CN106695870B - 一种柔性关节变刚度机构 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种柔性关节变刚度机构，包括输入结构和输出结构，所述输入结构和输出结构上下对应相连；所述输入结构包括一对导杆轴、一对导杆、一对压缩弹簧、一对弹簧安装座和输入板；所述输出结构包括一对直线导轨组件、一对滚子组、一对滚子安装架、直线位移传感器推杆、一对齿条、从动齿轮、主动齿轮、直线位移传感器、输出板以及多个轴承、卡簧和螺栓。本发明解决了现有技术中负载能力差、刚度调节范围小、调节刚度能耗大、耦合性强、被动刚度特性差、需要外接气缸的问题。

Description

一种柔性关节变刚度机构

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种柔性关节变刚度机构。

背景技术

随着机器人技术的发展，机器人的适用范围得到拓宽。机器人由原来的工厂隔离区逐渐走进人类社会。机器人在工作时不仅要和人类协作，甚至有时候需要和人类发生接触。伴随人机交互程度加深，外界环境的不确定因素也在增加，工作环境变得复杂，随时可能和周围的环境中的物体发生碰撞，这对机器人的安全性提出了很高的要求。传统的工业机器人是刚性的，在利用大量的传感器和复杂的控制算法的基础上，也能实现一定的柔顺控制。但是，精确动力学模型建立难度大，传感器的分辨率和***的响应速度对柔顺控制的效果产生了很大的影响。而且，机器人和人类一起工作时也应该具备一定被动安全性，以保证在一些传感器失灵或者是遇到突发情况能保护机器人及人类免受伤害。同时，对于刚性比较大的机器人关节，在受到冲击时或者碰撞到物体时，那部分撞击的能量没有得到合理的利用，造成能耗比较大。机器人处在位置环境时，经常会和物体或者人类接触，经常起停，刚度大的机器人关节响应速度慢。

国内的学者试图寻找出一种合理的办法来保护人类的安全，并有效地改善效率低以及起动响应慢等问题。大部分学者提出的方法是设计一种刚度可变的柔性机构，在动力源和输出端之间加入这种刚度可变的柔性机构，可以根据使用场合对关节的刚度进行调整，保证安全性。当机器人和外界物体发生碰撞时关节刚度变得很低，减小碰撞伤害。在对位置要求高的时候，使关节刚度变的高，保证位置精度。此外，这种机构在关节运动时可以充当一种能量存贮装置，在关节到冲击时将能量存储下来，在接下来的运动中可以将能量返还到机器人***中，减小能量的消耗，加快机器人的启动速度。

现阶段在关节中引入的变刚度机构的原理有以下几种：拮抗原理、杠杆原理、改变弹簧参数、电磁原理、气动肌肉等。基于上述原理设计的变刚度关节都能实现关节的变刚度要求，但是都存在相应的不足。基于拮抗原理设计的变刚度关节在进行刚度调节时所需的能量比较大，部分关节耦合性强，负载能力差；基于杠杆原理设计的变刚度关节的被动刚度曲线不够理想，部分关节的尺寸比较大；基于改变弹簧参数设计的变刚度关节，尺寸比较大，刚度精度低；基于电磁原理设计的关节易受到电路电流波动影响，刚度稳定性差；基于气动肌肉设计的变刚度关节，需要外接气缸，使用范围不广。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种柔性关节变刚度机构，解决上述的负载能力差、刚度调节范围小、调节刚度能耗大、耦合性强、被动刚度特性差、需要外接气缸的问题。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种柔性关节变刚度机构，包括输入结构1和输出结构2，所述输入结构1和输出结构2上下对应相连；所述输入结构1包括一对导杆轴11-1、11-2、一对导杆12-1、12-2、一对压缩弹簧13-1、13-2、一对弹簧安装座14-1、14-2和输入板15；所述输出结构2包括一对直线导轨组件21-1、21-2、一对滚子组22-1、22-2、一对滚子安装架23-1、23-2、直线位移传感器推杆24、一对齿条25-1、25-2、从动齿轮26、主动齿轮27、直线位移传感器28、输出板29以及多个轴承、卡簧和螺栓；所述导杆轴11-1、11-2以及弹簧安装座14-1、14-2安装在输入板15上，导杆12-1、12-2安装在导杆轴11-1、11-2上，导杆12-1、12-2和弹簧安装座14-1、14-2之间安装有压缩弹簧13-1、13-2，所述直线导轨组件21-1、21-2、直线位移传感器28和从动齿轮26分别安装在输出板29上，滚子安装架23-1、23-2安装在直线导轨组件21-1、21-2上，滚子安装架23-1、23-2上分别安装有滚子组22-1、22-2和齿条25-1、25-2，直线位移传感器推杆24的一端安装在主动齿轮27对应的滚子安装架上，另一端和直线位移传感器28上的滑块相连，从动齿轮26安装在从动齿轮轴上。

