CN115625734A - 一种变刚度柔顺机器人关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种变刚度柔顺机器人关节，属于机器人技术领域。它包括关节连接机构（2），在关节连接机构（2）的两端分别连接关节壳座（3），每个关节壳座（3）内设有带主电机（6）的主减速器（4），一侧的主减速器（4）上连接第一调刚机构（1）、另一侧的主减速器（4）上连接第二调刚机构（5）；第一、二调刚机构均是基于板簧悬臂梁弯曲模型的变刚度机构。本发明通过将第一、二调刚机构共同连接在关节连接机构上，使它们在同一平面内整体相对转动，在具有大范围变刚的条件下，形成一种双自由度的变刚度柔顺关节。

Description

一种变刚度柔顺机器人关节

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种双自由度的变刚度柔顺机器人关节。

背景技术

变刚度柔顺传动在当今工业界和科研圈中方兴未艾，尤其在涉及辅助机器人、拟人型机器人、医疗康复机器人等领域，有助于改善机器人的环境适应能力，提高人机交互体验。许多研究者做出了杰出的设计，现阶段主流的趋势在于变刚度结构的优化与控制系统的改进。

由于柔性变刚度关节具备传统机械臂关节所不具备诸多特性，在各个行业均具有广泛的应用前景，柔性变刚度关节己经逐渐成为机器人与自动化控制研究领域的热点之一；柔性变刚度机器人关节是将新型的弹性元件或柔性机构加入到刚性关节中，使得关节具有不同于刚性关节的输出特性。

柔性变刚度关节具有与人类肌肉相似的特性，当机械臂工作过程中发生意外碰撞或产生冲击的时候能有效的检测碰撞，调节刚度，利用关节的内在柔顺性有效的实现了机器人系统与环境的安全性。国外关于变刚度关节的研究起步较早，方案技术部分比较成熟，出现了一批具有代表性的成果，具体地，有用于医疗康复项目的调节器设计，主要结构包括弹性悬臂以及滚子和支架，但变刚度范围较小，调节速度较低；有基于拮抗原理的变刚度关节，输入与输出部分通过之间的滚柱与钢丝绳连接在一起，钢丝绳一端固定，另一端与控制电机连接只需要改，变输出端参与传递力矩的滚子数量即可调节刚度，调节方式简单，但变刚度自由度单一。

本发明根据上述的变刚度自由度单一、变刚度范围较小的问题，设计了一种双自由度的变刚度柔顺关节，满足类人机器人关节需要多自由度且变刚度柔顺控制的需求，具有快速变刚度调节能力，并对环境有良好的适应性。

发明内容

本发明为解决类人机器人关节需要多自由度且变刚度柔顺控制的问题，本发明提供了一种变刚度柔顺机器人关节。采用的技术方案如下：

一种变刚度柔顺机器人关节，其特征在于：包括关节连接机构，在关节连接机构的两端分别连接关节壳座，每个关节壳座内设有带主电机的主减速器，一侧的主减速器上连接第一调刚机构、另一侧的主减速器上连接第二调刚机构；关节连接机构通过一对受驱动的关节齿轮相互啮合运动，使关节连接机构两端的第一、二调刚机构在同一平面内整体相对转动，第一、二调刚机构均是基于板簧悬臂梁弯曲模型的变刚度机构。

进一步地，所述关节连接机构还包括固定架，其中一个关节齿轮通过关节电机驱动，另一个关节齿轮通过转动轴连接在固定架上，转动轴上固定连接安装支座，安装支座与一侧的关节壳座固定连接、另一侧的关节壳座与固定架固定连接。

进一步地，所述转动轴上还设有光电编码器，所述关节电机上设有失电保护器。

进一步地，所述第一调刚机构包括调刚座和可相对转动的第一输出轴，第一输出轴与第一板簧固定连接，第一板簧两侧端为自由端，调刚座上设有可转动的双向丝杆，双向丝杆的两个相反的螺纹段上分别连接防转的丝母座，每个丝母座分别与第一板簧的对应侧滑动连接，通过驱动双向丝杆带动丝母座相向移动，改变第一板簧受力支点间距，从而实现变刚度调节。

进一步地，每个所述丝母座上均设有弹簧槽，弹簧槽内设有一对串联的弹簧，两弹簧之间设有板簧套，板簧套与第一板簧滑动连接，通过弹簧的弹性作用使板簧套形成动态平衡的支撑。

