CN105171770B - 一种机械安全变刚度弹性关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种机械安全变刚度弹性关节，具体包括：第一关节输出轴，第二关节输出轴，直线电机，弹簧，推盘；其特征在于：所述第一关节输出轴的内侧面设置有电机安装座，直线电机固定在电机安装座上；所述直线电机的运动部件与弹簧固联；所述弹簧的另一端与推盘固联；所述第二关节输出轴为凸轮轴,与推盘之间构成凸轮传动；所述第二关节输出轴与第一关节输出轴之间构成转动副连接。

Description

一种机械安全变刚度弹性关节

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种机械安全变刚度弹性关节。

背景技术

随着机器人技术的飞速发展，机器人在工业、医疗、服务等行业的应用越来越广泛。然而人类对机器人的要求越来越高，因此需要大量能够与人共存的机器人，与人一起从事一些更加复杂的高级劳动。而现阶段由刚性关节构成的机器人不能胜任此类工作,因此研制变刚度弹性关节是现阶段的研究热点。

变刚度弹性关节由于安装有弹性元件，因此可以吸收外部的冲击，减少关节受到的损伤，保障与人交互的安全。同时，变刚度弹性关节能够根据任务要求实时调节关节刚度，从而使得机器人能够满足需要不同弹性的作业需求。

目前，国内外有关弹性关节的研究才刚刚开始，主要集中在弹性元件的设计，能量效率的优化，以及控制方法的研究。不同的关节结构设计、控制方法对于弹性关节的性能具有很大的影响。从现有结构来看，变刚度弹性关节还存在很多问题，如关节结构复杂，变刚度特性差，控制复杂，能量消耗大，安全性较低等。

近年来，国内对于变刚度弹性关节的研究也日趋热潮，主要集中在一些高校、研究所。如CN102211622 A号专利公开的一种圆筒式的串联弹性驱动器，其结构复杂，且刚度不可调，只能实现直线运动，应用场合受限。如CN101934525 B号专利公开的仿人机器人具有可变刚度柔性关节设计，虽然能实现变刚度的目的，但其结构复杂，依靠柔索驱动可靠性较低，不能实现快速运动和抗冲击作用，应用场合同样也受限。如CN104608142 A号专利公开的一种旋转型变刚度柔性关节，其采用凸轮结构和丝杠螺纹副传动机构，关节输出转动范围受限，且变刚度结构部分较复杂，其应用场合同样受限。

发明内容

针对上述现有变刚度机器人弹性关节的结构相对复杂，变刚度特性差，控制复杂，能量消耗大，安全性较低等缺点，本发明旨在提出一种机械安全变刚度弹性关节。该关节结构相对简单，可以在关节运动过程中实时调节关节的刚度；且该关节安装有力反馈装置，可以实现刚度的精确调节。

本发明是通过下述技术方案来实现的：

一种机械安全变刚度弹性关节，具体包括：第一关节输出轴（1），第二关节输出轴（3），直线电机（4），弹簧（5），推盘（6）；其特征在于：所述第一关节输出轴（1）的内侧面设置有电机安装座，直线电机（4）固定在电机安装座上；所述直线电机（4）的运动部件与弹簧（5）固联；所述弹簧（5）的另一端与推盘（6）固联；所述第二关节输出轴（3）为凸轮轴,与推盘（6）之间构成凸轮传动；所述第二关节输出轴（3）与第一关节输出轴（1）之间构成转动副连接。

所述第一关节输出轴（1）的内端面设置有滑槽（72），其滑槽可以是矩形，T形，梯形或燕尾槽形等；推盘（6）的一端设置有滑块（71）结构，与第一关节输出轴（1）的内端面滑槽（72）构成滑动连接 。

