CN105171771B - 一种凸轮结构变刚度弹性关节 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种凸轮结构变刚度弹性关节，由外壳、轴和外圈组成，轴设置于外壳的回转中心，且与外壳固定，外壳与外圈之间为转动副连接；外圈上径向安装有对称的多个弹簧片，每个弹簧片一端与外圈固联，另一端穿过弹簧与轴固联；弹簧一端连接在轴上，另一端连接在滑动块上；滑动块安装在弹簧片中间部位，且与弹簧片之间为滑动连接；轴上安装有凸轮盘，凸轮盘为中心对称结构，且与轴之间为转动副连接；每个滑动块上端均设置有凸轮滚子，凸轮盘与凸轮滚子构成凸轮传动。本发明的一种凸轮结构变刚度弹性关节克服现有结构相对复杂，变刚度特性差等问题，提供一种结构简单，可以实现在机器人关节运动过程中刚度实时可调的机器人变刚度结构。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种凸轮结构变刚度弹性关节。
背景技术
随着科技的飞速发展，机器人技术在现阶段的应用是非常广泛的，尤其是在工业领域内。目前，随着机器人技术向柔性方面的发展，多台机器人的协同工作，以及机器人与人之间的交互作用等越来越普遍。这种现象的出现，必将对机器人的柔性技术和适应性要求有所提高。这也是现阶段国内外研究的热点。
从机器人的整个组成结构来看，机器人关节是机器人实现各种运动的关键零部件。现有机器人技术应用较多的主要是刚性关节和弹性关节。针对变刚度机器人关节的应用技术是比较少的。
变刚度机器人弹性关节能够根据任务要求，实时调节关节刚度，从而提高机器人的适应性。变刚度关节驱动器可能的应用领域包括：提升服务机器人人机交互的安全性；在假肢关节中应用可以有效地抵抗外力的冲击，保护关节免遭破坏。变刚度机器人弹性关节能够有效地提高机器人对环境的适应性并扩大机器人的应用领域，具有广泛的应用前景。
研究如何提高机器人的适应性的过程中。通常使用被动柔性和主动力控制来提高机器人的适应性。被动柔性难以进行主动控制，应用面较窄。主动力控制对力传感器的精度、采样频率的带宽和控制算法的实时性要求较高；其安全性难以保证，且鲁棒性较低，能量消耗较大。
国外对变刚度机器人弹性关节的研究比较多，主要集中在实现结构的变刚度，能量效率的优化，以及控制方法的研究。但从国外所设计很多结构来看，其结构还是存在很多问题，如变刚度机器人关节结构复杂，变刚度特性差，控制复杂，能量消耗大，安全性较低等。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有变刚度机器人弹性关节的结构相对复杂，变刚度特性差，控制复杂，能量消耗大，安全性较低，提供一种结构简单，可以实现在机器人关节运动过程中刚度实时可调的机器人变刚度结构。
本发明的目的是通过下述技术方案来实现的：
一种凸轮结构变刚度弹性关节，由外壳(1)、轴(5)和外圈(2)组成；其特征在于所述轴(5)设置于外壳(1)的回转中心，并且与外壳(1)之间为固定连接，外壳(1)与外圈(2)之间为转动副连接；所述外圈(2)上径向安装有对称的多个弹簧片(7)，每个弹簧片(7)一端与外圈(2)固联，另一端穿过弹簧(3)与轴(5)固联；所述弹簧(3)一端连接在轴(5)上，另一端连接在滑动块(8)上；所述滑动块(8)安装在弹簧片(7)中间部位，随弹簧片(7)对称分布，且与弹簧片(7)之间为滑动连接；所述轴(5)上安装有凸轮盘(6)，凸轮盘(6)为中心对称结构，且凸轮盘(6)与轴(5)之间为转动副连接；所述每个滑动块(8)上端均设置有凸轮滚子(9)，凸轮盘(6)与凸轮滚子(9)构成凸轮传动。
