CN117359677A - 一种用于粗糙壁面爬壁机器人的可变刚度柔性关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于粗糙壁面爬壁机器人的可变刚度柔性关节，该关节的壳体为圆筒形结构，并用作输出轴；输入轴与壳体同轴设置；位置电机与输入轴传动连接；凸轮轴同轴安装于输入轴内；刚度电机与凸轮轴固定连接；凸轮同轴固定安装于凸轮轴的另一端；凸轮为花瓣形结构；输入轴端面上分布有滑动机构；滑动机构包括滑座、滑块、弹性件、凸轮滚子以及两个滚动挡块；滑座沿输入轴的径向延伸；凸轮与凸轮滚子相抵接；在输入轴的外周面固定连接有弹簧片；弹簧片的中部从两个滚动挡块之间穿过；弹簧片的另一端由固定于外壳的两个圆柱挡块卡在中间；滑座通过支架转动支承于壳体。上述关节能够灵活地调节关节的刚度，并且刚度的调节范围较大。

Description

一种用于粗糙壁面爬壁机器人的可变刚度柔性关节

技术领域

本发明涉及仿生机器人技术领域，具体涉及一种用于粗糙壁面爬壁机器人的可变刚度柔性关节。

背景技术

目前，机器人技术已经广泛的应用于人们的日常生活中，极大的节约劳动力成本，避免了因作业环境恶劣而造成的人身危险。在一些建筑、探测等领域，爬壁机器人得到了广泛的应用。目前爬壁机器人已经广泛的应用于光滑壁面的检测工作。但对于以粗糙混凝土、方砖和岩石为材料、处于小幅度振动的高空壁面，当机器人与这些复杂环境交互时，存在着不可忽视的不确定性。如果机器人在与周围的环境产生碰撞不能及时变换刚度而继续以很高的刚度运动，不但不能根据壁面环境更好的抓附壁面，而且在面对复杂的壁面环境时，爬壁机器人在爬壁时不具有灵活性和适应性。

现有技术中的粗糙壁面爬壁机器人，仍然存在不足：一方面，现有变刚度的机构中原理和结构过于复杂，以至于加工制造困难，所用元件较多，其体积和重量较大，增加了爬壁机器人的负荷；另一方面，在爬壁机器人所作业的壁面环境中，壁面凹凸特征间的软硬程度范围较大，为了使爬壁机器人根据壁面软硬程度调整适合的关节刚度，从而更好的抓附在壁面上，使爬壁机器人在抓附墙壁时有更好的灵活性和适应性。但现有关节刚度调整范围小、调整不便，制约了爬壁机器人的使用范围、灵活性和适应性。

发明内容

本发明提供了一种用于粗糙壁面爬壁机器人的可变刚度柔性关节，该关节属于主动变刚度柔性关节，能够灵活地调节关节的刚度，并且刚度的调节范围较大。

本发明采用以下具体技术方案：

一种用于粗糙壁面爬壁机器人的可变刚度柔性关节，该关节包括壳体、输入轴、位置电机、凸轮轴、刚度电机、凸轮、滑动机构、弹簧片以及支架；

所述壳体为圆筒形结构，并用作输出轴；

所述输入轴为空心轴，与所述壳体同轴设置且能够相对所述壳体转动，一端位于所述壳体内，另一端位于所述壳体外侧；

所述位置电机位于所述壳体外侧，并与所述输入轴传动连接，用于驱动所述输入轴转动；

所述凸轮轴能够同轴转动地安装于所述输入轴内；

所述刚度电机与所述凸轮轴的一端固定连接，用于驱动所述凸轮轴转动；

所述凸轮位于所述壳体内且同轴固定安装于所述凸轮轴的另一端；所述凸轮为花瓣形结构，外周面由沿周向均匀分布的三个弧形凸起相连构成；

在所述壳体内的所述输入轴端面上分布有与所述弧形凸起一一对应的滑动机构；

所述滑动机构包括固定安装于所述输入轴的滑座、滑动配合于所述滑座内的滑块、固定连接于所述滑座与所述滑块之间的弹性件、固定连接于所述滑块一侧的凸轮滚子、以及固定连接于所述滑块另一侧的两个滚动挡块；所述滑座沿所述输入轴的径向延伸；

