CN115958583A - 一种绳驱变刚度机构以及变刚度致动器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种绳驱变刚度机构，其包括中空主轴、主动盘、从动盘、n个压缩组件、n个滑轮组、调刚绳‑套组件、n个连杆，n≥2；主动盘和从动盘套在中空主轴上；主动盘上均布设有n个转轴；从动盘上均布有n个滑槽；压缩组件设置于对应的滑槽内，包括弹簧、光轴、内滑块、外滑块、顶盖；弹簧套在光轴上，光轴的两端分别插入内滑块的通孔和外滑块的通孔；内滑块设有前向转轴，外滑块设有后向转轴；连杆的第一端轴孔套在主动盘的转轴上，第二端轴孔套在外滑块的后向转轴上。本发明同时提供了一种变刚度致动器，其包括绳驱变刚度机构、驱动电机和电机壳体；其结构紧凑，扭矩密度大，可重构，调刚电机位置可以任意布置，有利于优化设备内部空间。

Description

一种绳驱变刚度机构以及变刚度致动器

技术领域

本发明涉及一种绳驱变刚度机构、以及具有该绳驱变刚度机构的变刚度致动器。

背景技术

近年来，随着人机交互领域的发展和应用，机器人的安全性越来越受到重视。与刚性机器人相比，柔性机器人具有许多优点，如增加安全性、增强抗冲击性、提高能量利用率等。柔性关节执行器作为柔性机器人本体的核心结构部件，不但是使机器人完成各种灵活动作的动力源，也是保证人机交互安全性的可控关键结构点，已被广泛应用于各种机器人应用中。

但当柔性关节刚度较低时，纯柔性会导致机器人轨迹跟踪精度较低，信号响应时间较长。在这种情况下，可变刚度关节被提出，以最大限度地发挥柔性单元的优势，并扩大其应用范围。主动变刚度关节是指一个关节使用两个电机驱动，可以实现独立或者分别地调节关节刚度和输出位置，克服了被动变刚度关节刚度不可调节的缺点，这也是真正意义上的“可变刚度柔性”关节。

目前主动变刚度关节的结构形式主要有拮抗型、弹簧型、摩擦片型、变传输型和混合型五种，其大多存在结构复杂、体积大、扭矩密度比较低的问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种绳驱变刚度机构、以及具有该绳驱变刚度机构的变刚度致动器，其具有高紧凑、扭矩密度大、可重构、调刚电机能任意布置等优点。

一方面，本发明提供了一种绳驱变刚度机构，其包括：

中空主轴，其中空且两端开口；

主动盘，其套在中空主轴上，其前表面上、环绕圆心均布设有n个用于安装连杆的转轴，n≥2；

从动盘，其套在所述中空主轴上，其均布有n个径向设置的滑槽，滑槽的两侧壁设有导向槽，滑槽的外端开口；

转向滑轮组件，其固定设置在从动盘的前表面上；

n个压缩组件，每个压缩组件均设置于对应的滑槽内，每个压缩组件包括弹簧、光轴、内滑块、外滑块、顶盖；内滑块和外滑块上设通孔，弹簧套光轴上，光轴的两端分别插入内滑块的通孔和外滑块的通孔；顶盖设置在外滑块之外，封住滑槽的外端开口；内滑块和外滑块的两侧壁均设有导向块，导向块均嵌入导向槽；内滑块上设有前向转轴，外滑块上设有后向转轴；

n个滑轮组，每个滑轮组对应于一个压缩组件、设置于从动盘的前表面上，每个滑轮组包括两个主动滑轮、一个从动滑轮，两个主动滑轮分别位于对应滑槽外端的左右两侧，从动滑轮通过轴承设置于内滑块的前向转轴上；

