CN212445302U - 一种基于可控粘度介质的多自由度主被动变刚度柔性关节 - Google Patents

Abstract

本实用新型一种基于可控粘度介质的多自由度主被动变刚度柔性关节，包括主被动变刚度调节机构、关节多自由度调节机构和输入壳体结构，主被动变刚度调节机构和关节多自由度调节机构均安装在输入壳体结构内；所述主被动变刚度调节机构包括减速器输出盘、外部激励发生器和输出盘接合器；所述关节多自由度调节机构包括气压伸缩缸、连接铰链、连接法兰、减速器和电机；在电机的作用下使得关节在周向上具有一个转动自由度，在四个气压伸缩缸的协同作用下关节具有一个球面转动自由度。该关节通过可控粘度介质实现周向上的变刚度，通过四个气压伸缩缸的共同作用实现球面转动自由度方向的变刚度。

Description

一种基于可控粘度介质的多自由度主被动变刚度柔性关节

技术领域

本实用新型涉及智能机器人领域，具体为一种基于可控粘度介质的多自由度主被动变刚度柔性关节。

背景技术

关节作为机器人的连接部件，是保障其环境适应性与步态机动性的关键。传统机器人的关节通常采用刚性连接的方式连接两个活动部件，即硬连接，这种连接方式适用于简单机械结构下对关节驱动的控制，但刚性连接易引发机器人活动部件的振动传递，进而影响机器人运动的控制精度，严重时还将引起部件损坏，进而影响机器人的工作稳定性与使用寿命。特别是足式机器人的足端与地面刚性接触会导致能量的大量损失，同时也降低了能量的利用率。此外，采用硬连接方式的关节不能根据外界环境和机器人自身负载的变化对关节刚度进行动态调节，无法满足复杂多变环境下机器人运动过程中关节刚度的动态调整需求，容易产生时变刚性冲击，从而导致机器人发生根本性的损坏。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。

目前国内外学者们针对变刚度机器人关节开展了广泛深入的研究，研发了多款典型关节。如专利文献“一种变刚度柔性关节装置(CN109227596A)”，提供了一种变刚度柔性关节装置，通过主动调整滚柱架与片簧的相对位置实现关节刚度调整，由于其采用丝杠滑块的结构调整滚柱架与片簧的相对位置，导致结构相对复杂，同时受定位零件布置形式的影响，以致难以进行高精度关节运动定位满足关节运动高精度控制的要求。专利文献“空间可控时变刚度柔性关节装置(CN109483590A)”公开了一种空间可控时变刚度柔性关节装置，利用从动齿轮与端曲面齿轮的啮合来压缩弹簧，以实现变刚度；该关节装置只能实现一个转动自由度，而且齿轮啮合处存在磨损和间隙，难以实现刚度的精确调节。专利文献“一种基于对称式曲柄滑块机构的变刚度关节(CN109877874A)”利用刚度调节电机主动驱动曲柄滑块机构实现关节刚度调节，虽然该关节结构简单，可实现刚度的大范围调节，但这种刚度调节方式对关节刚度调整结构的结构强度以及调整力矩要求较高，且难以实现关节被动刚度的有效调节。

综上所述，现有柔性关节虽能初步实现关节刚度的调整，但普遍存在关节运动与刚度控制自由度单一，主动与被动刚度调节方式复杂，运动定位与刚度调节精度欠佳，频响特性差，结构控制复杂等突出问题。因此，亟需设计一种具备多自由度，能够被动自适应各方向外部刚性冲击，同时也能主动调节刚度的柔性关节。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种基于可控粘度介质的多自由度主被动变刚度柔性关节；该关节具有一个球面转动自由度和一个关节周向上的转动自由度，可实现关节在任意运动方向上的主被动调节刚度，能够被动自适应各个方向的外部刚性冲击。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

一种基于可控粘度介质的多自由度主被动变刚度柔性关节，包括主被动变刚度调节机构、关节多自由度调节机构和输入壳体结构，主被动变刚度调节机构和关节多自由度调节机构均安装在输入壳体结构内；其特征在于，

