CN211333264U - 一种柔性主-被动变刚度关节 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种柔性主‑被动变刚度关节，该关节包括步进电机、电机安装座、第一固定板、微型直齿轮组、外壳体、第二固定板、输出盘、输出板、中心轴、第一压块、第一板簧、第一侧板、第一滑块、第一微型轴承、丝杠滑块、第一轴套、第二轴套、第二压块、第二板簧、第二滑块、第二微型轴承、第三轴套、第二侧板、第二微型轴组、第一微型轴组、螺母；该关节中通过实现板簧挠度变化与支撑点的变化，输出柔性驱动力矩，实现关节的主‑被动变刚度功能，提高了人机交互时人体的安全性。板簧采用对称设计，提高关节输出扭矩，增大刚度变化范围，同时关节采用丝杠螺母和微型齿轮组减速形式对轴向力进行放大，结构紧凑，减小了电机的功率需求。

Description

一种柔性主-被动变刚度关节

技术领域

本实用新型涉及机器人关节技术领域，特别涉及一种柔性主-被动变刚度关节。

背景技术

随着科技的快速发展，传统的刚性机器人设计已经不能满足人机交互方面的需求。目前服务医疗机器人兴起，在人机交互领域，安全约束是机器人与人类互动的重要方面。随着机器人向着柔性方向的不断创新发展，传统刚性机器人运动缓慢且动力不足，已经不能满足实际应用情况；在机器人领域、柔性装配、定载荷组装领域，柔性对相互作用力较为敏感以及高精度力矩传感器的应用存在成本高、控制系统实时性要求高的缺点。

申请号为201510715690.3的专利公开了一种结构简单、可以在运动过程中实现实时调节的变刚度关节，主要包括外壳、轴、外圈、弹簧片、滑动块、凸轮盘、驱动电机，该机构虽然能够实现刚度变化，但是关节实现柔性变形的角度的角度较小，结构相对较为复杂，在实现关节较大范围的角度旋转时不能够满足条件，基于上述原因，设计一种结构简单、控制灵活、能够适应关节较大角度旋转的变刚度结构有重要的现实意义。

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，提供一种柔性主- 被动变刚度关节。该关节能用于旋转型关节机器人，其结构简单，刚度调节范围大，易控制，小巧，能够适应大角度的旋转。

本实用新型解决所述技术问题的技术方案是，设计一种柔性主-被动变刚度关节，其特征在于，该关节包括步进电机、电机安装座、第一固定板、微型直齿轮组、外壳体、第二固定板、输出盘、输出板、中心轴、第一压块、第一板簧、第一侧板、第一滑块、第一微型轴承、方形丝杠滑块、第一轴套、第二轴套、第二压块、第二板簧、第二滑块、第二微型轴承、第三轴套、第二侧板、第二微型轴组、第一微型轴组、螺母；

所述步进电机通过电机安装座安装在第一固定板上，步进电机输出端连接微型直齿轮组的一端，微型直齿轮组的另一端连接中心轴；第一固定板与第二固定板的外周端面之间通过两片相对安装的圆弧形的外壳体连接；第一微型轴组、方形丝杠滑块、第二微型轴组从上到下依次均匀安装在平行设置的第一侧板、第二侧板之间；方形丝杠滑块通过中心轴安装在第一固定板与第二固定板之间，第一侧板和第二侧板与中心轴垂直而不相交，且第一侧板和第二侧板均比外壳体的高度要高；

第一微型轴组与第二微型轴组均包含两根轴，第一板簧的中部设置在第一微型轴组的两根轴之间，第二板簧的中部设置在第二微型轴组的两根轴之间，第一板簧和第二板簧的结构相同，两根轴之间的距离为板簧的厚度；第一板簧的一端设置在第二固定板的一侧上，其另一端通过第一压块固定在第一固定板的一侧上；第二板簧的一端设置在第二固定板的另一侧上，其另一端通过第二压块固定在第一固定板的另一侧上；