调刚绳-套组件，其包括绳索，该绳索穿过中空主轴，依次绕过转向滑轮组件、以及各个滑轮组；在每个滑轮组内，绳索按照第一主动滑轮、从动滑轮、第二主动滑轮的顺序穿绕；绳索的起始端连接驱动力，末端固定在从动盘上；

n个连杆，每个连杆的两端设轴孔，第一端轴孔套在主动盘的转轴上，第二端轴孔套在外滑块的后向转轴上。

在本说明书中，按照动力传递的方向，将从动盘的方向定义为“前”，相应地，将主动盘的方向定义为“后”。

本发明中，主动滑轮通过绳索带动从动滑轮沿着从动盘的滑槽移动。

本发明中，绳索的收紧带动各个滑轮组的从动滑轮沿着滑槽向外滑动，进而压缩各个弹簧，增加各个弹簧的预紧力，提高整体的刚度；相反，绳索放松后，在弹簧弹力的作用下，各个滑轮组的从动滑轮沿着滑槽向内(圆心)滑动，整体的刚度降低。因而，通过绳索的收紧与放松，可以实现机构整体刚度的调节。

本发明中，主动盘的转轴通过轴承与连杆的第一端相连，连杆的第二端又通过轴承与外滑块的后向转轴相连，当驱动电机带动主动盘旋转时，主动盘通过连杆将转动转化为直线运动，带动外滑块压缩弹簧，当弹簧压紧到足以带动从动盘及负载旋转时，便实现了位置与扭矩的输出。

本发明的绳驱变刚度机构具有可重构功能，压缩组件、滑轮组、连杆的数量可以根据变刚度需要进行重构。本发明的绳驱变刚度机构具有2n个主动滑轮、n个从动滑轮，n个张紧滑轮，n个弹簧，n个连杆，皆沿着从动盘周向均匀布置。n≥2，且为整数n的数量越大，绳驱变刚度机构的变刚度范围越大。

本发明中，中空主轴的内部中空且两端开口，形成用于绳索通过的通道。例如，主动盘中央设有多边形通孔，用于与中空主轴固定连接，在这种方案中，驱动电机带动主动盘旋转，主动盘带动中空主轴旋转，而中空主轴空转，没有负载。从动盘通过交叉滚子轴承与中空主轴实现转动副连接，交叉滚子轴承通过定位套筒与轴承端盖实现轴向定位与固定。类似地，主动盘也可以与通过交叉滚子轴承中空主轴实现转动副连接。

本发明中，绳索的起始端连接驱动力，该驱动力可由例如后文所述的调刚电机提供。

根据本发明的另一种具体实施方式，每个滑轮组进一步包括一个张紧滑轮设置于从动盘的前表面，且位于两个滑槽的中间。张紧滑轮主要用于绳索的路由传动与张紧。具体而言，主动滑轮和张紧滑轮通过滑轮紧固销安装到从动盘上。

根据本发明的另一种具体实施方式，进一步包括转向滑轮组件，该转向滑轮组件固定设置在从动盘的前表面上。

根据本发明的另一种具体实施方式，转向滑轮组件包括转向滑轮支架、第一转向滑轮、第二转向滑轮，转向滑轮支架固定安装在从动盘的前表面，第一转向滑轮相对于第二转向滑轮更接近从动盘的圆盘轴线，第二转向滑轮相对于第一转向滑轮更接近从动盘的前表面。转向滑轮组件的作用是使得绳索的路由传动方向由沿从动盘轴向方向改变到沿从动盘周向方向。

根据本发明的另一种具体实施方式，进一步包括调刚电机、以及由调刚电机驱动的调刚绳轮，绳索的起始端穿过中空主轴，缠绕到调刚绳轮上。当调刚电机驱动调刚绳轮对绳索进行紧向缠绕时，绳索拉紧，带动从动滑轮移动，从而增加各个弹簧的预紧力及机构整体刚度。

根据本发明的另一种具体实施方式，调刚绳-套组件进一步包括套管；套管套在绳索上。套管的作用是保护绳索不被磨损，内部有润滑油可以使绳索传动更顺畅，为绳索提供一个稳定的传动路径，使绳索经过弯曲的路径仍然绷紧。

根据本发明的另一种具体实施方式，从动盘上设有绳索固定孔，绳索的末端穿过绳索固定孔实现末端固定。

根据本发明的另一种具体实施方式，进一步包括用于测量主动盘与从动盘之间偏转角的测量元件，测量元件包括码盘和磁环；磁环设置于主动盘和从动盘之间，并套在主动盘的转轴之外，码盘设置于主动盘和磁环之间。

