CN106914917B - 一种紧凑型变刚度旋转柔性关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紧凑型变刚度旋转柔性关节，包括关节驱动盘、关节输出盘、关节被动内盘、第一凸轮、第一被动变刚度调整座、第一组压缩弹簧、光轴、第一变刚度调整座、涡轮丝杠结构、第二变刚度调整座、第二组压缩弹簧、第二被动变刚度调整座、第二凸轮、圆柱齿轮、蜗杆、绝对式编码器、电机和圆弧齿条。该柔性关节不仅能够实现柔性驱动输出，降低外部冲击，延长机器人使用寿命，同时能够实现关节刚度随关节柔性变形角度的增大先增大后减小，提高机器人鲁棒性及运行稳定性，并能通过自身驱动主动调整关节刚度，更好的适应不同工作任务，且该柔性关节具有在线柔性变形检测功能，可获得柔性变形与输出力矩反馈结果，实现刚度在线调节。

Description

一种紧凑型变刚度旋转柔性关节

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体为一种紧凑型变刚度旋转柔性关节。

背景技术

仿生足式机器人以其良好的动态性能、较强的环境适应能力，在野外复杂多变的环境中得到了越来越多的应用，成为国内外学者广泛研究的热点。然而，这些机器人回转关节多数采用刚性驱动，较大的能耗及触地冲击使得机器人在中高速动步态跳跃运动中受到了极大的限制。当前在生物运动机理的研究还未深入，结构设计、材料应用、驱动及控制方式大多较为传统，导致了仿生机器人从宏观到微观与生物都存在较大差异，远未达到实际应用程度。迫切需要解决刚性关节稳定性，适应性差的问题。为此，针对单个回转关节引入柔性元素，科学家提出了变刚度的设计，同时具有柔性机构的被动安全，又具有控制精度高、应用范围广的特性，研究其对机器人跳跃运动动态特性的影响具有重要的现实意义。

通过对犬类及人类的腿部结构研究显示，肌肉是由肌组织、结缔组织和神经组织构成的，其中结缔组织起着调节、支持和弹性作用。Gordon实验表明，肌肉力产生的原因是肌肉在可拉伸范围外的拉伸引起的，肌肉的拉伸量越大，产生的肌肉张力越大并且也发现随着肌肉的被动拉长刚度不断提高。在跳跃的支撑阶段，下肢伸肌MTU(例如股四头肌MTU和小腿三头肌MTU)首先被动拉长，TA与小腿三头肌(triceps surae，TS)的共同收缩，能够使踝关节刚度增加，以缓冲GRF对身体的冲击，为后期的蹬伸建立合适的蹬伸条件。同时，为适应不同情况，动物能够调整肌肉-肌腱组织刚度，提高运动稳定性及能量优化特性。

申请号201520148572.4公开了一种可变刚度的柔性关节，虽然实现了主-被动变刚度输出的目的，但是采用一系列齿轮传动，同样结构复杂，要求较高的制造和安装精度，且驱动依靠柔索，不能更好的适应快速运动及冲击作用，应用到各种关节型机器人上的广泛性受到限制。现有变刚度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，应用领域受限等缺点，基于上述原因，设计一种结构简单、传动效率高、刚度实现被动和线性调节的紧凑型变刚度旋转柔性关节具有很强的现实意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种紧凑型变刚度旋转柔性关节。该柔性关节不仅能够实现柔性驱动输出，降低外部冲击、摩擦，延长机器人使用寿命，提高机器人安全性，同时能够实现关节刚度随关节柔性变形角度的增大先增大后减小，提高机器人鲁棒性及运行稳定性，并能通过自身驱动主动调整关节刚度，更好的适应不同外界环境或不同工作任务，且该柔性关节具有在线柔性变形检测功能，可获得柔性变形与输出力矩反馈结果，即可实现刚度的精确在线调节。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种紧凑型变刚度旋转柔性关节，其特征在于该柔性关节包括关节驱动盘、关节输出盘、关节被动内盘、止推滚针轴承、角接触球轴承、轴用卡簧、第一凸轮、第一被动变刚度调整座、第一组压缩弹簧、光轴、第一变刚度调整座、光轴支撑座、涡轮丝杠结构、第二变刚度调整座、第二组压缩弹簧、第二被动变刚度调整座、第二凸轮、圆柱齿轮、蜗杆、绝对式编码器、编码器支撑座、蜗杆支撑座、电机安装座、电机和圆弧齿条；