微型直齿轮组包括固定在中心轴上的从动齿轮、安装在第一固定板外侧面上的传动齿轮和固定在步进电机输出端上的主动齿轮，主动齿轮与传动齿轮啮合，传动齿轮与从动齿轮啮合；

所述中心轴为阶梯轴，中部是带螺纹的丝杠轴段，在丝杠轴段的两侧均衔接了一段第一光轴，右侧的第一光轴的末端设有通孔，该通孔用于安装从动齿轮；左侧的第一光轴的末端衔接有第二光轴，第二光轴的末端部分的外周设置有螺纹，第一光轴、第二光轴、丝杠轴段两两之间存在轴肩；中心轴水平安装在输出盘、第二固定板、方形丝杠滑块、第一固定板的中部，其中第二光轴的中段通过第三轴套安装在输出盘的中部，其末端安装有螺母；左侧的第一光轴通过第二轴套安装在第二固定板的中部；丝杠轴段位于方形丝杠滑块的中部通孔内，并与其啮合连接；右侧的第一光轴通过第一轴套安装在第一固定板的中部；第一固定板的外侧面的一端设置有安装孔，用于安装传动齿轮，右侧的第一光轴的末端通孔上安装的从动齿轮与传动齿轮一侧的外周周向啮合，传动齿轮的另一侧的外周与步进电机输出端上安装的主动齿轮周向啮合；

所述输出盘的中部设置有通孔，用于安装中心轴；在其通孔的两侧绕通孔设置有两道曲线滑道，两道曲线滑道的靠近通孔的一端的连线的中点为通孔的圆心，两道曲线滑道的远离通孔的一端的连线的中点也为通孔的圆心；输出盘一侧的边缘位置设置有安装孔用于连接输出板；

第二固定板的中部设置有用于安装中心轴的通孔，其上、下两侧相对的设置有矩形槽道，分别为一号滑道与二号滑道，第一滑块的右侧位于一号滑道内，其左侧通过第一微型轴承安装在一道曲线滑道内；第二滑块的右侧位于二号滑道内，其左侧通过第二微型轴承安在另一道曲线滑道内；第一滑块的外侧与第一板簧内侧接触，第二滑块的的外侧与第二板簧的内侧接触；

第一固定板的中部设置有用于安装中心轴的通孔，其上、下两侧相对的设置有“T”形槽道，两个“T”形槽道两侧的台阶上均设置有用于分别安装第一压块和第二压块的安装孔。

与现有技术相比，本实用新型有益效果在于：

1、该关节在输出盘中利用阿基米德螺旋线规律轨道通过滚子滑块改变板簧挠度，实现关节刚度的被动变化功能；由于板簧结构简单紧凑，适用于扭转型关节机器人，且在扭转过程中弹簧具有储能功能。

2、该变刚度关节中通过实现板簧挠度变化与支撑点的变化，输出柔性驱动力矩，实现关节的主-被动变刚度功能，提高了人机交互时人体的安全性。

3、该关节结构中板簧采用对称设计，提高关节输出扭矩，增大刚度变化范围，同时关节采用丝杠螺母和微型齿轮组减速形式对轴向力进行放大，结构紧凑，减小了电机的功率需求。

4、本实用新型实施中关节结构总体尺寸最大直径为70mm，长度为 73.5mm，关节扭转最大角度为160°；控制方式简单，可通过步进电机驱动实现关节的主动变刚度；与现有变刚度关节相比，具有结构紧凑、体积小、能够实现大角度旋转、输出刚度范围大的特性。

