CN217703488U - 一种变弹簧圈数的变刚度执行器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种变弹簧圈数的变刚度执行器。本实用新型的一种变弹簧圈数的变刚度执行器包括外壳、主动模块、被动模块；主动模块包括固定结构、弹簧、动力组件；弹簧的一端与外壳底部连接，另一端与固定结构连接；固定结构设于弹簧上方，与外壳的内侧面固定连接；动力组件的上半部分与固定结构活动连接；被动模块包括变弹簧圈数组件、弹力传导组件；变弹簧圈数组件与弹簧活动连接、与动力组件的下半部分连接；弹力传导组件的上半部分与变弹簧圈数组件连接，下半部分设于外壳底部的外侧、与外壳活动连接。本实用新型的有益效果在于结构简单紧凑、体积小、重量轻、无需外部辅助设备、成本低、无极调节的效果。

Description

一种变弹簧圈数的变刚度执行器

技术领域

本实用新型属于机械臂末端执行机构的技术领域，具体涉及一种变弹簧圈数的变刚度执行器。

背景技术

目前，用机械臂替代人工进行打磨、抛光是自动化生产线上常见的技术。对于打磨、抛光等需要机械臂与环境交互的过程，现有机械臂的刚性末端往往无法表现出类似人类手臂的柔性，无法达到与人工打磨同样的加工效果。而在能实现类似人类手臂柔性的机械臂末端执行器中，现有的柔性执行器不仅在生产场景中使用率低，且由于其要么刚度难以调控，要么需要大量的辅助设备，比如气动柔性执行器需要输入气体的压缩设备，且气动柔性执行器在动作时存在气体状态变化引起的控制精度问题，无法满足工业生产中不同加工要求的场景，无法实现低成本生产。

实用新型内容

为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本实用新型提供一种变弹簧圈数的变刚度执行器，通过改变所压缩的弹簧的长度来改变执行器的整体刚度。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种变弹簧圈数的变刚度执行器，包括外壳、主动模块、被动模块，所述主动模块与所述被动模块相互连接；

主动模块包括固定结构、弹簧、动力组件；

所述弹簧的一端与外壳底部连接，另一端与固定结构连接；

所述固定结构设于弹簧上方，与外壳的内侧面固定连接；

所述动力组件的上半部分与固定结构活动连接；

被动模块包括变弹簧圈数组件、弹力传导组件；

所述变弹簧圈数组件与弹簧活动连接、与动力组件的下半部分连接；变弹簧圈数组件用于在动力组件驱动下，调节变弹簧圈数组件与弹簧的连接处到固定结构这段距离上弹簧的圈数；

所述弹力传导组件的上半部分与变弹簧圈数组件连接，下半部分设于外壳底部的外侧、与外壳活动连接。

优选地，动力组件包括花键轴、滚珠花键滑块；

所述花键轴的上半部分与固定结构活动连接，下半部分与滚珠花键滑块活动连接；

所述滚珠花键滑块与变弹簧圈数组件连接。

进一步地，动力组件还包括电机、联轴器；

所述联轴器的下端与花键轴的上半部分连接，上端与电机连接；

所述电机用于提供动力组件的转向动力。

更进一步地，固定结构包括固定基板、电机架；

所述固定基板与外壳固定连接，固定基板的中央位置与花键轴活动连接；

电机架与固定基板的中央位置连接，设于固定基板上方，用于安装电机；

联轴器设于电机架与固定基板之间。

优选地，变弹簧圈数组件包括连接座、弹簧支持架；

所述连接座嵌套于动力组件下半部分的外侧，用于跟随动力组件进行活动；

所述弹簧支持架与连接座外侧连接、与弹簧的中部活动连接。

进一步地，弹簧支持架设有弹簧夹持块；

所述弹簧夹持块与弹簧的中部连接，用于沿弹簧的中部进行周向和/或竖向的移动。

进一步地，弹簧支持架设有多个；多个弹簧支持架在连接座的外侧上均设置为不等高。

再进一步地，连接座设有四个侧面，弹簧支持架设有四个；

四个弹簧支持架分别设在接座的四个侧面，且四个弹簧支持架的高度依次下降。

进一步地，弹力传导组件包括传力轴；

所述传力轴的上半部分与连接座连接，下半部分设于外壳底部的外侧、与外壳活动连接。

优选地，变弹簧圈数组件的连接座嵌套于动力组件的滚珠花键滑块的外侧。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本实用新型结构简单紧凑、体积小、重量轻、无需外部辅助设备，大规模投入生产的成本低，且便于后续的设备维护。本实用新型利用改变弹簧参与弹力传递的有效圈数的方式来调整弹簧刚度的功能，可以进行无极调节，具有一维的浮动与变刚度效果，调节精度基本不受外部变化因素的干扰，通过具体的规格参数设计可使机械臂满足多种生产场景的需求。