进一步地，每个所述丝母座上均设有同轴的直线轴承，直线轴承共同配合连接在防转光轴上，防转光轴与双向丝杆平行设置，并固定连接在调刚座上。

进一步地，所述双向丝杆中部设有被动齿轮，被动齿轮的两侧双向丝杆上设有转动支撑，被动齿轮与第一电机连接的主动齿轮啮合。

进一步地，所述第二调刚机构包括调刚盘和可相对转动的第二输出轴，第二输出轴与第二板簧固定连接，第二板簧两侧端为自由端；调刚盘上固定连接一组与第二板簧投影位置对应的导轨，调刚盘上可转动连接同轴的齿轮盘，齿轮盘上设有一组阿基米德螺线槽，每个阿基米德螺线槽内可移动导向配合板簧卡座，板簧卡座一端与第二板簧对应侧滑动连接、另一端与对应的导轨滑动连接，通过驱动齿轮盘带动板簧卡座移动，相向改变第二板簧的受力支点间距，从而实现变刚度调节。

进一步地，所述第二板簧数量为两个，呈十字形固定在第二输出轴上；所述齿轮盘与外啮合驱动齿轮外啮合，驱动齿轮连接在第二电机上。

进一步地，所述导轨截面为T形；所述板簧卡座包括与第二板簧滑动配合的卡座套、与导轨每侧凸缘滑动卡接的卡爪，卡座套与卡爪通过滑板连接一体，滑板上设有滚子，通过滚子与阿基米德螺线槽槽壁滚动配合，经阿基米德螺线槽限位导向作用使板簧卡座沿着第二板簧、导轨长度方向移动。

相比于现有技术，本发明具的有益效果：

1、本方案通过将第一、二调刚机构共同连接在关节连接机构上，使一、二调刚机构在同一平面内整体相对转动，在具有大范围变刚的条件下，形成一种双自由度的变刚度柔顺关节。

2、第一、第二调刚机构均是基于板簧悬臂梁弯曲模型的变刚度机构，第一调刚结构通过丝母座、双向丝杆结构快速且相向改变第一板簧受力支点间距，实现变刚度调节；第二调刚机构通过阿基米德螺线槽的槽型设置，可快速且大范围地调节改变第二板簧的受力支点间距，实现变刚度调节。

3、通过设置一对串联的弹簧，并在两弹簧之间设有与第一板簧滑动连接的板簧套，使板簧套形成动态平衡的支撑，当受到外部的刚性冲击时，通过这对弹簧的弹性缓冲，能够使调节刚度的过程中更加柔顺，减少、减缓刚性冲击作用力；另外，在第二调刚机构中第二板簧呈十字状设置，使得受力支点更多，受力更加均匀、平顺，也能够在调刚过程中起到柔顺的作用。

附图说明

图1是本发明一种变刚度柔顺机器人关节实施例的结构示意图；

图2是本发明一种变刚度柔顺机器人关节实施例的外观示意图；

图3是本发明一种变刚度柔顺机器人关节实施例中关节连接机构的结构示意图；

图4是本发明一种变刚度柔顺机器人关节实施例中第一调刚机构的结构示意图；

图5是本发明一种变刚度柔顺机器人关节实施例中第二调刚机构的结构示意图；

图6是本发明一种变刚度柔顺机器人关节实施例中板簧卡座的结构示意图。

附图标记说明：

1、第一调刚机构；11、第一调刚外壳；12、丝母座；121、弹簧槽；122、直线轴承；13、弹簧；14、板簧套；15、第一板簧；16a、被动齿轮；16b、主动齿轮；17、双向丝杆；18、带座轴承；19、防转光轴；100、调刚座；101、圆盘体；102、立板；103、框架座；110、第一电机；2、关节连接机构；21、关节齿轮；22、固定架；23、转动轴；24、安装支座；25、光电编码器；26、关节电机；27、失电保护器；3、关节壳座；4、主减速器；5、第二调刚机构；51、第二调刚外壳；52、板簧卡座；521、卡座套；522、卡爪；523、滑板；524、滚子；53、第二板簧；54、齿轮盘；55、阿基米德螺线槽；56、导轨；57、驱动齿轮；500、调刚盘；510、第二电机；6、主电机；7、第一输出轴；8、第二输出轴。

具体实施方式

为使本发明更加清楚明白，下面结合附图对本发明的一种变刚度柔顺机器人关节进一步说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、图2所示，一种变刚度柔顺机器人关节，包括关节连接机构2，在关节连接机构2的两端分别固定连接一个关节壳座3，每个关节壳座3内设有带主电机6的主减速器4，一侧的主减速器4上连接第一调刚机构1、另一侧的主减速器4上连接第二调刚机构5。其中，主减速器4采用谐波减速器；第一、二调刚机构均是基于板簧悬臂梁弯曲模型的变刚度机构。