5、本实用新型实施中关节结构简单，采用板簧作为弹性元件，利于机构部件更换；同时可通过变化采用阿基米德螺旋线规律轨道的曲线参数板簧特性，以适应不同的工作情况。

附图说明

图1为本实用新型主-被动变刚度关节一种实施例的整体结构示意图；

图2为本实用新型主-被动变刚度关节一种实施例的实施刚度调节部分的结构示意图；

图3为本实用新型主-被动变刚度关节一种实施例的实施刚度调节部分的内部结构示意图；

图4为图2的沿纵向对称面的剖视结构示意图；

图5为本实用新型主-被动变刚度关节一种实施例的输出盘的立体结构示意图；

图6为本实用新型主-被动变刚度关节一种实施例的第二固定板的立体结构示意图；

图7为本实用新型主-被动变刚度关节一种实施例的第一固定板的立体结构示意图；

图8为本实用新型主-被动变刚度关节一种实施例的中心轴的结构示意图； (图中：1—步进电机；2—电机安装座；3—第一固定板；4—微型直齿轮组；5 —外壳体；6—第二固定板；7—输出盘；8—输出板；9—中心轴；10—第一压块；11—第一板簧；12—第一侧板；13—第一滑块；14—第一微型轴承；15—方形丝杠滑块；16—第一轴套；17—第二轴套；18—第二压块；19—第二板簧； 20—第二滑块；21—第二微型轴承；22—第三轴套；23—第二侧板：24—第二微型轴组；25—第一微型轴组；26—螺母)。

具体实施方式

下面给出本实用新型的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本实用新型，不限制本申请的保护范围。

本实用新型提供一种柔性主-被动变刚度关节(简称关节，参见图1-8)，该关节包括步进电机1、电机安装座2、第一固定板3、微型直齿轮组4、外壳体 5、第二固定板6、输出盘7、输出板8、中心轴9、第一压块10、第一板簧11、第一侧板12、第一滑块13、第一微型轴承14、方形丝杠滑块15、第一轴套16、第二轴套17、第二压块18、第二板簧19、第二滑块20、第二微型轴承21、第三轴套22、第二侧板23、第二微型轴组24、第一微型轴组25、螺母26；

所述步进电机1通过电机安装座2安装在第一固定板3上，步进电机1输出端连接微型直齿轮组4的一端，微型直齿轮组4的另一端连接中心轴9；第一固定板3与第二固定板6的外周端面之间通过两片相对安装的圆弧形的外壳体5连接；第一微型轴组25、方形丝杠滑块15、第二微型轴24组从上到下依次均匀安装在平行设置的第一侧板12、第二侧板23之间；方形丝杠滑块15通过中心轴9安装在第一固定板3与第二固定板6之间，第一侧板12和第二侧板 23与中心轴9垂直而不相交，且第一侧板12和第二侧板23均比外壳体5的高度要高；

第一微型轴组25与第二微型轴24组均包含两根轴，第一板簧11的中部设置在第一微型轴组25的两根轴之间，第二板簧19的中部设置在第二微型轴组 24的两根轴之间，第一板簧11和第二板簧19的结构相同，两根轴之间的距离为板簧的厚度；第一板簧11的一端设置在第二固定板6的一侧上，其另一端通过第一压块10固定在第一固定板3的一侧上；第二板簧19的一端设置在第二固定板6的另一侧上，其另一端通过第二压块18固定在第一固定板3的另一侧上；

微型直齿轮组4包括固定在中心轴9上的从动齿轮、安装在第一固定板3 外侧面上的传动齿轮和固定在步进电机1输出端上的主动齿轮，主动齿轮与传动齿轮啮合，传动齿轮与从动齿轮啮合。

所述中心轴9(参见图8)为阶梯轴，中部是带螺纹的丝杠轴段901，在丝杠轴段901的两侧均衔接了一段第一光轴904，右侧的第一光轴的末端设有通孔902，该通孔用于安装从动齿轮；左侧的第一光轴的末端衔接有第二光轴905，第二光轴905的末端部分的外周设置有螺纹903，第一光轴904、第二光轴905、丝杠轴段901两两之间存在轴肩；中心轴9水平安装在输出盘7、第二固定板6、方形丝杠滑块15、第一固定板3的中部，其中第二光轴905的中段通过第三轴套22安装在输出盘7的中部，其末端安装有螺母26；左侧的第一光轴904通过第二轴套17安装在第二固定板6的中部；丝杠轴段901位于方形丝杠滑块 15的中部通孔内，并与其啮合连接；右侧的第一光轴904通过第一轴套16安装在第一固定板3的中部；第一固定板3的外侧面的一端设置有安装孔，用于安装传动齿轮，右侧的第一光轴904的末端通孔902上安装的从动齿轮与传动齿轮一侧的外周周向啮合，传动齿轮的另一侧的外周与步进电机1输出端上安装的主动齿轮周向啮合。

