CN207465251U - 一种基于单动力源的可变刚度柔性关节 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于单动力源的可变刚度柔性关节，关节驱动端包括关节支架、减速器支架、互锁离合器结构、谐波减速器和安装有编码器的关节驱动电机；关节驱动电机的输出端通过互锁离合器结构与刚度调节机构连接；所述减速器支架为一中空圆柱壳体，减速器支架一端设置有用于连接谐波减速器的安装孔，另一端设置有用于连接关节支架左端的螺纹孔，减速器支架上还设置有轴肩；所述互锁离合器结构位于减速器支架的空腔内；所述互锁离合器结构包括电机安装盘、花键滑块、电磁铁、输出端盖、轴套、滑块和离合器弹簧。该关节采用单电机实现关节驱动与刚度调节、结构紧凑、集成度高、定位精度高、刚度可大幅连续线性精确调节、具备多种刚度调节模式。

Description

一种基于单动力源的可变刚度柔性关节

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，具体为一种基于单动力源的可变刚度柔性关节。

背景技术

随着现代工业技术的高速发展，机器人的应用范围急剧扩展，人机协作日益密切，伴随着人机交互程度的不断深入，机器人的安全性问题日益突出。目前，机器人普遍采用以“结构简单、体积紧凑、控制方便、定位精准、响应及时”为突出特点的刚性关节，难以根据外部环境与自身负载的变化动态调整关节刚度以满足人机协作的安全性需求。与此同时，以仿生机器人为典型代表的特种机器人发展迅猛，对机器人关节的主/被动柔性也提出了较高的要求。因此，具有可变刚度特性的柔性关节已成为机器人研究领域的热点。

针对可变刚度柔性关节，国内外开展了系统深入的研究工作，研发了多款典型关节，如专利文献“一种柔性关节变刚度机构(CN106695870A)”涉及一种柔性关节变刚度机构，利用刚度调节电机调节两滚子组位置以改变关节周向布置两弹簧压缩量实现关节刚度的有效调节，由于该关节配置两个电机分别用于关节驱动和刚度调节，以致结构控制过于复杂，成本相对较高，同时受杠杆调节刚度原理和周向弹簧布置形式影响，难以实现关节刚度的线性精确调节；专利文献“刚度可调的柔性关节驱动机构(CN104985608A)”公开了一种刚度可调的柔性关节，该关节设置有弹簧连接的两斜曲面盘，利用随关节输出端同步运动的滚轮在两斜曲面盘间的滚动产生关节柔性，该关节虽结构紧凑、刚度精确可调，但对关节刚度调整结构的结构强度以及调整力矩要求较高，且难以实现对关节平衡位置刚度即关节被动刚度的有效调节；专利文献“刚度连续可调的机器人柔性关节(CN106142132A)”公开了一种刚度可连续调整的机器人柔性关节，通过刚度调节电机调整安装于弹簧支撑架和连杆下拉套筒间浮动弹簧的预压缩量，实现关节刚度的大幅连续调节，但该关节同样配置两个分别用于关节驱动和刚度调节的电机，结构控制较为复杂，同时由于缺乏相应的位置检测系统，关节定位精度和刚度调节精度相对较低。

综上所述，现有柔性关节虽能初步实现关节刚度的有效调节，但关节普遍配置两个电机分别用于关节驱动和刚度调节，存在结构控制复杂、定位精度不高、刚度调节方式单一、刚度线性精确调节困难且调整范围局限等诸多不足。因此，亟需研发一种采用单电机实现关节驱动与刚度调节、结构紧凑、集成度高、定位精度高、刚度可大幅连续线性精确调节、具备多种刚度调节模式、且易于控制的可变刚度柔性关节。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型要解决的技术问题是：提供一种采用单电机实现关节驱动与刚度调节、结构紧凑、集成度高、定位精度高、刚度可大幅连续线性精确调节、具备多种刚度调节模式、且易于控制的可变刚度柔性关节。

本实用新型解决所述技术问题所采用的技术方案是：设计一种基于单动力源的可变刚度柔性关节，包括关节驱动端、刚度调节机构和关节输出端；所述关节输出端与关节负载相连接，所述刚度调节机构两端分别与关节驱动端和关节输出端刚性连接；其特征在于：

所述关节驱动端包括关节支架、减速器支架、互锁离合器结构、谐波减速器和安装有编码器的关节驱动电机；所述关节支架为一U形结构部件，谐波减速器通过减速器支架与关节支架左端连接，关节驱动电机的输出端通过互锁离合器结构与刚度调节机构连接，关节驱动电机固定在关节支架上，且关节驱动电机与谐波减速器同轴安装；所述减速器支架为一中空圆柱壳体，减速器支架一端设置有用于连接谐波减速器的安装孔，另一端设置有用于连接关节支架左端的螺纹孔，减速器支架上还设置有轴肩；所述互锁离合器结构位于减速器支架的空腔内；

所述关节输出端包括输出壳体、输出盘和输出端编码器；所述输出壳体与输出盘围成封闭空间，输出壳体左端与减速器支架的轴肩位置安装驱动端轴承，输出壳体右端端面与输出盘同轴固定连接；所述输出盘中心连接输出端编码器，在输出盘和关节支架之间安装输出端轴承；

所述互锁离合器结构包括电机安装盘、花键滑块、电磁铁、输出端盖、轴套、滑块和离合器弹簧；所述电机安装盘为一内表面配置花键槽的圆柱壳体，电机安装盘左端与关节驱动电机、关节支架连接在一起，通过螺钉连接将电机安装盘和关节驱动电机同轴固定于关节支架；所述花键滑块为一中空盘类零件，花键滑块外表面设置有与电机安装盘内表面的花键槽相配合的花键，通过花键连接实现花键滑块与电机安装盘间的径向定位和轴向移动；花键滑块的右侧面嵌有电磁铁，花键滑块中心设有凹槽；所述输出端盖为一圆柱形壳体，位于减速器支架的空腔内，输出端盖一端连接谐波减速器的输入端，另一端端面经过磁化处理，与电磁铁配合，且在输出端盖经过磁化处理一端的内外表面均进行增大摩擦系数的表面处理；

