CN117103323A - 一种紧凑型自锁变刚度关节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人技术领域，一种紧凑型自锁变刚度关节，包括输入端组件，包括输入伺服电机和板簧，所述板簧安装在输入伺服电机的输出端，且板簧的延伸方向垂直于输入伺服电机的输出端的轴向；变刚度组件，包括结构组件、滑动组件和驱动组件，所述结构组件的第一端朝向板簧，结构组件的第一端具有第一滑道，所述滑动组件安装在第一滑道中，所述驱动组件的动力端终端连接滑动组件，所述滑动组件和板簧连接；输出端组件，连接在变刚度组件的第二端；所述驱动组件可驱动滑动组件在第一滑道中移动，以改变滑动组件与所述板簧的接触位置，使输入端组件和输出端组件之间的传动刚度改变。

Description

一种紧凑型自锁变刚度关节

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种紧凑型自锁变刚度关节，主要应用于康复机器人和协作机器人。

背景技术

随着机器人技术的快速发展，越来越多的机器人进到人类的生产生活环境中，人机物理交互***通常完成一些机器人与人或外界环境交互的任务，其中康复机器人尤其需要保证安全性和柔顺性。

传统的刚性康复机器人的安全性和柔顺性不足，无法实现良好的人机交互。为了解决传统康复机器人柔顺性不足的问题，通过模仿生物体中存在的可变刚度结构和机理而设计的变刚度关节，提高了关节的柔性和安全性，实现更好的人机协作。根据变刚度关节的工作原理和结构特点可分为串联弹性驱动器，可调弹性驱动器和双驱动驱动器。可调弹性驱动器由于刚度控制可调，适应性强等优点受到了广泛的关注。

中国专利CN201510621201.8公开了一种变刚度机器***性关节，利用齿盘旋转带动卡爪进行直线运动，实现刚度可调。此种结构中齿盘与卡爪齿之间为线接触，无法维持稳定的刚度，并且对刚度调节电机功率要求高，难以实现小型化；中国专利CN202011432647.3公开了一种磁力滑轮组机器人变刚度关节。此结构使用的绳驱结构存在易磨损老化、对各部件精度要求高的问题，导致刚度调节结构不稳定；中国专利CN202110106841.0公开了一种基于齿轮齿条副的主动变刚度关节，通过齿轮齿条结构实现对刚度的调整，由于齿轮齿条通常存在较大传动回差，难以稳定控制刚度，并且不具有自锁性特性。此外，该结构直接利用电机驱动齿轮，对刚度调节电机功率要求较高，导致结构尺寸偏大。因此，目前可调弹性驱动器在便携性和刚度调节稳定性方面具有明显不足，制约了其在康复机器人和协作机器人中的应用。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种紧凑型自锁变刚度关节，可调节实现变刚度调节功能，具有结构设计紧凑，刚度调节稳定的特点，可应用于康复机器人和协作机器人。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种紧凑型自锁变刚度关节，其特征在于：包括

输入端组件，包括输入伺服电机和板簧，所述板簧安装在输入伺服电机的输出端，且板簧的延伸方向垂直于输入伺服电机的输出端的轴向；

变刚度组件，包括结构组件、滑动组件和驱动组件，所述结构组件的第一端朝向板簧，结构组件的第一端具有第一滑道，所述滑动组件安装在第一滑道中，所述驱动组件的动力端终端连接滑动组件，所述滑动组件和板簧通过滚轮接触；

输出端组件，连接在变刚度组件的第二端；

所述驱动组件可驱动滑动组件在第一滑道中移动，以改变滑动组件与所述板簧的接触位置，使输入端组件和输出端组件之间的传动刚度改变。

作为优选的，所述第一滑道垂直于所述输入伺服电机的输出端的轴线，所述第一滑道以所述输入伺服电机输出端的轴线为中心呈放射状均匀布置。

作为优选的，所述结构组件包括上侧固定盘和下侧固定盘，所述上侧固定盘和下侧固定盘主体同轴心且间隔设置，所述第一滑道设置在上侧固定盘；

所述下侧固定盘朝向上侧固定盘的端面开设有第二滑道，所述第二滑道垂直于下侧固定盘径向的方向开设，并与第一滑道垂直；

所述滑动组件包括下侧楔形块和上侧楔形块，所述下侧楔形块滑动连接在第二滑道中，所述上侧楔形块滑动连接在第一滑道中，所述下侧楔形块和上侧楔形块通过斜置的导槽结构相互贴合；

