CN109732641A - 一种双态式变刚度柔顺关节及操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双态式变刚度柔顺关节及操作方法，该关节由输入轴、输出外圈和刚度调节机构组成。输入轴置于输出外圈的回转中心，与输入盘固连；输入盘与输出外圈之间安装有两个弹性簧片，每个弹性簧片一端通过轴承与输出外圈相连，另一端与一小锥齿轮轴固连，小锥齿轮轴通过轴承与输入盘相连；刚度调节机构通过刚度调节电机与一大锥齿轮固连；大锥齿轮与两个和弹性簧片固连的小锥齿轮啮合。本发明具有良好的抗冲击能力和柔性动力特性，属主动变刚度柔顺关节，可用于仿生、服务、康复等各类机器人的关节和驱动器。

Description

一种双态式变刚度柔顺关节及操作方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种双态式变刚度柔顺关节及操作方法。

背景技术

随着机器人技术的发展，向着柔性方面，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。机器人从传统领域被应用到其他非工业领域，特别是仿生机器人、服务机器人以及康复机器人的崛起，迫使机器人关节需具有一定的柔顺性，以保证能量利用率的提高以及提高人机交互时的安全保障。

从机器人的整体结构来看，机器人关节是机器人实现各种目标运动的关键零部件。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相对较少。

变刚度柔顺关节利用特殊设计的切换装置，可根据需要实时转换刚度，以提高机器人对环境、任务的适应性。现有的机器人关节主要存在结构相对复杂、控制复杂、能量消耗大、不能主动输出所需刚度等缺点，从而在一定程度上限制了其应用效果与紧凑型设计。经检索，公开号为CN205614699U的发明专利，该专利公开一种双电机驱动的机器人变刚度弹性关节，其特征是两个驱动电机同时驱动关节，通过四杆机构调节弹簧片的有效长度改变关节刚度，实现弹性缓冲，但两个电机同时驱动必然需要更多的能量输入。更重要的是，目前已公开的刚度可调关节实现的均是刚度连续可调，必然难以保障关节刚度可以及时而准确的调整到所需数值，而实际应用中所需要的更多的仅仅是刚度值的极端快速转换。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双态式变刚度柔顺关节及操作方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种双态式变刚度柔顺关节，包括刚度调节机构、弹性簧片、输入盘和输出外圈；输出外圈为圆环状，输入盘同轴设置在输出外圈的中心处，输入盘与输出外圈的内壁之间设置有若干弹性簧片；刚度调节机构设置在输入盘的中心处，弹性簧片的一端连接刚度调节机构，另一端连接输出外圈的内侧壁；

刚度调节机构包括刚度调节电机、第一锥齿轮和第二锥齿轮；刚度调节电机固定设置在输入盘的中心内部，刚度调节电机的输出端固定连接有第二锥齿轮，每个弹性簧片靠近输入盘的一端均固定设置有第一锥齿轮，每个第一锥齿轮均与第二锥齿轮啮合。

进一步的，输入盘上围绕第二锥齿轮固定设置有若干轴承，轴承内设置有第一锥齿轮轴，第一锥齿轮轴的一端与第一锥齿轮固定连接，另一端与弹性簧片固定连接。

进一步的，输入盘与输出外圈的内壁之间的弹性簧片等间距设置，轴承的个数及位置与弹性簧片相匹配；弹性簧片的个数为2至6个。

进一步的，输出外圈的内侧壁上设置有轴承，弹性簧片靠近输出外圈的一端插在轴承内，此处轴承的个数及位置与弹性簧片相匹配。

进一步的，输入盘上刚度调节机构外侧固定设置有外壳，外壳的中心固定设置有输入轴。

进一步的，第一锥齿轮的直径小于第二锥齿轮的直径。

进一步的，一种双态式变刚度柔顺关节的操作方法，基于上述所述的一种双态式变刚度柔顺关节，包括以下步骤：

步骤1，输出外圈上设置输出臂，输入轴连接驱动电机，当输出臂受到外力作用时，启动刚度调节电机；

步骤2，通过刚度调节电机带动第二锥齿轮转动，从而使得相啮合的第一锥齿轮及弹性簧片转动，改变弹性簧片的截面惯性矩，实现刚度的切换。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明应用了弹性簧片，一种状态下具有良好的力矩传递特性，另一种状态下具有良好的抗冲击特性和人机交互安全性。