如图3所示，所述关节连接机构2包括一个固定架22和一对外啮合的关节齿轮21，该对关节齿轮优先采用直齿圆柱齿轮，其传动比为1：1。固定架22为一侧敞口的框架结构，具有两个平行的安装板，在安装板之间设有关节电机26，关节电机26固定在一侧的安装板上，其轴头伸出板外与其中一个关节齿轮21直连固定，另一个关节齿轮21与转动轴23的一端固定连接，转动轴23通过一对轴承分别连接在每个安装板上。在转动轴23的轴身上套接一个安装支座24，安装支座24位于两安装板之间并通过顶丝锁紧在转动轴23上形成固定连接。安装支座24与一侧的关节壳座3固定连接。另一侧的关节壳座3与固定架22固定连接。所述关节电机26尾部配套装有失电保护器27。失电保护器27为现有技术，可以使关节连接机构2在突然断电的情况下仍能保持固定且稳定的姿态。在转动轴23另一侧的端头还设有光电编码器25，光电编码器25将关节的姿态数据实时的传给控制系统，以便做出相应的操作。关节电机26驱动的关节齿轮21，关节齿轮21相互啮合运动，使关节连接机构2两端的第一、二调刚机构在同一平面内整体相对转动。

如图1、图4所示，所述第一调刚机构1包括调刚座100和罩设在调刚座100上的第一调刚外壳11，第一调刚外壳11优选为分体件，以方便其内部连接装配。第一调刚外壳11外侧端面中心通过轴承连接第一输出轴7，第一输出轴7一端伸出第一调刚外壳11外。在第一输出轴7的另一端固定连接一个第一板簧15，第一板簧15为条状结构，其两端为自由端，第一输出轴7通过销、螺钉等结构固定于第一板簧15正中间。其中，第一板簧的材料、长度、宽度、厚度及弹簧的弹性系数是影响关节变刚度调节能力的因素，且板簧弹性模量越大、越厚、越宽，支座移动距离越短，则关节的刚度越大，本领域普通技术人员根据需求即可对第一板簧参数进行选择设置。

所述调刚座100包括一个圆盘体101，圆盘体101上表面两对侧边缘处各设有一个立板102。圆盘体101下表面固定连接圆形的框架座103，框架座103的端部连接主减速器4的输出端，主减速器4可驱动调刚座100整体转动。所述两立板102上设有同轴的轴承，两处轴承共同安装一个双向丝杆17。双向丝杆17正中部为带键槽的光轴（图中未示）或者矩形截面的棱柱，该处的两侧分别设有旋向相反的外螺纹，外螺纹采用Tr螺纹，两处的外螺纹上分别对应连接一个丝母座12。双向丝杆17两端头也为光轴，分别与对应侧立板102上的轴承连接。

双向丝杆17中部通过键连接或者形状配合固定一个被动齿轮16a，在被动齿轮16a间隙紧挨着的两侧通过哈弗结构的带座轴承18固定在圆盘体101上，形成转动支撑。在框架座103内设有与被动齿轮外啮合的主动齿轮16b，主动齿轮16b直连在第一电机110上，第一电机110固定在框架座103上。此处第一电机110为自带减速器的直流电机，直流电机具有良好的启动特性和调速特性，简单可控，承载能力强的特点，优选采用Maxon的的110042电机及配套的110321减速器。

在两立板102两侧分别对应固定连接一个防转光轴19，防转光轴19与双向丝杆17平行设置，每个丝母座12通过设置直线轴承122与防转光轴19配合连接，起到防转和导向作用，保证丝母座12直线移动。当然还可以采用限位槽等常规结构对丝母座12起到防转限制的作用。

在每个丝母座12上端均设有一个弹簧槽121，弹簧槽121内槽形为矩形，其水平两侧和顶侧为镂空结构。在槽内设有一对串联的弹簧13，每个弹簧13的远端分别与弹簧槽端壁通过卡压或簧座连接；两弹簧的近端与板簧套连接，可采用固定形式连接，也可以采用弹性接触的方式连接。通过弹簧13的弹性作用使板簧套14形成动态平衡的支撑，能够使调节刚度的过程中更加柔顺，减少、减缓刚性冲击。板簧套14内孔形状与第一板簧15截面形状相适配，二者通过间隙配合形成滑动连接。通过第一电机110驱动双向丝杆17带动丝母座12移动，改变第一板簧受力支点间距，从而实现变刚度调节。此处双向丝杆17的设置，可以同时且相向改变第一板簧受力支点间距，起到快速调刚的目的。