所述驱动组件的输出端连接下侧楔形块，以驱动下侧楔形块在第二滑道中移动。

作为优选的，所述下侧楔形块通过连接块安装在第二滑道中，所述连接块具有与第二滑道平行方向开设且贯通连接块的螺孔，所述第二滑道上架设有螺杆，所述驱动组件的动力终端连接螺杆，以使连接块和下侧楔形块同步移动。

作为优选的，所述螺杆为驱动梯形螺杆，螺孔均为梯形螺纹通孔；

所述第一滑道为T型槽，所述第二滑道为燕尾槽。

作为优选的，所述第二滑道、连接块、下侧楔形块和上侧楔形块有三组；

所述下侧固定盘中部具有与下侧固定盘同轴心设置的齿轮，连接块为齿条，所述连接块朝向齿轮一侧为与齿轮啮合的齿结构；

所述三组第二滑道、连接块、下侧楔形块和上侧楔形块中的一组为主动部件，另外两组为从动部件。

作为优选的，所述螺杆的一侧端部为蜗轮，所述驱动组件的输出端为蜗杆，所述蜗轮和蜗杆配合形成具有单向传动能力的传动结构。

作为优选的，所述齿轮为空心齿轮；

驱动组件包括变刚度电机组件、惰轮和蜗杆齿轮轴，变刚度电机组件的输出端穿过下侧固定盘的轴心，所述变刚度电机组件的输出端为变刚度伺服电机齿轮轴，变刚度伺服电机齿轮轴通过惰轮与蜗杆齿轮轴传动连接，所述蜗杆齿轮轴的下端为蜗杆，该蜗杆与所述蜗轮配合。

作为优选的，所述变刚度电机组件包括变刚度伺服电机和变刚度伺服电机减速器，所述变刚度伺服电机的输出端连接变刚度伺服电机减速器的输出端，所述变刚度伺服电机减速器的输出端连接变刚度伺服电机齿轮轴。

作为优选的，所述输出端组件包括输出轴、以及用于测量输出轴与所述输入伺服电机输出端转角差的输出端编码器。

使用本发明的有益效果是：

本发明通过齿轮轮系，蜗轮蜗杆，梯形螺杆和楔形块结构改变所述板簧支点的位置，使所述板簧有效形变长度发生变化，实现变刚度调节。本发明具有结构设计紧凑，刚度调节稳定的特点，便携式康复机器人和协作机器人。

本发明采用减速轮系以及蜗轮蜗杆结构，逐步放大了变刚度伺服电机输出的扭矩，大大降低了变对刚度调节电机的功率扭矩需求；

本发明采用了中心空心齿轮结构，并将刚度调节电机嵌入其中，使得结构较为紧凑，整体结构近似为尺寸为：直径143mm高度140mm的圆柱体，可应用于便携式康复机器人和协作机器人。

本发明采用了梯形螺杆和梯形螺杆具有自锁特性的结构；同时使用了楔形块，燕尾槽和T型槽具有摩擦自锁特性的结构，使得变刚度调节结构具有自锁能力，保证了刚度调节结构的稳定性。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明整体结构轴侧剖面示意图；