所述输出盘7的中部设置有通孔703，用于安装中心轴9；在其通孔703 的两侧绕通孔703设置有两道曲线滑道701，两道曲线滑道701的靠近通孔703 的一端的连线的中点为通孔703的圆心，两道曲线滑道701的远离通孔703的一端的连线的中点也为通孔703的圆心。输出盘7一侧的边缘位置设置有安装孔用于连接输出板8。

所述曲线滑道701的形状符合阿基米德螺旋线规律。

第二固定板6的中部设置有用于安装中心轴9的通孔601，其上、下两侧相对的设置有矩形槽道，分别为一号滑道602与二号滑道604，第一滑块13的右侧位于一号滑道602内，其左侧通过第一微型轴承14安装在一道曲线滑道 701内；第二滑块20的右侧位于二号滑道604内，其左侧通过第二微型轴承21 安在另一道曲线滑道701内；第一滑块13的外侧与第一板簧11内侧接触，第二滑块20的外侧与第二板簧19的内侧接触；

第二固定板6的周向端面上设置有内部带径向安装孔的弧形豁口603，用于与外壳体5的一末端固定连接。

第一固定板3的中部设置有用于安装中心轴9的通孔304，其上、下两侧相对的设置有“T”形槽道302，两个“T”形槽道302两侧的台阶上均设置有用于分别安装第一压块10和第二压块18的安装孔303；

第一压块10和第二压块18均为“T”形结构，其尺寸与“T”形槽道302 的尺寸相匹配。

第一固定板3的周向端面上设置有内部带径向安装孔的弧形豁口301，用于与外壳体5的另一末端固定连接。

本实用新型主-被动变刚度关节的实现变刚度的原理与流程是：步进电机1 通过齿轮传动带动中心轴9转动，使得方形丝杠滑块15沿轴向运动，带动第一侧板12和第二侧板23运动，带动第一微型轴组25与第二微型轴组24沿轴向运动，进而改变板簧的支撑位置，使得第一板簧11与第二板簧19的支撑点位置改变，进而改变有效长度，实现主动变刚度功能；当关节发生相对转动时，同时推动第一微型轴承14与第二微型轴承21沿输出盘7径向移动，带动第一滑块13与第二滑块20运动，促使第一板簧11与第二板簧19发生弹性变形，实现关节的柔性输出，实现了关节的被动变刚度功能。

实施例1

本实施例提供一种柔性主-被动变刚度关节，该关节适用于绳驱动机器人，其特征在于，该关节具有上述结构和下述尺寸规格：

该关节总体尺寸为直径70mm，长度为73.5mm(即输出盘的左侧面与第一固定板的右侧面之间的距离)，能够实现的最大柔性旋转角度为160°，所述步进电机的扭矩为0.8N·m；第一板簧11与第二板簧19厚度1.5mm，长度为48mm，宽度为11mm，材料选用弹簧钢60Si2CrVA，输出盘7的最大直径为70mm，中心轴9的丝杠轴段901长度为45mm，螺距选用1，微型直齿轮组的减速比为 21：1。

本实用新型关节适用于关节旋转型机器人，尤其适用于绳驱动机器人。

本实用新型未述及之处适用于现有技术。

Claims (6)

1.一种柔性主-被动变刚度关节，其特征在于，该关节包括步进电机、电机安装座、第一固定板、微型直齿轮组、外壳体、第二固定板、输出盘、输出板、中心轴、第一压块、第一板簧、第一侧板、第一滑块、第一微型轴承、方形丝杠滑块、第一轴套、第二轴套、第二压块、第二板簧、第二滑块、第二微型轴承、第三轴套、第二侧板、第二微型轴组、第一微型轴组、螺母；