上述方案中，所述一种凸轮结构变刚度弹性关节还包括固定块(4)结构，固定块(4)固定连接在轴(5)上，且中间设置有滑动块(8)的滑动槽，滑动块(8)可在滑动槽中相对于固定块(4)滑动。
上述方案中，所述凸轮盘的中心对称结构具体为：凸轮盘上，对应于滑动块上的凸轮滚子处，设置有凸轮行程轮廓，多个凸轮行程轮廓以凸轮盘中心对称分布。
上述方案中，所述凸轮盘(6)与滑动块(8)上的凸轮滚子(9)之间为凸轮传动，凸轮盘(6)的行程轮廓为多项式曲线轮廓、正弦曲线轮廓、余弦曲线轮廓、螺旋线轮廓等，不同的行程轮廓决定了弹性关节不同刚度的曲线特性。
上述方案中，所述滑动块(8)在弹簧片(7)上滑动的有效长度决定了弹簧片(7)的刚度可控范围。
上述方案中，所述弹簧(3)为拉弹簧，对于凸轮盘(6)与滑动块(8)上凸轮滚子(9)之间的凸轮传动具有预紧作用，同时在凸轮回旋时，对滑动块有回复作用。
上述方案中，所述滑动块(8)内槽两端安装有滚子，在滑动块(8)沿弹簧片(7)滑动的过程中，实现变滑动摩擦为滚动摩擦，有效地减小了能量的损失，减小了驱动电机的起动力矩。
上述方案中，更进一步，所述滑动块(8)外侧两端也安装有滚子，在滑动块(8)沿固定块(4)上的滑动槽滑动的过程中，实现变滑动摩擦为滚动摩擦。
上述方案中，所述弹簧片(7)为多个弹簧薄片的叠加结构，使得变刚度弹性关节的力学性能更好。
本发明所述的一种凸轮结构变刚度弹性关节实现变刚度的工作原理为：所述外壳(1)固定不动，通过外加电机驱动凸轮盘(6)转动，当外加电机驱动凸轮盘(6)沿顺时针方向转动时，通过凸轮传动，在弹簧(3)预紧力的作用下，滑动块(8)沿弹簧片(7)同时向轴心一侧移动，从而改变外圈(2)与滑动块(8)之间弹簧片(7)的有效长度，使弹簧片(7)的有效长度变大，从而使关节的刚度变小。当外加电机驱动凸轮盘(6)沿逆时针方向转动时，滑动块(8)会在凸轮盘(6)的反向驱动下同时向外侧移动，使弹簧片(7)的有效长度减小，从而使关节刚度变大。
本发明的一种凸轮结构变刚度弹性关节可用在各种机器人弹性关节的系统中，特别是用于刚度可调的机器人弹性关节系统中。其特点在于采用凸轮盘与滑动块上凸轮滚子之间凸轮传动的方式实现滑动块沿弹簧片的相对移动，控制弹簧片的有效工作长度，从而实现该弹性关节结构的刚度可调。弹簧片刚度的调节通过外接电机驱动凸轮盘，通过电机的正反转，从而可以控制弹簧片刚度的变化。
本发明提出的一种凸轮结构变刚度弹性关节，克服了原有机器人弹性关节的结构相对复杂，控制方式复杂，以及使用场合有限等缺陷。此结构具有结构相对简单，可以实现关节转动两个方向的抗冲击特性，并且控制关节位置与刚相对独立的特点。上述方案中，使用弹簧片，其结构简单，制造加工容易，便于结构自身的更换，且整个结构刚度控制方式相对简单。使用凸轮传动结构，其结构紧凑，传动传动效率高，变刚度响应快，变刚度过程稳定。采用弹簧回复结构使得变刚度过程连续可靠。通过改变凸轮盘形成轮廓，可以改变弹性关节的刚度特性曲线，以适应不同的工作场合。
附图说明
图1是本发明的示意图。
图2是本发明的凸轮盘示意图。
图3是本发明的滑动块示意图。
图4是本发明的外圈示意图。
图5是本发明的外壳示意图。
图6是本发明的轴示意图。
图7是本发明的固定块示意图。
图8是本发明的弹簧片示意图。
图9是本发明的弹簧示意图。
图10是本发明的凸轮滚子示意图。