上述方案中，更进一步还包括第一关节输出轴壳（2），固定连接在第一关节输出轴（1）一端，第一关节输出轴壳（2）具有保护内部结构和防尘的效果。

上述方案中，所述推盘（6）与第二关节输出轴（3）之间构成的凸轮传动可以实现凸轮的整周回转。

上述方案中，所述第一关节输出轴（1）接减速器输出端，第二关节输出轴（3）接机器人关节输出端。

上述方案中，所述第二关节输出轴（3）接减速器输出端，第一关节输出轴（1）接机器人关节输出端。

上述方案中，更进一步还包括第一关节输出轴壳(2)，所述推盘（6）的上下端分别设置有滑块结构与第一关节输出轴（1）和第一关节输出轴壳（2）之间构成的滑动连接。

上述方案中，所述推盘（6）的滑块两侧安装有滚子，实现推盘沿滑槽滑动的过程中实现变滑动为滚动。

上述方案中，所述推盘（6）与第一关节输出轴（1）和第一关节输出轴壳（2）之间的滑动滑槽可以设置为多道滑槽。

上述方案中，更进一步还包括位移传感器或/（和）压力传感器，所述位移传感器设置在弹簧（5）两端,用于检测弹簧的形变；所述压力传感器设置在弹簧一端，用于检测弹簧的压力。

一种用于变刚度弹性关节刚度调节的方法与弹簧刚度标定方法，其特征在于：包括位移传感器或/（和）压力传感器，具体方法步骤如下：

（1）根据所设定的变刚度弹性关节的刚度值，计算弹簧的预压缩量并将计算数据传输到刚度调节器；

（2）使用位移传感器或压力传感器检测弹簧当前的形变或压力，并将检测数据反馈到刚度调节器；

（3）刚度调节器通过对比当前的弹簧形变或压力值与所设定的变刚度弹性关节的刚度值，计算相应的直线电机调节量并向直线电机发出脉冲指令控制直线电机运动；

（4）直线电机运动带动变刚度机构工作使弹簧的预压缩量调节到所设定的状态；

（5）当弹簧的刚度未知或者发生变化时，可以通过安装的压力传感器获取弹簧的力的变化量Δf，以及通过安装的位移传感器获取的弹簧的伸缩量的变化量Δx，计算弹簧的当前刚度k=Δf/Δx，实现对于弹簧刚度的标定。

本发明所述的一种机械安全变刚度弹性关节实现变刚度的工作原理为：所述第一关节输出轴（1）接谐波或减速器输出端，第二关节输出轴（3）接关节连杆输出，通过直线电机（4）的加载，实现直线电机（4）活动部件沿直线电机（4）的轴向远离直线电机（4）一侧移动，压缩弹簧（5），使第二关节输出轴（3）的凸轮与推盘之间（6）的预紧力增大，从而改变弹性关节的刚度，使弹性关节刚度增大；当直线电机（4）反向加载，使直线电机（4）活动部件沿直线电机（4）的轴，向电机端移动时，减少弹簧（5）的压缩量，使第二关节输出轴（3）的凸轮与推盘之间（6）的预紧力减小，从而改变弹性关节的刚度，使弹性关节刚度减小。同理，当所述第二关节输出轴（3）接谐波或减速器输出端，第一关节输出轴（1）接关节连杆输出，通过直线电机（4）的加载改变弹性关节刚度的原理与上述情况相同。

本发明所提出的一种机械安全变刚度弹性关节及刚度调节方法与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

1.本发明所设计的凸轮机构，在结构上可以实现整周回转，克服了现有设计方案中凸轮转动角度受限的缺点。在超载的情况下，依然能够保护关节不受破坏；

2.本发明所采用直线电机实现变刚度这一环节，其结构简单，传动精度高，响应速率快，避免了使用传统的复杂传动系统所引起的响应速率慢，传动误差大，回差影响大，结构笨重，控制方式可靠性低等缺点；

3.本发明为了更好地实现变刚度弹性关节对于关节弹性的精确调节，在结构上安装有压力传感器和位移传感器，通过对弹性元件的刚度的在线辨识，实现弹性关节的精确的刚度调节；

4.本发明设计的结构所采用的零部件相对较少，结构紧凑，质量轻便，这也是轻量化设计的一个优势；

5.本发明设计的变刚度弹性关节，可以实现关节转动双向的抗冲击特性，并且具有控制关节位置与控制关节变刚度相对独立的特点，同时采用模块化设计，可以更好地实现关节零部件集成制造与互换性；

6.本发明设计的变刚度弹性关节具有抵抗外力冲击、碰撞的柔性特性，同时该关节还可以提供速度控制、位置控制与力控制，能够更好的保障人机交互或机器人之间交互的安全特性。