如图1、图5、图6所示，所述第二调刚机构5包括圆形的调刚盘500和罩设在调刚盘500上的第二调刚外壳51，第二调刚外壳51优选为分体件，以方便其内部连接装配。第二调刚外壳51外侧端面中心处通过轴承连接第二输出轴8，第二输出轴8一端伸出第二调刚外壳51外。在第二输出轴8的另一端固定连接第二板簧53，第二板簧53为条状结构，数量为两个且呈十字状设置，第二输出轴8通过端部设有十字形的定位槽匹配安装该组第二板簧53，并经销、螺栓等常规手段固定。该组第二板簧53具有四个等长的自由段。

在调刚盘500上表面设有与该组第二板簧53自由段竖向投影位置向对应的导轨56，即导轨56以调刚盘500的径向布设。在调刚盘500下表面同轴固定连接谐波减速器4输出端，谐波减速器4可驱动调刚盘500整体转动。在调刚盘500中心处通过轴承连接一个齿轮盘54，齿轮盘54可相对调刚盘500转动，齿轮盘54外边缘为一组齿牙，在齿轮盘54上以其圆心为中心径向分布四个阿基米德螺线槽55，阿基米德螺线槽55穿透齿轮盘54，每个阿基米德螺线槽55内可移动配合板簧卡座52，板簧卡座52一端与第二板簧53滑动连接、另一端与对应的导轨56滑动连接。其中，板簧卡座52具有一端与第二板簧53截面相适配的卡座套521、另一端为两侧对称的卡爪522，导轨56的截面为T形，每个卡爪522卡在导轨56对应侧的凸缘上，与导轨56两侧限位并传递作用力，使其只能沿导轨56长度方向移动。卡座套521与卡爪522通过滑板523连接一体，滑板523上设有一对可自由转动的滚子524，每个滚子524分布在滑板523两侧，并分别与对应侧的阿基米德螺线槽55槽壁滚动配合。另外，也可省去滚子524，使滑板523与阿基米德螺线槽55的槽壁直接接触形成滑动配合。

在齿轮盘54上外啮合一个驱动齿轮57，驱动齿轮57与第二电机510直连，第二电机510固定在第二调刚外壳51上。第二电机510通过驱动齿轮盘54带动板簧卡座52在阿基米德螺线槽55内移动，通过阿基米德螺线槽55槽型限位作用使板簧卡座52沿着第二板簧53、导轨56长度方向移动，进而改变第二板簧的受力支点间距，从而实现变刚度调节。其中，第二电机510自带减速器，其减速器传动比为4.5，综合考虑选择Maxon公司的11042电机与110323减速器，并搭载相应的控制器件与制动器。此处，呈十字状设置的第二板簧，使得受力支点更多，受力更加均匀、平顺，在调刚过程中更加柔顺；阿基米德螺线槽55的设置，在齿轮盘54较小的转动角度就可以获得板簧卡座52的较长位移，继而快速改变第二板簧的受力支点间距，起到快速调刚的目的。

本装置在工作时，通过关节电机26驱动一对关节齿轮21转动，使关节连接机构2两端的第一、二调刚机构在同一平面内整体相对转动。

第一调刚机构1在变刚过程中，通过第一电机110驱动主、被动齿轮转动，带动双向丝杆17上的丝母座相向移动，进而改变第一板簧15受力支点间距，实现变刚度调节；该侧的主电机6驱动主减速器4使调刚座100整体转动，同时带动两板簧套14绕调刚座100中心下转动，两板簧套14经过第一板簧15将扭矩作用在第一输出轴7上，使第一输出轴7转动。

第二调刚机构5在变刚过程中，通过第二电机510驱动齿轮盘54转动，使板簧卡座52在阿基米德螺线槽55的导向限位下沿着导轨56移动，进而改变每对第二板簧的受力支点间距，从而实现变刚度调节；该侧的主电机6驱动主减速器4使调刚盘500整体转动，而齿轮盘54与调刚盘500可相对运动，不受到调刚盘500整体转动的影响，调刚盘500上的导轨56带动板簧卡座52一同转动，板簧卡座52经过第二板簧53将扭矩作用在第二输出轴8上，使第二输出轴8转动。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的实质精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种变刚度柔顺机器人关节，其特征在于：包括关节连接机构（2），在关节连接机构（2）的两端分别连接关节壳座（3），每个关节壳座（3）内设有带主电机（6）的主减速器（4），一侧的主减速器（4）上连接第一调刚机构（1）、另一侧的主减速器（4）上连接第二调刚机构（5）；关节连接机构（2）通过一对受驱动的关节齿轮（21）相互啮合运动，使关节连接机构（2）两端的第一、二调刚机构在同一平面内整体相对转动，第一、二调刚机构均是基于板簧悬臂梁弯曲模型的变刚度机构。