本发明由于刚度调节机构与输入盘固连，输出外圈的平衡位置由工作主电机唯一确定，且能够实现整周连续运动。

附图说明

图1为变刚度柔顺关节立体结构示意图。

图2为变刚度柔顺关节变刚度机构原理内部示意图。

图3为此双态式变刚度柔顺关节实施例示意图。

图中标号：1-输入轴；2-输出外圈；3-第一锥齿轮；4-输入盘；5-弹性簧片；6-轴承；7-第一锥齿轮轴；8-刚度调节电机；9-第二锥齿轮；10-机架；11-电机支架；12-主电机；13-谐波减速器；14-动力输出臂；15-传送带。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

一种双态式变刚度柔顺关节，包括刚度调节机构、弹性簧片5、输入盘4和输出外圈2；输出外圈2为圆环状，输入盘4同轴设置在输出外圈2的中心处，输入盘4与输出外圈2的内壁之间设置有若干弹性簧片5；刚度调节机构设置在输入盘4的中心处，弹性簧片5的一端连接刚度调节机构，另一端连接输出外圈2的内侧壁；

刚度调节机构包括刚度调节电机8、第一锥齿轮3和第二锥齿轮9；刚度调节电机8固定设置在输入盘4的中心内部，刚度调节电机8的输出端固定连接有第二锥齿轮9，每个弹性簧片5靠近输入盘4的一端均固定设置有第一锥齿轮3，每个第一锥齿轮3均与第二锥齿轮9啮合。

输入盘4上围绕第二锥齿轮9固定设置有若干轴承6，轴承6内设置有第一锥齿轮轴7，第一锥齿轮轴7的一端与第一锥齿轮3固定连接，另一端与弹性簧片5固定连接。

输入盘4与输出外圈2的内壁之间的弹性簧片5等间距设置，轴承6的个数及位置与弹性簧片5相匹配；弹性簧片5的个数为2至6个。

输出外圈2的内侧壁上设置有轴承6，弹性簧片5靠近输出外圈2的一端插在轴承6内，此处轴承6的个数及位置与弹性簧片5相匹配。

输入盘4上刚度调节机构外侧固定设置有外壳，外壳的中心固定设置有输入轴1。

第一锥齿轮3的直径小于第二锥齿轮9的直径。

一种双态式变刚度柔顺关节的操作方法，包括以下步骤：

步骤1，输出外圈上设置输出臂，输入轴连接驱动电机，当输出臂受到外力作用时，启动刚度调节电机；

步骤2，通过刚度调节电机带动第二锥齿轮转动，从而使得相啮合的第一锥齿轮及弹性簧片转动，改变弹性簧片的截面惯性矩，实现刚度的切换。

实施例1

如图1和图2所示，一种双态式变刚度柔顺关节，至少包括输入轴1、输出外圈2和刚度调节机构：所述的输入轴1设置于输出外圈2的回转中心，并且与输入轴1同轴心的输入盘4固连，输出外圈2与输入盘4通过转动副连接；输入盘4与输出外圈2之间通过支撑弹性簧片5连接；刚度调节机构包括刚度调节电机8、第二锥齿轮9、第一锥齿轮3；电机8与一第二锥齿轮9固连；第二锥齿轮9与两个和弹性簧片5固连的第一锥齿轮3啮合，构成齿轮传动连接。

所述的弹性簧片5有多个(3-6个)，多个弹性簧片5均匀分布，延伸线通过输入轴1的轴心，弹性簧片5一端通过轴承6与输出外圈2相连，另一端与第一锥齿轮轴7固连。

第一锥齿轮轴7通过轴承6与输入盘4相连。

本发明工作原理是：刚度调节机构通过刚度调节电机8带动第二锥齿轮9转动，从而使得相固连的第一锥齿轮3及弹性簧片5转动，改变弹性簧片的截面惯性矩，从而实现刚度的切换。其中簧片5的几何尺寸决定了刚度可控数值。