所述轴套套装在关节驱动电机的输出轴上，且轴套与关节驱动电机的输出轴同轴安装，轴套外表面开设花键，所述滑块为中空圆柱体结构，包括大圆柱部分和小圆柱部分，小圆柱部分设置一与花键滑块中心凹槽相配合的轴肩，大圆柱部分的左右两个端面均进行增大摩擦系数的表面处理，滑块大圆柱部分的左端端面与经过增大摩擦系数的表面处理后的输出端盖内表面通过摩擦驱动连接，滑块中心开设与轴套外表面花键相配合的花键槽，通过花键连接实现滑块与轴套间的同步转动与轴向移动，在滑块和轴套之间安装有离合器弹簧，离合器弹簧两端分别与轴套右端端面和滑块内端面完全接触，将滑块压紧于输出端盖左端内表面；

所述刚度调节机构包括固定壳体、调节壳体、调节盘、调节盘挡圈、导向柱、牛眼轮、刚度调节弹簧、梯形丝杠、丝杠轴承、丝杠螺母和丝杠端部；

所述梯形丝杠包括光轴部分和螺纹部分，光轴部分一端通过丝杠轴承同轴安装于谐波减速器内，另一端穿过谐波减速器的中心，并穿入固定壳体和调节壳体的中心孔，通过另一个丝杠轴承同轴安装于固定壳体内；所述丝杠端部为一圆盘类零件，同轴固定安装于梯形丝杠光轴端部，丝杠端部的左端面进行增大摩擦系数的表面处理，通过摩擦实现滑块与丝杠端部的驱动连接；

所述固定壳体为一圆柱形壳体，固定壳体内表面设置有花键槽，固定壳体左端与谐波减速器的输出端同轴连接，实现固定壳体随谐波减速器输出端的同步转动；所述调节壳体为一圆柱形壳体，调节壳体外表面设置有与固定壳体内表面的花键槽相配合的花键，通过花键连接实现调节壳体与固定壳体间的同步转动和轴向移动，调节壳体内表面设置有花键槽，调节壳体一端设置有丝杠螺母连接螺纹孔，丝杠螺母的安装法兰与丝杠螺母连接螺纹孔通过螺钉连接固定于调节壳体内表面，丝杠螺母与梯形丝杠的螺纹部分相配合，构成一螺纹传动机构；调节壳体以丝杠螺母连接螺纹孔为中心沿周向均匀布置有三个导向柱连接螺纹孔，导向柱插入导向柱连接螺纹孔中与调节壳体固定，导向柱的轴线与调节壳体轴线平行，导向柱的右端设有牛眼凹槽；

所述调节盘为一圆盘类零件，调节盘外表面设置有与调节壳体内表面花键槽相配合的花键，调节盘嵌在调节壳体内，调节壳体右端面固定安装调节盘挡圈，通过花键连接实现调节盘与调节壳体间的同步转动和轴向移动，调节盘沿周向均匀设置有三个牛眼轮连接螺纹孔；所述牛眼轮的下部由光轴和安装螺柱构成，光轴插入导向柱的牛眼凹槽中，安装螺柱与调节盘的牛眼轮连接螺纹孔相配合，导向柱和牛眼轮构成一移动副；在每个导向柱上均嵌套安装有刚度调节弹簧，刚度调节弹簧两端分别与调节壳体端面和调节盘端面完全接触；所述牛眼轮的上部滚子与输出盘构成空间凸轮机构。

与现有技术相比，本实用新型可调刚度的柔性关节的有益效果是：

(1)本实用新型可变刚度的柔性关节采用互锁离合器结构，仅采用一个关节驱动电机即可实现关节驱动与刚度调节：本实用新型的柔性关节在关节驱动电机端配置互锁离合器结构，互锁离合器结构在电磁铁与输出端盖间磁场力和离合器弹簧弹力的配合作用下通过调整滑块轴向位置实现关节驱动电机在关节驱动和刚度调节模式间的切换；

(2)本实用新型可变刚度的柔性关节刚度大幅连续可调，能够实现关节刚度从完全刚性到完全柔性的调整：本实用新型的柔性关节的刚度调节机构与输出盘构成一空间凸轮机构，其中具有曲面凹槽的输出盘可视为凸轮，刚度调节机构中牛眼轮可视为滚子，而刚度调节机构中固定壳体则可视为机架，刚度调节机构在关节驱动电机的驱动下经螺纹传动机构通过调整调节壳体与调节盘间距离以改变刚度调节弹簧预压缩量，从而改变作为滚子的牛眼轮与作为凸轮的输出盘间正压力，并配合满足关节刚度调节要求的曲面凹槽，实现关节刚度从完全刚性到完全柔性的大幅连续调节；

(3)本实用新型可变刚度的柔性关节可实现关节刚度的高精度线性调节：本实用新型的柔性关节通过具有自锁性能的由梯形丝杠和丝杠螺母构成的螺纹传动机构，配合采用带有编码器的关节驱动电机实现刚度调节弹簧压缩量的高精度控制以调整关节刚度，同时刚度调节弹簧压缩量与弹力呈线性关系，输出盘曲面凹槽曲率变化满足关节刚度的线性调节要求，可实现关节刚度的高精度线性调节；

