一种主-被动变刚度关节及其刚度调节方法技术

本发明专利技术为一种主‑被动变刚度关节及其刚度调节方法，包括关节输出杆、关节驱动杆、中心轴、步进电机、电机安装座、斜齿大齿轮、扭簧、斜齿小齿轮、第一组钢珠、第一锥盘、第一碟簧、第一滑块、第二滑块、第二碟簧、第二锥盘、第二组钢珠、左端盖、第一压簧、右旋螺母、左旋螺母、套筒、第二压簧、第一轴套、第二轴套。通过调整两个碟簧的压缩量，使得关节刚度发生变化，实现关节的主动变刚度功能；当关节发生相对转对时，扭簧发生扭转，套筒被挤压变形，使得第一组钢珠和第一锥盘以及第二组钢珠和第二锥盘两两相互配合，将径向位移转换为轴向位移，压缩第一碟簧和第二碟簧，阻碍关节驱动杆和关节输出杆的相对转动，实现关节的柔性输出。

【技术实现步骤摘要】
一种主-被动变刚度关节及其刚度调节方法
本专利技术涉及机器人关节
，特别涉及一种主-被动变刚度关节及其刚度调节方法。
技术介绍
随着科技的快速发展，传统的刚性机器人设计已经达到了极限。目前服务医疗机器人兴起，在人机交互领域，安全约束是机器人与人类互动的重要方面，而传统刚性机器人运动缓慢且动力不足，实际应用困难；在工业生产、柔性装配、定载荷组装领域，柔性对相互作用力较为敏感以及高精度力矩传感器的应用存在成本高、控制系统实时性要求高的缺点。申请号201710289744.3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，该机构虽然具有主-被动调节关节刚度的功能，但结构相对复杂，所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°，体积较大且相对转角较小，应用到各种中小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，体积较大，控制复杂，且变刚度特性差，基于上述原因，设计一种结构简单、体积小、主动刚度调节特性好的变刚度关节具有重要的现实意义。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术要解决的技术问题是，提供一种主-被动变刚度关节及其刚度调节方法，该关节能用于关节旋转型机器人，其结构简单、小巧，调整快速，节能且具有较大的刚度调整范围。本专利技术解决所述技术问题的技术方案是，提供一种主-被动变刚度关节，包括关节输出杆、关节驱动杆、中心轴、步进电机、电机安装座，中心轴的两端分别连接关节输出杆和关节驱动杆，步进电机通过电机安装座固定在关节输出杆上；其特征在于，该关节还包括斜齿大齿轮、扭簧、斜齿小齿轮、第一组钢珠、第一锥盘、第一碟簧、第一滑块、第二滑块、第二碟簧、第二锥盘、第二组钢珠、左端盖、第一压簧、右旋螺母、左旋螺母、套筒、第二压簧、第一轴套、第二轴套；上述第一锥盘、第一滑块、第一碟簧、第一压簧分别与相应的第二锥盘、第二滑块、第二碟簧、第二压簧形状结构相同；步进电机的输出端通过键连接斜齿小齿轮，斜齿小齿轮与斜齿大齿轮相啮合，斜齿大齿轮与中心轴配合，且与关节输出杆固定；在套筒外缠绕扭簧，所述扭簧的一端与关节输出杆固定，另一端与关节驱动杆固定；所述中心轴中部为中心轴肩，中心轴肩两端的轴段是丝杠，两个丝杠旋向相反，丝杠的外侧是第一光轴；第一光轴的外侧为第二光轴，在一侧的第二光轴上设有键槽；第二光轴的外侧为第三光轴，第三光轴的外侧为螺纹轴，第一光轴、第二光轴、第三光轴、螺纹轴两两之间均存在轴肩；所述中心轴上从驱动端到输出端依次嵌套有左端盖、第二压簧、第二锥盘、第二碟簧、左旋螺母、右旋螺母、第一碟簧、第一锥盘、第一压簧、斜齿大齿轮，所述左旋螺母、右旋螺母通过螺纹连接在中心轴的相应丝杠上，第二锥盘、第一锥盘分别固定在中心轴的第一光轴上；斜齿大齿轮通过键槽安装在第一