另一方面，本发明提供了一种变刚度致动器，其包括上述绳驱变刚度机构，以及：驱动电机、电机壳体，电机壳体套在驱动电机之外，驱动电机的中央开孔。驱动电机优选为无框电机、减速器、刹车器、编码器、驱动器的集成，用作位置与扭矩输出动力源。例如，驱动电机通过螺栓固定在中空的电机壳体内部，主动盘固定在驱动电机的输出端。

进一步的，调刚绳-套组件包括套管固定架，套管固定架固定安装于电机壳体的后端，套管的前端固定连接套管固定架。

进一步的，套管固定架包括第一套管固定架和第二套管固定架，第一套管固定架固定连接电机壳体，第二套管固定架固定连接第一套管固定架。

进一步的，绳索调紧之后，可以通过绳索调紧固定组件固定，以实现绳索与从动盘相对位置的固定，进而实现各个弹簧压缩程度的固定，从而实现刚度的固定。

例如，中国专利2021102222919专利说明书第0079-0080段、以及附图8提供了一种绳索调紧固定组件，其主要包括：固定套筒，锁紧弹簧，顶盖，顶筒。固定套筒的第一端通过螺纹固定在第二套管固定架上，锁紧弹簧位于固定套筒内，且锁紧弹簧的第二端与固定套筒内容凸缘相抵，顶盖的第一侧面与锁紧弹簧的第二端相抵，以将锁紧弹簧压缩在顶盖与固定套筒的内凸缘之间，顶筒通过螺纹连接在固定套筒的第二端。绳索套管的第一端与顶盖相抵，绳索套管的第二端与调刚电机的第二端相抵。调刚绳索依次插设穿过固定套筒、锁紧弹簧、顶盖、顶筒、绳索套管内部。第一套管固定架与电机壳体固定连接，第二套管固定架固定连接第一套管固定架。当旋拧顶筒时，以使得顶筒背离第二套管固定架方向移动，锁紧弹簧将利用自身的弹力推动顶盖背离第二套管固定架移动，使得弹性套管被压缩，从而产生形变，增大绳索套管与调刚绳索之间的摩擦力，从而起到锁紧调刚绳索的作用。

本发明具备以下有益效果：

1、结构紧凑，扭矩密度大。调刚模块的厚度不超过40mm，最大直径不超过120mm，非常紧凑，增大了变刚度致动器的扭矩密度。

2、可重构。滑轮组、弹簧、及连杆的数量可以根据变刚度需要进行重构。

3、调刚电机位置可以任意布置，非常有利于优化设备内部空间，适用于轻型机器人。

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是实施例1的绳驱变刚度机构的主体结构的分解图；

图2是实施例1的绳驱变刚度机构的主体结构的另一分解图；

图3是图2所示内容的另一角度示意图；

图4是实施例1的绳驱变刚度机构的主体结构的又一分解图；

图5是实施例1的绳驱变刚度机构的主体结构示意图；

图6是图5所示内容的另一角度示意图；

图7是实施例1的绳驱变刚度机构的部分结构示意图，其相对于图5隐去了绳索；

图8是实施例1的绳驱变刚度机构的整体结构示意图；

图9是实施例2的致动器的部分结构示意图，其相对于图9隐去了电机壳体；

图10是是实施例2的致动器的整体结构示意图。

具体实施方式

实施例1(绳驱变刚度机构)

本实施例提供了一种绳驱变刚度机构，其中，n＝3。如图1-图8所示，本实施例的绳驱变刚度机构包括：中空主轴0、主动盘1、从动盘2、转向滑轮组件3、3个压缩组件、3个滑轮组、调刚绳-套组件、调刚电机701、调刚绳轮702、3个连杆8、测量元件。

如图1所示，主动盘1设有主动盘中央通孔101，其前表面上、环绕圆心均布设有3个用于安装连杆8的转轴102；

如图1及图4所示，从动盘2设有从动盘中央通孔201，其均布有3个径向设置的滑槽202，滑槽202的两侧壁设有导向槽203，滑槽202的外端开口；主动盘1、从动盘2均套在中空主轴0上。

如图6-图7所示，转向滑轮组件固定设置在从动盘2的前表面上；转向滑轮组件包括转向滑轮支架301、第一转向滑轮302、第二转向滑轮303，转向滑轮支架301通过螺栓固定安装在从动盘1的前表面，第一转向滑轮302相对于第二转向滑轮303更接近从动盘2的圆盘轴线，第二转向滑轮303相对于第一转向滑轮302更接近从动盘2的前表面。