所述主被动变刚度调节机构包括减速器输出盘、外部激励发生器和输出盘接合器；所述关节多自由度调节机构包括气压伸缩缸、连接铰链、连接法兰、减速器和电机；

所述电机安装在连接法兰上，电机的输出轴穿过连接法兰与减速器的输入端连接，减速器的输出端与减速器输出盘固连；输出盘接合器的一端转动安装在输入壳体结构内，减速器输出盘转动安装在输出盘接合器内，在电机的作用下使得关节在周向上具有一个转动自由度；减速器输出盘与输出盘接合器之间同时形成一个密闭空腔，密闭空腔内填充有可控粘度介质；外部激励发生器位于密闭空腔内，为可控粘度介质提供不同强度的激励，实现关节周向上的变刚度；

所述连接法兰上分别通过连接铰链呈圆周均匀设有四个气压伸缩缸，每个气压伸缩缸的缸筒与各自的连接铰链上端铰接形成转动副，所有气压伸缩缸与各自的连接铰链形成的转动副的回转轴线均垂直于连接法兰的径向；气压伸缩缸的活塞杆均与输入壳体结构的上部固连；连接铰链的下端与连接法兰形成一个关节径向上的移动副，两个之间同时形成一个以连接法兰的径向为转动轴的转动副；在四个气压伸缩缸的协同作用下，使得关节具有一个球面转动自由度。

所述关节还包括编码器和光栅尺；编码器的两端分别与减速器输出盘和输出盘接合器固连；每个气压伸缩缸上均设有一个光栅尺。

所述输入壳体结构包括保持架端盖、导向端盖和输入壳体；保持架端盖和导向端盖均为一端开口的半球形壳体；输入壳体为上下两端均具有开口的圆筒形薄壁结构，且在上下两端开口处分别具有端盖连接法兰；输入壳体上端的端盖连接法兰与保持架端盖固连，输入壳体下端的端盖连接法兰与导向端盖固连；输入壳体的周向上开有豁口，与豁口相对的周向上延伸出一个连接法兰盘。

所述输出盘接合器为上部具有开口的圆桶形结构，圆桶形结构的周向上延伸出一个输出法兰；圆桶形结构的中心处设有圆筒；圆桶形结构的底部周向上具有环形弧面。

所述环形弧面的曲率与导向端盖的壳体内表面的曲率相同。

所述减速器输出盘的底部边缘沿轴向延伸出一个环形罩，环形罩外壁的下部具有轴肩，环形罩的下端面上具有凹槽；减速器输出盘的底部中心处具有一个圆台，圆台外壁的上部具有凹槽。

所述减速器输出盘转动安装在输出盘接合器的圆桶形结构内，减速器输出盘的圆台插入输出盘接合器的圆筒内，圆台的下端面与圆筒的上表面不接触；减速器输出盘的环形罩与输出盘接合器的圆筒之间形成一个密闭空腔，密闭空腔内填充有可控粘度介质。

所述连接铰链的上端具有铰接孔，下端具有轴孔；连接法兰在上端面的周向上呈圆周均匀设有四个沿连接法兰径向上的圆柱形导轨，每个圆柱形导轨与各自的连接铰链下端的轴孔配合形成一个沿关节径向上的移动副和一个以连接铰链的轴孔的轴线为转动轴的转动副；每个连接铰链上端的铰接孔与各自的气压伸缩缸的缸筒铰接形成转动副，所有连接铰链与气压伸缩缸形成的转动副的回转轴线均垂直于连接法兰的径向。

该关节被动变刚度的过程为：当关节受到刚性冲击时，减速器输出盘和输出盘接合器之间发生相对转动，两者形成的密闭空间中的可控粘度介质在两者之间产生阻尼力，在减速器输出盘和输出盘接合器相对运动时被动改变关节周向上的刚度；同时刚性冲击会使各个气压伸缩缸内的气体受到压缩，被压缩的气压伸缩缸产生阻尼力，实现关节在球面转动方向上的被动变刚度。

