CN116901127A - 一种变刚度转动关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种变刚度转动关节，涉及机器人活动关节技术领域，包括两关节单元和用于连接两关节单元的连杆，关节单元包括固定座和间隔固定在固定座上的若干极板，两关节单元中的极板均与供电装置电连接，且两关节单元中的极板极性相反并交错层叠设置，交错层叠设置的相邻极板之间的缝隙中填充有巨电流变液；连杆分布在极板的侧部，并交叉设置，连杆的两端分别与两关节单元中的固定座铰接；本发明将反四连杆旋转机构与巨电流变液剪切模式变刚度机构相结合，构成了特殊的转动结构；并通过调节巨电流变液两端电压实现转动刚度可调，无需其他驱动装置，结构更加简单，更易于减小转动关节的体积，有利于进行小型化、轻量化设计。

Description

一种变刚度转动关节

技术领域

本发明涉及机器人活动关节技术领域，特别是涉及一种变刚度转动关节。

背景技术

随着机器人技术的发展，机器人越来越多地进入到工业生产与生活当中，目前绝大多数机器人的结构是刚性的，这种机器人的优势在于模型精确，控制方便，负载能力大，适合于在结构化环境下完成劳动强度大、重复性高的任务。然而在航空航天以及医疗卫生领域，由于强调环境顺应性与交互友好性，柔软机器人的设计与研发逐渐受到重视。

作为柔性机器人的重要组成部分，柔性变刚度关节的设计当前主要基于机械式的变刚度原理，例如基于杠杆原理，通过改变关节输出与关节内置弹性单元的传递比来调节关节刚度，或者通过调节关节内置弹簧的预紧程度来调控关节刚度。这种机械式的变刚度方法往往还需要专门的电机来对刚度进行调节，使整个关节的体积以及制造成本进一步增大。

巨电流变液作为一种新型智能材料，其力学性能可调，响应速度快，给变刚度关节的设计带来了新的思路。相较于机械式的变刚度，巨电流变液作为一种液体新材料，其占用体积小，设计结构简单，有利于变刚度关节的小型化，此外，由于巨电流变液剪切屈服应力在场强控制下可以实现两个数量级以上的数值变化，因此该变刚度方法潜力巨大。

磁流变液也是一种可控的智能流体材料，与巨电流变液不同的是，磁流变液需要在磁场作用下才能实现流变效应，发明专利CN109015739B公开了“一种康复机器人变刚度柔性关节”，包括传动套筒、线圈骨架、主动隔环、从动盘、从动隔环、主动盘、大隔圈、线圈挡板、两个导磁端板、轴承端盖和输入轴，该发明采用的是传统离合器式的旋转机构设计，主动盘的力矩通过磁流变液传递至从动盘，通过调节磁场来改变磁流变液的力学性能，进而改变力矩传递效率，实现输出转动刚度的变化，由于该柔性关节仍然需要依靠转轴驱动，故一般只能选择马达作为动力源，限制了该变刚度柔性关节的使用场景。此外，线圈及相关零部件的存在增大了关节体积，同时使制造成本上升。

发明内容

本发明的目的是提供一种变刚度转动关节，以解决现有技术存在的问题，通过调节巨电流变液两端电压实现转动刚度可调，无需其他驱动装置，结构更加简单，更易于减小转动关节的体积，有利于进行小型化、轻量化设计。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种变刚度转动关节，包括两关节单元和用于连接两关节单元的连杆，所述关节单元包括固定座和间隔固定在所述固定座上的若干极板，两所述关节单元中的所述极板均与供电装置电连接，且两所述关节单元中的所述极板极性相反并交错层叠设置，交错层叠设置的相邻所述极板之间的缝隙中填充有巨电流变液；所述连杆分布在所述极板的侧部，并交叉设置，所述连杆的两端分别与两所述关节单元中的所述固定座铰接。

优选的，所述极板上还包覆有一层绝缘PI薄膜。

优选的，所述固定座上设置有固定夹持片和滑动夹持片，所述极板设置在所述固定夹持片与所述滑动夹持片之间，所述固定夹持片、所述滑动夹持片以及所述极板上均对应设置有至少两个通孔，所述连接件穿过所述通孔将三者固定。