所述关节输出盘与关节被动内盘固定；所述关节被动内盘通过角接触球轴承与关节驱动盘的连接轴连接，关节被动内盘的表面通过止推滚针轴承与关节驱动盘的表面接触；所述轴用卡簧与角接触球轴承连接；所述关节驱动盘的内壁开有凸轮槽，与第一凸轮和第二凸轮配合；所述凸轮槽上安装有限位凸台；所述凸轮槽的轮廓线是由偏心圆弧作为射线的两个钝角构成的；

所述蜗杆支撑座固定在关节被动内盘上；所述蜗杆通过轴承安装在蜗杆支撑座上；所述电机通过电机安装座安装在关节被动内盘上，电机的输出端与蜗杆连接；所述涡轮丝杠结构中部是涡轮，与蜗杆啮合传动；涡轮丝杠结构两端是丝杠，一端安装在第一变刚度调整座中，另一端安装在第二变刚度调整座中，两端的旋向相反；

所述第一变刚度调整座的两端分别通过轴承与两根光轴连接；所述第二变刚度调整座的两端分别通过轴承与两根光轴连接；所述两根光轴均通过光轴支撑座安装在关节被动内盘上；两根光轴的一端通过轴承安装有第一被动变刚度调整座，另一端通过轴承安装有第二被动变刚度调整座；所述两根光轴上均嵌套有第一组压缩弹簧和第二组压缩弹簧；所述第一组压缩弹簧位于第一被动变刚度调整座与第一变刚度调整座之间；所述第二组压缩弹簧位于第二被动变刚度调整座与第二变刚度调整座之间；所述第一凸轮安装在第一被动变刚度调整座上；所述第二凸轮安装在第二被动变刚度调整座上；所述第一凸轮和第二凸轮均与凸轮槽接触；

所述绝对式编码器通过编码器支撑座安装在关节被动内盘上；所述圆柱齿轮安装在绝对式编码器的输出轴上；所述圆弧齿条安装在关节驱动盘的内壁中，与圆柱齿轮啮合。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

1、该柔性关节巧妙地结合了凸轮机构及丝杠螺母机构，并且均设计布置在被动关节内盘上，实现了关节被动变刚度、主动变刚度和在线柔性变形检测功能；且弹性平面采用线性弹簧，结构紧凑，简单化，小型化，适用各种仿人机器人手臂关节、足式机器人腿部关节等关节型机器人关键部位。

2、该柔性关节中的关节驱动盘内壁开有凸轮槽，实现45°的柔性变形，其凸轮槽轮廓线通过钝角和偏心圆弧综合设计实现刚度随柔性变形量的增加先增大后减小，并且由于钝角设计，输出关节起初的需要一个较大的力矩才能使凸轮滚动，起到了安全保护作用。对于足式机器人起初发生柔性变形较小的力矩使得关节发生颤动变形，提高了足式机器人的运动稳定性。

3、该柔性关节中的关节驱动盘内壁凸轮槽安装有限位凸台，且限位凸台与凸轮接触的一侧设有一个跟凸轮完全吻合的曲面，当柔顺变形到达极限值45°时，一侧凸轮与凸台发生稳定的接触碰撞，起到限位保护作用，使得关节具有更高的安全可靠性。