附图说明

图1是本发明的变刚度弹性关节示意图。

图2是本发明的变刚度弹性关节装配爆炸示意图。

图3是本发明的一种机械安全变刚度弹性关节外形图。

图4是本发明的推盘示意图。

图5是本发明的第二关节输出轴示意图。

图6是本发明的第一关节输出轴示意图。

图7是本发明所述6轴工业机器人实施例示意图。

图8是本发明所述仿生机器人实施例示意图。

图9是本发明所述人体假肢腿部实施例示意图。

图10是本发明的一种变刚度弹性关节刚度调节方法示意图。

附图中，各数字的含义为：1：第一关节输出轴；2：第一关节输出轴壳；3：第二关节输出轴；4：直线电机；5：弹簧；6：推盘；71：滑块；72：滑槽；8：工业机器人输入端；9：工业机器人输出端；10：仿生机器人腿部输入端；11：仿生机器人腿部输出端；12：人体假肢腿部输入端；13：人体假肢腿部输出端。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详述本发明，但本发明不仅限于所述实施例。

实施例一

一种机械安全变刚度弹性关节，具体包括：第一关节输出轴1，第二关节输出轴3，直线电机4，弹簧5，推盘6；其特征在于：所述第一关节输出轴1的内侧面设置有电机安装座，直线电机4固定在电机安装座上；所述直线电机4的运动部件与弹簧5固联；所述弹簧5的另一端与推盘6固联；所述第二关节输出轴3为凸轮轴，与推盘6之间构成凸轮传动；所述第二关节输出轴3与第一关节输出轴1之间构成转动副连接。

本例的一种机械安全变刚度弹性关节。实现变刚度的工作原理为：所述第一关节输出轴1接谐波或减速器输出端，第二关节输出轴3接关节连杆输出，通过直线电机4的加载，实现直线电机4活动部件沿直线电机4的轴向远离直线电机4一侧移动，压缩弹簧5，使第二关节输出轴3的凸轮与推盘之间6的预紧力增大，从而改变弹性关节的刚度，使弹性关节刚度增大；当直线电机4反向加载，使直线电机4活动部件沿直线电机4的轴，向电机端移动时，减少弹簧5的压缩量，使第二关节输出轴3的凸轮与推盘之间6的预紧力减小，从而改变弹性关节的刚度，使弹性关节刚度减小。同理，当所述第二关节输出轴3接谐波或减速器输出端，第一关节输出轴1接关节连杆输出，通过直线电机4的加载改变弹性关节刚度的原理与上述情况相同。

如图7所示，在工业领域内，本例的变刚度机器人弹性关节安装在6轴工业机器人末端，工业机器人输入端8与第一关节输出轴1固定连接，第二关节输出轴3与工业机器人输出端9固定连接。在应用过程中，预先根据工况信息设置好本弹性关节的刚度特性，当电机带动工业机器人输入端8转动时，外负载会对工业机器人输出端9产生冲击，本例的弹性关节会通过弹簧5的弹性作用产生缓冲作用，使得第一关节输出轴1与第二关节输出轴3之间具有弹性作用，有效地保护了工业机器人的工具末端，提高其使用寿命。

实施例二

如图8所示，在仿生机器人领域，本例的变刚度机器人弹性关节安装在六足仿生机器人的腿部关节处，仿生机器人腿部输入端10与弹性关节的第一关节输出轴1固定连接，第二关节输出轴3与仿生机器人腿部输出端11固定连接。在应用过程中，预先根据工况信息设置好本弹性关节的刚度特性，在仿生机器人行走的过程中，电机带动仿生机器人腿部输入端10转动时，外负载会对仿生机器人腿部输出端11产生冲击，本例的弹性关节会通过弹簧5的弹性作用产生缓冲作用，使得第一关节输出轴1与第二关节输出轴3之间具有弹性作用，有效地保护了仿生机器人腿部关节，提高其使用寿命。