(4)本实用新型可变刚度的柔性关节便于关节刚度的精确控制：本实用新型的柔性关节中与调节盘垂直安装的牛眼轮的光轴嵌套于与调节壳体轴线平行安装的导向柱凹槽之中，刚度调节弹簧嵌套于导向柱之上，刚度调节弹簧两端分别与调节壳体端面和调节盘端面完全接触，使刚度调节弹簧与调节壳体端面和调节盘端面均垂直，配合固定壳体、调节壳体和调节盘间的花键连接，保证刚度调节弹簧始终保持正压缩，使刚度调节弹簧压缩量与弹力呈现线性关系，同时输出盘曲面凹槽曲率变化满足关节刚度的线性调节要求，牛眼轮与输出盘曲面凹槽点接触，可准确确定接触点的位置，便于减小计算误差，采用双编码器结构可准确计算牛眼轮在输出盘曲面凹槽中位置，从而便于高精度刚度调节模型的建立，进而便于关节刚度的精确控制；

(5)本实用新型可变刚度的柔性关节采用双编码器的结构形式，大幅提高关节的定位精度：本实用新型的柔性关节的关节驱动端配置带有编码器的关节驱动电机，可实现固定壳体和丝杠螺母的高精度位置控制，同时，关节支架与输出盘间配置有输出端编码器，用于检测关节输出盘与关节支架间的相对转角，通过采用双编码器的结构形式，可在实现关节驱动端与关节输出端相对位置检测的同时，利用输出端编码器反馈位置信息构成一全闭环位置伺服系统，大幅提高关节的定位精度；

(6)本实用新型可变刚度的柔性关节具有多种刚度调节模式，可满足关节主/被动刚度调节需求：本实用新型的柔性关节可在互锁离合器结构的配合下通过关节驱动电机驱动梯形丝杠旋转，进而在丝杠螺母的作用下调节调节壳体与调节盘间距离以改变刚度调节弹簧预压缩量，从而改变牛眼轮与输出盘曲面凹槽间正压力实现关节刚度的调节，此种刚度调节模式尤其适用于柔性关节输出端无负载作用情况下需对关节刚度进行被动调节的情况；此外，本实用新型的柔性关节还可以通过调节关节驱动端关节驱动电机的电流来控制关节驱动端输出转矩，通过转矩调节控制关节刚度，也可以利用输出端编码器检测关节驱动端与关节输出端间的相对位置，通过调节关节驱动端与关节输出端间的相对位置改变牛眼轮在输出盘曲面凹槽内的位置，从而改变关节刚度，上述两种刚度调节模式相对适用于关节输出端在有负载作用情况下需对关节刚度进行主动调节的情况。

(7)本实用新型可变刚度的柔性关节结构简单紧凑，集成度高，运动范围大，通用型强：本实用新型的柔性关的关节支架和输出盘均设置用于连接基座、负载和其它关节的通用连接孔，通用性较强，关节各部件采用花键连接及嵌套安装的方式，使得关节整体结构紧凑，关节驱动端与关节输出端间运动范围较大，关节整体集成度较高。

附图说明

附图1为本实用新型一种可变刚度的柔性关节一种实施例的总体结构剖视图示意图；

附图2为本实用新型一种可变刚度的柔性关节一种实施例的总体结构示意图；

附图3为本实用新型一种可变刚度的柔性关节一种实施例的互锁离合器结构示意图；

附图4为本实用新型一种可变刚度的柔性关节一种实施例的刚度调节机构结构示意图；

附图5为本实用新型一种可变刚度的柔性关节一种实施例的关节支架的立体结构示意图；

附图6为本实用新型一种可变刚度的柔性关节一种实施例的减速器支架结构示意图；

附图7为本实用新型一种可变刚度的柔性关节一种实施例的滑块结构示意图图；

附图8为本实用新型一种可变刚度的柔性关节一种实施例的固定壳体结构示意图；

附图9为本实用新型一种可变刚度的柔性关节一种实施例的调节壳体结构示意图；

附图10为本实用新型一种可变刚度的柔性关节一种实施例的牛眼轮结构示意图；

图中，1关节支架、2减速器支架、3电机安装盘、4花键滑块、5电磁铁、6输出端盖、 7轴套、8滑块、9离合器弹簧、10谐波减速器、11关节驱动电机、12固定壳体、13调节壳体、14调节盘、15调节盘挡圈、16导向柱、17牛眼轮、18刚度调节弹簧、19梯形丝杠、 20丝杠轴承、21丝杠螺母、22丝杠端部、23输出壳体、24输出盘、25驱动端轴承、26输出端轴承、27输出端编码器、101支架连接通孔、102电机安装盘通孔、103轴承孔、104连接孔、201安装孔、202螺纹孔、203轴肩、801大圆柱部分、802小圆柱部分、1301丝杠螺母连接螺纹孔、1302导向柱连接螺纹孔、1701安装螺柱、1702光轴、2401圆柱形凸台、2402 曲面凹槽、2403L形结构。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图详细叙述本实用新型。实施例是以本实用新型所述技术方案为前提进行的具体实施，给出了详细的实施方式和过程。但本实用新型申请的权利要求保护范围不限于下述的实施例描述。

本实用新型基于单动力源的可变刚度的柔性关节(简称柔性关节，参见图1-10)，包括关节驱动端、刚度调节机构和关节输出端；所述关节输出端与关节负载相连接，所述刚度调节机构两端分别与关节驱动端和关节输出端刚性连接；其特征在于：

所述关节驱动端包括关节支架1、减速器支架2、互锁离合器结构、谐波减速器10和安装有编码器的关节驱动电机11；所述关节支架1为一U形结构部件，谐波减速器10通过减速器支架2与关节支架1左端连接，关节驱动电机11的输出端通过互锁离合器结构与刚度调节机构连接，关节驱动电机11固定在关节支架1上，且关节驱动电机与谐波减速器10同轴安装；所述减速器支架2为一中空圆柱壳体，减速器支架2一端设置有用于连接谐波减速器10的安装孔201，另一端设置有与关节支架1左端的支架连接通孔相配合的螺纹孔202，减速器支架2上还设置有轴肩203；所述互锁离合器结构位于减速器支架的空腔内；

