CN116372975A - 一种基于轴向力的可变刚度机构及柔性关节 - Google Patents

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张兰
赵鹏宇
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姚运昌
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孔令雨
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Abstract

本发明公开了一种基于轴向力的可变刚度机构及柔性关节，解决了柔性关节刚度调节机构复杂、体积臃肿的问题，所述可变刚度机构包括基座、动力单元、驱动杆、刚度调节件、簧片和关节输出端，所述动力单元固定设于所述基座上，通过驱动杆与刚度调节件连接，所述刚度调节件设有用于约束簧片的簧片约束孔，并设于基座和关节输出端之间，所述簧片至少有两个，一端固设于基座上，另一端铰接于关节输出端上，并穿过所述簧片约束孔，达到了减小刚度调节机构体积的目的。

Description

一种基于轴向力的可变刚度机构及柔性关节
本发明申请是原申请日为2021.12.6，原申请号为202111479739.1申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种基于轴向力的可变刚度机构及柔性关节。
背景技术
同传统柔性关节相比，可变刚度柔性关节可以通过一定的控制策略实现机器人在不同工作状态下关节刚度的变化，这与人类肌肉具有相似的特征，即在普通工作状态下保持较高的刚度，在发生碰撞时能够产生一定的柔顺性，缓解碰撞冲击，防止对接触物造成进一步的伤害。另外，弹性元件的引入使得碰撞时关节可以存储能量，在一定程度上提高了能量的利用效率，因此，可变刚度柔性关节的引入，使得机器人在保证关节运动性能的同时兼具了环境安全性，在当前机械行业具有广阔的应用背景和重要研究意义。
专利号为201711239915.8的专利中，提供了一种基于片簧的变刚度柔性关节，目的是解决可变刚度柔性关节结构复杂、体积大、控制过程繁杂及刚度线性控制难的问题，包括：输入轴(1)、输出轴(2)、刚度调整机构(3)、位移检测系统(4)、控制系统(5)和限位保护机构(6)；所述输入轴(1)包括第一输入轴(1-1)和第二输入轴(1-2)，所述第一输入轴(1-1)与第二输入轴(1-2)同心连接，所述第二输入轴(1-2)为正方形板状结构，其四角处分别镜像设置有双曲面凹槽；所述输出轴(2)包括第一输出轴(2-1)、第二输出轴(2-2)、输出端盖(2-3)，所述第一输出轴(2-1)和第二输出轴(2-2)均为一端封闭的筒状结构，所述的第二输出轴(2-2)的封闭端设置有沿圆周等距离分布并向圆心方向延伸的滑槽组(2-4)，所述第一输出轴(2-1)、第二输出轴(2-2)、输出端盖(2-3)依次扣合固定；所述刚度调整机构(3)包括控制电机(3-1)、调度盘(3-2)、连杆组(3-3)、片簧组(3-4)和滑块组(3-5)。这种方案需要一个刚度调节电机(3-1)，通过调度盘(3-2)、连杆组(3-3)、片簧组(3-4)和滑块组(3-5)等机构实现刚度调节，机构仍然较复杂。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种基于轴向力的可变刚度机构及柔性关节。
为了实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于轴向力的可变刚度机构，包括基座、动力单元、驱动杆、刚度调节件、簧片和关节输出端；所述动力单元固定设于所述基座上，通过驱动杆与刚度调节件连接，所述刚度调节件开有用于约束簧片的簧片约束孔，并位于基座和关节输出端之间；所述簧片的一端与基座连接，另一端与关节输出端活动连接。