附图说明

图1为本实用新型其中一种变弹簧圈数的变刚度执行器的剖视图；

图2为图1中变刚度主体部分的结构示意图；

图3为主动模块的结构示意图；

图4为主动模块的轴测剖视图；

图5为被动模块的结构示意图；

图6为被动模块的轴测剖视图；

图7为弹簧支持架的结构示意图；

图8为弹簧支持架的轴测剖视图；

图中：1-上盖，2-上壳，3-伸缩套，4-下壳，5-变刚度主体，6-电机，7-电机架，8-联轴器，9-花键轴，10-固定基板，11-矩形弹簧，12-滚珠花键滑块，13-滑块连接座，14-传力轴，15-弹簧支持架，16-传力旋转座，17-推力球轴承，18-阶梯轴，19-黄铜石墨轴套，20-角接触球轴承，21-支持架旋转轴，22-支持架旋转轴轴套，23-支持架夹持块，24-弹簧夹持块底座，25-弹簧下夹持块，26-弹簧上夹持块，27-支持架旋转轴端盖。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例

如图1至图8所示，本实施例提供的一种变弹簧圈数的变刚度执行器，包括外壳、主动模块、被动模块，主动模块、被动模块为执行器的变刚度主体5。外壳由上盖1、上壳2、伸缩套3、下壳4组成。主动模块由固定结构、弹簧、动力组件组成，其中，固定结构包括电机架7、固定基板10，弹簧为矩形弹簧11，动力组件包括电机6、联轴器8、花键轴9、滚珠花键滑块12、黄铜石墨轴套19。被动模块由变弹簧圈数组件、弹力传导组件组成，其中，变弹簧圈数组件包括滑块连接座13、弹簧支持架15，弹簧支持架15包括支持架旋转轴21、支持架旋转轴轴套22、支持架夹持块23、弹簧夹持块底座24、弹簧下夹持块25、弹簧上夹持块26、支持架旋转轴端盖27，弹力传导组件包括传力轴14、传力旋转座16、推力球轴承17、阶梯轴18、角接触球轴承20。

如图1和图2所示，上盖1的底部与上壳2的顶部相互固定连接，两者的内部一起构成容置变刚度主体5的空腔。上盖1的顶部外侧中央位置设有法兰，用于连接外部的加工装置或机械臂末端。上壳2为圆柱体形状，其外侧面下半部分与下壳4的内侧面相互连接，下壳4可在上壳2的外侧面上进行上下移动和旋转。伸缩套3套在上壳2和下壳4的外侧，伸缩套3的上半部分与上壳2的外侧面上半部分连接，伸缩套3的下半部分与下壳4的底面连接，在下壳4于上壳2之间发生相对滑动时，伸缩套3同时跟随着被压缩或延展。下壳4的底部外侧中央位置上设有法兰，用于连接外部的加工装置或机械臂末端。

如图1至图4所示，固定基板10的边缘与上壳2的内侧面上半部分固定连接。固定基板10的中央位置上设有黄铜石墨轴套19，花键轴9的上半部分穿过在黄铜石墨轴套19嵌套在黄铜石墨轴套19可进行转动，从而与固定基板10实现活动连接。花键固定基板10上侧面在黄铜石墨轴套19的外围上方还固定连接电机架7。电机架7设有一定的高度，电机架7的顶部安装有电机6，且电机架7的顶部与固定基板10之间留有一定的空间，该空间用于容置联轴器8。联轴器8的下端与花键轴9的顶端连接，联轴器8的上端与电机6的转轴连接。花键轴9的下半部分上连接有滚珠花键滑块12，滚珠花键滑块12可在花键轴9上进行上下移动。矩形弹簧11为一直径较大的压缩弹簧，矩形弹簧11的上端固定连接在固定基板10的下侧面，矩形弹簧11的下端固定连接在上壳2底面的内侧，矩形弹簧11设于靠固定基板10边缘的位置，从而将变弹簧圈数组件、弹力传导组件均限制在其内侧的位置。