图3是本发明变刚度组件示意图；

图4是本发明变刚度减速轮系示意图；

图5是本发明变刚度调节轮系示意图；

图6是本发明输出端组件示意图；

图7是本发明变刚度组件上固定板示意图；

图8是本发明变刚度组件下固定板示意图；

图9是本发明上侧楔形块组件示意图；

图10是本发明下侧驱动楔形块齿条组件示意图；

图11是本发明下侧无驱动楔形块齿条组件示意图；

图12是本发明滚子组件示意图。

附图标记包括：

1-输入端组件：11-输入伺服电机，12-连接法兰盘，13-输入端深沟球轴承，14-输入端轴承固定轴套，15-板簧；2-变刚度组件：211-上侧固定盘，2111-T型槽，212-壳体，213-下侧固定盘，2131-燕尾槽，22-上侧楔形块组件：221-上侧楔形块，222-滚子组件，2221-滚子，2222-滚子深沟球轴承，2223-内六角螺栓，2224-旋转轴；23-下侧驱动楔形块齿条组件：231-驱动齿条，2311-梯形螺纹通孔，232-下侧第一楔形块；24-下侧无驱动楔形块齿条组件：241-齿条，242-下侧第二楔形块；25-变刚度电机组件；251-变刚度伺服电机，252-变刚度伺服电机减速器，253-变刚度电机固定法兰，254-固定轴套，255-中心空心齿轮，256-第一深沟球轴承，257-第二深沟球轴承；26-变刚度减速轮系：261-变刚度伺服电机齿轮轴，262-惰轮，263-蜗杆齿轮轴，264-蜗杆，265-蜗轮，266-驱动梯形螺杆，267-轴承座；3-输出端组件，31-输出轴，32-输出端深沟球轴承，33-输出端编码器，34-轴承端盖；4-固定壳体组件：41-固定壳体上圆盘，42-固定壳体，43-固定壳体下圆盘，44-第一薄壁轴承，45-第一轴套，46-第二薄壁轴承，47-第二轴套。

具体实施方式

为使本技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本技术方案进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而不是要限制本技术方案的范围。

如图1-图12所示，本实施例提出一种紧凑型自锁变刚度关节，其应用于便携式康复训练装置的紧凑型变刚度关节，其包括输入端组件1、变刚度组件2、输出端组件3和固定壳体组件4。

输入端组件1由输入伺服电机11、连接法兰盘12、输入深沟球轴承13、输入端轴承固定轴套14和板簧15组成。

输入端组件1中，连接法兰盘12与输入伺服电机11固定连接，通过输入端深沟球轴承13与固定壳体上圆盘41连接，输入深沟球轴承13利用输入端轴承固定轴套14进行限位。

输入端通过输入伺服电机11的转动带动板簧15，板簧15与变刚度组件上侧的滚子组件222接触，致使变刚度组件2围绕着固定壳体4回转中心转动，输出端组件3与变刚度组件2连接，以此实现将刚性运动转化为柔性运动输出动力。

固定壳体组件4中，变刚度组件2与所述固定壳体组件4通过第一薄壁轴承44，第二薄壁轴承46连接，使用第一轴套45和第二轴套47进行限位安装，固定壳体下圆盘43封装固定壳体42的下端面；

变刚度组件2主要包括以下结构：

上侧固定盘211，包括壳体212，下侧固定盘213；

上侧楔形块组件22，由上侧楔形块221，两个滚子组件组成222；

下侧驱动楔形块齿条组件23，由驱动齿条231，下侧第一楔形块组成232；

下侧无驱动楔形块齿条组件24，由齿条241，下侧第二楔形块组成242；

变刚度电机组件25，由变刚度伺服电机251，变刚度伺服电机减速器252，，变刚度电机固定法兰253，固定轴套254和中心空心齿轮组成255；

变刚度减速轮系26，由变刚度伺服电机齿轮轴261，惰轮262，蜗杆齿轮轴263，蜗杆264，蜗轮265，驱动螺杆266组成。

变刚度组件2中的上侧固定盘211，其表面开有T型槽2111，T型槽2111方向指向圆心；

上侧楔形块组件22，沿上侧固定盘T型槽2111移动；

变刚度组件中的下侧固定盘213，其表面开有燕尾槽2131；

驱动齿条231，其侧面开有梯形螺纹通孔2311；

下侧第一楔形块232，与驱动齿条231固定安装，并与上侧楔形块221进行配合安装；

下侧第二楔形块242，与齿条241固定安装，并与上侧楔形块221进行配合安装；

下侧无驱动楔形块齿条组件24与下侧驱动楔形块齿条组件23均沿下侧固定盘213表面燕尾槽2131移动，带动上侧楔形块组件22沿上侧固定盘211表面T型槽2111移动；