优选地，输入板15一侧和控制位置的动力源相连接，另一侧安装变刚度机构输入结构；所述导杆轴11-1、11-2以及弹簧安装座14-1、14-2均对称地布置在输入板15上，采用螺栓连接进行固定；所述导杆12-1、12-2为对称布置和导杆轴11-1、11-2同轴布置，所述压缩弹簧13-1、13-2和导杆12-1、12-2以及弹簧安装座14-1、14-2垂直布置，导杆12-1、12-2和压缩弹簧13-1、13-2之间通过凸起圆柱固定相对位置，弹簧安装座14-1、14-2和压缩弹簧13-1、13-2通过紧定螺钉固定相对位置。

优选地，输出板29为盘状，一端为关节输出，另一端安装有输出结构，所述直线导轨组件21-1、21-2、滚子组22-1、22-2、滚子安装架23-1、23-2和齿条25-1、25-2均采用对称布置安装在输出板29上，所述直线位移传感器28和主动齿轮27对应的直线导轨组件平行放置，两者分别位于输出板29的两侧，主动齿轮27和刚度调节电机相连；从动齿轮26和主动齿轮27的齿数和模数相同，之间相互啮合，两齿轮分别和齿条25-1、25-2啮合。

优选地，从动齿轮26安装在从动齿轮轴上，轴向固定采用轴肩和卡簧来实现，所述从动齿轮轴利用螺栓和输出板29固连。

优选地，所述导杆12-1、12-2、滚子组22-1、22-2、弹簧安装座14-1、14-2、压缩弹簧13-1、13-2、齿条25-1、25-2、直线导轨组件21-1、21-2、滚子安装架23-1、23-2均成对布置，和直径方向成一定角度，成“八”字状对称布置。

优选地，导杆12-1、12-2的初始位置和直线导轨组件21-1、21-2平行，滚子组22-1、22-2和导杆12-1、12-2相切。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明通过轮系传动，实现滑块的同步反向位移。基于杠杆原理，改变滚子和导杆之间作用作用力大小。而且导杆上作用力位置的变化，也使作用力对旋转中心的力臂发生变化，有效地增强关节的额负载能力，刚度调节范围大。

2、本发明采用滚子和导杆来传递力，滚子和导杆之间的摩擦力小，该变两者的相对位置时，所需的力小且，在初始状态时，滑块导轨和导杆相互平行，相互之间的压力小。通过上述创新，有效的实现改变刚度能耗小。

3、本发明是单独作机器人变刚度关节的变刚度机构，位置电机驱动整个变刚度机构转动，调刚度电机驱动滚子位置变化改变关节刚度。在工作中，位置控制和刚度控制是独立的，不存在耦合问题。

4、本发明采用分离式的双导杆结构。现存采用单杠杆的变刚度关节，在受不同方向的力矩时，两个弹簧都提供相应的拉力或者压力，两个弹簧之间存在耦合作用。该发明中每个导杆和对应的滚子只在承受某一侧力矩时才发生相互作用，在受另一侧力时导杆和滚子之间是分离的，这样可以解除两个弹性元件之间的耦合，有效地简化模型。