进一步地，所述簧片至少有两个，绕驱动杆均匀布置；所述簧片的一端穿过所述簧片约束孔固设于基座上，另一端穿过所述簧片约束孔铰接于关节输出端上。
进一步地，所述簧片的另一端穿过所述簧片约束孔优选通过球铰与关节输出端连接。
进一步地，所述基座上设有关节输出端约束轴；所述关节输出端上对应设有关节输出端约束孔，以保证关节输出端相对基座同轴转动。
进一步地，所述基座开有键槽；所述驱动杆对应设有键，以防止驱动杆轴向转动；所述驱动杆的一端端部与刚度调节件活动连接。
进一步地，所述动力单元为电磁铁、气缸或液压缸；所述驱动杆为铁芯或活塞杆。
进一步地，所述驱动杆为螺杆；所述刚度调节件上开有与螺杆对应的螺纹孔；所述螺杆穿过螺纹孔与刚度调节件固定连接。
进一步地，所述基座上还设有导向销；所述刚度调节件上开有与导向销配合的导向孔，以保证所述刚度调节件通过导向销与基座同步转动。
本发明提出了一种基于轴向力的柔性关节，包括上述的可变刚度机构、关节电机和刚度调节电机；所述刚度调节电机与关节电机连接；所述关节电机设有电机输出端；所述可变刚度机构的基座与电机输出端固定连接。
进一步地，所述可变刚度机构的驱动杆为螺杆，所述螺杆与刚度调节电机连接，所述关节电机和刚度调节电机上对应第一滑道和第一滑轨，所述第一滑道与第一滑轨配合；所述螺杆的端部与刚度调节件转动连接。
与现有技术相比，采用了上述技术方案的可变刚度机构及柔性关节，具有如下有益效果：
1、采用本发明的一种基于轴向力的可变刚度机构及柔性关节，将动力单元沿关节电机轴线布局，缩小了可变刚度柔性关节的直径；
2、采用本发明的一种基于轴向力的可变刚度机构及柔性关节，打破了以电机为变刚度机构动力源的技术路线；
3、采用本发明的一种基于轴向力的可变刚度机构及柔性关节，由于驱动单元(电磁铁、气缸或液压缸)和驱动轴(铁芯、活塞杆)之间类似柱面约束，电磁铁可以设置在关节电机输出端上相对关节电机外壳转动，也可以设在关节电机上相对关节电机静置，这就给可变刚度机构的动力源提供了更灵活的布局方式选择；
4、采用本发明的一种基于轴向力的可变刚度机构及柔性关节，由于电磁铁定制相对容易，且外形不受限制，不仅可以实现让用户低成本定制，而且让可以让电磁铁内嵌到关节电机中，实现柔性关节的一体化设计。
附图说明
图1为本发明一种基于轴向力的可变刚度机构的结构剖面示意图；
图2为本发明一种基于轴向力的可变刚度机构三维结构示意图；
图3为本发明一种基于轴向力的可变刚度柔性关节的结构示意图；
图4为本发明一种基于轴向力的可变刚度柔性关节的结构剖面图；
图5为本发明一种基于轴向力的可变刚度柔性关节的刚度调节电机轴向示意图；
图6为本发明一种基于轴向力的可变刚度柔性关节的带有第二滑轨的结构示意图；
图7为本发明实施例2的结构示意图；
附图标记：1、基座；2、电磁铁；3、铁芯；4、刚度调节件；5、簧片；6、关节输出端；7、球铰；8、关节电机；9、刚度调节电机；101、键槽；102、关节输出端约束轴；103、导向销；301、键；401、簧片约束孔；402、导向孔；601、关节输出安装孔；602、关节输出轴孔；603、关节输出端约束孔；801、电机输出端；802、空心轴；902、螺杆；903、螺杆球铰；904、第一滑轨；8021、第一滑道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
一种基于轴向力的可变刚度机构，包括基座1、动力单元、驱动杆、刚度调节件4、簧片5和关节输出端6。所述动力单元固定设于所述基座1上，通过驱动杆与刚度调节件4连接，连接方式视动力单元类型而定。所述刚度调节件4上设有用于约束簧片5的簧片约束孔401，所述刚度调节件4设于基座和关节输出端之间。所述簧片5至少有两个，并绕轴均匀布置，所述簧片5的一端固设于基座1上，另一端穿过所述簧片约束孔401铰接于关节输出端6上。