所述关节输出端包括输出壳体23、输出盘24和输出端编码器27；所述输出壳体23与输出盘围成封闭空间，输出壳体23左端与减速器支架2的轴肩位置安装驱动端轴承25，输出壳体23右端端面与输出盘24同轴固定连接；所述输出盘24中心连接输出端编码器27，在输出盘和关节支架之间安装输出端轴承26；

所述互锁离合器结构包括电机安装盘3、花键滑块4、电磁铁5、输出端盖6、轴套7、滑块8和离合器弹簧9；所述电机安装盘3为一内表面配置花键槽的圆柱壳体，电机安装盘 3左端与关节驱动电机11、关节支架1连接在一起，通过螺钉连接将电机安装盘3和关节驱动电机11同轴固定于关节支架1；所述花键滑块4为一中空盘类零件，花键滑块4外表面设置有与电机安装盘3内表面的花键槽相配合的花键，通过花键连接实现花键滑块4与电机安装盘3间的径向定位和轴向移动；花键滑块4的右侧面嵌有电磁铁5，花键滑块中心设有凹槽；所述输出端盖6为一圆柱形壳体，位于减速器支架的空腔内，输出端盖6一端连接谐波减速器10的输入端，另一端端面经过磁化处理，与电磁铁配合，且在输出端盖6经过磁化处理一端的内外表面均进行增大摩擦系数的表面处理；

所述轴套套装在关节驱动电机的输出轴上，且轴套与关节驱动电机的输出轴同轴安装，轴套7外表面开设花键，所述滑块8为中空圆柱体结构，包括大圆柱部分和小圆柱部分，小圆柱部分设置一与花键滑块4中心凹槽相配合的轴肩，大圆柱部分的左右两个端面均进行增大摩擦系数的表面处理，滑块大圆柱部分的左端端面与经过增大摩擦系数的表面处理后的输出端盖内表面通过摩擦驱动连接，滑块8中心开设与轴套7外表面花键相配合的花键槽，通过花键连接实现滑块8与轴套7间的同步转动与轴向移动，在滑块8和轴套之间安装有离合器弹簧9，离合器弹簧9两端分别与轴套7右端端面和滑块8内端面完全接触，将滑块8压紧于输出端盖6左端内表面；

所述刚度调节机构包括固定壳体12、调节壳体13、调节盘14、调节盘挡圈15、导向柱 16、牛眼轮17、刚度调节弹簧18、梯形丝杠19、丝杠轴承20、丝杠螺母21和丝杠端部22；

所述梯形丝杠19包括光轴部分和螺纹部分，光轴部分一端通过丝杠轴承20同轴安装于谐波减速器内，另一端穿过谐波减速器10的中心，并穿入固定壳体和调节壳体的中心孔，通过另一个丝杠轴承20同轴安装于固定壳体内；所述丝杠端部22为一圆盘类零件，同轴固定安装于梯形丝杠19光轴端部，丝杠端部22的左端面进行增大摩擦系数的表面处理，通过摩擦实现滑块8与丝杠端部22的驱动连接；

所述固定壳体12为一圆柱形壳体，固定壳体12内表面设置有花键槽，固定壳体12左端与谐波减速器10的输出端同轴连接，实现固定壳体12随谐波减速器10输出端的同步转动；所述调节壳体13为一圆柱形壳体，调节壳体13外表面设置有与固定壳体12内表面的花键槽相配合的花键，通过花键连接实现调节壳体13与固定壳体12间的同步转动和轴向移动，调节壳体13内表面设置有花键槽，调节壳体13一端设置有丝杠螺母连接螺纹孔1301，丝杠螺母21的安装法兰与丝杠螺母连接螺纹孔通过螺钉连接固定于调节壳体内表面，丝杠螺母与梯形丝杠19的螺纹部分相配合，构成一螺纹传动机构；调节壳体13以丝杠螺母连接螺纹孔为中心沿周向均匀布置有三个导向柱连接螺纹孔1302，导向柱插入导向柱连接螺纹孔中与调节壳体固定，导向柱的轴线与调节壳体轴线平行，导向柱的右端设有牛眼凹槽；

所述调节盘14为一圆盘类零件，调节盘14外表面设置有与调节壳体13内表面花键槽相配合的花键，调节盘14嵌在调节壳体内，调节壳体右端面固定安装调节盘挡圈15，通过花键连接实现调节盘14与调节壳体13间的同步转动和轴向移动，调节盘14沿周向均匀设置有三个牛眼轮连接螺纹孔；所述牛眼轮17的下部由光轴1702和安装螺柱1701构成，光轴插入导向柱的牛眼凹槽中，安装螺柱与调节盘的牛眼轮连接螺纹孔相配合，导向柱和牛眼轮构成一移动副；在每个导向柱上均嵌套安装有刚度调节弹簧18，刚度调节弹簧18两端分别与调节壳体13端面和调节盘14端面完全接触；所述牛眼轮的上部滚子与输出盘24构成空间凸轮机构。

本实用新型可变刚度的柔性关节的工作原理和过程是：关节驱动电机用于提供关节驱动和刚度调节所需转矩，当安装于花键滑块的电磁铁断电时，关节驱动电机工作于关节驱动模式，滑块在离合器弹簧弹力作用下与丝杠端部分离并压紧于输出端盖，在滑块与输出端盖摩擦连接作用下，关节驱动电机输出转矩依次经轴套、滑块和输出端盖传递至谐波减速器，谐波减速器输出端驱动固定壳体同步转动，固定壳体通过花键连接依次将转矩传递给调节壳体和调节盘，调节盘通过由牛眼轮和输出盘构成的空间凸轮机构驱动与输出盘相连接的负载转动，实现关节驱动。针对关节刚度的调节，可采用多种刚度调节模式以满足关节刚度的主被动调节：其一，当安装于花键滑块的电磁铁通电时，关节驱动电机工作于刚度调节模式，花键滑块与输出端盖在磁场力作用下摩擦连接，受限于花键滑块与固定于关节支架的电机安装盘间的花键连接，谐波减速器输入端静止不动，以避免关节运动对刚度调节的影响，与此同时，花键滑块在电磁铁与输出端盖磁场力作用下克服离合器弹簧弹力推动滑块轴向移动实现滑块与输出端盖的分离和滑块与丝杠端部的摩擦连接，关节驱动电机输出转矩依次经轴套、滑块和丝杠端部传递至梯形丝杠，通过由梯形丝杠和丝杠螺母构成的螺纹传动机构调节调节壳体与调节盘间距离以改变刚度调节弹簧预压缩量，从而改变牛眼轮与输出盘曲面凹槽间正压力，实现关节刚度的调节；其二，调节关节驱动端关节驱动电机的电流来控制关节驱动端输出转矩，通过转矩调节控制关节刚度；其三，利用输出端编码器检测关节驱动端与关节输出端间的相对位置，通过调节关节驱动端与关节输出端间的相对位置改变牛眼轮在输出盘曲面凹槽内的位置，从而实现关节刚度的调节。

