一種剛度可調的機器人彈性關節制造技術

本發明專利技術公開了一種剛度可調的機器人彈性關節，包括關節骨架、分別設置在所述關節骨架兩端的驅動端和輸出軸，還包括設置于所述關節骨架內且連接于驅動端和輸出軸之間的剛度調節裝置，所述剛度調節裝置包括連接驅動端的旋轉體、連接于旋轉體與輸出軸之間且在旋轉體的推動下圍繞輸出軸的軸線旋轉的彈性傳力部件、所述輸出軸受到不同負載沖擊時用于調節旋轉體驅動所述彈性傳力部件轉動時力臂長度的調節機構，本發明專利技術能根據外部負載的沖擊大小進行剛度的線性調節，具有結構緊湊、輕便、通用性強、精度高、調節范圍大、磨損小、通用性好等諸多優點，提高了機器人關節的柔順性，可適用于各種關節型機器人。

【技術實現步驟摘要】
一種剛度可調的機器人彈性關節
本專利技術涉及的是一種機器人仿生關節，具體為一種剛度可調的機器人彈性關節，該裝置可以適用于各種關節型機器人，提高機器人關節的柔順性。
技術介紹
長期以來，傳統的機器人關節設計理論認為，對于動力驅動裝置與關節鉸鏈之間的機械連接方式應優先考慮剛度較大的傳動機構。因此，在工業機器手臂、仿生多足機器人以及康復醫療假肢等關節機器人的研究中，普遍采用電機輸出軸與關節機構進行剛性連接的驅動方案，其優勢在于結構簡單、定位精準、響應快速，從而滿足各種操作與應用的需求。但這種驅動方案由于缺乏柔順性使得機器人更容易受到外部沖擊的影響而損壞，甚至對與之協作的人類造成傷害，同時對于機器人實現自調整接觸、低能耗運動等目標也存在不足和缺憾。人們從生物肌腱中得到啟發，從上世紀80年代開始，麻省理工的學者提出了串聯彈性驅動器的概念，它是在驅動機構和負載端之間串聯彈性元件，將負載輸出與電機慣量隔離，實現精確力控制，具有低阻抗、能量密度高、輸出穩定等特點，可以有效地增加系統的穩定性、降低干擾影響以及在外部沖擊下起保護作用。近些年，國外的學者相繼提出了一些彈性驅動器關節設計方法，具有代表性的有：N.G.Tsagarakis等人設計了一種旋轉彈性驅動器，利用線彈簧繞圓周呈三角形狀布置，該裝置結構緊湊，但不能依據沖擊大小進行剛度調節；AmirJafari等人設計了一種采用滾珠絲杠改變力臂大小的剛度可調彈性驅動器，將線性彈簧應用在轉動關節上，該驅動器結構松散、體積龐大；Fabrizio等人設計了一種采用扭力彈簧的旋轉彈性驅動器，其彈性元件是獨立設計制作的圓盤狀扭力彈簧片，這種設計能有效縮小彈性驅動模塊的尺寸，但彈簧片彈性不大，運動范圍非常有限。目前，國內對彈性關節的研究還非常少。經對現有技術文獻的檢索發現，從現有公開的串聯彈性驅動關節看，大部分不具有剛度調節功能，如江蘇大學楊啟志等提出一種基于阿基米德螺線彈性體的柔彈性關節，專利公開號CN105082170A，其彈性體采用兩片圓形彈簧片，簧片上開有阿基米德螺線槽以增加關節柔性，該裝置雖然結構緊湊但運動范圍有限且不能進行剛度調節。偶爾帶有剛度調節的，也存在集成度較低、較為笨重、通用性較差等問題，如北京理工大學黃強等人提出的一種可變剛度的機器人關節，專利公開號CN104440936A，關節上安裝了一片主摩擦片和兩片副摩擦片，在螺栓施加預緊力作用下產生摩擦力，利用摩擦片的摩擦特性進行剛度調節，但是摩擦片屬于消耗品，使用一段時間后就會喪失原有功能需要定期更換，且其只設兩級剛度調節，不能實現線性可調的剛度特性；浙江大學朱秋國等人提出了剛度可調的柔性關節驅動器機構，專利公開號CN104985608A，采用曲斜面-轉輪配合結構擠壓矩形彈簧的方式實現柔性關節的功能，根據運動方向和外部負載大小的不同，前后凸輪板曲斜面上放置的轉輪對矩形彈簧的預緊壓力將發生變化，從而實現關節的剛度調節，該裝置結構復雜，體積龐大，應用領域非常有限。