变刚度伺服电机齿轮轴261与变刚度电机251固定连接；

蜗杆264与蜗杆齿轮轴263通过螺钉沿蜗杆齿轮轴264轴向安装，蜗杆齿轮轴264安装方向垂直于变刚度组件上侧固定盘211和下侧固定盘213；

蜗轮265与驱动梯形螺杆266通过螺钉固定连接；

驱动梯形螺杆266旋入驱动齿条231中，并通过轴承座267安装；

轴承座267安装在燕尾槽2131两侧，并关于T型槽2111对称。

三个板簧15均匀分布在连接法兰盘12上；

板簧15，T型槽2111，燕尾槽2131，上侧楔形块组件22和下侧驱动楔形块齿条组件23与下侧无驱动楔形块齿条组件24数量之和相等；

T型槽2111和燕尾槽2131沿上侧固定板211和下侧固定盘213回转中心均匀分布；

T型槽2111位置与所述未发生形变板簧15所在位置在上侧固定盘211的投影一致，T型槽2111方向指向上侧固定盘211圆心，燕尾槽2131方向与T型槽2111方向垂直；

中心空心齿轮255通过第一深沟球轴承256与下侧固定盘213连接，绕下侧固定盘213回转中心转动，上侧通过第二深沟球轴承257与固定轴套254连接，利用变刚度电机固定法兰253限位，中心空心齿轮255与周围驱动齿条231，齿条241配合安装；

滚子组件222由滚子2221，滚子深沟球轴承2222，内六角螺栓2223和旋转轴2224组成，旋转轴2224旋入上侧楔形块221上侧，滚子2221通过滚子深沟球轴承2222与旋转轴2224连接；所述内六角螺栓2223对滚子2221进行轴向限位，但是在轴向留有一定间隙；滚子2221沿T型槽2111方向对称分布，安装距离接近板簧15厚度；

变刚度伺服电机减速器252沿变刚度伺服电机251轴向竖直安装。变刚度电机组件25，通过变刚度电机固定法兰253与固定轴套254固定，下端通过中心空心齿轮255延伸至输出轴31空心处；

变刚度电机齿轮轴261在变刚度伺服电机组件25的带动下转动，通过惰轮262带动蜗杆齿轮轴263与蜗杆264转动，蜗杆264带动蜗轮265与驱动梯形螺杆266转动，驱动梯形螺杆266的转动带动下侧驱动楔形块齿条组件23沿燕尾槽2131横向移动；

驱动楔形块齿条组件23沿燕尾槽2131横向移动，带动中心空心齿轮255转动，中心空心齿轮255的转动带动其他下侧无驱动楔形块齿条组件24沿燕尾槽移动，最终带动上侧楔形块组件221沿T型槽2111做靠近上侧固定盘211圆心或远离圆心的运动，进而改变滚子组件222的位置即板簧支点位置，使板簧15有效形变长度发生变化，以此实现刚度的变化。

输出端组件3，主要由输出轴31，输出端深沟球轴承32、输出端编码器33和轴承端盖34组成。输出轴31通过输出端深沟球轴承32与固定壳体42连接，使用轴承端盖34限位。输入端伺服电机内置编码器，输出端编码器33是一种中空式磁电编码器，输出端从输出端编码器33的中间穿过，输出端编码器33的磁环安装在变刚度组件2上，输出端编码器33的感应端安装在固定壳体42下侧盘里侧，即可得到输入端轴和输出端的转角差，从而能够实现关节刚度和关节运动的反馈控制。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本技术内容的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种紧凑型自锁变刚度关节，其特征在于：包括