锥盘外侧的中心轴的第二光轴上，左端盖位于第二锥盘外侧的中心轴的第二光轴上；所述第一碟簧、第一压簧、第二碟簧、第二压簧均与中心轴之间存在间隙；所述左端盖通过过盈配合安装在在中心轴的第二光轴上，通过第二轴套对其进行轴向定位；所述第一锥盘为圆台型，圆台的侧面上均匀布置有多个钢珠槽，圆台的大直径端靠近相邻的右旋螺母，圆台中心为通孔，套在中心轴的第一光轴上，圆台的小直径端设有压簧槽；所述套筒套在第一组钢珠和第二组钢珠上，左右两端圆周上均开有均布的多个滑槽，同时在套筒的圆周侧面上开有一个通槽；所述第一组钢珠位于第一锥盘的钢珠槽里，通过左端盖伸出的凸缘限制其轴向位移；所述第二组钢珠位于第二锥盘的钢珠槽里，通过斜齿大齿轮限制其轴向位移；所述第一滑块套在右旋螺母上限制其转动，第一滑块的外侧面沿第一滑块轴向均匀设置有多个凸起，凸起形状与套筒上的滑槽相配合，凸起能在滑槽内左右滑动；所述第二滑块套在左旋螺母上限制其转动。上述的主-被动变刚度关节的刚度调节方法，该方法的过程是：步进电机通过齿轮传动带动中心轴转动，中心轴上的左、右旋螺母分别向两端沿轴向移动，使得第一锥盘和第二锥盘上的钢珠在钢珠槽里移动进而与套筒接触，进而阻碍扭簧的扭转，通过调整两个碟簧的压缩量，使得关节刚度发生变化，实现关节的主动变刚度功能；当关节发生相对转对时，扭簧发生扭转，其内径发生径向变形，套筒被挤压变形，进而使得第一组钢珠和第一锥盘以及第二组钢珠和第二锥盘两两相互配合，将径向位移转换为轴向位移，压缩第一碟簧和第二碟簧，阻碍关节驱动杆和关节输出杆的相对转动，实现关节的柔性输出，即实现关节的被动变刚度功能。本专利技术相对于现有技术,具有以下有益效果：1.该关节巧妙地利用了扭簧扭转过程中中径变化这一特性，通过结合机构阻碍其变化，实现了关节的主-被动变刚度功能；由于扭簧结构简单紧凑，适用于扭转型关节机器人，且在扭转过程中弹簧具有储能功能。2.该变刚度关节通过扭簧的扭转实现关节的旋转，实现了驱动力矩的柔性输出，使得关节在人机交互过程中具有更高的安全性。3.该关节中巧妙的将中心轴两个对称轴段加工了旋向相反的螺纹，可通过电机通过齿轮组带动轴转动，两个旋向相反的螺母同时压缩碟簧，且两个碟簧的压缩量相同，结构简单、紧凑，巧妙地实现主-被动变刚度功能。4.该关节中巧妙地利用碟簧的压缩变形来阻碍扭簧中径的变化，实现主-被动变刚度功能，与压簧相比，其具有承载力大、占用空间小和结构紧凑等优点。5.本专利技术采用丝杠螺母和减速齿轮的形式对轴向力进行放大，结构紧凑，减小了电机的功率需求。6.本专利技术实施例中所设计的关节总体尺寸为直径42mm,高52mm,柔性变形最大角度为100°，与现有变刚度关节相比，其具有结构紧凑，体积小，适用性强、刚度调整范围大等优点。附图说明图1为本专利技术主-被动变刚度关节的一种实施例的整体结构示意图；图2为本专利技术主-被动变刚度关节一种实施例的关节实施刚度调节部分的结构示意图；图3为本专利技术主-被动变刚度关节一种实施例的关节实施刚度调节部分的内部结构示意图；图4为本专利技术主-被动变刚度关节沿图2的A-A方向柔性剖面结构示意图；图5为本专利技术主-被动变刚度关节一种实施例的套筒21的立体结构示意图；图6为本专利技术主-被动变刚度关节一种实施例的第一滑块21的立体结构示意图；图7为本专利技术主-被动变刚度关节一种实施例的第一锥盘10的立体结构示意图；图8为本专利技术主-被动变刚度关节一种实施例的中心轴8结构示意图；(图中1、步进电机；2、电机安装座；3、关节输出杆；4、斜齿大齿轮；5、扭簧；6、关节驱动杆；7、斜齿小齿轮；8、中心轴；9、第一组钢珠；10、第一锥盘；11、第一碟簧；12、第一滑块；13、第二滑块；14、第二碟簧；15、第二锥盘；16、第二组钢珠；17、左端盖；18、第一压簧；19、右旋螺母；20、左旋螺母；21、套筒；22、第二压簧；23第一轴套、24第二轴套；211、滑槽，212、通槽；102、钢珠槽)具体实施方式下面给出本专利技术的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本专利技术，不限制本申请的保护范围。