所述铰接优选球铰连接，由于关节输出端6相对基座1转动时，给簧片5同时提供了沿关节输出端6切向的力和扭力，因此这里用球铰可以消除扭力的作用，简化簧片的受力，方便进行簧片的受力分析。
根据动力单元的种类不同，所述基于轴向力的可变刚度机构可分为以下几种方案。
实施例1
所述动力单元为电磁铁，所述驱动杆为铁芯。具体为：
如图1和图2所示的一种基于轴向力的可变刚度机构，包括基座1、电磁铁2、铁芯3、刚度调节件4、簧片5、关节输出端6和球铰7。所述电磁铁2固定设于所述基座1上，所述铁芯3穿过电磁铁2并与刚度调节件4固连。所述刚度调节件4设有用于约束簧片5的簧片约束孔401，并设于基座1和关节输出端6之间。所述铁芯3和基座1对应设有用于约束铁芯3沿轴向运动的键301和键槽101。所述键301和键槽101可以有多组，用于防止铁芯3和基座1之间产生相对转动，所述簧片5至少有两个，绕驱动杆均匀布置。所述簧片5一端设于基座1上，另一端穿过所述簧片约束孔401通过球铰7活动设于关节输出端7上。所述的基座1和关节输出端6对应设有关节输出端约束轴102和关节输出端约束孔603，用于保证关节输出端相6对基座1同轴转动。当基座旋转时铁芯连同刚度调节件同步旋转。
一种基于轴向力的可变刚度机构的刚度调节方法，包括以下步骤：
第一步，电磁铁2驱动铁芯3轴向移动；
第二步，铁芯3驱动刚度调节件4轴向移动；
第三步，刚度调节件4上的簧片约束孔401相对簧片5移动，改变簧片5的有效工作长度，进而达到改变可变刚度机构的刚度的目的。
实施例2
如图7所示，所述动力单元为刚度调节电机9，所述驱动杆为螺杆902。具体为：所述刚度调节电机9与螺杆902固定连接。所述基座1和刚度调节件4上开有与螺杆对应的螺纹孔，所述螺杆902与螺纹孔配合驱动刚度调节件4轴向运动，以改变簧片5的有效工作长度。
实施例3
如图4所示，所述动力单元为刚度调节电机，所述驱动杆为螺杆。具体为：所述基座1上开有与螺杆对应的螺纹孔，所述关节电机的空心轴802和刚度调节电机9上对应设有用于刚度调节电机轴向运动的第一滑道8021和第一滑轨904，所述第一滑道8021与第一滑轨904配合，所述螺杆穿过所述螺纹孔且另一端端部与所述刚度调节件通过螺杆球铰903转动连接，即刚度调节电机通过所述螺杆组成的运动副驱动自身轴向运动，进而通过螺杆驱动刚度调节件轴向运动，实现改变簧片有效工作长度的目的。
实施例4
所述动力单元为气缸或液压缸，所述驱动杆为活塞杆，具体为：
所述活塞杆一端端部与刚度调节件4固定连接，所述活塞杆和基座1对应设有用于防止活塞杆轴向转动的键301和键槽101，所述键101和键槽301可以有多组，所述气缸或液压缸通过驱动活塞杆进而驱动刚度调节件4沿轴运动，达到改变簧片5有效工作长度进而改变可变刚度机构的刚度的目的，当基座1旋转时活塞杆连同刚度调节件4同步旋转。
实施例5
所述动力单元为电磁铁，所述驱动杆为铁芯，具体为：所述铁芯一端端部与刚度调节件4转动连接，所述基座1上还设有导向销103；所述刚度调节件4上开有与导向销103配合的导向孔402，以保证所述刚度调节件4通过导向销103与基座1同步转动。所述导向销103和导向孔402可以有多组，所述电磁铁通过驱动铁芯进而驱动刚度调节件沿轴运动，达到改变簧片有效工作长度进而改变可变刚度机构的刚度的目的，当基座旋转时，铁芯不转，刚度调节件同步旋转。
实施例6
所述动力单元为气缸或液压缸，所述驱动杆为活塞杆，具体为：所述活塞杆一端端部与刚度调节件转动连接，所述基座1上还设有导向销103；所述刚度调节件4上开有与导向销103配合的导向孔402，以保证所述刚度调节件4通过导向销103与基座1同步转动。所述导向销103和导向孔402可以有多组，所述气缸或液压缸通过驱动活塞杆进而驱动刚度调节件沿轴运动，达到改变簧片有效工作长度进而改变可变刚度机构的刚度的目的，当基座旋转时，活塞杆不转，刚度调节件同步旋转。