图11是本发明所述6轴工业机器人实施例示意图。
图12是本发明所述仿生机器人实施例示意图。
图13是本发明所述人体假肢腿部实施例示意图。
附图中，各数字的含义为：1：外壳；2：外圈；3：弹簧；4：固定块；5：轴；6：凸轮盘；7：弹簧片；8：滑动块；9：凸轮滚子；10：输入端；11：输出端；12：仿生机器人腿部输入端；13：仿生机器人腿部输出端；14：人体假肢大腿；15：人体假肢小腿。
具体实施方式
下面结合附图及实施例进一步详述本发明，但本发明不仅限于所述实施例。
实施例一
一种凸轮结构变刚度弹性关节，由外壳(1)、轴(5)和外圈(2)组成；其特征在于所述轴(5)设置于外壳(1)的回转中心，并且与外壳(1)之间为固定连接，外壳(1)与外圈(2)之间为转动副连接；所述外圈(2)上径向安装有对称的多个弹簧片(7)，每个弹簧片(7)一端与外圈(2)固联，另一端穿过弹簧(3)与轴(5)固联；所述弹簧(3)一端连接在轴(5)上，另一端连接在滑动块(8)上；所述滑动块(8)安装在弹簧片(7)中间部位，随弹簧片(7)对称分布，且与弹簧片(7)之间为滑动连接；所述轴(5)上安装有凸轮盘(6)，凸轮盘(6)为中心对称结构，且凸轮盘(6)与轴(5)之间为转动副连接；所述每个滑动块(8)上端均设置有凸轮滚子(9)，凸轮盘(6)与凸轮滚子(9)构成凸轮传动。
本实施例中，所述凸轮盘(6)与滑动块(8)之间为凸轮传动，凸轮盘(6)的轮廓形状决定了关节变刚度的曲线特性。
本例的一种凸轮结构变刚度弹性关节的变刚度过程为：所述外壳(1)固定不动，通过外加电机驱动凸轮盘(6)转动，当外加电机驱动凸轮盘(6)沿顺时针方向转动时，在弹簧(3)预紧力的作用下，滑动块(8)沿弹簧片(7)同时向轴心一侧移动，从而改变外圈(2)与滑动块(8)之间弹簧片(7)的有效长度，使弹簧片(7)的有效长度变大，从而使关节的刚度变小。当外加电机驱动凸轮盘(6)沿逆时针方向转动时，滑动块(8)会在凸轮盘(6)的反向驱动下同时向外侧移动，使弹簧片(7)的有效长度减小，从而使关节刚度变大。
如图11所示，本例的一种凸轮结构变刚度弹性关节安装在6轴工业机器人末端，输入端8与弹性关节的外壳1固定连接，外圈2与输出端11固定连接。在应用过程中，预先根据工况信息设置好本弹性关节的刚度特性，当电机带动输入端8转动时，外负载会对输出端11产生冲击，本例的弹性关节会通过弹簧片7的弹性作用产生缓冲作用，使得外圈2与外壳1之间具有弹性作用，有效地保护了工业机器人关节，提高其使用寿命。
实施例二
如图12所示，本例的一种凸轮结构变刚度弹性关节安装在六足仿生机器人的腿部关节处，仿生机器人腿部输入端12与弹性关节的外壳1固定连接，外圈2与仿生机器人腿部输出端13固定连接。在应用过程中，预先根据工况信息设置好本弹性关节的刚度特性，在仿生机器人行走的过程中，电机带动仿生机器人腿部输入端12转动时，外负载会对仿生机器人腿部输出端13产生冲击，本例的弹性关节会通过弹簧片7的弹性作用产生缓冲作用，使得外圈2与外壳1之间具有弹性作用，有效地保护了仿生机器人腿部关节，提高其使用寿命。
实施例三
如图13所示，本例的一种凸轮结构变刚度弹性关节安装在人体假肢腿部关节处，人体假肢大腿到小腿之间的关节处安装有弹性关节，驱动小腿的输入端与弹性关节的外壳1固定连接，外圈2与假肢小腿15固定连接，在应用过程中，预先根据工况信息设置好本弹性关节的刚度特性，在假肢行走的过程中，电机带动假肢小腿15输入端转动时，外负载会对假肢小腿15产生冲击，本例的弹性关节会通过弹簧片7的弹性作用产生缓冲作用，使得外圈2与外壳1之间具有弹性作用，有效地保护了假肢腿部关节，提高其使用寿命。