输入端组件，包括输入伺服电机和板簧，所述板簧安装在输入伺服电机的输出端，且板簧的延伸方向垂直于输入伺服电机的输出端的轴向；

变刚度组件，包括结构组件、滑动组件和驱动组件，所述结构组件的第一端朝向板簧，结构组件的第一端具有第一滑道，所述滑动组件安装在第一滑道中，所述驱动组件的动力端终端连接滑动组件，所述滑动组件和板簧通过滚轮接触；

输出端组件，连接在变刚度组件的第二端；

所述驱动组件可驱动滑动组件在第一滑道中移动，以改变滑动组件与所述板簧的接触位置，使输入端组件和输出端组件之间的传动刚度改变。

2.根据权利要求1所述的紧凑型自锁变刚度关节，其特征在于：所述第一滑道垂直于所述输入伺服电机的输出端的轴线，所述第一滑道以所述输入伺服电机输出端的轴线为中心呈放射状均匀布置。

3.根据权利要求2所述的紧凑型自锁变刚度关节，其特征在于：所述结构组件包括上侧固定盘和下侧固定盘，所述上侧固定盘和下侧固定盘主体同轴心且间隔设置，所述第一滑道设置在上侧固定盘；

所述下侧固定盘朝向上侧固定盘的端面开设有第二滑道，所述第二滑道垂直于下侧固定盘径向的方向开设，并与第一滑道垂直；

所述滑动组件包括下侧楔形块和上侧楔形块，所述下侧楔形块滑动连接在第二滑道中，所述上侧楔形块滑动连接在第一滑道中，所述下侧楔形块和上侧楔形块通过斜置的导槽结构相互贴合；

所述驱动组件的输出端连接下侧楔形块，以驱动下侧楔形块在第二滑道中移动。

4.根据权利要求3所述的紧凑型自锁变刚度关节，其特征在于：所述下侧楔形块通过连接块安装在第二滑道中，所述连接块具有与第二滑道平行方向开设且贯通连接块的螺孔，所述第二滑道上架设有螺杆，所述驱动组件的动力终端连接螺杆，以使连接块和下侧楔形块同步移动。

5.根据权利要求4所述的紧凑型自锁变刚度关节，其特征在于：所述螺杆为驱动梯形螺杆，螺孔均为梯形螺纹通孔；

所述第一滑道为T型槽，所述第二滑道为燕尾槽。

6.根据权利要求4所述的紧凑型自锁变刚度关节，其特征在于：所述第二滑道、连接块、下侧楔形块和上侧楔形块有三组；

所述下侧固定盘中部具有与下侧固定盘同轴心设置的齿轮，连接块为齿条，所述连接块朝向齿轮一侧为与齿轮啮合的齿结构；

所述三组第二滑道、连接块、下侧楔形块和上侧楔形块中的一组为主动部件，另外两组为从动部件。

7.根据权利要求4所述的紧凑型自锁变刚度关节，其特征在于：所述螺杆的一侧端部为蜗轮，所述驱动组件的输出端为蜗杆，所述蜗轮和蜗杆配合形成具有单向传动能力的传动结构。

8.根据权利要求7所述的紧凑型自锁变刚度关节，其特征在于：所述齿轮为空心齿轮；

驱动组件包括变刚度电机组件、惰轮和蜗杆齿轮轴，变刚度电机组件的输出端穿过下侧固定盘的轴心，所述变刚度电机组件的输出端为变刚度伺服电机齿轮轴，变刚度伺服电机齿轮轴通过惰轮与蜗杆齿轮轴传动连接，所述蜗杆齿轮轴的下端为蜗杆，该蜗杆与所述蜗轮配合。

9.根据权利要求8所述的紧凑型自锁变刚度关节，其特征在于：所述变刚度电机组件包括变刚度伺服电机和变刚度伺服电机减速器，所述变刚度伺服电机的输出端连接变刚度伺服电机减速器的输出端，所述变刚度伺服电机减速器的输出端连接变刚度伺服电机齿轮轴。

10.根据权利要求1-9任一项所述的紧凑型自锁变刚度关节，其特征在于：所述输出端组件包括输出轴、以及用于测量输出轴与所述输入伺服电机输出端转角差的输出端编码器。