所述步进电机通过电机安装座安装在第一固定板上，步进电机输出端连接微型直齿轮组的一端，微型直齿轮组的另一端连接中心轴；第一固定板与第二固定板的外周端面之间通过两片相对安装的圆弧形的外壳体连接；第一微型轴组、方形丝杠滑块、第二微型轴组从上到下依次均匀安装在平行设置的第一侧板、第二侧板之间；方形丝杠滑块通过中心轴安装在第一固定板与第二固定板之间，第一侧板和第二侧板与中心轴垂直而不相交，且第一侧板和第二侧板均比外壳体的高度要高；

第一微型轴组与第二微型轴组均包含两根轴，第一板簧的中部设置在第一微型轴组的两根轴之间，第二板簧的中部设置在第二微型轴组的两根轴之间，第一板簧和第二板簧的结构相同，两根轴之间的距离为板簧的厚度；第一板簧的一端设置在第二固定板的一侧上，其另一端通过第一压块固定在第一固定板的一侧上；第二板簧的一端设置在第二固定板的另一侧上，其另一端通过第二压块固定在第一固定板的另一侧上；

微型直齿轮组包括固定在中心轴上的从动齿轮、安装在第一固定板外侧面上的传动齿轮和固定在步进电机输出端上的主动齿轮，主动齿轮与传动齿轮啮合，传动齿轮与从动齿轮啮合；

所述中心轴为阶梯轴，中部是带螺纹的丝杠轴段，在丝杠轴段的两侧均衔接了一段第一光轴，右侧的第一光轴的末端设有通孔，该通孔用于安装从动齿轮；左侧的第一光轴的末端衔接有第二光轴，第二光轴的末端部分的外周设置有螺纹，第一光轴、第二光轴、丝杠轴段两两之间存在轴肩；中心轴水平安装在输出盘、第二固定板、方形丝杠滑块、第一固定板的中部，其中第二光轴的中段通过第三轴套安装在输出盘的中部，其末端安装有螺母；左侧的第一光轴通过第二轴套安装在第二固定板的中部；丝杠轴段位于方形丝杠滑块的中部通孔内，并与其啮合连接；右侧的第一光轴通过第一轴套安装在第一固定板的中部；第一固定板的外侧面的一端设置有安装孔，用于安装传动齿轮，右侧的第一光轴的末端通孔上安装的从动齿轮与传动齿轮一侧的外周周向啮合，传动齿轮的另一侧的外周与步进电机输出端上安装的主动齿轮周向啮合；

所述输出盘的中部设置有通孔，用于安装中心轴；在其通孔的两侧绕通孔设置有两道曲线滑道，两道曲线滑道的靠近通孔的一端的连线的中点为通孔的圆心，两道曲线滑道的远离通孔的一端的连线的中点也为通孔的圆心；输出盘一侧的边缘位置设置有安装孔用于连接输出板；

第二固定板的中部设置有用于安装中心轴的通孔，其上、下两侧相对的设置有矩形槽道，分别为一号滑道与二号滑道，第一滑块的右侧位于一号滑道内，其左侧通过第一微型轴承安装在一道曲线滑道内；第二滑块的右侧位于二号滑道内，其左侧通过第二微型轴承安在另一道曲线滑道内；第一滑块的外侧与第一板簧内侧接触，第二滑块的外侧与第二板簧的内侧接触；

第一固定板的中部设置有用于安装中心轴的通孔，其上、下两侧相对的设置有“T”形槽道，两个“T”形槽道两侧的台阶上均设置有用于分别安装第一压块和第二压块的安装孔。

2.根据权利要求1所述的一种柔性主-被动变刚度关节，其特征在于，第一压块和第二压块均为“T”形结构，其尺寸与“T”形槽道的尺寸相匹配。

3.根据权利要求1所述的一种柔性主-被动变刚度关节，其特征在于，第二固定板的周向端面上设置有内部带径向安装孔的弧形豁口，用于与外壳体的一末端固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种柔性主-被动变刚度关节，其特征在于，第一固定板的周向端面上设置有内部带径向安装孔的弧形豁口，用于与外壳体的另一末端固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种柔性主-被动变刚度关节，其特征在于，所述曲线滑道的形状符合阿基米德螺旋线规律。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种柔性主-被动变刚度关节，其特征在于，该关节适用于绳驱动机器人。

Images