该关节主动变刚度的过程为：当关节原有的刚度无法满足工作需求时，通过调节外部激励发生器产生的激励强度，使得可控粘度介质的粘滞力达到预定值，使减速器输出盘和输出盘接合器之间的阻尼力达到预设值，主动改变关节周向上的刚度；同时通过调节气压伸缩缸的气体压力，以改变气压伸缩缸活塞杆的阻尼力，实现关节在球面转动方向上的主动变刚度。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型的柔性关节能够通过动态调控可控粘度介质的粘度系数实现关节刚度的即时调节，具备极高的频响特性：本实用新型的减速器输出盘的环形罩与输出盘接合器的圆筒之间形成一个密闭空腔，密闭空腔内填充有可控粘度介质(如电流变液)，在不同外部激励强度(如电场强度)下可控粘度介质具有不同的粘滞力会产生相应的阻尼力，影响减速器输出盘与输出盘接合器之间的相对转动，进而影响关节在周向上的刚度。根据刚度动态调节的需求，可在极短时间内通过改变外部激励强度来改变可控粘度介质的粘滞力，进而实现关节刚度的即时调节。

2、本实用新型的柔性关节具备多个自由度，能够实现任意方向的运动，可被动自适应外部刚性冲击：在连接法兰上设有四个呈圆周均匀布置的气压伸缩缸，气压伸缩缸的轴线与关节轴线平行，气压伸缩缸的缸筒与连接法兰配合形成可动连接，气压伸缩缸的活塞杆末端与保持架端盖固定，在输出盘接合器底部上配置有一个弧面圆环，弧面圆环与导向端盖内表面配合形成一个移动副，控制四个气压伸缩缸收缩或拉伸(伸缩量不同)，使得关节具有一个球面转动自由度；此外，在连接法兰上固定有一个电机，电机输出轴经减速器可将动力传递至输出盘接合器从而实现输出盘接合器绕关节轴线发生回转运动以实现关节周向上的一个自由度的可控运动；这个旋转运动将产生两个直接的效果：1)输出盘接合器受到外部刚性冲击绕关节轴发生角位移即在周向发生被动变刚度时，输出盘接合器无法回弹到刚性冲击前的位置，此时利用电机的旋转运动可以主动补偿因外部刚性冲击造成的输出盘接合器的角位移量，防止输出盘接合器在持续的刚性冲击下运动撞击到关节的输入壳体；2)当关节在带动机械臂运动时，电机输出的动力能够使得机械臂在关节周向发生一定角度的回转运动，从而实现关节的主要转动；当关节受到刚性冲击时，输出盘接合器会克服可控粘度介质的粘滞力产生的部分阻尼力从而绕关节轴线发生回转运动产生角位移来适应刚性冲击；同时当关节受到刚性冲击时，气压伸缩缸被压缩使得输出盘接合器绕导向端盖球形球心做球面运动，从而满足关节球面转动自由度方向上的被动自适应，通过减速器输出盘与输出盘接合器形成的转动副和四个气压伸缩缸的配合可使得关节被动自适应任意方向上的刚性冲击。

3、本实用新型的柔性关节具备多自由度精准定位能力，能够实现任意方向上的高精度运动控制：本实用新型通过编码器连接输出盘接合器和减速器输出盘，利用编码器可精确检测出输出盘接合器和减速器输出盘之间发生回转运动的角位移，配合电机对减速器输出盘角位移的精确控制，从而可对输出盘接合器末端绕轴线回转运动进行精确定位；气压伸缩缸上均装有光栅尺，光栅尺可在气压伸缩缸工作中实时检测其伸缩量，由于各个气压伸缩缸的伸缩量共同唯一确定输出盘接合器末端在空间中的位置，因此通过四个气压伸缩缸的伸缩量能够精确求解出输出盘接合器末端做球面运动时发生的偏转角，通过编码器、电机和光栅尺的配合从而实现对关节在球面转动方向上位移的精确测量与控制。

4、本实用新型的柔性关节能够实现关节刚度的动态精准调节：本实用新型通过精确调节外部激励强度的大小来精确控制密闭空腔内可控粘度介质间的粘度系数从而改变输出盘接合器和减速器输出盘之间的阻尼力大小，实现关节刚度在周向上的主动变刚度的精确调节；当关节受到周向上的刚性冲击时，减速器输出盘和输出盘接合器之间产生相对位移，密闭空腔中的可控粘度介质的粘滞力在减速器输出盘和输出盘接合器之间会产生阻尼力，从而实现关节周向上的被动变刚度的精确调节；通过向四个气压伸缩缸内充气或者放气可调节各个气压伸缩缸的压力大小，精确控制气压伸缩缸内的压力能够改变气压伸缩缸两端的力学特性，从而实现关节在球面转动自由度方向上的主动变刚度的精确调节；当关节受到刚性冲击时，四个气压伸缩缸受力会被压缩，从而使得连接法兰能够绕导向端盖上的球形球心做球面运动，并在连接法兰和保持架端盖之间产生阻尼力，从而实现关节在沿轴向上被动变刚度的精确调节；综上，通过可控粘度介质和气压伸缩缸共同作用可以实现关节在任意方向上的刚度的协同耦合动态精准调节性能。

5、本实用新型的变刚度柔性关节结构简单紧凑、安装方便、通用性强：本实用新型的主被动变刚度调节机构采用可控粘度介质对关节周向上的刚度进行主被动调节，采用可控粘度介质这种变刚方式替代了传统复杂机械结构的变刚度机构，使得关节结构简单紧凑、易于小型化；本实用新型的四个气压伸缩缸既能实现关节的球面转动，又能实现球面转动方向上的主被动变刚度，使得关节结构更加紧凑；输入壳体和输出盘接合器上的法兰能够采用通用型连接法兰，方便与机械臂连接，安装方便，通用性强。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型的整体结构的轴向剖视图；

图3为本实用新型的主被动变刚度调节机构和关节多自由度调节机构在一个视角下的结构示意图；

图4为本实用新型的主被动变刚度调节机构和关节多自由度调节机构在另一个视角下的结构示意图；

图5为本实用新型的主被动变刚度调节机构在一个视角下的爆炸示意图；

图6为本实用新型的主被动变刚度调节机构在另一个视角下的爆炸示意图；

图7为本实用新型的关节多自由度调节机构与保持架端盖的爆炸示意图；

图8为本实用新型的连接法兰的结构示意图；

图9为本实用新型的输入壳体的结构示意图；

图中：1主被动变刚度调节机构，2关节多自由度调节机构，3输入壳体结构；

101减速器输出盘，102卡簧，103薄壁轴承，104小密封圈，105可控粘度介质，106编码器，107大密封圈，108激励发生器，109平键，110输出盘接合器，201管夹，202气压伸缩缸，203连接铰链，204连接法兰，205减速器，206电机，207光栅尺，301保持架端盖，302导向端盖，303输入壳体；

101-1环形罩，101-2圆台，110-1圆筒，110-2环形弧面，110-3输出法兰，110-4圆桶形结构，204-1圆柱形导轨，204-2沉头通孔，301-1端盖连接座，303-1连接法兰盘，303-2端盖连接法兰。

具体实施方式

下面结合具体附图给出本实用新型的实施例，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。

本实用新型一种基于可控粘度介质的多自由度主被动变刚度柔性关节(简称关节，参见图1-9)，包括主被动变刚度调节机构1、关节多自由度调节机构2和输入壳体结构3，主被动变刚度调节机构1和关节多自由度调节机构2均安装在输入壳体结构3内；所述主被动变刚度调节机构1包括减速器输出盘101、激励发生器108和输出盘接合器110；所述关节多自由度调节机构2包括气压伸缩缸202、连接铰链203、连接法兰204、减速器205和电机206；

所述输出盘接合器110的一端转动安装在输入壳体结构3内，减速器输出盘101转动安装在输出盘接合器110内，使得关节在周向上具有一个转动自由度；减速器输出盘101与输出盘接合器110之间同时形成一个密闭空腔，密闭空腔内填充有可控粘度介质105；激励发生器108位于密闭空腔内，为可控粘度介质105提供不同强度的激励，以改变可控粘度介质105的粘滞力，进而改变减速器输出盘101和输出盘接合器110之间的阻尼力，以实现关节周向上的变刚度；

