CN108481359B - 一种紧凑型可变刚度串联弹性驱动关节 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种紧凑型可变刚度串联弹性驱动关节，包括大臂部件、驱动部件、小臂部件、刚度调节部件和角度传感器，本发明将蜗轮与绕线轮通过安装键与螺栓固定在一起，并引入蜗轮蜗杆传动，减少了齿轮减速器的使用，使关节尺寸更小，结构更紧凑，达到小型化设计的目的；本发明可实现双向柔性，且关节刚度为K＝4kR2，其中K是关节刚度，k为单个弹簧刚度，R为绕线轮钢丝槽半径，关节刚度可精确计算。使用两组弹簧，比使用一组弹簧时对弹簧刚度要求低，能减小弹簧并进一步减小关节尺寸，弹簧布置于绕线轮两侧，有益于内外侧力平衡。

Description

一种紧凑型可变刚度串联弹性驱动关节
技术领域
本发明属于机械技术领域，具体涉及一种机器人用的紧凑型可变刚度串联弹性驱动关节。
背景技术
为实现在工作空间中对位置和速度的精确控制，保证运动响应的快速性，传统的机器人多采用刚性关节。然而，随着机器人应用的不断普及，机器人与环境以及人类之间的交互日益广泛，因此需要机器人具有一定的柔顺性与安全交互能力。1995年，麻省理工学院Gill A.Pratt提出了串联弹性驱动器的概念，他在电机驱动端与负载端之间串联了一个弹性元件，一方面可将弹性元件作为测量输出力(矩)的传感元件，能够将力控制问题转化为位置控制问题，极大地提高了力控制精度；另一方面，在驱动器中引入弹性元件，能够增大***柔性，加强***抗冲击性能，存储能量，也能够增强人-机-环境交互的安全性。
为解决机器人控制柔顺性及安全交互问题，目前已研究出了诸多结构形式的串联弹性驱动器，例如：中国专利号201420688785.1公开了“一种基于串联弹性驱动器的四足机器人”，提出了一种由8个压缩弹簧协同组成的柔性输出机构，关节结构较为紧凑，但关节刚度是一个近似值，且未实现变刚度；中国专利号201410070478.1公开了“一种混合控制的柔性关节”，使用线切割弹性体作为弹性元件，通过测量弹性体扭转角度实现力矩的间接测量，能够很好减小关节尺寸，但弹性体的刚度曲线线性程度不高。为实现输出力(矩)的精确控制，减小机器人关节尺寸，并适应不同应用场景，需设计一种能够准确计算关节刚度的紧凑型的变刚度的串联弹性驱动器。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种紧凑型可变刚度串联弹性驱动关节。
本发明的一种紧凑型可变刚度串联弹性驱动关节，包括大臂部件、驱动部件、小臂部件、刚度调节部件和角度传感器。大臂部件包括大臂固定件，通过螺栓分别固定在大臂固定件内、外侧的大臂内侧件和大臂外侧件，以及通过螺栓固定在大臂固定件伸出臂上蜗杆轴承座。驱动部件包括安装在大臂固定件上的电机，与电机依次连接的联轴器、蜗杆，与蜗杆啮合的蜗轮，通过安装键与螺栓固定在蜗轮，并随蜗轮一同转动绕线轮，绕线轮上加工有安装键、固定孔、阶梯孔、钢丝孔与钢丝槽，蜗轮蜗杆传动比可达到较高传动比。包括一端固定于阶梯孔中，穿过钢丝孔，缠绕在钢丝槽内的四根钢丝绳，以及锁紧在钢丝绳末端的压线铝卡头。驱动部件还包括安装于大臂外侧件与大臂内侧件孔中的第一轴承，垂直安装于大臂内侧件与大臂外侧件间，通过键与绕线轮连接，并随绕线轮同步转动的轴，套在轴两端的第二轴承，套在轴一端并安装在第二轴承与绕线轮之间的轴套。小臂部件包括安装在第一轴承与第二轴承之间，分别布置在轴内、外侧，并与轴与大臂部件形成转动副的小臂内侧件与小臂外侧件，以及通过螺栓固定安装在小臂内侧件与外侧件之间的小臂固定件，小臂固定件上加工有四个安装阶梯孔，以安装刚度调节部件。角度传感器安装在小臂外侧件上，并与轴一端连接，用于测量小臂部件与绕线轮之间的相互运动转角。刚度调节部件包括弹簧、旋在弹簧上的加工有螺旋槽且带有刻度的刚度调节件、加工有凸台且安装在刚度调节件孔内可相对刚度调节件转动的预压螺母、与预压螺母螺纹连接且安装在弹簧内部的活节螺栓，钢丝绳系于活节螺栓头上。使用时，可通过旋转刚度调节件，使其在弹簧上轴向移动，以调整弹簧的有效工作圈数，达到调整刚度的目的。