滑块连接座13的内侧设有用于穿过花键轴9的通道，该通道可同时嵌入滚珠花键滑块12的下半部分。滑块连接座13的顶部与滚珠花键滑块12的上半部分固定连接。滑块连接座13的外侧形状为圆角长方体，四个侧面上均分别设有弹簧支持架15。四个侧面上的四个弹簧支持架15与滑块连接座13底部之间的距离均不相同，且距离大小按俯视角度的逆时针顺序依次降低。滑块连接座13设于矩形弹簧11的内侧空间，弹簧支持架15与矩形弹簧11的中部活动连接。弹簧支持架15用于夹持矩形弹簧11的铁条材料。

如图5至图8所示，弹簧支持架15的一端嵌套连接在滑块连接座13的侧面，另一端夹持矩形弹簧11。弹簧支持架15的支持架夹持块23为两块留有一定间隔的长条形工件，均与滑块连接座13的侧面固定连接，且滑块连接座13在该间隔的位置上设有嵌套安装支持架旋转轴21和支持架旋转轴轴套22的通孔。支持架旋转轴21大致为T型形状的工件，其一端与支持架旋转轴端盖27固定连接，另一端嵌套在支持架旋转轴轴套22内，支持架旋转轴轴套22嵌入滑块连接座13所设置的通孔内。支持架旋转轴轴套22的直径略大于支持架夹持块23所留有的间隔大小。支持架旋转轴端盖27的底部与弹簧夹持块底座24固定连接。支持架旋转轴端盖27、弹簧夹持块底座24之间还分别设有弹簧上夹持块26、弹簧下夹持块25。弹簧上夹持块26、弹簧下夹持块25之间留有与矩形弹簧11的铁条材料粗细相同的间距，且弹簧上夹持块26、弹簧下夹持块25均具备一定的光滑度能与矩形弹簧11相对进行径向的移动，从而实现对矩形弹簧11中部的夹持与相对滑动。

如图1至图6所示，滑块连接座13的底部与传力轴14的顶端固定连接。传力轴14的内部为圆柱形空腔，用于容置花键轴9的下半部分，且与花键轴9不发生接触，底部与花键轴9的下端留有一定的间距。传力轴14同样设置在矩形弹簧11内侧的空间。上壳2的底部中央位置设有开孔，用于嵌套传力轴14的下半部分，且与传力轴14的侧面可进行相对滑动。传力轴14的底端与传力旋转座16固定连接。传力旋转座16设有角接触球轴承20，角接触球轴承20与推力球轴承17连接，角接触球轴承20设于传力旋转座16上方，推力球轴承17设于传力旋转座16下方。推力球轴承17与阶梯轴18的上端连接，阶梯轴18的下端与下壳4底部内侧的中央位置固定连接。

本实施例运作时，电极在外部控制脉冲的驱动下进行转动，且转动过的角度可以为连续的，电机6通过联轴器8、花键轴9、滚珠花键滑块12将力传导到滑块连接座13，从而使四个弹簧支持架15都转过同样的角度实现径向转动。而由于滚珠花键滑块12可以在花键轴9上进行上下滑动，在矩形弹簧11的限制下弹簧支持架15也进行上下移动，从而改变了弹簧支持架15在矩形弹簧11上的接触位置，使得变弹簧圈数组件与弹簧的连接处到固定结构的这段距离上弹簧的有效圈数发生变化，变弹簧圈数组件与弹簧的连接处到外壳的这段距离上弹簧的有效圈数也随之发生变化，以此实现对矩形弹簧11的变圈数的效果。由于弹簧的刚度与有效圈数存在反比例关系，在矩形弹簧11的上、下两部分的有效圈数发生改变时，上、下两部分的刚度也与上一状态时的刚度不同。因此，在电机6带动弹簧支持架15转过一定角度并上下移动一段距离后，花键轴9卡住滑块连接座13使其不能再进行转动，矩形弹簧11的上、下两部分的有效圈数发生改变，当下壳4带动传力轴14推动或拉动滑块连接座13时，所产生的弹力与上一状态时的弹力不同。由于电机6转过的角度可以是连续的，因此对矩形弹簧11有效圈数的改变也是连续的，所以能够实现无极调节的功能。