所述电机206固定在连接法兰204上，电机206的输出轴穿过连接法兰204与减速器205的输入端连接，减速器205的输出端与减速器输出盘101的上端固连；连接法兰204上分别通过连接铰链203呈圆周均匀布置四个气压伸缩缸202，每个气压伸缩缸202的缸筒与各自的连接铰链203上端铰接形成转动副，所有气压伸缩缸202与各自的连接铰链203形成的转动副的回转轴线均垂直于连接法兰204的径向；气压伸缩缸202的活塞杆与输入壳体结构3的上部固连；连接铰链203下端与连接法兰204在关节径向上形成一个移动副，同时二者能形成一个以连接法兰204的径向为转动轴的转动副；在四个气压伸缩缸202的协同作用下，除输入壳体3、连接铰链203和气压伸缩缸202之外的结构一起以关节轴线上一个点为球心做球面运动发生一定角度的偏转，使得关节具有一个球面转动自由度。

所述关节还包括编码器106和光栅尺207；编码器106的两端分别与减速器输出盘101和输出盘接合器110连接，用于检测输出盘接合器110与减速器输出盘101之间相对转动的角位移；每个气压伸缩缸202上均设有一个光栅尺207，用于检测连接法兰204转动过程中气压伸缩缸202轴向上产生的位移量。

本实用新型的工作原理和工作流程是：

本实用新型能够用作机器人的关节，将输入壳体结构3的中部与机械臂的一个臂体连接，输出盘接合器110的一端与机械臂另一臂体连接。在关节开始工作之前，需要向气压伸缩缸202内预设适当压力，以保证关节在球面运动自由度上具有一定的刚度并且使得输出盘接合器110底部环形弧面110-2与导向端盖302内表面紧密配合；同时向气压伸缩缸202内充气或放气能够使得各个气压伸缩缸202伸长或者收缩，调节四个气压伸缩缸202的伸缩量，使得连接法兰204能够绕导向端盖302上的球形球心发生一定的偏转，使得关节具有一个球面转动自由度；同时在关节径向上，电机206输出的动力经过减速器205传递到减速器输出盘101和输出盘接合器110，使得输出盘接合器110绕关节轴线发生回转运动，使关节在周向上具有绕关节轴线的一个转动自由度；在电机206和所有气压伸缩缸202的共同作用下，使得关节能够实现球面转动自由度和周向转动自由度的耦合运动，从而实现关节任意方向的可控运动。

关节在运动和工作的过程中，与机械臂连接的位置容易产生刚性冲击，引起关节的冲击振动，冲击振动会使得输出盘接合器110相对于减速器输出盘101产生相对回转角位移，在此过程中，位于输出盘接合器110和减速器输出盘101之间密闭空腔中的可控粘度介质105的粘滞力会在两者之间产生阻尼力，阻尼力会改变两者之间位移的力学特性，从而实现关节周向上的被动变刚度，避免关节在周向上的刚性冲击；在关节轴向方向上，冲击振动会导致各个气压伸缩缸202内的气体受到压缩，从而使连接法兰204能够绕导向端盖302球形球心做球面转动，被压缩的气压伸缩缸202产生阻尼力能够实现关节在球面转动方向上的被动变刚度，从而有效避免关节刚性冲击。

当关节原有的刚度特性无法满足关节在复杂环境中的工作需求时，则需要关节随时改变其原有刚度以适应复杂环境下的工作，这时通过精确调节激励发生器108产生的激励强度，使得可控粘度介质105的粘滞力达到预定值，引起减速器输出盘101和输出盘接合器110之间的阻尼力达到预设值，从而能够主动且精确的调节关节周向上的刚度；同时通过控制向气压伸缩缸202内充、放气精确调节气压伸缩缸202内的气体压力，以改变气压伸缩缸202活塞杆的阻尼力，实现关节在球面转动方向上的主动变刚度。