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服現有機器人關節設計上的不足，提出一種新型可調剛度的機器人彈性關節，它能安裝于大多數采用轉動關節的機器人上。本專利技術有效解決了現有機器人柔性關節結構松散、剛度不可線性調節、通用性差等問題，能根據外部負載的沖擊大小進行剛度可調的柔順控制，有助于推動各種關節機器人的升級換代。本專利技術是通過以下技術方案實現的：一種剛度可調的機器人彈性關節，包括關節骨架、分別設置在所述關節骨架兩端的驅動端和輸出軸，還包括設置于所述關節骨架內且連接于驅動端和輸出軸之間的剛度調節裝置，所述剛度調節裝置包括連接驅動端的旋轉體、連接于旋轉體與輸出軸之間且在旋轉體的推動下圍繞輸出軸的軸線旋轉的彈性傳力部件、所述輸出軸受到不同負載沖擊時用于調節旋轉體驅動所述彈性傳力部件轉動時力臂長度的調節機構。本方案通過調節彈性傳力部件中彈簧片的工作長度實現剛度的線性調節，具有結構簡單、體積小、精度高、調節范圍大、磨損小、通用性好等諸多優點，可實現線性可調的剛度特性。進一步地，所述的彈性傳力部件包括固定在輸出軸上的彈簧片夾頭、一端沿輸出軸徑向均勻固定在彈簧片夾頭上的若干彈簧片；所述的旋轉體包括上下連接的轉動機體和轉動機體底殼，所述轉動機體上端面沿徑向均勻開有若干數量及方向與彈簧片相一致的滑槽；所述的調節機構包括活動設置在各滑槽內的卡爪、與各卡爪底部相配合的平面螺紋卡盤、固定在各卡爪上的彈簧卡座組件、驅動平面螺紋卡盤旋轉的調節動力機構，所述彈簧片穿過彈簧卡座組件且其兩側面與彈簧卡座組件緊密接觸。本方案進一步減少了彈簧片的磨損，提高其使用壽命和穩定性，同時，具備自鎖特性的調節機構簡單緊湊，精度高、穩定可靠易實施。進一步地，所述彈簧卡座組件包括固定在卡爪上的彈簧卡座，所述彈簧卡座中部貫穿地設有供所述彈簧片穿過的挖空部，所述挖空部內通過兩根軸承固定螺絲對稱設置有兩個沿彈簧片兩側面滾動的第二軸承，通過第二軸承與彈簧片兩側面滾動摩擦，最大限度的減少對彈簧片的磨損，延長彈簧片的使用壽命，保障彈簧片的工作穩定性和可靠性。進一步地，所述轉動機體上端面的邊緣處設置有用于限制彈簧卡座組件移動位置的限位螺絲，有效控制彈簧卡座組件移動距離，防止脫落等意外。進一步地，調節動力機構包括設置在所述轉動機體底殼上的齒輪傳動副和剛度調節電機、連接于所述齒輪傳動副和剛度調節電機之間的同步帶輪傳動副，所述齒輪傳動副的輸出端與平面螺紋卡盤通過緊固螺釘垂直固定連接，實現對平面螺紋卡盤的快速和高效的驅動，結構簡單緊湊。進一步地，所述齒輪傳動副為蝸輪蝸桿傳動副，結構緊湊、工作穩定、傳動比高。進一步地，所述轉動機體底殼上設置有用于安裝齒輪傳動副和剛度調節電機的工字形凸肋，所述轉動機體下端設置有與所述工字形凸肋兩端形狀相匹配的缺口部，方便齒輪傳動副和剛度調節電機安裝及轉動機體底殼和轉動機體快速對位，提高裝配效率。進一步地，所述的關節骨架包括設有鏤空的關節底殼和關節面殼，關節面殼通過緊固螺絲和關節底殼上端緊固連接，所述輸出軸通過第一軸承安裝于關節面殼上，結構簡單、重量輕、裝拆方便。進一步地，所述驅動端包括相連接的驅動電機和諧波減速器，驅動電機通過軸承及驅動電機固定螺絲安裝在關節底殼下端，所述諧波減速器輸出端與轉動機體底殼固定連接，驅動電機提供關節主動力，經過諧波減速器帶動轉動機體正反向旋轉，實現彈性關節的正反向運動，集成度更高，結構緊湊簡單。本專利技術相比現有技術具有以下優點：1）采用平面螺紋卡盤配合卡爪的方式來調節彈簧片的工作長度，由于其配合上的自鎖特性，調節精度高、工作可靠、更加節能。