优选的，所述关节单元中相邻所述极板之间设置有垫片，所述垫片上开设有所述通孔。

优选的，所述连接件为子母铆钉。

优选的，所述固定座上还固定有底座，所述固定夹持片固定在所述底座的端部，所述底座上设置有T型部，所述滑动夹持片具有与所述T型部适配的T型开口，所述滑动夹持片可滑动地设置在所述T型部上。

优选的，所述固定座上间隔设置有铰接孔，铰链销穿过所述铰接孔将所述连杆的端部铰接；在两所述连杆的端部连线方向上，所述铰接孔间隔设置有若干个。

优选的，所述固定座的端面上还设置有若干用于连接其他构件的连接孔。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明将反四连杆旋转机构与巨电流变液剪切模式变刚度机构相结合，构成了特殊的转动结构；并通过调节巨电流变液两端电压实现转动刚度可调。另外，本发明中的变刚度转动关节仅在巨电流变液两端施加电压即可，无需其他驱动装置，结构更加简单，更易于减小转动关节的体积，有利于进行小型化、轻量化设计。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中转动关节的整体结构示意图；

图2为图1的侧视图；

图3为图1的主视图；

图4为底座的结构示意图；

图5为固定夹持片的结构示意图；

图6为滑动夹持片的结构示意图；

图7为一种双自由度变刚度转动关节的结构示意图；

其中，1、连杆；2、固定座；3、极板；4、底座；5、固定夹持片；6、滑动夹持片；7、T型部；8、T型开口；9、铰接孔；10、铰链销；11、垫片。

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做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。

本发明的目的是提供一种变刚度转动关节，以解决现有技术存在的问题，通过调节巨电流变液两端电压实现转动刚度可调，无需其他驱动装置，结构更加简单，更易于减小转动关节的体积，有利于进行小型化、轻量化设计。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1～图7所示，本实施例提供一种变刚度转动关节，包括结构相同的两关节单元、用于连接两关节单元的四根连杆1，关节单元包括端面呈圆形的固定座2和间隔固定在固定座2上的若干极板3，两关节单元中的极板3均与供电装置电连接，且两关节单元中的极板3的电极性相反。具体的，其中一关节单元中的极板3接直流电正极，另一关节单元中的极板3接直流电负极，接正电极的极板3与接负电极的极板3交错层叠设置，且交错层叠设置的相邻极板3之间的缝隙中填充有巨电流变液。四根连杆1两两一组分别交叉设置在极板3的侧部，连杆1的两端分别与两关节单元中的固定座2铰接。

当给巨电流变液两端施加电压时，由于流变效应，巨电流变液转化成类固体形态，使极板3剪切力增大，从而使关节转动阻力增大，关节转动刚度也因此增大，并且上述增大效果随着电压增加而愈发显著。从而，调节施加电压可以改变关节的转动刚度。

因此，本实施例将反四连杆1旋转机构与巨电流变液剪切模式变刚度机构相结合，构成了特殊的转动结构；并通过调节巨电流变液两端电压实现转动刚度可调。另外，本实施例中的变刚度转动关节仅在巨电流变液两端施加电压即可，无需其他驱动装置，结构更加简单，更易于减小转动关节的体积，有利于进行小型化、轻量化设计。

需要说明的是，巨电流变液是一种粘度较高的流体，如果只是为了短时间的实验并且具有变刚度效果，那么只需要在极板3表面涂抹一层巨电流变液即可。由于相邻极板3的间隙非常小，巨电流变液在两侧极板3上的附着力能够抵消大部分的重力，所以可以较长时间的保留在极板3间隙中。如果是用于实际工程结构中，为了防止巨电流变液泄露，可以采用由硅胶、橡胶等一类的软材料做成的套筒将整个变刚度关节进行包覆，并在其中充满巨电流变液即可。

进一步的，极板3上还包覆有一层厚度可以忽略的绝缘PI薄膜用以防止异性极板3接触短路。并且同一关节单元中的极板3之间通过垫片11隔开。本实施例中极板3的厚度为0.1mm，垫片11的厚度为0.9mm，相邻异性极板3间隙则为0.4mm。在电压可控的范围内，变刚度转动关节的刚度变化范围由极板3层叠数量、极板3重叠面积以及相邻异性极板3间隙大小共同决定。极板3层叠数量越多、极板3重叠面积越大、相邻异性极板3间隙越小，关节刚度变化范围越大，换言之，改变极板3数量、重叠面积或间隙也可以改变转动关节的刚度并直接影响其变化范围的上限。