根据关节动态运动的控制要求，可以同时协同控制四个气压伸缩缸202与电机206实现关节任意方向的耦合运动，在关节持续耦合运动过程中，可以随时改变激励发生器108的激励强度来改变可控粘度介质105的粘滞力，通过改变气压伸缩缸202的压力，从而即时实现关节在周向和轴向上的主动精准变刚度能力，在这一主动变刚度过程中，关节始终具备球面转动自由度和周向转动自由度方向上的被动变刚度能力。

每一个气压伸缩缸202上的光栅尺207会实时检测气压伸缩缸202沿关节径向上的位移量，在关节主动运动过程中，光栅尺207会实时检测气压伸缩缸202主动运动中的位移量，通过对四个气压伸缩缸202的位移量的计算可以准确得知连接法兰204在空间中的位姿，进而根据数学解算精准掌握输出盘接合器110的末端位姿，从而实现关节运动过程中的精确定位，以保证关节负载运动能够精确达到预定值；在关节受到周向刚性冲击时，减速器输出盘101发生被动回转，并通过编码器106实时检测产生的角位移量，将编码器106检测的被动回转的角位移量和电机206控制的主动回转位移量进行叠加，能够精确测出输出盘接合器110末端回转的角位移量；通过编码器106和光栅尺207配合测量，可以精确定位输出盘接合器110末端在运动过程中的位置，从而实现关节的多自由度精准耦合运动。

实施例

本实施例的基于可控粘度介质的多自由度主被动变刚度柔性关节，包括主被动变刚度调节机构1、关节多自由度调节机构2和输入壳体结构3；所述主被动变刚度调节机构1包括减速器输出盘101、编码器106、激励发生器108和输出盘接合器110；所述关节多自由度调节机构2包括气压伸缩缸202、连接铰链203、连接法兰204、减速器205、电机206和光栅尺207；所述输入壳体结构3包括保持架端盖301、导向端盖302和输入壳体303；

所述输出盘接合器110为上部具有开口的圆桶形结构110-4，圆桶形结构110-4的周向上延伸出一个输出法兰110-3，在输出法兰110-3上开有一圈均匀布置的用于连接机械臂臂体的通孔，输出法兰110-3作为整个关节的输出端；圆桶形结构110-4的中心处设有圆筒110-1，输出盘接合器110在圆筒110-1的区域内设有一圈均匀布置的用于连接编码器106的螺纹孔；圆桶形结构110-4的底部设有与导向端盖302配合的环形弧面110-2，圆桶形结构110-4内壁的中部设有安装卡簧102的凹槽；

减速器输出盘101的底部边缘沿轴向延伸出一个环形罩101-1，环形罩101-1外壁的下部具有轴肩，环形罩101-1的下端面上开有安装大密封圈107的凹槽；减速器输出盘101的底部中心处具有一个圆台101-2，圆台101-2外壁的上部具有安装小密封圈104的凹槽；减速器输出盘101通过薄壁轴承103转动安装在输出盘接合器110的圆桶形结构110-4内，减速器输出盘101的圆台101-2插入输出盘接合器110的圆筒110-1内，圆台101-2的下端面与圆筒110-1的上表面不接触，留有安装编码器106的空间；薄壁轴承103的内圈通过环形罩101-1外壁上的轴肩进行轴向限位，薄壁轴承103的外圈通过卡簧102限位，卡簧102镶嵌固定在输出盘接合器110的凹槽内；减速器输出盘101的环形罩101-1与输出盘接合器110的圆筒110-1之间形成一个密闭空腔，并通过小密封圈104和大密封圈107对密闭空腔的两端进行密封；密闭空腔内填充有可控粘度介质105，可控粘度介质105是一种在外部激励强度改变作用下粘滞力显著变化的固-液混合体系，用于在输出盘接合器110和减速器输出盘101之间产生阻尼力，进而调节关节周向上的刚度；所述激励发生器108位于密闭空腔内，包括激励发生端和激励接收端，激励发生端和激励接收端分别与减速器输出盘101和输出盘接合器110固连，在密闭空腔内形成电场或磁场，通过改变电场或磁场的强度，改变可控粘度介质105的粘滞力；编码器106位于输出盘接合器110的圆筒110-1内，编码器106底部的法兰通过螺钉与输出盘接合器110的圆筒110-1内的螺纹孔固连，编码器106的转动轴通过平键109与减速器输出盘101的圆台101-2配合，编码器106用于检测输出盘接合器110与减速器输出盘101之间相对转动时的相对角位移。