本实用新型柔性关节采用互锁离合器结构，仅采用一个关节驱动电机即可实现关节驱动与刚度调节，互锁离合器结构在电磁铁与输出端盖间磁场力和离合器弹簧弹力的配合作用下通过调整滑块轴向位置实现关节驱动电机在关节驱动和刚度调节模式间的切换，当电磁铁断电时，滑块在离合器弹簧弹力作用下与丝杠端部分离并压紧于输出端盖，在滑块与输出端盖摩擦连接作用下，关节驱动电机输出转矩依次经轴套、滑块和输出端盖传递至谐波减速器，用于驱动关节运动，关节驱动电机工作于关节驱动模式，当电磁铁通电时，花键滑块在电磁铁与输出端盖磁场力作用下克服离合器弹簧弹力推动滑块轴向移动实现滑块与输出端盖的分离和滑块与丝杠端部的摩擦连接，关节驱动电机输出转矩依次经轴套、滑块和丝杠端部传递至刚度调节机构，用于关节刚度调节，与此同时花键滑块与输出端盖在磁场力作用下摩擦连接，受限于花键滑块与固定于关节支架的电机安装盘间的花键连接，谐波减速器输入端静止不动，从而避免了关节运动对刚度调节的影响，关节驱动电机工作于刚度调节模式。

本实用新型刚度调节机构与输出盘构成一空间凸轮机构，其中具有曲面凹槽的输出盘可视为凸轮，刚度调节机构中牛眼轮可视为滚子，而刚度调节机构中固定壳体则可视为机架，刚度调节机构在关节驱动电机的驱动下经螺纹传动机构通过调整调节壳体与调节盘间距离以改变刚度调节弹簧预压缩量，从而改变作为滚子的牛眼轮与作为凸轮的输出盘间正压力，并配合满足关节刚度调节要求的凹槽曲面，实现关节刚度从完全刚性到完全柔性的大幅连续调节。

本实用新型关节驱动端配置带有编码器的关节驱动电机，可实现固定壳体和丝杠螺母的高精度位置控制，同时，关节支架与输出盘间配置有输出端编码器，用于检测关节输出盘与关节支架间的相对转角，通过采用双编码器的结构形式，可在实现关节驱动端与关节输出端相对位置检测的同时，利用输出端编码器反馈位置信息构成一全闭环位置伺服系统，大幅提高关节的定位精度。

本实用新型关节通过具有自锁性能的由梯形丝杠和丝杠螺母构成的螺纹传动机构配合采用带有编码器的关节驱动电机实现刚度调节弹簧压缩量的高精度控制以调整关节刚度，同时刚度调节弹簧压缩量与弹力呈线性关系，输出盘凹槽曲面曲率变化满足关节刚度的线性调节要求，可实现关节刚度的高精度线性调节。

本实用新型中调节盘垂直安装的牛眼轮的光轴嵌套于与调节壳体轴线平行安装的导向柱牛眼凹槽之中，刚度调节弹簧嵌套于导向柱之上，刚度调节弹簧两端分别与调节壳体端面和调节盘端面完全接触，使刚度调节弹簧与调节壳体端面和调节盘端面均垂直，配合固定壳体、调节壳体和调节盘间的花键连接，保证调节壳体运动方向与刚度调节弹簧受力方向始终保持在一条直线上，使刚度调节弹簧始终保持正压缩，避免刚度调节弹簧压缩过程中因弯曲导致受力方向与压缩方向产生夹角的问题，减小因力的分解而产生的计算误差，使刚度调节弹簧压缩量与弹力呈现线性关系，同时输出盘的曲面凹槽曲面曲率变化满足关节刚度的线性调节要求，牛眼轮与输出盘曲面凹槽点接触，可准确确定接触点的位置，减小计算误差，采用双编码器结构可准确计算牛眼轮在输出盘曲面凹槽中位置，从而便于高精度刚度调节模型的建立，进而便于关节刚度的精确控制。

实施例1

本实施例基于单动力源的可变刚度柔性关节包括关节驱动端、刚度调节机构和关节输出端；所述关节驱动端用于提供关节驱动和刚度调节所需转矩；所述关节输出端与关节负载相连接，用于带动负载运动；所述刚度调节机构两端分别与关节驱动端和关节输出端刚性连接，用于调节关节驱动端与关节输出端间的连接刚度，将关节驱动端输出转矩传递至关节输出端，实现关节的刚度调节与柔性输出。