实施例2

如图3所示，本例的主体框架为机架10，在机架10上安装电机支架11；主电机12通过法兰固定于电机支架11上，并通过传送带15连接输入轴1，经谐波减速器13到传动机构，传动轴与输入盘4连接，经弹性簧片5与动力输出外圈2连接，弹性簧片5与输入盘4及输出外圈2均由轴承6连接。

调节电机8通过法兰固定于输入盘4上，并通过调节电机联轴器连接第二锥齿轮9，第一锥齿轮3与弹性簧片5固连。

本例运行时，输入盘4由主电机12刚性驱动，弹性簧片5发生形变从而带动输出外圈2转动，刚度调节电机8运行时，通过调节电机联轴器带动第二锥齿轮9转动，从而改变弹性簧片5的转动惯量，进而改变输出刚度。

若主电机12不工作，动力输出臂14受到意外冲击力时发生偏转，弹性簧片5发生形变产生缓冲作用，使得输入盘4与输出外圈2之间具有弹性性能，同时通过刚度调节电机8改变弹性簧片5的转动惯量，进而减小整个系统的刚度，有效地保护了动力输入机构及输出臂。

本发明具有良好的抗冲击能力和柔性动力特性，属主动变刚度柔顺关节，可用于仿生、服务、康复等各类机器人的关节和驱动器。

本发明不应受上述实施例的限制，凡是根据本发明技术方案不用创造性劳动就可以得出部件的更换和改进，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双态式变刚度柔顺关节，其特征在于，包括刚度调节机构、弹性簧片(5)、输入盘(4)和输出外圈(2)；输出外圈(2)为圆环状，输入盘(4)同轴设置在输出外圈(2)的中心处，输入盘(4)与输出外圈(2)的内壁之间设置有若干弹性簧片(5)；刚度调节机构设置在输入盘(4)的中心处，弹性簧片(5)的一端连接刚度调节机构，另一端连接输出外圈(2)的内侧壁；

刚度调节机构包括刚度调节电机(8)、第一锥齿轮(3)和第二锥齿轮(9)；刚度调节电机(8)固定设置在输入盘(4)的中心内部，刚度调节电机(8)的输出端固定连接有第二锥齿轮(9)，每个弹性簧片(5)靠近输入盘(4)的一端均固定设置有第一锥齿轮(3)，每个第一锥齿轮(3)均与第二锥齿轮(9)啮合。

2.根据权利要求1所述的一种双态式变刚度柔顺关节，其特征在于，输入盘(4)上围绕第二锥齿轮(9)固定设置有若干轴承(6)，轴承(6)内设置有第一锥齿轮轴(7)，第一锥齿轮轴(7)的一端与第一锥齿轮(3)固定连接，另一端与弹性簧片(5)固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种双态式变刚度柔顺关节，其特征在于，输入盘(4)与输出外圈(2)的内壁之间的弹性簧片(5)等间距设置，轴承(6)的个数及位置与弹性簧片(5)相匹配；弹性簧片(5)的个数为2至6个。

4.根据权利要求1所述的一种双态式变刚度柔顺关节，其特征在于，输出外圈(2)的内侧壁上设置有轴承(6)，弹性簧片(5)靠近输出外圈(2)的一端插在轴承(6)内，此处轴承(6)的个数及位置与弹性簧片(5)相匹配。

5.根据权利要求1所述的一种双态式变刚度柔顺关节，其特征在于，输入盘(4)上刚度调节机构外侧固定设置有外壳，外壳的中心固定设置有输入轴(1)。

6.根据权利要求1所述的一种双态式变刚度柔顺关节，其特征在于，第一锥齿轮(3)的直径小于第二锥齿轮(9)的直径。

7.一种双态式变刚度柔顺关节的操作方法，其特征在于，基于权利要求1至6所述的一种双态式变刚度柔顺关节，包括以下步骤：

步骤1，输出外圈上设置输出臂，输入轴连接驱动电机，当输出臂受到外力作用时，启动刚度调节电机；

步骤2，通过刚度调节电机带动第二锥齿轮转动，从而使得相啮合的第一锥齿轮及弹性簧片转动，改变弹性簧片的截面惯性矩，实现刚度的切换。