所述凸轮滚子的轴心线与所述输入轴的轴心线平行设置；

所述凸轮的外周面与所述凸轮滚子相抵接，用于与所述弹性件配合控制所述滑块沿所述凸轮轴的径向移动；

在所述输入轴的外周面固定连接有至少一个所述滑动机构位置对应的弹簧片；

所述弹簧片的中部从两个所述滚动挡块之间穿过；两个所述滚动挡块用于卡住所述弹簧片；

所述弹簧片的另一端由固定于所述外壳的两个圆柱挡块卡在中间；

所述滑座上固定连接有支架，所述支架转动支承于所述壳体。

更进一步地，所述位置电机与所述输入轴之间通过齿轮进行传动。

更进一步地，所述位置电机的电机轴上固定安装有小齿轮；

所述输入轴上固定安装有大齿轮；

所述小齿轮与所述大齿轮啮合。

更进一步地，所述滑座内固定连接有沿所述输入轴的径向延伸的滑杆；

所述滑杆贯穿所述滑块设置，用于对所述滑块进行滑动导向。

更进一步地，所述弹性件为圆柱形螺旋弹簧。

更进一步地，在所述滑座内设置有平行设置的两个所述滑杆。

更进一步地，每个所述滑杆上套设有一个所述圆柱形螺旋弹簧。

更进一步地，所述凸轮滚子和所述滚动挡块均通过转轴转动安装于所述滑块。

更进一步地，所述位置电机为步进电机。

更进一步地，所述弹簧片的数量为1-3个。

有益效果：

1、本发明的可变刚度柔性关节利用花瓣形结构的凸轮与弹性件的共同作用控制凸轮滚子和滑块沿滑座的径向位置，从而带动两个滚动挡块沿弹簧片滚动改变弹簧片的有效长度，从而改变关节的刚度，通过凸轮可明显减小关节的体积；通过凸轮的转动能够灵活地主动调节关节的刚度，并且刚度的调节范围较大。

2、本发明的可变刚度柔性关节还能够通过弹簧片的数量调节关节的刚度，弹簧片的数量可以在1-3之间进行选择，根据环境所要求的刚度范围的不同，可增减弹簧片的数量，达到刚度重构的功能。

附图说明

图1为本发明可变刚度柔性关节安装于机身的结构示意图；

图2为本发明可变刚度柔性关节的整体结构示意图；

图3为本发明可变刚度柔性关节的部分结构示意图；

图4为图3中结构的A-A截面剖视图；

图5为图3中部分结构的立体结构示意图；

图6为凸轮与滑动机构的配合示意图；

图7为图3中结构的爆炸结构示意图。

其中，1-机身，2-壳体，3-输入轴，4-位置电机，5-第一联轴器，6-凸轮轴，7-刚度电机，8-凸轮，9-弹簧片，10-支架，11-弧形凸起，12-滑座，13-滑块，14-弹性件，15-凸轮滚子，16-滚动挡块，17-圆柱挡块，18-滑杆，19-小齿轮，20-大齿轮，21-第一轴承，22-第二轴承，23-第三轴承，24-第四轴承，25-第五轴承，26-第二联轴器，27-支承轴，28-底板，29-顶盖，30-轴承端盖，31-套筒，32-方形键

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。

如图1、图2、图3和图4结构所示，本发明实施例提供了一种用于粗糙壁面爬壁机器人的可变刚度柔性关节，该关节包括壳体2、输入轴3、位置电机4、凸轮轴6、刚度电机7、凸轮8、滑动机构、弹簧片9以及支架10；

壳体2为圆筒形结构，内部为空腔，壳体2用作该关节的输出轴，壳体2包括底板28和顶盖29；如图3和图4结构所示，凸轮8、滑动机构、弹簧片9以及支架10均安装于壳体2内；

输入轴3为空心轴，与壳体2同轴设置且能够相对壳体2转动，一端位于壳体2内，另一端位于壳体2外侧；输入轴3用于输入动力；

如图2、图3、图4所示，位置电机4位于壳体2外侧，并与输入轴3传动连接，用于驱动输入轴3转动；位置电机4与输入轴3之间通过齿轮进行传动，也可以通过其它传动机构进行传动连接；当采用齿轮进行传动连接时，位置电机4的电机轴上固定安装有小齿轮19，位置电机4的电机轴与小齿轮19的齿轮轴之间通过第一联轴器5进行固定连接；输入轴3上固定安装有大齿轮20，大齿轮20可以通过嵌入输入轴3的键槽内的方形键32安装到输入轴3上；小齿轮19与大齿轮20啮合，通过小齿轮19与大齿轮20的啮合传动能够进行减速；位置电机4可以为步进电机；

凸轮轴6能够转动地安装于输入轴3内且与输入轴3同轴设置；刚度电机7与凸轮轴6的一端固定连接，用于驱动凸轮轴6转动；如图4所示，凸轮轴6的底端通过第二联轴器26与刚度电机7的电机轴固定连接，顶端通过第四轴承24支承于凸轮轴6内；凸轮轴6与输入轴3的中心孔之间具有间隙，使得凸轮轴6能够在输入轴3内自由转动；

如图4和图5所示，凸轮8位于壳体2内且同轴固定安装于凸轮轴6的另一端；凸轮8为花瓣形结构，外周面由沿周向均匀分布的三个弧形凸起11相连构成；凸轮8为三瓣式结构，每个花瓣均为弧形凸起11，弧形凸起11的外周面均为光滑边缘；

在壳体2内的输入轴3端面上分布有与弧形凸起11一一对应的滑动机构；凸轮8设置有3个弧形凸起11，对应地在输入轴3的顶部端面固定连接有三个滑动机构；

如图5、图6以及图7所示，每个滑动机构均包括固定安装于输入轴3的滑座12、滑动配合于滑座12内的滑块13、固定连接于滑座12与滑块13之间的弹性件14、固定连接于滑块13一侧的凸轮滚子15、以及固定连接于滑块13另一侧的两个滚动挡块16；滑座12沿输入轴3的径向延伸，滑座12用于为滑块13提供滑动轨道，限制滑块13只能沿凸轮8的径向滑动；滑座12上固定连接有支架10，支架10转动支承于壳体2；滑座12靠近凸轮轴6的一端固定安装于输入轴3的顶端面，滑座12远离凸轮轴6的一端固定连接有支架10，通过滑座12将输入轴3和支架10连为一体，支架10的顶部与支承轴27连为一体，支承轴27通过第五轴承25转动安装于壳体2的顶盖29中心，并在第五轴承25的顶部安装有限位用的轴承端盖30，使得在位置电机4的驱动下输入轴3、滑座12以及支架10能够作为整体相对壳体2转动；凸轮滚子15的轴心线与输入轴3的轴心线平行设置；凸轮8的外周面与凸轮滚子15相抵接，用于与弹性件14配合控制滑块13沿凸轮轴6的径向移动；在输入轴3的外周面固定连接有至少一个滑动机构位置对应的弹簧片9；弹簧片9的数量可以为1-3个，如：1个、2个、3个，在图中以设置有3个弹簧片9为例进行说明；凸轮滚子15和滚动挡块16均通过转轴转动安装于滑块13；

凸轮8的外周面与凸轮滚子15抵接，凸轮滚子15固定连接于滑块13，在滑块13与滑座12之间固定连接有弹性件14，弹性件14可以为圆柱形螺旋弹簧；弹性件14与凸轮8分别位于滑块13的两侧，凸轮8、滑块13与弹性件14沿凸轮8的径向由内向外依次相接，通过刚度电机7的驱动力与弹性件14的弹力共同作用控制滑块13的径向位置，进而通过滑块13带动两个滚动挡块16沿弹簧片9滚动，从而控制弹簧片9的有效长度；弹簧片9的有效长度为滚动挡块16与圆柱挡块17之间的部分；弹簧片9的有效长度越长，弹簧片9的弹性就越大，则刚度就越小，反之，弹簧片9的有效长度越短，弹簧片9的弹性就越小，则刚度就越大；

弹簧片9的中部从两个滚动挡块16之间穿过；两个滚动挡块16用于卡住弹簧片9；弹簧片9的另一端由固定于外壳的两个圆柱挡块17卡在中间，如图5所示，圆柱挡块17固定安装于壳体2的底板28上。

在图1中示意了上述可变刚度柔性关节在安装于机身1时的结构示意图，与位置电机4的电机轴固定连接的小齿轮19的齿轮轴通过第一轴承21转动安装于机身1，与刚度电机7固定连接的输入轴3通过第二轴承22能够相对转动地安装于机身1，同时输入轴3还通过第三轴承23转动安装于壳体2的底板28，通过第二轴承22和第三轴承23对输入轴3进行支承；在第二轴承22与大齿轮20之间还可以安装有用于轴向限位的套筒31。

在输入轴3的外周面固定连接有至少一个与滑动机构位置对应的弹簧片9，在位置电机4的驱动下，弹簧片9随着输入轴3一起转动，弹簧片9推动固定于底板28的圆柱挡块17同底板28一起转动，底板28与顶盖29固定连接，从而使作为输出轴的壳体2转动，达到动力输出的目的。

为了使滑块13和弹簧平稳滑动，对滑块13和弹簧进行导向，如图4和图6所示，滑座12内固定连接有沿输入轴3的径向延伸的滑杆18；滑杆18贯穿滑块13设置，用于对滑块13进行滑动导向；在滑座12内设置有平行设置的两个滑杆18，每个滑杆18上套设有一个圆柱形螺旋弹簧，通过两个滑杆18能够使滑块13始终沿两个滑杆18所处的平面滑动，同时配合套设在每个滑杆上的一个圆柱形螺旋弹簧，使得滑块13受力均衡，使滑块沿滑杆18的轴向稳定滑动。

上述可变刚度柔性关节的工作原理为：刚度电机7通过凸轮轴6带动凸轮8转动，在弹性件14的作用下凸轮8的外周面与凸轮滚子15始终接触，通过凸轮8驱动滑块13沿凸轮8的径向移动，滑块13带动滚动挡块16沿凸轮8的径向移动，从而改变弹簧片9的有效长度，通过弹簧片9的有效长度改变关节的刚度。位置电机4通过啮合的小齿轮19和大齿轮20、输入轴3、弹簧片9带动壳体2转动。

上述可变刚度柔性关节利用花瓣形结构的凸轮8与弹性件14的共同作用控制凸轮滚子15和滑块13沿滑座12的径向位置，从而带动两个滚动挡块16沿弹簧片9滚动改变弹簧片9的有效长度，从而改变关节的刚度，通过凸轮8可明显减小关节的体积；通过凸轮8的转动能够灵活地主动调节关节的刚度，并且刚度的调节范围较大。

上述可变刚度柔性关节还能够通过弹簧片9的数量调节关节的刚度，弹簧片9的数量可以在1-3个之间进行选择，根据环境所要求的刚度范围的不同，可增减弹簧片9的数量，达到刚度重构的功能。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种用于粗糙壁面爬壁机器人的可变刚度柔性关节，其特征在于，包括壳体、输入轴、位置电机、凸轮轴、刚度电机、凸轮、滑动机构、弹簧片以及支架；

所述壳体为圆筒形结构，并用作输出轴；

所述输入轴为空心轴，与所述壳体同轴设置且能够相对所述壳体转动，一端位于所述壳体内，另一端位于所述壳体外侧；

所述位置电机位于所述壳体外侧，并与所述输入轴传动连接，用于驱动所述输入轴转动；

所述凸轮轴能够同轴转动地安装于所述输入轴内；

所述刚度电机与所述凸轮轴的一端固定连接，用于驱动所述凸轮轴转动；

所述凸轮位于所述壳体内且同轴固定安装于所述凸轮轴的另一端；所述凸轮为花瓣形结构，外周面由沿周向均匀分布的三个弧形凸起相连构成；

在所述壳体内的所述输入轴端面上分布有与所述弧形凸起一一对应的滑动机构；

所述滑动机构包括固定安装于所述输入轴的滑座、滑动配合于所述滑座内的滑块、固定连接于所述滑座与所述滑块之间的弹性件、固定连接于所述滑块一侧的凸轮滚子、以及固定连接于所述滑块另一侧的两个滚动挡块；所述滑座沿所述输入轴的径向延伸；

所述凸轮滚子的轴心线与所述输入轴的轴心线平行设置；

所述凸轮的外周面与所述凸轮滚子相抵接，用于与所述弹性件配合控制所述滑块沿所述凸轮轴的径向移动；

在所述输入轴的外周面固定连接有与至少一个所述滑动机构位置对应的弹簧片；

所述弹簧片的中部从两个所述滚动挡块之间穿过；两个所述滚动挡块用于卡住所述弹簧片；

所述弹簧片的另一端由固定于所述外壳的两个圆柱挡块卡在中间；

所述滑座上固定连接有支架，所述支架转动支承于所述壳体。

2.如权利要求1所述的关节，其特征在于，所述位置电机与所述输入轴之间通过齿轮进行传动。

3.如权利要求2所述的关节，其特征在于，所述位置电机的电机轴上固定安装有小齿轮；

所述输入轴上固定安装有大齿轮；

所述小齿轮与所述大齿轮啮合。

4.如权利要求1所述的关节，其特征在于，所述滑座内固定连接有沿所述输入轴的径向延伸的滑杆；

所述滑杆贯穿所述滑块设置，用于对所述滑块进行滑动导向。

5.如权利要求4所述的关节，其特征在于，所述弹性件为圆柱形螺旋弹簧。

6.如权利要求5所述的关节，其特征在于，在所述滑座内设置有平行设置的两个所述滑杆。

7.如权利要求6所述的关节，其特征在于，每个所述滑杆上套设有一个所述圆柱形螺旋弹簧。

8.如权利要求1-7任一项所述的关节，其特征在于，所述凸轮滚子和所述滚动挡块均通过转轴转动安装于所述滑块。

9.如权利要求1-7任一项所述的关节，其特征在于，所述位置电机为步进电机。

10.如权利要求1-7任一项所述的关节，其特征在于，所述弹簧片的数量为1-3个。