所述关节驱动端包括关节支架1、减速器支架2、互锁离合器结构、谐波减速器10、关节驱动电机11；所述关节支架1(参见图5)为一U形结构部件，关节支架1左端设置有用于连接减速器支架2的支架连接通孔101和用于连接电机安装盘3的电机安装盘通孔102，通过螺钉连接将减速器支架2和电机安装盘3同轴固定于关节支架1上，减速器支架2右端与谐波减速器10连接，所述关节驱动电机11与电机安装盘同轴固定，通过减速器支架和电机安装盘将谐波减速器10和关节驱动电机11与关节支架1同轴固定；关节支架1右端设置有用于连接输出端编码器27的编码器连接通孔，通过螺钉将输出端编码器27与关节支架1 刚性连接，关节支架1右端中心开设有一与输出端轴承26的外圈相配合的轴承孔103，用于输出端轴承26的定位与安装；关节支架1下端平面开设若干用于实现柔性关节与基座或其它关节的固定连接的连接孔104；所述减速器支架2(参见图6)为一中空圆柱壳体，减速器支架2一端设置有用于连接谐波减速器10的安装孔201，另一端设置有与关节支架1左端的支架连接通孔相配合的螺纹孔202，通过螺钉连接经减速器支架2实现谐波减速器10与关节支架1的同轴固定连接，同时减速器支架2上还设置有用于驱动端轴承25定位与安装的轴肩203；

所述互锁离合器结构包括电机安装盘3、花键滑块4、电磁铁5、输出端盖6、轴套7、滑块8和离合器弹簧9；所述电机安装盘3为一内表面配置花键槽的圆柱壳体，电机安装盘 3左端开设两个分别与关节驱动电机11的安装法兰和关节支架1的电机安装盘连接通孔102相配合的连接法兰，用于通过螺钉连接将电机安装盘3和关节驱动电机11同轴固定于关节支架1；所述花键滑块4为一中空盘类零件，花键滑块4外表面设置有与电机安装盘3内表面的花键槽相配合的花键，通过花键连接实现花键滑块4与电机安装盘3间的径向定位和轴向移动，花键滑块4的侧面嵌有电磁铁5，通过电磁铁5电流通断控制花键滑块4与输出端盖6的接触分离以实现关节驱动电机11在关节驱动和刚度调节模式间的切换，花键滑块4 中心设置有与滑块8轴肩相配合的凹槽，用于在电磁铁5与输出端盖6吸引力作用下克服离合器弹簧9的弹力推动滑块8轴向移动，实现滑块8与输出端盖6的分离；所述输出端盖6 为一圆柱形壳体，输出端盖6右端设置有用于连接谐波减速器10输入端的端盖连接孔，通过螺钉连接固定安装于谐波减速器10输入端，输出端盖6左端开设中心孔，输出端盖6左端内外表面经表面处理以增大摩擦系数，用于通过摩擦实现输出端盖6与滑块8间驱动连接，输出端盖6左端经磁化处理可与布置于花键滑块4的电磁铁5吸合，用于带动滑块8沿轴套 7轴向移动，通过摩擦实现滑块8与丝杠端部22的驱动连接；所述轴套7为一中空轴类零件，同轴固定安装于关节驱动电机11的输出轴上，轴套7外表面开设花键；所述滑块8为中空圆柱体结构，包括大圆柱部分801和小圆柱部分802，小圆柱部分左端设置一与花键滑块4 中心凹槽相配合的轴肩，用于在离合器弹簧9弹力作用下推动花键滑块4轴向移动实现滑块 8与输出端盖6的接触，小圆柱部分右端与大圆柱部分连接；滑块8的大圆柱部分的左右两端面均经表面处理以增大摩擦系数，用于通过摩擦分别实现滑块8与丝杠端部22和输出端盖6的驱动连接，滑块8中心开设与轴套7外表面花键相配合的花键槽，用于通过花键连接实现滑块8与轴套7间的同步转动与轴向移动；所述离合器弹簧9嵌套安装于轴套7上，离合器弹簧9两端分别与轴套7右端端面和滑块8内端面完全接触，用于将滑块8压紧于输出端盖6左端内表面，通过摩擦实现滑块8与输出端盖6的驱动连接；

所述互锁离合器结构用于切换关节驱动电机11与谐波减速器10和刚度调节机构间的驱动连接，实现关节驱动电机11在关节驱动和刚度调节模式间的切换，当嵌入花键滑块4的电磁铁5断电时，滑块8在离合器弹簧9弹力作用下压紧于输出端盖6，在滑块8与输出端盖6摩擦连接作用下，关节驱动电机11输出转矩依次经轴套7、滑块8和输出端盖6传递至谐波减速器10，用于驱动关节运动，关节驱动电机11工作于关节驱动模式，当电磁铁5通电时，花键滑块4在电磁铁5与输出端盖6磁场力作用下克服离合器弹簧9弹力推动滑块8 轴向移动实现滑块8与输出端盖6的分离和滑块8与丝杠端部22的摩擦连接，关节驱动电机11输出转矩依次经轴套7、滑块8和丝杠端部22传递至刚度调节机构，用于关节刚度调节，与此同时花键滑块4与输出端盖6在磁场力作用下摩擦连接，受限于花键滑块4与固定于关节支架1的电机安装盘3间的花键连接，谐波减速器10输入端静止不动，从而避免了关节运动对刚度调节的影响，关节驱动电机11工作于刚度调节模式；所述谐波减速器10同轴固定安装于减速器支架2之上，其中谐波减速器10输入端与互锁离合器结构的输出端盖6 固定连接，谐波减速器10输出端与所述刚度调节机构的固定壳体12刚性连接；所述安装有编码器的关节驱动电机11固定安装于电机安装盘3，其输出轴与互锁离合器结构的轴套7固定连接，用于在互锁离合器结构的切换下实现高精度的关节驱动与刚度调节。