2.根据权利要求1所述的一种变刚度柔顺机器人关节，其特征在于：所述关节连接机构（2）还包括固定架（22），其中一个关节齿轮（21）通过关节电机（26）驱动，另一个关节齿轮（21）通过转动轴（23）连接在固定架（22）上，转动轴（23）上固定连接安装支座（24），安装支座（24）与一侧的关节壳座（3）固定连接、另一侧的关节壳座（3）与固定架（22）固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种变刚度柔顺机器人关节，其特征在于：所述转动轴（23）上还设有光电编码器（25），所述关节电机（26）上设有失电保护器（27）。

4.根据权利要求1所述的一种变刚度柔顺机器人关节，其特征在于：所述第一调刚机构（1）包括调刚座（100）和可相对转动的第一输出轴（7），第一输出轴（7）与第一板簧（15）固定连接，第一板簧（15）两侧端为自由端，调刚座（100）上设有可转动的双向丝杆（17），双向丝杆的两个相反的螺纹段上分别连接防转的丝母座（12），每个丝母座（12）分别与第一板簧（15）的对应侧滑动连接，通过驱动双向丝杆带动丝母座相向移动，改变第一板簧受力支点间距，从而实现变刚度调节。

5.根据权利要求4所述的一种变刚度柔顺机器人关节，其特征在于：每个所述丝母座（12）上均设有弹簧槽（121），弹簧槽内设有一对串联的弹簧（13），两弹簧（13）之间设有板簧套（14），板簧套（14）与第一板簧（15）滑动连接，通过弹簧（13）的弹性作用使板簧套（14）形成动态平衡的支撑。

6.根据权利要求5所述的一种变刚度柔顺机器人关节，其特征在于：每个所述丝母座（12）上均设有同轴的直线轴承（122），直线轴承共同配合连接在防转光轴（19）上，防转光轴（19）与双向丝杆（17）平行设置，并固定连接在调刚座（100）上。

7.根据权利要求6所述的一种变刚度柔顺机器人关节，其特征在于：所述双向丝杆（17）中部设有被动齿轮（16a），被动齿轮（16）的两侧双向丝杆（17）上设有转动支撑，被动齿轮（16a）与第一电机（110）连接的主动齿轮（16b）啮合。

8.根据权利要求1或7所述的一种变刚度柔顺机器人关节，其特征在于：所述第二调刚机构（5）包括调刚盘（500）和可相对转动的第二输出轴（8），第二输出轴（8）与第二板簧（53）固定连接，第二板簧（53）两侧端为自由端；调刚盘（500）上固定连接一组与第二板簧（53）投影位置对应的导轨（56），调刚盘（500）上可转动连接同轴的齿轮盘（54），齿轮盘（54）上设有一组阿基米德螺线槽（55），每个阿基米德螺线槽（55）内可移动导向配合板簧卡座（52），板簧卡座（52）一端与第二板簧（53）对应侧滑动连接、另一端与对应的导轨（56）滑动连接，通过驱动齿轮盘（54）带动板簧卡座（52）移动，相向改变第二板簧的受力支点间距，从而实现变刚度调节。

9.根据权利要求8所述的一种变刚度柔顺机器人关节，其特征在于：所述第二板簧（53）数量为两个，呈十字形固定在第二输出轴（8）上；所述齿轮盘（54）与外啮合驱动齿轮（57）外啮合，驱动齿轮（57）连接在第二电机（510）上。

10.根据权利要求9所述的一种变刚度柔顺机器人关节，其特征在于：所述导轨（56）截面为T形；所述板簧卡座（52）包括与第二板簧（53）滑动配合的卡座套（521）、与导轨（56）每侧凸缘滑动卡接的卡爪（522），卡座套（521）与卡爪（522）通过滑板（523）连接一体，滑板（523）上设有滚子（524），通过滚子（524）与阿基米德螺线槽（55）槽壁滚动配合，经阿基米德螺线槽（55）限位导向作用使板簧卡座（52）沿着第二板簧（53）、导轨（56）长度方向移动。

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