5、本发明采用改变作用力的大小及改变作用力和直径方向的夹角联合作用，实现良好的仿人被动刚度性能。现存的基于杠杆原理的变刚度关节通常在不受外力矩时，杠杆通常和直径重合，杠杆和支点之间的作用力的和半径方向的夹角为90度。在受到外力矩时，作用力变大，但是作用力和直径方向的夹角发生改变，使得有效力臂减小。作用力的增大和有效力臂的减小，使得关节的被动刚度效果不理想。本发明中，采用导轨和直径方向不平行放置，在初始状态使得滚子和导杆之间的作用力和半径方向小于90度，在受到外部载荷时，作用力的方向和半径方向的夹角增大，接近90度而不超过90度。通过作用力和作用力角度同时增大，有效的实现良好的被动刚度性能。

6、本发明采用电机驱动，不需要外接气缸。

附图说明

图1是本发明整体结构图；

图2是本发明的输入结构结构图；

图3是本发明的输出结构结构图；

图4是本发明的输出结构右视图；

图5是本发明的原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1、图2、图3、图4，一种柔性关节变刚度机构，包括输入结构1和输出结构2，所述输入结构1和输出结构2上下对应相连；所述输入结构1包括一对导杆轴11-1、11-2、一对导杆12-1、12-2、一对压缩弹簧13-1、13-2、一对弹簧安装座14-1、14-2和输入板15；所述输出结构2包括一对直线导轨组件21-1、21-2、一对滚子组22-1、22-2、一对滚子安装架23-1、23-2、直线位移传感器推杆24、一对齿条25-1、25-2、从动齿轮26、主动齿轮27、直线位移传感器28、输出板29以及多个轴承、卡簧和螺栓；所述导杆轴11-1、11-2以及弹簧安装座14-1、14-2安装在输入板15上，导杆12-1、12-2安装在导杆轴11-1、11-2上，导杆12-1、12-2和弹簧安装座14-1、14-2之间安装有压缩弹簧13-1、13-2，所述直线导轨组件21-1、21-2、直线位移传感器28和从动齿轮26分别安装在输出板29上，滚子安装架23-1、23-2安装在直线导轨组件21-1、21-2上，滚子安装架23-1、23-2上分别安装有滚子组22-1、22-2和齿条25-1、25-2，直线位移传感器推杆24的一端安装在主动齿轮27对应的滚子安装架上，另一端和直线位移传感器28上的滑块相连，从动齿轮26安装在从动齿轮轴上。

所述输入板15一侧和控制位置的动力源相连接，另一侧安装变刚度机构输入结构；所述导杆轴11-1、11-2以及弹簧安装座14-1、14-2均对称地布置在输入板15上，采用螺栓连接进行固定；所述导杆12-1、12-2为对称布置和导杆轴11-1、11-2同轴布置，所述压缩弹簧13-1、13-2和导杆12-1、12-2以及弹簧安装座14-1、14-2垂直布置，导杆12-1、12-2和压缩弹簧13-1、13-2之间通过凸起圆柱固定相对位置，弹簧安装座14-1、14-2和压缩弹簧13-1、13-2通过紧定螺钉固定相对位置。

所述输出板29为盘状，一端为关节输出，另一端安装有输出结构，所述直线导轨组件21-1、21-2、滚子组22-1、22-2、滚子安装架23-1、23-2和齿条25-1、25-2均采用对称布置安装在输出板29上，所述直线位移传感器28和主动齿轮27对应的直线导轨组件平行放置，两者分别位于输出板29的两侧，主动齿轮27和刚度调节电机相连；从动齿轮26和主动齿轮27的齿数和模数相同，之间相互啮合，两齿轮分别和齿条25-1、25-2啮合。