2）關節的剛度調節實現了從全剛性到極大柔性的線性調節，能夠根據沖擊大小，進行快速調節，靈敏度高。3）將驅動電機與減速器融入總體機構之中，集成度更高；整個關節結構緊湊，簡單輕便，通用性強，應用范圍廣泛。附圖說明圖1示出了本專利技術實施例的剛度可調彈性關節的總體結構示意圖。圖2示出了本專利技術實施例的剛度可調彈性關節的爆炸示意圖。圖3和圖4示出了本專利技術實施例的剛度可調彈性關節的局部剖視示意圖。圖中：1-輸出軸；2-第一軸承；3-彈簧片夾頭；4-彈簧片；5-彈簧卡座；6-卡爪；7-平面螺紋卡盤；8-齒輪傳動副；9-同步帶輪傳動副；10-剛度調節電機；11-諧波減速器本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種剛度可調的機器人彈性關節，包括關節骨架、分別設置在所述關節骨架兩端的驅動端和輸出軸(1)，其特征在于：還包括設置于所述關節骨架內且連接于驅動端和輸出軸(1)之間的剛度調節裝置，所述剛度調節裝置包括連接驅動端的旋轉體、連接于旋轉體與輸出軸(1)之間且在旋轉體的推動下圍繞輸出軸(1)的軸線旋轉的彈性傳力部件、所述輸出軸(1)受到不同負載沖擊時用于調節旋轉體驅動所述彈性傳力部件轉動時力臂長度的調節機構；所述的彈性傳力部件包括固定在輸出軸(1)上的彈簧片夾頭(3)、一端沿輸出軸(1)徑向均勻固定在彈簧片夾頭(3)上的若干彈簧片(4)；所述的旋轉體包括上下連接的轉動機體(16)和轉動機體底殼(21)，所述轉動機體(16)上端面沿徑向均勻開有若干數量及方向與彈簧片(4)相一致的滑槽；所述的調節機構包括活動設置在各滑槽內的卡爪(6)、與各卡爪(6)底部相配合的平面螺紋卡盤(7)、固定在各卡爪(6)上的彈簧卡座組件(19)、驅動平面螺紋卡盤(7)旋轉的調節動力機構，所述彈簧片(4)穿過彈簧卡座組件(19)且其兩側面與彈簧卡座組件(19)緊密接觸。

【技術特征摘要】
1.一種剛度可調的機器人彈性關節，包括關節骨架、分別設置在所述關節骨架兩端的驅動端和輸出軸(1)，其特征在于：還包括設置于所述關節骨架內且連接于驅動端和輸出軸(1)之間的剛度調節裝置，所述剛度調節裝置包括連接驅動端的旋轉體、連接于旋轉體與輸出軸(1)之間且在旋轉體的推動下圍繞輸出軸(1)的軸線旋轉的彈性傳力部件、所述輸出軸(1)受到不同負載沖擊時用于調節旋轉體驅動所述彈性傳力部件轉動時力臂長度的調節機構；所述的彈性傳力部件包括固定在輸出軸(1)上的彈簧片夾頭(3)、一端沿輸出軸(1)徑向均勻固定在彈簧片夾頭(3)上的若干彈簧片(4)；所述的旋轉體包括上下連接的轉動機體(16)和轉動機體底殼(21)，所述轉動機體(16)上端面沿徑向均勻開有若干數量及方向與彈簧片(4)相一致的滑槽；所述的調節機構包括活動設置在各滑槽內的卡爪(6)、與各卡爪(6)底部相配合的平面螺紋卡盤(7)、固定在各卡爪(6)上的彈簧卡座組件(19)、驅動平面螺紋卡盤(7)旋轉的調節動力機構，所述彈簧片(4)穿過彈簧卡座組件(19)且其兩側面與彈簧卡座組件(19)緊密接觸。2.根據權利要求1所述的剛度可調的機器人彈性關節，其特征在于：所述彈簧卡座組件(19)包括固定在卡爪(6)上的彈簧卡座(5)，所述彈簧卡座(5)中部貫穿地設有供所述彈簧片(4)穿過的挖空部，所述挖空部內通過兩根軸承固定螺絲(14)對稱設置有兩個沿彈簧片(4)兩側面滾動的第二軸承(15)。3.根據權利要求1所述的剛度...

【專利技術屬性】
技術研發人員：彭芳，李智軍，葉雯珺，楊辰光，章隆彬，
申請(專利權)人：華南理工大學，
類型：發明
國別省市：廣東,44