4、该柔性关节安装有四个线性弹簧，实现了驱动力的柔性输出，具有更高的安全性、可靠性和稳定性，防止突发的外部冲击、碰撞等意外情况下造成人员或机器人本体损伤。

5、该柔性关节中的涡轮丝杠结构巧妙地将涡轮和丝杠设计成一体，且一端左旋一段右旋，可通过电机带动蜗杆旋转，蜗杆将动力传给一端右旋一端左旋的涡轮丝杠结构，两组带有丝杠螺母的变刚度调整座分别同时压缩弹簧，且两组弹簧的压缩量相同，结构简单、紧凑，巧妙地实现主动调整关节弹性刚度，具有更高的适应性，使得机器人能够适应不同的外界环境及工作需求，扩大了关节型机器人的应用领域。

6、该柔性关节可通过绝对式编码器测量关节的柔性变形，实现柔性变形与输出力矩的实时反馈，根据不同的现实情况对刚度进行在线调整。对于足式机器人实际行走时，遇到不同路况即接触地面等效刚度值大小变化情况下，可以通过柔性检测，在线调节刚度值，使机器人运动时具有更高的稳定性、适应性。在一定程度上也对柔性关节起到保护作用，延长其工作寿命。

7、本发明采用凸轮-凸轮槽对两组弹簧的弹力进行放大，减小了弹簧体积，采用丝杠螺母及蜗轮蜗杆传动对电机输出力矩进行放大，减小了电机的功率需求，所有机构集中安装为机器人关节被动内盘上，简化了机器人本体设计。

附图说明

图1为本发明紧凑型变刚度旋转柔性关节一种实施例的整体结构示意图；

图2为本发明紧凑型变刚度旋转柔性关节一种实施例的关节被动内盘未产生柔性输出的原理图；

图3为本发明紧凑型变刚度旋转柔性关节一种实施例的关节被动内盘发生45°柔性输出的原理图；

图4为本发明紧凑型变刚度旋转柔性关节一种实施例的整体结构内部示意图；

图5为本发明紧凑型变刚度旋转柔性关节沿图2的A-A方向的剖面结构示意图；

图6为本发明紧凑型变刚度旋转柔性关节的图4以光轴的轴心为横截面的截面结构示意图(略去蜗杆、蜗杆支撑座、电机安装座和电机)；

图7为本发明紧凑型变刚度旋转柔性关节一种实施例的关节驱动盘结构图；

图8为本发明紧凑型变刚度旋转柔性关节一种实施例的涡轮丝杠结构示意图；(图中：1、关节驱动盘；2、关节输出盘；3、关节被动内盘；4、止推滚针轴承；5、角接触球轴承；6、轴用卡簧；7、第一凸轮；8、第一被动变刚度调整座；9、第一组压缩弹簧；10、光轴；11、第一变刚度调整座；12、光轴支撑座；13、涡轮丝杠结构；14、第二变刚度调整座；15、第二组压缩弹簧；16、第二被动变刚度调整座；17、第二凸轮；18、圆柱齿轮；19、蜗杆；20、绝对式编码器；21、编码器支撑座；22、蜗杆支撑座；23、电机安装座；24、电机；25、圆弧齿条；101、凸轮槽；102、限位凸台；103、连接轴)

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种紧凑型变刚度旋转柔性关节(参见图1-8，简称关节)，包括关节驱动盘1、关节输出盘2、关节被动内盘3、止推滚针轴承4、角接触球轴承5、轴用卡簧6、第一凸轮7、第一被动变刚度调整座8、第一组压缩弹簧9、光轴10、第一变刚度调整座11、光轴支撑座12、涡轮丝杠结构13、第二变刚度调整座14、第二组压缩弹簧15、第二被动变刚度调整座16、第二凸轮17、圆柱齿轮18、蜗杆19、绝对式编码器20、编码器支撑座21、蜗杆支撑座22、电机安装座23、电机24和圆弧齿条25；