所述从动齿轮26安装在从动齿轮轴上，轴向固定采用轴肩和卡簧来实现，所述从动齿轮轴利用螺栓和输出板29固连。

上述安装连接关系均可通过螺栓连接进行固定，从动齿轮26安装在从动齿轮轴上，两者之间装有轴承，从动齿轮26可以自由的绕从动齿轮轴转动，轴向固定采用轴肩和卡簧来实现。主动齿轮27和调刚度电机相连接，传递动力。从动齿轮26和主动齿轮27齿数和模数相等，之间相互啮合。两齿轮分别和齿条25啮合，实现滑块的同步动作来改变关节的刚度。当有调刚度运动输入时，从动齿轮26和主动齿轮27相互啮合反向转动，带动与之啮合的齿条25反向同步运动，实现滚子组的同步动作，来改变关节的刚度。

所述导杆12-1、12-2、滚子组22-1、22-2、弹簧安装座14-1、14-2、压缩弹簧13-1、13-2、齿条25-1、25-2、直线导轨组件21-1、21-2、滚子安装架23-1、23-2均成对布置，和直径方向成一定角度，成“八”字状对称布置。

所述导杆12-1、12-2的初始位置和直线导轨组件21-1、21-2平行，滚子组22-1、22-2和导杆12-1、12-2相切，输入结构1和输出结构2之间的轴向距离通过外壳来确定。滚子组22分别和导杆12接触。初始状态时，在轮系的驱动下，滚子组22分别和导杆12间的接触点位置发生改变，接触点时刻保持对称的位置。导杆12的初始位置分别和直线导轨组件21平行，驱动轮系改变作用点位置所需的能量小。

结合图5，本发明的原理为：

由于滚子组22在运动的过程中始终是对称的，这里主要以滚子组22-1来说明。如图5所示，在调节电机的作用下，运动经过轮系传动，实现滚子组22-1和22-2靠近或者远离初始位置a，实现变刚度。在远离初始位置a时，以导杆12-1的旋转中心为中心，导杆12-1-a和滚子组22-1-b之间作用力的力臂减小，弹簧力的力臂保持不变，利用杠杆原理，将导杆12-1-a和滚子组22-1-b之间作用力变大。同时，在滚子组22-1-a运动到滚子组22-1-b时，导杆12-1-a和滚子组22-1-b之间作用力对关节旋转中心的力臂增加。以上两点使关节有良好的负载能力。

在外界力矩的作用下，输入板15和输出板29之间发生偏转，滚子组22-1-b对导杆12-1-a的作用力使导杆12-1-a发生旋转，导杆12-1-a的斜置设计使导杆12-1-a发生旋转后对滚子组22-1-c的作用力的方向和直径O1O2的夹角增大，以致导杆12-1-b对滚子组22-1-c的作用力对关节的旋转中心的有效力臂增加，使整个关节的被动刚度性能得到优化，能有效的缓冲外界载荷。

该变刚度机构中，采用了双导杆-双滚子组结构，在受到外部负载力矩时，只有一侧导杆和滚子之间相互接触，另一侧导杆和滚子之间相互分离。这样可以解除两个压缩弹簧之间的耦合作用，得到更好的刚度性能和负载能力。同时采用两个组导杆和滚子组对称布置和滚子组的同步动作，实现正反转力矩和刚度随偏转角的变化曲线一致。

其理论计算如下：

如图5所示，滚子组位置由22-1-a移动x到达22-1-b位置，对整体刚度进行调节。受到外界负载Text后，输入板15和输出板29之间偏转角度为β。弹簧力Fs1对旋转中心O1的力臂为Ls1。F为滚子组22-1-c对导杆12-1-b的作用力，其对O1的力臂为L，则F的大小为：

F＝(Fs1×Ls1)/L

Lr为滚子组22-1-c发生旋转时轨迹所在的半径，σ1是F的方向和O1O2的夹角。则F对关节旋转中心的力矩T为：

T＝F×Lr×sin(β－σ1)

