刚度关节装置，其特征在于：包括外壳、齿条移动组件、变节矩组件、外连电机移动件、外连卡爪移动件以及调刚驱动组件；所述外壳内中部设置有齿条移动组件，齿条移动组件的两端分别固定连接变节矩组件，齿条移动组件一端连接的变节矩组件与外连电机移动件固定相连，齿条移动组件另一端连接的变节矩组件与外连卡爪移动件固定相连；所述外连电机移动件与外壳一端内侧壁配合卡接，外连卡爪移动件与外壳另一端内侧壁之间设置有缓冲弹簧，缓冲弹簧的两端分别与外连卡爪移动件、外壳内侧壁固定相连，调刚驱动组件固定安装于外壳中部并与外壳内的齿条移动组件相连；通过所述调刚驱动组件驱动齿条移动组件，能使与齿条移动组件两端分别连接的变节矩组件及外连电机移动件、变节矩组件及外连卡爪移动件在外壳内往复运动；

所述外壳内的齿条移动组件包括两个移动盘、两个齿条，两个移动盘平行设置，两个齿条平行设置，两个平行的齿条设于两个平行的移动盘之间；两个平行齿条的一组相对端与两个平行的移动盘分别垂直固定连接，两个平行齿条的另一组相对端为自由端，两个平行的齿条之间连接调刚驱动组件，通过调刚驱动组件的驱动能够使两个齿条带着各自的移动盘相向运动；所述外壳内的外连电机移动件、外连卡爪移动件均包括移动盘与轴杆，移动盘与轴杆相连，外连电机移动件上的轴杆连接有输入法兰，外连卡爪移动件上的轴杆连接有输出法兰；

所述外壳内的变节矩组件包括多个，多个变节矩组件分为等数量的两组，两组等数量的变节矩组件各自固定连接于齿条移动组件与外连电机移动件之间、齿条移动组件与外连卡爪移动件之间；每个变节矩组件均包括变节矩弹簧、伸缩套杆，伸缩套杆包括可伸缩连接在一起的外套杆、内套杆，内套杆插接于外套杆中，变节矩弹簧套接于伸缩套杆上，变节矩弹簧一端与外套杆端部连接、另一端与内套杆端部连接；

所述外壳上中部径向设置有驱动安装套，调刚驱动组件通过驱动安装套设置于外壳上；调刚驱动组件包括调刚电机、圆柱齿轮、角接触球轴承，驱动安装套包括电机固定套、轴承固定套；电机固定套、轴承固定套相对连接于外壳侧方，调刚电机安装于电机固定套中，调刚电机的动力输出轴与圆柱齿轮固定连接，圆柱齿轮与平行的两个齿条啮合连接，调刚电机的动力输出轴端部与角接触球轴承相连，角接触球轴承安装于轴承固定套中。

2.根据权利要求1所述的一种基于齿条直动式变刚度关节装置，其特征在于：所述外壳为经其中心轴向分割的两个半壳体组成的柱状结构，柱状结构的外壳两端为限位封堵端，限位封堵端上设置有开口，外连电机移动件、外连卡爪移动件的轴杆经过开口露出于外壳，开口尺寸小于外连电机移动件、外连卡爪移动件的移动盘尺寸。

3.根据权利要求1所述的一种基于齿条直动式变刚度关节装置，其特征在于：所述外壳被分割处经过设于外壳中部的驱动安装套，外壳被分割处的半壳体上端、半壳体中部驱动安装套上、半壳体下端均设置有螺栓连接耳，螺栓连接耳上设置有螺纹孔，两个半壳体之间通过内六角螺栓固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于齿条直动式变刚度关节装置，其特征在于：所述外壳内侧壁由顶端至底端关于外壳中心对称设置有滑轨，齿条移动组件的两个移动盘上、外连电机移动件和外连卡爪移动件的移动盘上均设置有位于一条直线上的滑槽，滑槽与滑轨配合连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于齿条直动式变刚度关节装置，其特征在于：所述调刚电机采用自带编码器与减速器的伺服电机。