所述关节输出盘2与关节被动内盘3通过四组沉头螺钉固定；所述关节被动内盘3通过角接触球轴承5与关节驱动盘1的连接轴103连接，关节被动内盘3的表面通过止推滚针轴承4与关节驱动盘1的表面接触，实现关节驱动盘1和关节被动内盘3之间的相对转动；所述轴用卡簧6与角接触球轴承5连接，实现角接触球轴承5的轴向固定；所述关节输出盘2通过法兰与外接输出关节连接；所述关节驱动盘1通过法兰与外接输入关节连接；所述关节驱动盘1的内壁开有凸轮槽101，与第一凸轮7和第二凸轮17配合；所述凸轮槽101上安装有限位凸台102，用于限制第一凸轮7和第二凸轮17的位置，进而限制关节驱动盘1和关节被动内盘3之间的相对转动；所述凸轮槽101的轮廓线关于连接轴103对称，凸轮槽101的轮廓线是由偏心圆弧作为射线的两个钝角构成的；凸轮槽101的轮廓线的形状实现刚度随柔性变形量的增加先增大后减小，并且由于钝角设计，输出关节初始需要一个较大的力矩才能使两个凸轮滚动，起到稳定保护作用；

所述蜗杆支撑座22固定在关节被动内盘3上；所述蜗杆19通过轴承安装在蜗杆支撑座22上；所述电机24通过电机安装座23安装在关节被动内盘3上，电机24的输出端与蜗杆19连接，通过顶丝固定，带动蜗杆19转动；所述涡轮丝杠结构13是轴对称结构，中部是涡轮，与蜗杆19啮合传动；涡轮丝杠结构13两端是丝杠，一端左旋并安装在第一变刚度调整座11中部的丝杠螺母结构中，另一端右旋并安装在第二变刚度调整座14中部的丝杠螺母结构中，通过一端左旋一端右旋的丝杠带动与其配合对应的第一变刚度调整座11和第二变刚度调整座14运动，进而改变第一组压缩弹簧9和第二组压缩弹簧15的预压缩量，实现关节的主动变刚度功能；

所述第一变刚度调整座11的两端分别通过轴承与两根光轴10连接；所述第二变刚度调整座14的两端分别通过轴承与两根光轴10连接；所述两根光轴10均通过光轴支撑座12安装在关节被动内盘3上；两根光轴10的一端通过轴承安装有第一被动变刚度调整座8，另一端通过轴承安装有第二被动变刚度调整座16；所述两根光轴10上均嵌套有第一组压缩弹簧9和第二组压缩弹簧15；第一组压缩弹簧9和第二组压缩弹簧15轴线与光轴10轴线重合；所述第一组压缩弹簧9位于第一被动变刚度调整座8与第一变刚度调整座11之间；所述第二组压缩弹簧15位于第二被动变刚度调整座16与第二变刚度调整座14之间；所述第一凸轮7安装在第一被动变刚度调整座8上；所述第二凸轮17安装在第二被动变刚度调整座16上；所述第一凸轮7和第二凸轮17均与凸轮槽101接触；当关节驱动盘1和关节被动内盘3未产生相对转动时，第一凸轮7和第二凸轮17均位于凸轮槽101轮廓线的钝角位置，第一组压缩弹簧9和第二组压缩弹簧15未被压缩，也未产生柔性变形；当关节驱动盘1和关节被动内盘3相对转动时，第一凸轮7和第二凸轮17与凸轮槽101接触并转动，挤压第一组被动变刚度调整座8和第二组被动变刚度调整座20均沿光轴移动，压缩第一组压缩弹簧9和第二组压缩弹簧15，阻碍关节驱动盘1与关节被动内盘3相对转动，实现关节的柔性输出，即实现关节的被动变刚度功能；当柔性变形达到极限位置时，第一凸轮7和第二凸轮17分别与凸轮槽101上的限位凸台102接触，起到限位安全保护作用；