本实用新型相比现有技术，其有益效果在于，本实施例整体结构简单紧凑、体积小、重量轻、无需像气动柔性执行器那样需要额外的辅助设备，大规模投入生产时的制造和运行成本低，且便于后续的设备维护；由于矩形弹簧11的刚度与有效圈数就有反比例关系，本实施例利用弹簧支持架15的位置变化所造成的矩形弹簧11在弹簧支持架15到固定基板10、弹簧支持架15到上壳2这两段的有效圈数的变化，来实现利用长度变化调整执行器在压缩或拉伸时整体刚度的功能，具有一维的浮动与变刚度效果；本实施例的调节精度功能基本不受外部变化因素的干扰，还可以实现无极调节的功能，通过具体的规格参数设计还可使搭载执行器的机械臂满足多种生产场景的需求。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种变弹簧圈数的变刚度执行器，其特征在于，包括外壳、主动模块、被动模块，所述主动模块与所述被动模块相互连接；

主动模块包括固定结构、弹簧、动力组件；

所述弹簧的一端与外壳底部连接，另一端与固定结构连接；

所述固定结构设于弹簧上方，与外壳的内侧面固定连接；

所述动力组件的上半部分与固定结构活动连接；

被动模块包括变弹簧圈数组件、弹力传导组件；

所述变弹簧圈数组件与弹簧活动连接、与动力组件的下半部分连接；变弹簧圈数组件用于在动力组件驱动下，调节变弹簧圈数组件与弹簧的连接处到固定结构这段距离上弹簧的圈数；

所述弹力传导组件的上半部分与变弹簧圈数组件连接，下半部分设于外壳底部的外侧、与外壳活动连接。

2.根据权利要求1所述变弹簧圈数的变刚度执行器，其特征在于，动力组件包括花键轴、滚珠花键滑块；

所述花键轴的上半部分与固定结构活动连接，下半部分与滚珠花键滑块活动连接；

所述滚珠花键滑块与变弹簧圈数组件连接。

3.根据权利要求2所述变弹簧圈数的变刚度执行器，其特征在于，动力组件还包括电机、联轴器；

所述联轴器的下端与花键轴的上半部分连接，上端与电机连接；

所述电机用于提供动力组件的转向动力。

4.根据权利要求3所述变弹簧圈数的变刚度执行器，其特征在于，固定结构包括固定基板、电机架；

所述固定基板与外壳固定连接，固定基板的中央位置与花键轴活动连接；

电机架与固定基板的中央位置连接，设于固定基板上方，用于安装电机；

联轴器设于电机架与固定基板之间。

5.根据权利要求1所述变弹簧圈数的变刚度执行器，其特征在于，变弹簧圈数组件包括连接座、弹簧支持架；

所述连接座嵌套于动力组件下半部分的外侧，用于跟随动力组件进行活动；

所述弹簧支持架与连接座外侧连接、与弹簧的中部活动连接。

6.根据权利要求5所述变弹簧圈数的变刚度执行器，其特征在于，弹簧支持架设有弹簧夹持块；

所述弹簧夹持块与弹簧的中部连接，用于沿弹簧的中部进行周向和/或竖向的移动。

7.根据权利要求5所述变弹簧圈数的变刚度执行器，其特征在于，弹簧支持架设有多个；多个弹簧支持架在连接座的外侧上均设置为不等高。

8.根据权利要求7所述变弹簧圈数的变刚度执行器，其特征在于，连接座设有四个侧面，弹簧支持架设有四个；

四个弹簧支持架分别设在接座的四个侧面，且四个弹簧支持架的高度依次下降。

9.根据权利要求5所述变弹簧圈数的变刚度执行器，其特征在于，弹力传导组件包括传力轴；

所述传力轴的上半部分与连接座连接，下半部分设于外壳底部的外侧、与外壳活动连接。

10.根据权利要求1-9任一项所述变弹簧圈数的变刚度执行器，其特征在于，变弹簧圈数组件的连接座嵌套于动力组件的滚珠花键滑块的外侧。

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