实施例四
本例的一种凸轮结构变刚度弹性关节滑动块8内槽与外侧两端均安装有滚子，在滑动块8沿弹簧片7滑动的过程中，实现变滑动摩擦为滚动摩擦，有效地减小了能量的损失，减小了驱动电机的起动力矩，其余同实施例一。
实施例五
本例的一种凸轮结构变刚度弹性关节弹簧片7如图8所示，弹簧片的材料是常用的弹簧钢材料，其余同实施例四。
实施例六
本例的一种凸轮结构变刚度弹性关节弹簧片7如图8所示，弹簧片是多个薄片的叠加形式，其余同实施例五。
实施例七
本例的一种凸轮结构变刚度弹性关节弹簧片7如图8所示，弹簧片的截面形状是可变的，其余同实施例五。
弹簧片7的截面形状的设计，影响其刚度特性，可以根据机器人弹性关节的适用场合来设计弹簧片截面形状，以满足弹性关节所需刚度特性曲线，使弹性关节适应不同的工作环境，延长其使用寿命，提高其使用性能。
Claims (8)
1.一种凸轮结构变刚度弹性关节，由外壳（1）、轴（5）和外圈（2）组成；其特征在于所述轴（5）设置于外壳（1）的回转中心，并且与外壳（1）之间为固定连接，外壳（1）与外圈（2）之间为转动副连接；所述外圈（2）上径向安装有对称的多个弹簧片（7），每个弹簧片（7）一端与外圈（2）固联，另一端穿过弹簧（3）与轴（5）固联；所述弹簧（3）一端连接在轴（5）上，另一端连接在滑动块（8）上；所述滑动块（8）安装在弹簧片（7）中间部位，随弹簧片（7）对称分布，且与弹簧片（7）之间为滑动连接；所述轴（5）上安装有凸轮盘（6），凸轮盘（6）为中心对称结构，且凸轮盘（6）与轴（5）之间为转动副连接；所述每个滑动块（8）上端均设置有凸轮滚子（9），凸轮盘（6）与凸轮滚子（9）构成凸轮传动。
2.如权利要求1所述的一种凸轮结构变刚度弹性关节，其特征在于：所述一种凸轮结构变刚度弹性关节还包括固定块（4）结构，固定块（4）固定连接在轴（5）上，且中间设置有滑动块（8）的滑动槽，滑动块（8）可在滑动槽中相对于固定块（4）滑动。
3.如权利要求1所述的一种凸轮结构变刚度弹性关节，其特征在于：所述凸轮盘的中心对称结构具体为：凸轮盘上，对应于滑动块上的凸轮滚子处，设置有凸轮行程轮廓，多个凸轮行程轮廓以凸轮盘中心对称分布。
4.如权利要求1所述的一种凸轮结构变刚度弹性关节，其特征在于：所述凸轮盘（6）与滑动块（8）上的凸轮滚子（9）之间为凸轮传动，凸轮盘（6）的行程轮廓为多项式曲线轮廓、正弦曲线轮廓、余弦曲线轮廓、螺旋线轮廓。
5.如权利要求1所述的一种凸轮结构变刚度弹性关节，其特征在于：所述弹簧（3）为拉弹簧，对于凸轮盘（6）与滑动块（8）上凸轮滚子（9）之间的凸轮传动具有预紧作用，同时在凸轮回旋时，对滑动块有回复作用。
6.如权利要求1所述的一种凸轮结构变刚度弹性关节，其特征在于：所述滑动块（8）内槽两端安装有滚子，在滑动块（8）沿弹簧片（7）滑动的过程中，实现变滑动摩擦为滚动摩擦。
7.如权利要求1所述的一种凸轮结构变刚度弹性关节，其特征在于：所述滑动块（8）外侧两端也安装有滚子，在滑动块（8）沿固定块（4）上的滑动槽滑动的过程中，实现变滑动摩擦为滚动摩擦。
8.如权利要求1所述的一种凸轮结构变刚度弹性关节，其特征在于：所述弹簧片（7）为多个弹簧薄片的叠加结构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |