CN205614699U - 一种双电机驱动的机器人变刚度弹性关节 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双电机驱动的机器人变刚度弹性关节，包括位于同一旋转轴线上的输出轴、柔性传动机构，驱动端，所述驱动端包括两个同轴地驱动连接于所述柔性传动机构两端的空心轴驱动电机，所述的输出轴与所述柔性传动机构中部固定连接且一端穿过并延伸至空心轴驱动电机的空心轴外，所述输出轴在受到不同负载冲击时通过两空心轴驱动电机改变两个电机之间的转动夹角调整柔性传动机构驱动所述输出轴转动时的力臂长度实现刚度调整，实现弹性缓冲。本实用新型设计的双电机驱动的刚度可调的机器人弹性关节，其特点是实时响应速度快、调节精度高，提高了机器人的安全性与对环境的友好度，简单轻便，通用性强，应用范围广泛。

Description

一种双电机驱动的机器人变刚度弹性关节

技术领域

本实用新型涉及一种机器人仿生关节，具体为一种双电机驱动的刚度可调的机器人弹性关节，该装置可以适用于各种关节型机器人，提高机器人的安全性与对环境的友好度。

背景技术

长期以来，传统的机器人关节设计理论认为，对于动力驱动装置与关节铰链之间的机械连接方式应优先考虑刚度较大的传动机构。因此，在工业机器手臂、仿生多足机器人以及康复医疗假肢等关节机器人的研究中，普遍采用电机输出轴与关节机构进行刚性连接的驱动方案，其优势在于结构简单、定位精准、响应快速，从而满足各种操作与应用的需求。但这种驱动方案由于缺乏柔顺性使得机器人更容易受到外部冲击的影响而损坏，甚至对与之协作的人类造成伤害，同时对于机器人实现自调整接触、低能耗运动等目标也存在不足和缺憾。变刚度弹性驱动关节能够使柔性机械臂系统像人类肌肉一样，遇到冲击的时候能够适当的弯曲，从而缓冲碰撞等产生的能量，同时获得像生物体一样的触觉，感知外界阻力以便产生反应，从而达到保护手臂和环境的作用。另外，像肌肉一样吸收、存储、再次利用能量，不仅提高了能量利用率，而且从一定程度上消除机械震荡，减轻零部件的机械损伤。

目前，国内对弹性关节的研究还非常少。经对现有技术文献的检索发现，从现有公开的串联弹性驱动关节看，大部分不具有刚度调节功能，如江苏大学杨启志等提出一种基于阿基米德螺线弹性体的柔弹性关节，专利公开号CN105082170A，其弹性体采用两片圆形弹簧片，弹簧片上开有阿基米德螺线槽以增加关节柔性，该装置虽然结构紧凑但运动范围有限且不能进行刚度调节。即使目前有极少数该弹簧片装置带有刚度调节，也存在集成度较低、较为笨重、通用性较差等问题，如北京理工大学黄强等人提出的一种可变刚度的机器人关节，专利公开号CN104440936A，关节上安装了一片主摩擦片和两片副摩擦片，在螺栓施加预紧力作用下产生摩擦力，利用摩擦片的摩擦特性进行刚度调节，但是摩擦片属于消耗品，使用一段时间后就会丧失原有功能需要定期更换，且其只设两级刚度调节，不能实现线性可调的刚度特性。更重要的是，目前已公开的刚度可调柔性关节均使用了一个电机负责驱动关节，另一个电机调节刚度，而不负责驱动关节，如此对于刚度调节电机的动力形成了浪费；而如果使用低性能刚度调节电机，则又难以保障在遇到碰撞的情况下，关节刚度可以及时进行调整。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有机器人关节设计上的不足，提出一种双电机驱动的机器人变刚度弹性关节，它能安装于大多数采用转动关节的机器人上。本实用新型使用两个驱动电机同时驱动关节，同时，两个电机之间的夹角通过四连杆机构调节弹簧片的有效长度，改变关节刚度，实现弹性缓冲。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种双电机驱动的机器人变刚度弹性关节，包括位于同一旋转轴线上的输出轴、柔性传动机构，驱动端，所述驱动端包括两个同轴地驱动连接于所述柔性传动机构两端的空心轴驱动电机，所述的输出轴与所述柔性传动机构中部固定连接且一端穿过并延伸至空心轴驱动电机的空心轴外，所述输出轴在受到不同负载冲击时通过两空心轴驱动电机改变两个电机之间的转动夹角调整柔性传动机构驱动所述输出轴转动时的力臂长度实现刚度调整。

进一步地，所述的柔性传动机构包括弹性传力机构和刚性调节机构，所述弹性传力机构同轴地固定于输出轴上，所述的刚性调节机构两端分别连接空心轴驱动电机，中部与所述弹性传力机构滑动连接。

进一步地，所述的驱动端还包括分别设置于柔性传动机构两端、用于固定两个空心轴驱动电机壳体的固定板。

进一步地，所述弹性传力机构包括固定在输出轴上的弹簧座、一端沿输出轴径向均匀固定在弹簧座上的若干矩形弹簧片，所述弹簧片长度方向的两侧面与刚性调节机构滑动连接。

进一步地，所述的刚性调节机构包括同轴设置的环形第一传动板和环形第二传动板、位于第一传动板和第二传动板之间的若干第一传动连杆、第二传动连杆和滑块机构，所述第一传动板与所述第一空心轴驱动电机的输出端相连，所述第二传动板与所述第二空心轴驱动电机的输出端相连；各第一传动连杆一端沿周向均匀铰接在第一传动板边缘，另一端分别与各个滑块机构上端活动铰接；各第二传动连杆一端沿周向均匀铰接在第二传动板边缘，另一端分别与各个滑块机构下端活动铰接；所述滑块机构中部与所述弹簧片长度方向的两侧面紧密接触且可沿所述弹簧片长度方向往复移动。

两台电机共同协作，通过两个电机之间的转动夹角变化，调整所述柔性传动机构的刚性调节机构调节弹簧片的有效长度，改变关节刚度，实现弹性缓冲，即当所述第一空心轴驱动电机与第二空心轴驱动电机之间的夹角改变时，带动所述第一传动板、第二传动板的夹角改变，进而移动各传动连杆，进而移动各滑块机构沿弹簧片滑动，调整弹簧片的有效长度，改变关节刚度，实现弹性缓冲。

进一步地，所述滑块机构包括调节滑块，所述调节滑块的中部贯穿地设有供所述弹簧片穿过的挖空部，所述挖空部内对称设置有两个夹紧并可沿弹簧片长度方向的两侧面滚动的辊轴。

进一步地，所述辊轴通过滚动轴承及销轴安装于所述弹簧片的挖空部内。

本实用新型相比现有技术具有以下优点：

1)采用双驱动电机提供动力，共同驱动柔性关节提高工作效率，实时响应速度快、调节精度高。

2)两台驱动电机共同协作，调节弹簧片的工作长度，改变关节的刚度调节实现了从全刚性到极大柔性的调节，像肌肉一样吸收、存储、再次利用能量，不仅提高了能量利用率，而且从一定程度上消除机械震荡，减轻零部件的机械损伤，对环境友好，具有更高安全性。

3)整个关节结构紧凑，简单轻便，通用性强，应用范围广泛。

附图说明

图1示出了刚度可调弹性关节的总体结构示意图。

图2示出了刚度可调弹性关节的输出轴结构图。

图3示出了刚度可调弹性关节的柔性传动机构示意图。

图中：1第一固定板，2第二固定板，3第一空心轴驱动电机，4第二空心轴驱动电机，5柔性传动机构，6第一传动板，7第二传动板，8第一传动连杆，9第二传动连杆，10调节滑块，11输出轴，12弹簧座，13弹簧片。

具体实施方式

下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

如图1至图3所示，一种双电机驱动的机器人变刚度弹性关节，包括位于同一旋转轴线上的输出轴11、柔性传动机构5，驱动端，所述驱动端包括两个同轴地驱动连接于所述柔性传动机构5两端的空心轴驱动电机，所述的驱动端还包括分别设置于柔性传动机构5两端、用于固定两个空心轴驱动电机壳体的固定板；所述的输出轴11与所述柔性传动机构5中部固定连接且一端穿过并延伸至空心轴驱动电机的空心轴外，所述输出轴11在受到不同负载冲击时通过两空心轴驱动电机改变两个电机之间的转动夹角调整柔性传动机构5驱动所述输出轴11转动时的力臂长度实现刚度调整。

如图2和图3所示，所述的柔性传动机构5包括弹性传力机构和刚性调节机构，所述弹性传力机构包括固定在输出轴11上的弹簧座12、一端沿输出轴1径向均匀固定在弹簧座12上的四块矩形弹簧片13，所述弹簧片13长度方向的两侧面与刚性调节机构滑动连接。所述的刚性调节机构包括同轴设置的环形第一传动板6和环形第二传动板7、位于第一传动板6和第二传动板7之间的四根第一传动连杆8、四根第二传动连杆9和四个滑块机构10，所述第一传动板6与所述第一空心轴驱动电机3的输出端相连，所述第二传动板7与所述第二空心轴驱动电机4的输出端相连；各第一传动连杆8一端沿周向均匀铰接在第一传动板6边缘，另一端分别与各个滑块机构10上端活动铰接；各第二传动连杆9一端沿周向均匀铰接在第二传动板7边缘，另一端分别与各个滑块机构10下端活动铰接；所述滑块机构10包括调节滑块，所述调节滑块的中部贯穿地设有供所述弹簧片13穿过的挖空部，所述挖空部内对称设置有两个夹紧并可沿弹簧片4长度方向的两侧面滚动的辊轴，所述辊轴通过滚动轴承及销轴安装于所述弹簧片13的挖空部内，即所述滑块机构10与所述弹簧片13长度方向的两侧面紧密接触且可沿所述弹簧片13长度方向往复移动，滑块机构10沿所述弹簧片13长度方向往复移动时，两者之间采用摩擦力极少的滚动摩擦的形式，既节约了能耗，又能减少两者的磨损，提高弹簧片13的使用寿命和工作稳定性、可靠性。

两台电机共同协作，通过两个电机之间的转动夹角变化，调整所述柔性传动机构的刚性调节机构调节弹簧片的有效长度，改变关节刚度，实现弹性缓冲，即当所述第一空心轴驱动电机与第二空心轴驱动电机之间的夹角改变时，带动所述第一传动板6、第二传动板7的夹角改变，进而移动各传动连杆，进而移动各滑块机构沿弹簧片13滑动，调整弹簧片13的有效长度，改变关节刚度，实现弹性缓冲。

本实施例的动力传输路径包括：第一空心轴驱动电机3、第二空心轴驱动电机4，第一传动板6、第二传动板7、第一传动连杆8、第二传动连杆9，调节滑块10、弹簧片13、弹簧座12、输出轴11。

本实用新型的刚度调整方法为：第一空心轴驱动电机3、第二空心轴驱动电机4之间的夹角改变时，带动第一传动板6、第二传动板7的夹角改变，继而移动各传动连杆，从而移动调节滑块10沿弹簧片13长度方向移动，调整弹簧片13的有效长度，改变关节刚度。

本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。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。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双电机驱动的机器人变刚度弹性关节，包括位于同一旋转轴线上的输出轴(11)、柔性传动机构(5)，驱动端，其特征在于：所述驱动端包括两个同轴地驱动连接于所述柔性传动机构(5)两端的空心轴驱动电机，所述的输出轴(11)与所述柔性传动机构(5)中部固定连接且一端穿过并延伸至空心轴驱动电机的空心轴外，所述输出轴(11)在受到不同负载冲击时通过两空心轴驱动电机改变两个电机之间的转动夹角调整柔性传动机构(5)驱动所述输出轴(11)转动时的力臂长度实现刚度调整。

2.根据权利要求1所述的双电机驱动的机器人变刚度弹性关节，其特征在于：所述的柔性传动机构(5)包括弹性传力机构和刚性调节机构，所述弹性传力机构同轴地固定于输出轴(11)上，所述的刚性调节机构两端分别连接空心轴驱动电机，中部与所述弹性传力机构滑动连接。

3.根据权利要求1所述的双电机驱动的机器人变刚度弹性关节，其特征在于：所述的驱动端还包括分别设置于柔性传动机构(5)两端、用于固定两个空心轴驱动电机壳体的固定板。

4.根据权利要求2所述的双电机驱动的机器人变刚度弹性关节，其特征在于：所述弹性传力机构包括固定在输出轴(11)上的弹簧座(12)、一端沿输出轴(1)径向均匀固定在弹簧座(12)上的若干矩形弹簧片(13)，所述弹簧片(13)长度方向的两侧面与刚性调节机构滑动连接。

5.根据权利要求4所述的双电机驱动的机器人变刚度弹性关节，其特征在于：所述的刚性调节机构包括同轴设置的环形第一传动板(6)和环形第二传动板(7)、 位于第一传动板(6)和第二传动板(7)之间的若干第一传动连杆(8)、第二传动连杆(9)和滑块机构(10)，所述第一传动板(6)与第一空心轴驱动电机(3)的输出端相连，所述第二传动板(7)与第二空心轴驱动电机(4)的输出端相连；各第一传动连杆(8)一端沿周向均匀铰接在第一传动板(6)边缘，另一端分别与各个滑块机构(10)上端活动铰接；各第二传动连杆(9)一端沿周向均匀铰接在第二传动板(7)边缘，另一端分别与各个滑块机构(10)下端活动铰接；所述滑块机构(10)中部与所述弹簧片(13) 长度方向的两侧面紧密接触且可沿所述弹簧片(13)长度方向往复移动。

6.根据权利要求5所述的双电机驱动的机器人变刚度弹性关节，其特征在于：所述滑块机构(10)包括调节滑块，所述调节滑块的中部贯穿地设有供所述弹簧片(13)穿过的挖空部，所述挖空部内对称设置有两个夹紧并可沿弹簧片(4) 长度方向的两侧面滚动的辊轴。

7.根据权利要求6所述的双电机驱动的机器人变刚度弹性关节，其特征在于：所述辊轴通过滚动轴承及销轴安装于所述弹簧片(13)的挖空部内。