本发明的优点在于：
(1)本发明一种紧凑型可变刚度串联弹性驱动关节，将蜗轮与绕线轮通过安装键与螺栓固定在一起，并引入蜗轮蜗杆传动，减少了齿轮减速器的使用，使关节尺寸更小，结构更紧凑，达到小型化设计的目的；
(2)本发明一种紧凑型可变刚度串联弹性驱动关节，可实现双向柔性，且关节刚度为K＝4kR2，其中K是关节刚度，k为单个弹簧刚度，R为绕线轮钢丝槽半径，关节刚度可精确计算。使用两组弹簧，比使用一组弹簧时对弹簧刚度要求低，能减小弹簧并进一步减小关节尺寸，弹簧布置于绕线轮两侧，有益于内外侧力平衡；
(3)本发明一种紧凑型可变刚度串联弹性驱动关节，使用一种结构简单的刚度调节部件，能够在不拆卸关节的情况下，调整关节刚度，且在刚度调节件上有刻度，使用方便准确；
(4)本发明一种紧凑型可变刚度串联弹性驱动关节，角度传感器直接测量绕线轮与小臂部件之间的相对转角Δθ，利用胡克定律T＝KΔθ可直接计算关节输出力矩T，进而减少了多次测量的误差；
(5)本发明一种紧凑型可变刚度串联弹性驱动关节，每个弹簧单独使用一根钢丝绳，钢丝绳直接固定在绕线轮上，绕线轮直接拉动钢丝绳，再压缩弹簧，而非一组弹簧公用一根钢丝绳，绕线轮通过摩擦力带动钢丝绳，再压缩弹簧，消除了摩擦滑动的可能，从而保证了相对转角Δθ测量的正确性。
附图说明
图1是本发明一种紧凑型可变刚度串联弹性驱动关节整体结构示意图。
图2是本发明一种紧凑型可变刚度串联弹性驱动关节内部结构示意图。
图3是本发明一种紧凑型可变刚度串联弹性驱动关节内部结构示意图。
图4是本发明一种紧凑型可变刚度串联弹性驱动关节刚度调节部件示意图。
图5是本发明一种紧凑型可变刚度串联弹性驱动关节蜗轮结构示意图。
图6是本发明一种紧凑型可变刚度串联弹性驱动关节绕线轮结构示意图。
图7是本发明一种紧凑型可变刚度串联弹性驱动关节小臂固定件结构示意图。
图中：
1.大臂部件 2.驱动部件 3.小臂部件 4.刚度调节部件
5.角度传感器 1-1.大臂固定件 1-2.大臂内侧件 1-3.大臂外侧件
1-4.蜗杆轴承座 2-1.电机 2-2.联轴器 2-3.蜗杆
2-4.蜗轮 2-5.绕线轮 2-6.第一轴承 2-7.轴套
2-8.轴 2-9.第二轴承 2-10.钢丝绳 2-11.压线铝卡头
2-12.键 3-1.小臂内侧件 3-2.小臂固定件 3-3.小臂外侧件
4-1.活节螺栓 4-2.弹簧 4-3.刚度调节件 4-4.预压螺母
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示为本发明一种紧凑型可变刚度串联弹性驱动关节整体结构示意图，关节包括大臂部件1、驱动部件2、小臂部件3、刚度调节部件4和角度传感器5。
图2、图3所示为本发明一种紧凑型可变刚度串联弹性驱动关节内部结构示意图，大臂部件1包括大臂固定件1-1、大臂内侧件1-2、大臂外侧件1-3和蜗杆轴承座1-4，大臂内侧件1-2和大臂外侧件1-3通过螺栓分别固定在大臂固定件1-1内、外侧；蜗杆轴承座1-4通过螺栓固定在大臂固定件1-1伸出臂上，且蜗杆轴承座1-4内安装有轴承。驱动部件2包括电机2-1、联轴器2-2、蜗杆2-3、蜗轮2-4、绕线轮2-5、第一轴承2-6、第二轴承2-7、轴2-8、轴套2-9、钢丝绳2-10、压线铝卡头2-11和键2-12，电机2-1通过螺栓固定在大臂固定件1-1上；蜗杆2-3一端通过联轴器2-2连接在电机2-1的输出轴上，另一端置于蜗杆轴承座1-4内；蜗轮2-4与蜗杆2-3啮合；绕线轮2-5通过安装键与螺栓固定在蜗轮2-4上，并随蜗轮2-4一同转动；如图5所示，蜗轮2-4上加工有安装槽和螺纹孔；如图6所示，绕线轮2-5上加工有安装键、固定孔、阶梯孔、钢丝孔与钢丝槽；钢丝绳2-10共有四根，各根钢丝绳一端固定于阶梯孔中，穿过钢丝孔，缠绕在钢丝槽内；第一轴承2-6安装于大臂内侧件1-2与大臂外侧件孔1-3间；轴2-8垂直安装于大臂内侧件1-2与大臂外侧件1-3间，通过键2-12与绕线轮2-5连接，并随绕线轮2-5同步转动；第二轴承2-7安装在轴2-8两端；轴套2-9套在轴2-8一端并安装在第二轴承2-7与绕线轮2-5之间，对绕线轮2-5进行轴向定位。