关节刚度为：

Kadj＝dT/dβ

通过电机驱动主动齿轮27运动，经过驱动轮系的传递，实现滚子的位置的单向同步变化，对关节的刚度进行调节。

以上对本发明所提供的一种柔性关节变刚度机构，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种柔性关节变刚度机构，其特征在于：包括输入结构(1)和输出结构(2)，所述输入结构(1)和输出结构(2)上下对应相连；所述输入结构(1)包括一对导杆轴(11-1、11-2)、一对导杆(12-1、12-2)、一对压缩弹簧(13-1、13-2)、一对弹簧安装座(14-1、14-2)和输入板(15)；所述输出结构(2)包括一对直线导轨组件(21-1、21-2)、一对滚子组(22-1、22-2)、一对滚子安装架(23-1、23-2)、直线位移传感器推杆(24)、一对齿条(25-1、25-2)、从动齿轮(26)、主动齿轮(27)、直线位移传感器(28)、输出板(29)以及多个轴承、卡簧和螺栓；所述导杆轴(11-1、11-2)以及弹簧安装座(14-1、14-2)安装在输入板(15)上，导杆(12-1、12-2)安装在导杆轴(11-1、11-2)上，导杆(12-1、12-2)和弹簧安装座(14-1、14-2)之间安装有压缩弹簧(13-1、13-2)，所述直线导轨组件(21-1、21-2)、直线位移传感器(28)和从动齿轮(26)分别安装在输出板(29)上，滚子安装架(23-1、23-2)安装在直线导轨组件(21-1、21-2)上，滚子安装架(23-1、23-2)上均安装有滚子组(22-1、22-2)和齿条(25-1、25-2)，直线位移传感器推杆(24)的一端安装在主动齿轮(27)对应的滚子安装架上，另一端和直线位移传感器(28)上的滑块相连，从动齿轮(26)安装在从动齿轮轴上。

2.根据权利要求1所述的柔性关节变刚度机构，其特征在于：输入板(15)一侧和控制位置的动力源相连接，另一侧安装变刚度机构输入结构；所述导杆轴(11-1、11-2)以及弹簧安装座(14-1、14-2)均对称地布置在输入板(15)上，采用螺栓连接进行固定；所述导杆(12-1、12-2)为对称布置和导杆轴(11-1、11-2)同轴布置，所述压缩弹簧(13-1、13-2)和导杆(12-1、12-2)以及弹簧安装座(14-1、14-2)垂直布置，导杆(12-1、12-2)和压缩弹簧(13-1、13-2)之间通过凸起圆柱固定相对位置，弹簧安装座(14-1、14-2)和压缩弹簧(13-1、13-2)通过紧定螺钉固定相对位置。

3.根据权利要求1所述的柔性关节变刚度机构，其特征在于：输出板(29)为盘状，一端为关节输出，另一端安装有输出结构，所述直线导轨组件(21-1、21-2)、滚子组(22-1、22-2)、滚子安装架(23-1、23-2)和齿条(25-1、25-2)均采用对称布置安装在输出板(29)上，所述直线位移传感器(28)和主动齿轮(27)对应的直线导轨组件平行放置，两者分别位于输出板(29)的两侧，主动齿轮(27)和刚度调节电机相连；从动齿轮(26)和主动齿轮(27)的齿数和模数相同，之间相互啮合，两齿轮分别和齿条(25-1、25-2)啮合。

4.根据权利要求1所述的柔性关节变刚度机构，其特征在于：从动齿轮(26)安装在从动齿轮轴上，轴向固定采用轴肩和卡簧来实现，所述从动齿轮轴利用螺栓和输出板(29)固连。

5.根据权利要求1-4任一项所述的柔性关节变刚度机构，其特征在于：所述导杆(12-1、12-2)、滚子组(22-1、22-2)、弹簧安装座(14-1、14-2)、压缩弹簧(13-1、13-2)、齿条(25-1、25-2)、直线导轨组件(21-1、21-2)、滚子安装架(23-1、23-2)均成对布置，和直径方向成一定角度，成“八”字状对称布置。

6.根据权利要求5所述的柔性关节变刚度机构，其特征在于：导杆(12-1、12-2)的初始位置和直线导轨组件(21-1、21-2)平行，滚子组(22-1、22-2)和导杆(12-1、12-2)相切。