关节单元中固定座2上设置有底座4、固定夹持片5和滑动夹持片6，底座4通过螺栓可拆卸地固定在固定座2上，固定夹持片5通过螺栓可拆卸地固定在底座4端部，底座4上还具有T型部7，滑动夹持片6具有与T型部7适配的T型开口8，滑动夹持片6可滑动地设置在T型部7上。极板3设置在固定夹持片5与滑动夹持片6之间，固定夹持片5、垫片11、滑动夹持片6以及极板3上均对应设置有至少两个通孔，子母铆钉穿过通孔将四者固定。将滑动夹持片6松开，可以移动滑动夹持片6的位置，来改变极板3的层叠数量，达到调节转动关节刚度变化上限的作用。在使用滑动夹持片6与固定夹持片5将垫片11与极板3夹紧之前，可以用裸露的细铜线将垫片11与极板3根部绑紧并引出一段与电源相连，实现电连接。

固定座2上间隔设置有铰接孔9，铰链销10穿过铰接孔9将连杆1的端部铰接；在两连杆1的端部连线方向上，铰接孔9间隔设置有若干个。当连杆1连接最内侧的铰接孔9时，变刚度转动关节高度为最高。除此高度调节方法外，还可以改变连杆1的长度来改变关节高度。当然，连杆1的长度也有最低限度，若连杆1非常短，那么变刚度转动关节旋转范围将非常小甚至无法转动。

固定座2的端面上还设置有若干用于连接其他构件的连接孔。将两个转动关节进行串联，能够提高将一个单自由度转动关节绕笛卡尔坐标系的z轴(即竖轴)偏置90度后再与另一个单自由度变刚度转动关节通过螺栓、连接孔连接串联起来，可以构成一个双自由度变刚度转动关节，进一步拓展了本实施例所提供的变刚度转动关节应用场景。

本实施例中变刚度转动关节零部件材质除连杆1采用高强度的碳纤维材料以及极板3采用高柔性的弹簧钢外，底座4、固定夹持片5、滑动夹持片6均由绝缘ABS材料采用光固化3D打印制成以避免异性电极通过关节支撑结构导通，其余未提及零部件均由易加工的铝材制造而成。

根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (8)

1.一种变刚度转动关节，其特征在于，包括两关节单元和用于连接两关节单元的连杆，所述关节单元包括固定座和间隔固定在所述固定座上的若干极板，两所述关节单元中的所述极板均与供电装置电连接，且两所述关节单元中的所述极板极性相反并交错层叠设置，交错层叠设置的相邻所述极板之间的缝隙中填充有巨电流变液；所述连杆分布在所述极板的侧部，并交叉设置，所述连杆的两端分别与两所述关节单元中的所述固定座铰接。

2.根据权利要求1所述的变刚度转动关节，其特征在于，所述极板上还包覆有一层绝缘PI薄膜。

3.根据权利要求1所述的变刚度转动关节，其特征在于，所述固定座上设置有固定夹持片和滑动夹持片，所述极板设置在所述固定夹持片与所述滑动夹持片之间，所述固定夹持片、所述滑动夹持片以及所述极板上均对应设置有至少两个通孔，所述连接件穿过所述通孔将三者固定。

4.根据权利要求3所述的变刚度转动关节，其特征在于，所述关节单元中相邻所述极板之间设置有垫片，所述垫片上开设有所述通孔。

5.根据权利要求4所述的变刚度转动关节，其特征在于，所述连接件为子母铆钉。

6.根据权利要求3所述的变刚度转动关节，其特征在于，所述固定座上还固定有底座，所述固定夹持片固定在所述底座的端部，所述底座上设置有T型部，所述滑动夹持片具有与所述T型部适配的T型开口，所述滑动夹持片可滑动地设置在所述T型部上。

7.根据权利要求1～6任意一项所述的变刚度转动关节，其特征在于，所述固定座上间隔设置有铰接孔，铰链销穿过所述铰接孔将所述连杆的端部铰接；在两所述连杆的端部连线方向上，所述铰接孔间隔设置有若干个。

8.根据权利要求7所述的变刚度转动关节，其特征在于，所述固定座的端面上还设置有若干用于连接其他构件的连接孔。