所述刚度调节机构主要包括固定壳体12、调节壳体13、调节盘14、调节盘挡圈15、导向柱16、牛眼轮17、刚度调节弹簧18、梯形丝杠19、丝杠轴承20、丝杠螺母21和丝杠端部22；所述固定壳体12为一圆柱形壳体，固定壳体12内表面设置有花键槽，固定壳体12 左端设置有与谐波减速器10输出端法兰相配合的连接法兰，用于通过螺钉连接将固定壳体 12同轴固定于谐波减速器10，实现固定壳体12随谐波减速器10输出端的同步转动；所述调节壳体13为一圆柱形壳体，调节壳体13外表面设置有与固定壳体12内表面花键槽相配合的花键，用于通过花键连接实现调节壳体13与固定壳体12间的同步转动和轴向移动，调节壳体13内表面设置有花键槽，调节壳体13左端设置有与丝杠螺母21安装法兰相配合的丝杠螺母连接螺纹孔1301，丝杠螺母21安装法兰与丝杠螺母连接螺纹孔通过螺钉连接固定于调节壳体内表面，调节壳体13左端周向均匀设置有三个与导向柱16相配合的导向柱连接螺纹1302，用于通过螺纹连接实现调节壳体13与导向柱16的固定安装；调节壳体13右端设置有与调节盘挡圈15安装法兰相配合的连接法兰，用于固定安装调节盘挡圈15；所述调节盘14为一圆盘类零件，调节盘14外表面设置有与调节壳体13内表面花键槽相配合的花键，用于通过花键连接实现调节盘14与调节壳体13间的同步转动和轴向移动，调节盘14 沿周向均匀设置有三个与牛眼轮17安装螺柱1701相配合的牛眼轮连接螺纹孔，用于通过螺纹连接实现调节盘14与牛眼轮17的固定连接；所述调节盘挡圈15固定安装于调节壳体13 之上，用于调节盘14的位置限制，防止调节盘14从调节壳体13滑出；所述导向柱16为一轴类零件，导向柱16一端开设螺纹，用于通过螺纹连接将导向柱16固定安装于调节壳体13 之内，使导向柱16轴线与调节壳体13轴线平行，导向柱16另一端开设特定深度与牛眼轮 17光轴相配合的牛眼凹槽；所述牛眼轮17支撑部设置一段安装螺柱1701和一段光轴1702，牛眼轮17通过安装螺柱1701垂直固定于调节盘14之上，使光轴1702部位嵌套于导向柱16 的牛眼凹槽之内，与导向柱16构成一移动副；所述刚度调节弹簧18嵌套于导向柱16之上，刚度调节弹簧18两端分别与调节壳体13端面和调节盘14端面完全接触，用于通过调节刚度调节弹簧18预压缩量实现关节的刚度调节和柔性输出；所述梯形丝杠19一端设置一段光轴，梯形丝杠19通过安装于光轴部位的两个丝杠轴承20同轴固定安装于固定壳体12，梯形丝杠19另一端与同轴安装于调节壳体13的丝杠螺母21构成一螺纹传动机构，用于调节调节壳体13与调节盘14间距离进而改变刚度调节弹簧18预压缩量实现关节刚度调节；所述丝杠端部22为一圆盘类零件，同轴固定安装于梯形丝杠19光轴端部，丝杠端部22左端面经表面经处理以增大摩擦系数，用于通过摩擦实现滑块8与丝杠端部22的驱动连接，将关节驱动电机11输出扭矩传递至刚度调节机构用于关节刚度调节；

所述关节驱动电机11转矩在互锁离合器结构的切换下可经丝杠端部22带动梯形丝杠19 旋转，进而在丝杠螺母21的作用下调节调节壳体13与调节盘14间距离以改变刚度调节弹簧18预压缩量，从而改变牛眼轮17与输出盘24曲面凹槽间正压力实现关节刚度的调节，同时刚度调节机构中固定壳体12与调节壳体13轴向移动距离、梯形丝杠19与丝杠螺母21 构成螺纹传动机构行程和导向柱16与牛眼轮17构成移动副的行程同时满足在关节驱动电机 11驱动下牛眼轮17与输出盘24可完全脱离和导向柱16、牛眼轮17与输出盘24可完全刚性接触要求，当牛眼轮17与输出盘24完全脱离时柔性关节完全柔性，当牛眼轮17光轴端面与导向柱16牛眼凹槽底端完全接触同时牛眼轮17与输出盘24完全刚性接触时柔性关节完全刚性，当牛眼轮17在刚度调节弹簧18弹力作用下压紧于输出盘24时柔性关节刚度可连续调节，此外刚度调节机构中采用的梯形丝杠19具备机械自锁性能，以防关节驱动电机 11用于关节驱动时调节壳体13与调节盘14间距离发生变化改变关节刚度。

所述关节输出端主要包括输出壳体23、输出盘24、驱动端轴承25、输出端轴承26和输出端编码器27；所述输出壳体23为一圆柱壳体，输出壳体23左端开设一与安装于减速器支架2轴肩上的驱动端轴承25外圈相配合的轴承孔，输出壳体23右端端面设置有与输出盘连接法兰相配合的输出盘连接螺纹孔，用于通过螺钉连接实现输出壳体23与输出盘24同轴固定连接；所述输出盘24为一圆盘类零件，与输出壳体23固定连接，输出盘24右端中心设置一个圆柱形凸台2401，圆柱形凸台2401中心开设一与输出端编码器27输出轴相配合的轴孔，圆柱形凸台2401外柱面与安装于关节支架1右端轴承孔的输出端轴承26内圈相配合，输出盘24左端端面开设三个呈中心对称的曲面凹槽2402，凹槽曲面曲率变化满足关节刚度的线性调节要求，输出盘24设有L形结构2403，L形结构下端平面设置有若干连接通孔，用于实现柔性关节与负载或其它关节的固定连接；所述驱动端轴承25内圈与减速器支架2 轴肩配合，外圈与输出壳体23的轴承孔相配合；所述输出端轴承26内圈与输出盘24的圆柱形凸台相配合，外圈与关节支架1右端轴承孔相配合，驱动端轴承25和输出端轴承26相配合共同实现对关节输出端的有效固定支撑；所述输出端编码器27固定连接于关节支架1，输出端编码器27的输出轴与输出盘24的圆柱形凸台的轴孔相连接，实现输出端编码器27 输出轴与输出盘24的同步转动，用于检测输出盘24与关节支架1间的相对转角。