实施例三

如图9所示，在医学领域内，本例的变刚度机器人弹性关节可以安装在人体假肢腿部关节处，人体假肢大腿到小腿之间的关节处安装有弹性关节，驱动小腿的人体假肢腿部输入端12与弹性关节的第一关节输出轴1固定连接，第二关节输出轴3与人体假肢腿部输出端13固定连接，在应用过程中，预先根据工况信息设置好本弹性关节的刚度特性，在假肢行走的过程中，电机带动人体假肢腿部输入端12转动时，外负载会对人体假肢腿部输出端13产生冲击，本例的弹性关节会通过弹簧5的弹性作用产生缓冲作用，使得第一关节输出轴1与第二关节输出轴3之间具有弹性作用，提高其使用寿命。

实施例四

本例的第二关节输出轴1接谐波或减速器输出端，第一关节输出轴（3）接连杆输出端。

实施例五

本例的推盘6与第二关节输出轴3之间构成的凸轮传动可以实现凸轮整周回转。

实施例六

本例的推盘6的上下端分别设置有滑块结构与第一关节输出轴1和第一关节输出轴壳2之间构成的滑动连接，其滑槽是矩形，其余同实施例一。

实施例七

本例的推盘6的滑块两侧安装有滚子，实现推盘沿滑槽滑动的过程中实现变滑动为滚动，其余同实施例一。

实施例八

本例的推盘6与第一关节输出轴1和第一关节输出轴壳2之间的设置有多道滑槽，其余同实施例一。

Claims (4)

1.一种机械安全变刚度弹性关节，具体包括：第一关节输出轴（1），输出轴壳（2），第二关节输出轴（3），直线电机（4），弹簧（5），推盘（6）；其特征在于：所述第一关节输出轴（1）的内侧面设置有电机安装座，直线电机（4）固定在电机安装座上；所述直线电机（4）的运动部件与弹簧（5）一端连接；所述弹簧（5）的另一端与推盘（6）连接；所述第二关节输出轴（3）为凸轮轴,凸轮廓线与推盘（6）接触，两者之间构成凸轮传动；所述第二关节输出轴（3）与第一关节输出轴（1）之间构成转动副连接；所述第一关节输出轴（1）的内端面设置有滑槽（72）；推盘（6）上对应于第一关节输出轴（1）内端面设置有滑槽（72）的一端设置有滑块（71）结构，与第一关节输出轴（1）的内端面滑槽（72）构成滑动连接 ；所述输出轴壳（2）固定连接在第一关节输出轴（1）一端；且所述输出轴壳（2）的内侧设置有滑槽，推盘（6）上对应于输出轴壳（2）的一端设置有滑块（71），滑块（71）与滑槽（72）之间构成滑动连接；还包括位移传感器或/和压力传感器，所述位移传感器设置在弹簧（5）两端,用于检测弹簧（5）的形变；所述压力传感器设置在弹簧（5）一端，用于检测弹簧（5）的压力；

具体方法步骤如下：

（1）根据所设定的变刚度弹性关节的刚度值，计算弹簧的预压缩量并将计算数据传输到刚度调节器；

（2）使用位移传感器或压力传感器检测弹簧当前的形变或压力，并将检测数据反馈到刚度调节器；

（3）刚度调节器通过对比当前的弹簧形变或压力值与所设定的变刚度弹性关节的刚度值，计算相应的直线电机调节量并向直线电机发出脉冲指令控制直线电机运动；

（4）直线电机运动带动直线电机活动部件工作，使弹簧的预压缩量调节到所设定的状态；

（5）当弹簧的刚度未知或者发生变化时，通过安装的压力传感器获取弹簧的力的变化量Δf，以及通过安装的位移传感器获取的弹簧的伸缩量的变化量Δx，计算弹簧的当前刚度k=Δf/Δx，实现对于弹簧刚度的标定。

2.按照权利要求1所述的一种机械安全变刚度弹性关节，其特征在于：所述第一关节输出轴（1）接减速器输出端，第二关节输出轴（3）接机器人关节输出端。

3.按照权利要求1所述的一种机械安全变刚度弹性关节，其特征在于：所述第二关节输出轴（3）接减速器输出端，第一关节输出轴（1）接机器人关节输出端。

4.按照权利要求1所述的一种机械安全变刚度弹性关节，其特征在于：所述推盘（6）的滑块两侧安装有滚子，实现滑块结构与滑槽结构之间的滑动为滚动摩擦形式。