如图1所示，每个压缩组件均设置于对应的滑槽202内，每个压缩组件包括光轴401、弹簧402、内滑块403、外滑块404、顶盖206。外滑块404和内滑块403的形状相同，安装姿态不同。内滑块403和外滑块404上设通孔，弹簧402套光轴401上，光轴401的两端分别插入内滑块403的通孔和外滑404块的通孔；顶盖206设置在外滑块404之外，封住滑槽202的外端开口；内滑块403和外滑块404的两侧壁均设有导向块407，导向块407均嵌入导向槽203；内滑块403上设有前向转轴405，外滑块404上设有后向转轴406；

如图6所示，每个滑轮组对应于一个压缩组件、设置于从动盘2的前表面上，每个滑轮组包括第一主动滑轮501、一个从动滑轮502、第二主动滑轮504、一个张紧滑轮503，两个主动滑轮501分别位于对应滑槽202外端的左右两侧，从动滑轮502设置于内滑块403的前向转轴上；张紧滑轮503设置于从动盘2的前表面，且位于两个滑槽202的中间。主动滑轮501和张紧滑轮503通过滑轮紧固销安装到从动盘2上。

调刚绳-套组件包括绳索601和套管(图中未示)，套管套在绳索601上。

如图8所示，绳索601的起始端固定且缠绕在调刚绳轮702上，绳索601的末端穿过中空主轴0，依次绕过转向滑轮组件、以及各个滑轮组；在每个滑轮组内，绳索601按照第一主动滑轮501、从动滑轮502、第二主动滑轮504的顺序穿绕；绳索601的起始端连接驱动力(例如调刚电机701)，末端固定在从动盘2上；从动盘上设有绳索固定孔，绳索601的末端穿过绳索固定孔实现末端固定。

如图1所示，每个连杆8的两端设轴孔，连杆8的第一端轴孔801套在主动盘1的转轴上，第二端轴孔802套在外滑块404的后向转轴上406。

如图8所示，调刚电机701驱动调刚绳轮702收紧或者放松绳索6，当调刚电机701驱动调刚绳轮702对绳索6进行紧向缠绕时，绳索6拉紧，带动各个从动滑轮502移动，从而增加各个弹簧402的预紧力及机构整体刚度。

测量元件用于测量主动盘1与从动盘2之间的偏转角，进而判断机构的整体刚度。如图2及图5所示，测量元件包括码盘901和磁环902；磁环902设置于主动盘1和从动盘2之间，并套在主动盘1的转轴102之外，码盘901设置于主动盘1和磁环902之间。

实施例2(致动器)

如图9-图10所示，本实施例提供了一种变刚度致动器，其包括绳驱变刚度机构A、驱动电机1001、电机壳体1002。电机壳体1002套在驱动电机1001之外，驱动电机1001的中央开孔。驱动电机1001通过螺栓固定在中空的电机壳体1002内部，主动盘1固定在驱动电机1001的输出端。

绳驱变刚度机构A在实施例1的基础上，进一步包括套管固定架、绳索调紧固定组件。

套管固定架固定安装于电机壳体1002的后端，套管602的前端固定连接套管固定架；绳索601穿过套管602、驱动电机1001的中央开孔、中空主轴0，依次穿绕转向滑轮组件、以及各个滑轮组。套管固定架包括第一套管固定架603和第二套管固定架604，第一套管固定架603固定连接电机壳体1002，第二套管固定架604固定连接第一套管固定架603。

本实施例的绳索调紧固定组件参考中国专利2021102222919专利说明书第0079-000段、以及附图8。本实施例的绳索调紧固定组件主要包括：固定套筒，锁紧弹簧，顶盖，顶筒。固定套筒的第一端通过螺纹固定在第二套管固定架上，锁紧弹簧位于固定套筒内，且锁紧弹簧的第二端与固定套筒内容凸缘相抵，顶盖的第一侧面与锁紧弹簧的第二端相抵，以将锁紧弹簧压缩在顶盖与固定套筒的内凸缘之间，顶筒通过螺纹连接在固定套筒的第二端。绳索套管的第一端与顶盖相抵，绳索套管的第二端与调刚电机的第二端相抵。调刚绳索依次插设穿过固定套筒、锁紧弹簧、顶盖、顶筒、绳索套管内部。

虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种绳驱变刚度机构，其特征在于，包括：

中空主轴，其中空且两端开口；

主动盘，其套在所述中空主轴上，其前表面上、环绕圆心均布设有n个用于安装连杆的转轴，n≥2；

从动盘，其套在所述中空主轴上，其均布有n个径向设置的滑槽，所述滑槽的两侧壁设有导向槽，所述滑槽的外端开口；

n个压缩组件，每个所述压缩组件均设置于对应的所述滑槽内，每个所述压缩组件包括弹簧、光轴、内滑块、外滑块、顶盖；所述内滑块和所述外滑块上设通孔，所述弹簧套在所述光轴上，所述光轴的两端分别插入所述内滑块的通孔和所述外滑块的通孔；所述顶盖设置在所述外滑块之外，封住所述滑槽的外端开口；所述内滑块和所述外滑块的两侧壁均设有导向块，所述导向块均嵌入所述导向槽；所述内滑块上设有前向转轴，所述外滑块上设有后向转轴；

n个滑轮组，每个所述滑轮组对应于一个所述压缩组件、设置于所述从动盘的前表面上，每个所述滑轮组包括两个主动滑轮和一个从动滑轮，两个所述主动滑轮分别位于对应所述滑槽外端的左右两侧，所述从动滑轮设置于所述内滑块的转轴上；

调刚绳-套组件，其包括绳索，所述绳索穿过所述中空主轴，依次绕过各个滑轮组；在每个所述滑轮组内，绳索按照第一主动滑轮、从动滑轮、第二主动滑轮的顺序穿绕；所述绳索的起始端连接驱动力，末端固定在所述从动盘上；

n个连杆，每个所述连杆的两端设轴孔，第一端所述轴孔套在所述主动盘的转轴上，第二端所述轴孔套在所述外滑块的所述后向转轴上。

2.如权利要求1所述的绳驱变刚度机构，其特征在于，所述外滑块和所述内滑块的形状相同。

3.如权利要求1所述的绳驱变刚度机构，其特征在于，每个所述滑轮组进一步包括一个张紧滑轮，所述张紧滑轮设置于所述从动盘的前表面，且位于两个所述滑槽的中间。

4.如权利要求1所述的绳驱变刚度机构，其特征在于，进一步包括转向滑轮组件，所述转向滑轮组件固定设置在所述从动盘的前表面上。

5.如权利要求4所述的绳驱变刚度机构，其特征在于，所述转向滑轮组件包括转向滑轮支架、第一转向滑轮、第二转向滑轮，所述转向滑轮支架固定安装在所述从动盘的前表面，所述第一转向滑轮相对于所述第二转向滑轮更接近所述从动盘的圆盘轴线，所述第二转向滑轮相对于所述第一转向滑轮更接近所述从动盘的前表面。

6.如权利要求1所述的绳驱变刚度机构，其特征在于，进一步包括调刚电机、以及由所述调刚电机驱动的调刚绳轮，所述绳索的起始端穿过所述中空主轴，缠绕到所述调刚绳轮上。

7.如权利要求1所述的绳驱变刚度机构，其特征在于，所述调刚绳-套组件进一步包括套管；所述套管套在所述绳索上。

8.如权利要求1所述的绳驱变刚度机构，其特征在于，进一步包括用于测量所述主动盘与所述从动盘之间偏转角的测量元件，所述测量元件包括码盘和磁环；所述磁环设置于所述主动盘和所述从动盘之间，并套在所述主动盘的所述转轴之外，所述码盘设置于所述主动盘和所磁环之间。

9.一种变刚度致动器，其特征在于，包括权利要求1-8之一所述的绳驱变刚度机构，以及：驱动电机、电机壳体，所述电机壳体套在所述驱动电机之外，所述驱动电机的中央开孔。

10.如权利要求9所述的变刚度致动器，其特征在于，所述调刚绳-套组件进一步包括套管固定架，所述套管固定架固定安装于所述电机壳体的后端，所述套管的前端固定连接所述套管固定架。

Images