本实施例中关节支架的厚度与输出盘的厚度均为12mm，固定壳体、调节壳体、调节盘的厚度均为10mm，本实施例所涉及的编码器采用绝对值编码器。

需要补充说明的是，本实用新型所述的“前、后；左、右；上、下”等方位词是为了描述清楚，只具有相对意义，一般情况下，以关节驱动电机所在的一端为左，以输出端编码器所在的一端为右，并作为其他方位词的基准。

本实用新型未述及之处适用于现有技术。

Claims (2)

1.一种基于单动力源的可变刚度柔性关节，包括关节驱动端、刚度调节机构和关节输出端；所述关节输出端与关节负载相连接，所述刚度调节机构两端分别与关节驱动端和关节输出端刚性连接；其特征在于：

所述关节驱动端包括关节支架、减速器支架、互锁离合器结构、谐波减速器和安装有编码器的关节驱动电机；关节驱动电机的输出端通过互锁离合器结构与刚度调节机构连接；所述减速器支架为一中空圆柱壳体，减速器支架一端设置有用于连接谐波减速器的安装孔，另一端设置有用于连接关节支架左端的螺纹孔，减速器支架上还设置有轴肩；所述互锁离合器结构位于减速器支架的空腔内；

所述互锁离合器结构包括电机安装盘、花键滑块、电磁铁、输出端盖、轴套、滑块和离合器弹簧；所述电机安装盘为一内表面配置花键槽的圆柱壳体，电机安装盘左端与关节驱动电机、关节支架连接在一起，通过螺钉连接将电机安装盘和关节驱动电机同轴固定于关节支架；所述花键滑块为一中空盘类零件，花键滑块外表面设置有与电机安装盘内表面的花键槽相配合的花键，通过花键连接实现花键滑块与电机安装盘间的径向定位和轴向移动；花键滑块的右侧面嵌有电磁铁，花键滑块中心设有凹槽；所述输出端盖为一圆柱形壳体，位于减速器支架的空腔内，输出端盖一端连接谐波减速器的输入端，另一端端面经过磁化处理，与电磁铁配合，且在输出端盖经过磁化处理一端的内外表面均进行增大摩擦系数的表面处理；

所述轴套套装在关节驱动电机的输出轴上，且轴套与关节驱动电机的输出轴同轴安装，轴套外表面开设花键，所述滑块为中空圆柱体结构，包括大圆柱部分和小圆柱部分，小圆柱部分设置一与花键滑块中心凹槽相配合的轴肩，大圆柱部分的左右两个端面均进行增大摩擦系数的表面处理，滑块大圆柱部分的左端端面与经过增大摩擦系数的表面处理后的输出端盖内表面通过摩擦驱动连接，滑块中心开设与轴套外表面花键相配合的花键槽，通过花键连接实现滑块与轴套间的同步转动与轴向移动，在滑块和轴套之间安装有离合器弹簧，离合器弹簧两端分别与轴套右端端面和滑块内端面完全接触，将滑块压紧于输出端盖左端内表面；

所述刚度调节机构包括固定壳体、调节壳体、调节盘、调节盘挡圈、导向柱、牛眼轮、刚度调节弹簧、梯形丝杠、丝杠轴承、丝杠螺母和丝杠端部；

所述梯形丝杠包括光轴部分和螺纹部分，光轴部分一端通过丝杠轴承同轴安装于谐波减速器内，另一端穿过谐波减速器的中心，并穿入固定壳体和调节壳体的中心孔，通过另一个丝杠轴承同轴安装于固定壳体内；所述丝杠端部为一圆盘类零件，同轴固定安装于梯形丝杠光轴端部，丝杠端部的左端面进行增大摩擦系数的表面处理，通过摩擦实现滑块与丝杠端部的驱动连接；

所述固定壳体为一圆柱形壳体，固定壳体内表面设置有花键槽，固定壳体左端与谐波减速器的输出端同轴连接；所述调节壳体为一圆柱形壳体，调节壳体外表面设置有与固定壳体内表面的花键槽相配合的花键，调节壳体内表面设置有花键槽，调节壳体一端设置有丝杠螺母连接螺纹孔，丝杠螺母的安装法兰与丝杠螺母连接螺纹孔通过螺钉连接固定于调节壳体内表面，丝杠螺母与梯形丝杠的螺纹部分相配合，构成一螺纹传动机构；调节壳体以丝杠螺母连接螺纹孔为中心沿周向均匀布置有三个导向柱连接螺纹孔，导向柱插入导向柱连接螺纹孔中与调节壳体固定，导向柱的轴线与调节壳体轴线平行，导向柱的右端设有牛眼凹槽；

所述调节盘为一圆盘类零件，调节盘外表面设置有与调节壳体内表面花键槽相配合的花键，调节盘嵌在调节壳体内，调节壳体右端面固定安装调节盘挡圈，通过花键连接实现调节盘与调节壳体间的同步转动和轴向移动，调节盘沿周向均匀设置有三个牛眼轮连接螺纹孔；所述牛眼轮的下部由光轴和安装螺柱构成，光轴插入导向柱的牛眼凹槽中，安装螺柱与调节盘的牛眼轮连接螺纹孔相配合，导向柱和牛眼轮构成一移动副；在每个导向柱上均嵌套安装有刚度调节弹簧，刚度调节弹簧两端分别与调节壳体端面和调节盘端面完全接触；所述牛眼轮的上部滚子与输出盘构成空间凸轮机构。

2.根据权利要求1所述的基于单动力源的可变刚度柔性关节，其特征在于所述输出盘为一圆盘类零件，输出盘右端中心设置一个圆柱形凸台，圆柱形凸台连接输出端编码器，输出盘左端端面开设三个呈中心对称的曲面凹槽，每个牛眼轮在刚度调节弹簧弹力的作用下能与曲面凹槽的曲面接触，输出盘设有L形结构，L形结构的端面上设置有若干用于实现柔性关节与负载或其它关节的固定连接的连接通孔。