小密封圈104和大密封圈107均为径向截面为矩形的圆环，小密封圈104安装在减速器输出盘101的圆台101-2的凹槽内，大密封圈107安装在环形罩101-1的凹槽内，防止减速器输出盘101和输出盘接合器110的接触面之间产生缝隙，实现对密闭空腔的密封。

所述连接铰链203的上端具有铰接孔，下端具有轴孔；

所述连接法兰204在上端面的周向上呈圆周均匀设有四个沿连接法兰204径向上的圆柱形导轨204-1，中心位置设有中心孔，周向上同时设有一圈连接电机206的沉头通孔204-2；圆柱形导轨204-1为“L”型，每个圆柱形导轨204-1的短端与连接法兰204的上端面固连，每个导轨204-1的长端与各自的连接铰链203下端的轴孔配合形成一个沿关节径向上的移动副和一个以连接铰链203的轴孔的轴线为转动轴的转动副；每个连接铰链203上端的铰接孔通过铆钉与各自的气压伸缩缸202的缸筒铰接形成转动副，所有连接铰链203与气压伸缩缸202形成的转动副的回转轴线均垂直于圆柱型导轨204-1的轴线；四个气压伸缩缸202协同作用，使得连接法兰204能够绕导向端盖302上的球形球心做球面运动，使得关节具有一个球面转动自由度；气压伸缩缸202的活塞杆上端与保持架端盖301上的端盖连接座301-1固连，初始位置时(关节未工作之前)所有气压伸缩缸202的轴线均与关节轴线始终平行；所述减速器205是谐波减速器，电机206固定在连接法兰204的中心处，电机206的输出轴穿过连接法兰204的中心孔与减速器205的柔轮连接；减速器205的刚轮与减速器输出盘101的上端固连；

每个气压伸缩缸202的活塞杆上分别通过管夹201设有光栅尺207，用于检测连接法兰204转动过程中，气压伸缩缸202在其轴向上产生的位移量。

所述保持架端盖301和导向端盖302均为一端开口的半球形壳体，在保持架端盖301内部的中间位置有一个圆形凸台，圆形凸台上设有四个呈圆周均匀布置的端盖连接座301-1；端盖连接座301-1由两个矩形吊耳组成，每个铰链301-1的两个矩形吊耳与各自的气压伸缩缸202的活塞杆上端固连。

所述导向端盖302的壳体内表面的曲率与输出盘接合器110底部的环形弧面110-2曲率相同，保证输出盘接合器110与导向端盖302能够无间隙配合形成转动副。

所述输入壳体303为上下两端均具有开口的圆筒形薄壁结构，且在上下两端开口处分别具有端盖连接法兰303-2；输入壳体303上端的端盖连接法兰303-2与保持架端盖301固连，输入壳体303下端的端盖连接法兰303-2与导向端盖302固连；输入壳体303的周向上开有豁口，使得输出盘接合器110的输出法兰110-1从豁口位置伸出；在输入壳体303的中部周向上延伸出一个连接法兰盘303-1，连接法兰盘303-1的端部为半圆形，用于与机械臂臂体连接，连接法兰盘303-1作为关节的输入端。

本实用新型未述及之处适用于现有技术。

Claims (8)

1.一种基于可控粘度介质的多自由度主被动变刚度柔性关节，包括主被动变刚度调节机构、关节多自由度调节机构和输入壳体结构，主被动变刚度调节机构和关节多自由度调节机构均安装在输入壳体结构内；其特征在于，