所述绝对式编码器20通过编码器支撑座21安装在关节被动内盘3上；所述圆柱齿轮18安装在绝对式编码器20的输出轴上；所述圆弧齿条25安装在关节驱动盘1的内壁中，与圆柱齿轮18啮合，当关节驱动盘1与关节被动内盘3发生相对转动时，即产生柔性变形时，绝对式编码器20可实时进行测量，获得柔性变形与输出力矩反馈结果，实现关节的柔性变形检测功能。

所述电机24是直流伺服电机。

本发明实施例初步设计的关节总体尺寸为直径160mm，高45mm，柔性变形最大角度为45°，凸轮槽101设计为钝角与偏心圆弧相切连接，关节最大弹性输出为120N·m，关节驱动盘轴径设计为12mm，第一凸轮和第二凸轮直径12mm。电机外径3mm，最大额定转矩6mNm，涡轮丝杠结构选为5mm、30度丝杠(一端丝杠左旋，另一端丝杠右旋)，丝杠最大容许推力为3kN，第一组压缩弹簧和第二组压缩弹簧选用外径10mm內径5mm的矩形磨具弹簧，弹簧自由长度28mm，弹性系数为40N/mm，弹簧安装预压缩量为1mm。

将本发明实施例应用于仿生四足机器人的膝关节、髋关节中，选配交流伺服电机400W，最大输出扭矩为1.27N·m，选配1:120谐波减速器，减速器输出法兰与关节驱动盘连接，减速器输入通过同步带与交流伺服电机连接；其中交流伺服电机2kg，谐波减速器1.5kg，一条腿质量大致为10kg左右，机器人本体质量为20kg。当关节输出最大扭矩时，能够保证四足机器人以对角步态行进。

本发明紧凑型变刚度旋转柔性关节的工作原理和工作流程是：该柔性关节可实现主动变刚度、被动变刚度和柔性变形检测三个功能。

所述蜗杆支撑座22固定在关节被动内盘3上；所述蜗杆19通过轴承安装在蜗杆支撑座22上；所述电机24通过电机安装座23安装在关节被动内盘3上，电机24的输出端与蜗杆19连接，通过顶丝固定，带动蜗杆19转动；所述涡轮丝杠结构13是轴对称结构，中部是涡轮，与蜗杆19啮合传动；涡轮丝杠结构13两端是丝杠，一端左旋并安装在第一变刚度调整座11中部的丝杠螺母结构中，另一端右旋并安装在第二变刚度调整座14中部的丝杠螺母结构中，通过一端左旋一端右旋的丝杠带动与其配合对应的第一变刚度调整座11和第二变刚度调整座14运动，进而改变第一组压缩弹簧9和第二组压缩弹簧15的预压缩量，实现关节的主动变刚度功能；

所述第一变刚度调整座11的两端分别通过轴承与两根光轴10连接；所述第二变刚度调整座14的两端分别通过轴承与两根光轴10连接；所述两根光轴10均通过光轴支撑座12安装在关节被动内盘3上；两根光轴10的一端通过轴承安装有第一被动变刚度调整座8，另一端通过轴承安装有第二被动变刚度调整座16；所述两根光轴10上均嵌套有第一组压缩弹簧9和第二组压缩弹簧15；第一组压缩弹簧9和第二组压缩弹簧15轴线与光轴10轴线重合；所述第一组压缩弹簧9位于第一被动变刚度调整座8与第一变刚度调整座11之间；所述第二组压缩弹簧15位于第二被动变刚度调整座16与第二变刚度调整座14之间；所述第一凸轮7安装在第一被动变刚度调整座8上；所述第二凸轮17安装在第二被动变刚度调整座16上；所述第一凸轮7和第二凸轮17均与凸轮槽101接触；当关节驱动盘1和关节被动内盘3未产生相对转动时，第一凸轮7和第二凸轮17均位于凸轮槽101轮廓线的钝角位置，第一组压缩弹簧9和第二组压缩弹簧15未被压缩，也未产生柔性变形；当关节驱动盘1和关节被动内盘3相对转动时，第一凸轮7和第二凸轮17与凸轮槽101接触并转动，挤压第一组被动变刚度调整座8和第二组被动变刚度调整座20均沿光轴10移动，压缩第一组压缩弹簧9和第二组压缩弹簧15，阻碍关节驱动盘1与关节被动内盘3相对转动，实现关节的柔性输出，即实现关节的被动变刚度功能；当柔性变形达到极限位置时，第一凸轮7和第二凸轮17分别与凸轮槽101上的限位凸台102接触，起到限位安全保护作用；