由于电磁铁和铁芯之间、气缸或液压缸(动力单元)与活塞杆(驱动杆)之间都可等效于柱面约束，动力单元仅提供铁芯运动的轴向力，因此动力单元可以相对驱动杆转动(此时动力单元设于关节电机外壳或与外壳固定的零件上)，也可以相对驱动杆不转动(此时动力单元设于关节电机的输出端上)。
优选地，所述的基座1上设有环形凹槽，所述关节输出端对应设有环形凸起，两者配合作为关节输出端约束机构603，用于保证所述关节输出端绕中心轴转动。
如图3所示，本发明还提供了一种基于轴向力的可变刚度机构的柔性关节，包括关节电机8、刚度调节电机9和所述可变刚度机构。所述刚度调节电机9与关节电机8连接。所述的关节电机8设有电机输出端801，所述基座1固定设于所述电机输出端801上。
优选地，所述的关节电机8设有用于容置可变刚度机构中动力单元的中空轴，所述的中空轴与关节电机的输出端固连，且中空轴延伸至所述关节电机输出端外端面，用于容置所述可变刚度机构中的驱动杆。
优选地，所述的关节电机8设有用于容置可变刚度机构中驱动杆的中空轴，所述的中空轴的中空特征一端延伸至所述关节电机的输出端外端面，另一端为通孔，所述可变刚度机构的动力单元固设于电机尾部外壳上，所述的驱动杆两端分别连接所述动力单元和刚度调节件4。
本发明公开的基于轴向力的可变刚度机构的工作过程为：首先所述动力单元驱动驱动杆提供轴向力；驱动杆再驱动动刚度调节件轴向移动；最后刚度调节件上的簧片约束孔相对簧片移动，改变簧片的有效工作长度，进而达到改变可变刚度机构的刚度的目的。
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。

Claims (8)

1.一种基于轴向力的可变刚度机构，其特征在于：包括基座（1）、动力单元、驱动杆、刚度调节件（4）、簧片（5）和关节输出端（6）；所述动力单元固定设于所述基座（1）上，通过驱动杆与刚度调节件（4）连接，所述刚度调节件（4）开有用于约束簧片（5）的簧片约束孔（401），并位于基座（1）和关节输出端（6）之间；所述簧片（5）的一端与基座（1）连接，另一端与关节输出端（6）活动连接。
2.如权利要求1所述的基于轴向力的可变刚度机构，其特征在于：所述簧片（5）至少有两个，绕驱动杆均匀布置；所述簧片（5）的一端穿过所述簧片约束孔（401）固设于基座（1）上，另一端穿过所述簧片约束孔（401）铰接于关节输出端（6）上。
3.如权利要求2所述的基于轴向力的可变刚度机构，其特征在于：所述簧片（5）的另一端穿过所述簧片约束孔（401）通过球铰与关节输出端（6）连接。
4.如权利要求1所述的基于轴向力的可变刚度机构，其特征在于：所述基座（1）上设有关节输出端约束轴（102）；所述关节输出端（6）上对应设有关节输出端约束孔（603），以保证关节输出端（6）相对基座（1）同轴转动。
5.如权利要求1所述的基于轴向力的可变刚度机构，其特征在于：所述基座（1）开有键槽（101）；所述驱动杆对应设有键（301），以防止驱动杆轴向转动；所述驱动杆的一端端部与刚度调节件（4）活动连接。
6.如权利要求5所述的基于轴向力的可变刚度机构，其特征在于：所述动力单元为电磁铁、气缸或液压缸；所述驱动杆为铁芯或活塞杆。
7.如权利要求1所述的基于轴向力的可变刚度机构，其特征在于：所述基座（1）上还设有导向销（103）；所述刚度调节件（4）上开有与导向销（103）配合的导向孔（402），以保证所述刚度调节件（4）通过导向销（103）与基座（1）同步转动。
8.一种基于轴向力的柔性关节，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的可变刚度机构、关节电机（8）和刚度调节电机（9）；所述刚度调节电机（9）与关节电机（8）连接；所述关节电机（8）设有电机输出端（801）；所述可变刚度机构的基座（1）与电机输出端（801）固定连接。
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