所述主被动变刚度调节机构包括减速器输出盘、外部激励发生器和输出盘接合器；所述关节多自由度调节机构包括气压伸缩缸、连接铰链、连接法兰、减速器和电机；

所述电机安装在连接法兰上，电机的输出轴穿过连接法兰与减速器的输入端连接，减速器的输出端与减速器输出盘固连；输出盘接合器的一端转动安装在输入壳体结构内，减速器输出盘转动安装在输出盘接合器内，在电机的作用下使得关节在周向上具有一个转动自由度；减速器输出盘与输出盘接合器之间同时形成一个密闭空腔，密闭空腔内填充有可控粘度介质；外部激励发生器位于密闭空腔内，为可控粘度介质提供不同强度的激励，实现关节周向上的变刚度；

所述连接法兰上分别通过连接铰链呈圆周均匀设有四个气压伸缩缸，每个气压伸缩缸的缸筒与各自的连接铰链上端铰接形成转动副，所有气压伸缩缸与各自的连接铰链形成的转动副的回转轴线均垂直于连接法兰的径向；气压伸缩缸的伸缩杆均与输入壳体结构的上部固连；连接铰链的下端与连接法兰形成一个关节径向上的移动副，两个之间同时形成一个以连接法兰的径向为转动轴的转动副；在四个气压伸缩缸的协同作用下，使得关节具有一个球面转动自由度。

2.根据权利要求1所述的基于可控粘度介质的多自由度主被动变刚度柔性关节，其特征在于，该关节还包括编码器和标尺光栅；编码器的两端分别与减速器输出盘和输出盘接合器固连；每个气压伸缩缸上均设有一个标尺光栅。

3.根据权利要求1所述的基于可控粘度介质的多自由度主被动变刚度柔性关节，其特征在于，所述输入壳体结构包括保持架端盖、导向端盖和输入壳体；保持架端盖和导向端盖均为一端开口的半球形壳体；输入壳体为上下两端均具有开口的圆筒形薄壁结构，且在上下两端开口处分别具有端盖连接法兰；输入壳体上端的端盖连接法兰与保持架端盖固连，输入壳体下端的端盖连接法兰与导向端盖固连；输入壳体的周向上开有豁口，与豁口相对的周向上延伸出一个连接法兰盘。

4.根据权利要求3所述的基于可控粘度介质的多自由度主被动变刚度柔性关节，其特征在于，所述输出盘接合器为上部具有开口的圆桶形结构，圆桶形结构的周向上延伸出一个输出法兰；圆桶形结构的中心处设有圆筒；圆桶形结构的底部周向上具有环形弧面。

5.根据权利要求4所述的基于可控粘度介质的多自由度主被动变刚度柔性关节，其特征在于，所述环形弧面的曲率与导向端盖的壳体内表面的曲率相同。

6.根据权利要求4所述的基于可控粘度介质的多自由度主被动变刚度柔性关节，其特征在于，所述减速器输出盘的底部边缘沿轴向延伸出一个环形罩，环形罩外壁的下部具有轴肩，环形罩的下端面上具有凹槽；减速器输出盘的底部中心处具有一个圆台，圆台外壁的上部具有凹槽。

7.根据权利要求6所述的基于可控粘度介质的多自由度主被动变刚度柔性关节，其特征在于，所述减速器输出盘转动安装在输出盘接合器的圆桶形结构内，减速器输出盘的圆台插入输出盘接合器的圆筒内，圆台的下端面与圆筒的上表面不接触；减速器输出盘的环形罩与输出盘接合器的圆筒之间形成一个密闭空腔，密闭空腔内填充有可控粘度介质。

8.根据权利要求1所述的基于可控粘度介质的多自由度主被动变刚度柔性关节，其特征在于，所述连接铰链的上端具有铰接孔，下端具有轴孔；连接法兰在上端面的周向上呈圆周均匀设有四个沿连接法兰径向上的圆柱形导轨，每个圆柱形导轨与各自的连接铰链下端的轴孔配合形成一个沿关节径向上的移动副和一个以连接铰链的轴孔的轴线为转动轴的转动副；每个连接铰链上端的铰接孔与各自的气压伸缩缸的缸筒铰接形成转动副，所有连接铰链与气压伸缩缸形成的转动副的回转轴线均垂直于连接法兰的径向。

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