所述绝对式编码器20通过编码器支撑座21安装在关节被动内盘3上；所述圆柱齿轮18安装在绝对式编码器20的输出轴上；所述圆弧齿条25安装在关节驱动盘1的内壁凹槽内，与圆柱齿轮18啮合，当关节驱动盘1与关节被动内盘3发生相对转动时，即产生柔性变形时，绝对式编码器20可实时进行测量，获得柔性变形与输出力矩反馈结果，实现关节的柔性变形检测功能。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (3)

1.一种紧凑型变刚度旋转柔性关节，其特征在于该柔性关节包括关节驱动盘、关节输出盘、关节被动内盘、止推滚针轴承、角接触球轴承、轴用卡簧、第一凸轮、第一被动变刚度调整座、第一组压缩弹簧、光轴、第一变刚度调整座、光轴支撑座、涡轮丝杠结构、第二变刚度调整座、第二组压缩弹簧、第二被动变刚度调整座、第二凸轮、圆柱齿轮、蜗杆、绝对式编码器、编码器支撑座、蜗杆支撑座、电机安装座、电机和圆弧齿条；

所述关节输出盘与关节被动内盘固定；所述关节被动内盘通过角接触球轴承与关节驱动盘的连接轴连接，关节被动内盘的表面通过止推滚针轴承与关节驱动盘的表面接触；所述轴用卡簧与角接触球轴承连接；所述关节驱动盘的内壁开有凸轮槽，与第一凸轮和第二凸轮配合；所述凸轮槽上安装有限位凸台；所述凸轮槽的轮廓线是由偏心圆弧作为射线的两个钝角构成的；

所述蜗杆支撑座固定在关节被动内盘上；所述蜗杆通过轴承安装在蜗杆支撑座上；所述电机通过电机安装座安装在关节被动内盘上，电机的输出端与蜗杆连接；所述涡轮丝杠结构中部是涡轮，与蜗杆啮合传动；涡轮丝杠结构两端是丝杠，一端安装在第一变刚度调整座中，另一端安装在第二变刚度调整座中，两端的旋向相反；

所述第一变刚度调整座的两端分别通过轴承与两根光轴连接；所述第二变刚度调整座的两端分别通过轴承与两根光轴连接；所述两根光轴均通过光轴支撑座安装在关节被动内盘上；两根光轴的一端通过轴承安装有第一被动变刚度调整座，另一端通过轴承安装有第二被动变刚度调整座；所述两根光轴上均嵌套有第一组压缩弹簧和第二组压缩弹簧；所述第一组压缩弹簧位于第一被动变刚度调整座与第一变刚度调整座之间；所述第二组压缩弹簧位于第二被动变刚度调整座与第二变刚度调整座之间；所述第一凸轮安装在第一被动变刚度调整座上；所述第二凸轮安装在第二被动变刚度调整座上；所述第一凸轮和第二凸轮均与凸轮槽接触；

所述绝对式编码器通过编码器支撑座安装在关节被动内盘上；所述圆柱齿轮安装在绝对式编码器的输出轴上；所述圆弧齿条安装在关节驱动盘的内壁中，与圆柱齿轮啮合。

2.根据权利要求1所述的紧凑型变刚度旋转柔性关节，其特征在于第一组压缩弹簧和第二组压缩弹簧轴线与光轴轴线重合。

3.根据权利要求1所述的紧凑型变刚度旋转柔性关节，其特征在于所述电机是直流伺服电机。