小臂部件3包括小臂内侧件3-1、小臂固定件3-2和小臂外侧件3-3；小臂内侧件3-1和小臂外侧件3-3通过螺栓分别固定于小臂固定件3-2内、外侧；小臂内侧件3-1和小臂外侧件3-3分别套在内、外两个第二轴承2-7外圈，并嵌在内、外两个第一轴承2-6内圈，并与轴2-8与大臂部件1形成转动副；如图7所示，小臂固定件3-2上加工有四个安装阶梯孔，以安装刚度调节部件4，钢丝绳2-10穿过安装阶梯孔与刚度调节部件4连接。角度传感器5安装在小臂外侧件3-3上，并与轴2-8一端连接，用于测量小臂部件3与绕线轮之间2-5的相互运动转角。
如图4所示，刚度调节部件4包括弹簧4-2、刚度调节件4-3、预压螺母4-4和活节螺栓4-1；刚度调节件4-3上加工有与弹簧4-2节距相等的螺旋槽，且加工有刻度，用以精确调节弹簧4-2有效工作圈数；预压螺母4-4加工有凸台，并安装在刚度调节件4-3孔内，且可相对刚度调节件4-3转动，预压螺母4-4内加工有内螺纹，可调节相对活节螺栓4-1的轴向位置，进而调节弹簧预压力；钢丝绳2-10穿过活节螺栓4-1一头的孔，并通过压线铝卡头2-11压紧固定。
如图2、3、4所示，工作时，电机2-1的输出轴旋转，依次带动联轴器2-2、蜗杆2-3、蜗轮2-4、绕线轮2-5及轴2-8旋转；绕线轮2-5旋转，拉动钢丝绳2-10，带动预压螺母4-4压缩弹簧4-1，进而使小臂部件3转动；在蜗杆2-3的驱动下，蜗轮2-4相对大臂部件1转动角度θm，小臂部件3相对大臂部件1转动角度θl，在弹簧4-2的作用下，小臂部件3相对蜗轮2-4产生相对转角Δθ，角度传感器5用于直接测量Δθ，然后即可通过胡克定律T＝KΔθ直接计算关节输出力矩T，测量精度较高。

Claims (1)

1.一种紧凑型可变刚度串联弹性驱动关节，其特征在于，关节包括大臂部件、驱动部件、小臂部件、刚度调节部件和角度传感器；
大臂部件包括大臂固定件、大臂内侧件、大臂外侧件和蜗杆轴承座，大臂内侧件和大臂外侧件分别固定在大臂固定件内、外侧，蜗杆轴承座固定在大臂固定件伸出臂上，且蜗杆轴承座内安装有轴承，驱动部件包括电机、联轴器、蜗杆、蜗轮、绕线轮、第一轴承、第二轴承、轴、轴套、钢丝绳、压线铝卡头和键，电机固定在大臂固定件上，蜗杆一端通过联轴器连接在电机的输出轴上，另一端置于蜗杆轴承座内，蜗轮与蜗杆啮合，绕线轮固定在蜗轮上，并随蜗轮一同转动，绕线轮上设有安装键、固定孔、阶梯孔、钢丝孔与钢丝槽,钢丝绳共有四根，各根钢丝绳一端固定于阶梯孔中，穿过钢丝孔，缠绕在钢丝槽内；第一轴承安装于大臂内侧件与大臂外侧件孔间；轴垂直安装于大臂内侧件与大臂外侧件间，通过键与绕线轮连接，并随绕线轮同步转动；第二轴承安装在轴两端；轴套套在轴一端并安装在第二轴承与绕线轮之间，对绕线轮进行轴向定位；小臂部件包括小臂内侧件、小臂固定件和小臂外侧件；小臂内侧件和小臂外侧件分别固定于小臂固定件内、外侧；小臂内侧件和小臂外侧件分别套在内、外两个第二轴承外圈，并嵌在内、外两个第一轴承内圈，并与轴与大臂部件形成转动副；小臂固定件上设有四个安装阶梯孔，以安装刚度调节部件，钢丝绳穿过安装阶梯孔与刚度调节部件连接；角度传感器安装在小臂外侧件上，并与轴一端连接；
刚度调节部件包括弹簧、刚度调节件、预压螺母和活节螺栓；刚度调节件上加工有与弹簧节距相等的螺旋槽，且加工有刻度，用以精确调节弹簧有效工作圈数；预压螺母加工有凸台，并安装在刚度调节件孔内，且可相对刚度调节件转动，预压螺母内加工有内螺纹，调节相对活节螺栓的轴向位置，进而调节弹簧预压力；钢丝绳穿过活节螺栓一头的孔，并通过压线铝卡头压紧固定；所述的驱动关节工作时，电机的输出轴旋转，依次带动联轴器、蜗杆、蜗轮、绕线轮及轴旋转；绕线轮旋转，拉动钢丝绳，带动预压螺母压缩弹簧，进而使小臂部件转动；在蜗杆的驱动下，蜗轮相对大臂部件转动角度θm，小臂部件相对大臂部件转动角度θl，在弹簧的作用下，小臂部件相对蜗轮产生相对转角Δθ，角度传感器用于直接测量Δθ，然后即通过胡克定律T＝KΔθ计算关节输出力矩T，K为常数。
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