本专利技术中主-被动变刚度关节，包括步进电机、电机安装座、关节输出杆、斜齿大齿轮、扭本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种主‑被动变刚度关节，包括关节输出杆、关节驱动杆、中心轴、步进电机、电机安装座，中心轴的两端分别连接关节输出杆和关节驱动杆，步进电机通过电机安装座固定在关节输出杆上；其特征在于，该关节还包括斜齿大齿轮、扭簧、斜齿小齿轮、第一组钢珠、第一锥盘、第一碟簧、第一滑块、第二滑块、第二碟簧、第二锥盘、第二组钢珠、左端盖、第一压簧、右旋螺母、左旋螺母、套筒、第二压簧、第一轴套、第二轴套；上述第一锥盘、第一滑块、第一碟簧、第一压簧分别与相应的第二锥盘、第二滑块、第二碟簧、第二压簧形状结构相同；步进电机的输出端通过键连接斜齿小齿轮，斜齿小齿轮与斜齿大齿轮相啮合，斜齿大齿轮与中心轴配合，且与关节输出杆固定；在套筒外缠绕扭簧，所述扭簧的一端与关节输出杆固定，另一端与关节驱动杆固定；所述中心轴中部为中心轴肩，中心轴肩两端的轴段是丝杠，两个丝杠旋向相反，丝杠的外侧是第一光轴；第一光轴的外侧为第二光轴，在一侧的第二光轴上设有键槽；第二光轴的外侧为第三光轴，第三光轴的外侧为螺纹轴，第一光轴、第二光轴、第三光轴、螺纹轴两两之间均存在轴肩；所述中心轴上从驱动端到输出端依次嵌套有左端盖、第二压簧、第二锥盘、第二碟簧、左旋螺母、右旋螺母、第一碟簧、第一锥盘、第一压簧、斜齿大齿轮，所述左旋螺母、右旋螺母通过螺纹连接在中心轴的相应丝杠上，第二锥盘、第一锥盘分别固定在中心轴的第一光轴上；斜齿大齿轮通过键槽安装在第一锥盘外侧的中心轴的第二光轴上，左端盖位于第二锥盘外侧的中心轴的第二光轴上；所述第一碟簧、第一压簧、第二碟簧、第二压簧均与中心轴之间存在间隙；所述左端盖通过过盈配合安装在在中心轴的第二光轴上，通过第二轴套对其进行轴向定位；所述第一锥盘为圆台型，圆台的侧面上均匀布置有多个钢珠槽，圆台的大直径端靠近相邻的右旋螺母，圆台中心为通孔，套在中心轴的第一光轴上，圆台的小直径端设有压簧槽；所述套筒套在第一组钢珠和第二组钢珠上，左右两端圆周上均开有均布的多个滑槽，同时在套筒的圆周侧面上开有一个通槽；所述第一组钢珠位于第一锥盘的钢珠槽里，通过左端盖伸出的凸缘限制其轴向位移；所述第二组钢珠位于第二锥盘的钢珠槽里，通过斜齿大齿轮限制其轴向位移；所述第一滑块套在右旋螺母上限制其转动，第一滑块的外侧面沿第一滑块轴向均匀设置有多个凸起，凸起形状与套筒上的滑槽相配合，凸起能在滑槽内左右滑动；所述第二滑块套在左旋螺母上限制其转动。...

【技术特征摘要】
1.一种主-被动变刚度关节，包括关节输出杆、关节驱动杆、中心轴、步进电机、电机安装座，中心轴的两端分别连接关节输出杆和关节驱动杆，步进电机通过电机安装座固定在关节输出杆上；其特征在于，该关节还包括斜齿大齿轮、扭簧、斜齿小齿轮、第一组钢珠、第一锥盘、第一碟簧、第一滑块、第二滑块、第二碟簧、第二锥盘、第二组钢珠、左端盖、第一压簧、右旋螺母、左旋螺母、套筒、第二压簧、第一轴套、第二轴套；上述第一锥盘、第一滑块、第一碟簧、第一压簧分别与相应的第二锥盘、第二滑块、第二碟簧、第二压簧形状结构相同；步进电机的输出端通过键连接斜齿小齿轮，斜齿小齿轮与斜齿大齿轮相啮合，斜齿大齿轮与中心轴配合，且与关节输出杆固定；在套筒外缠绕扭簧，所述扭簧的一端与关节输出杆固定，另一端与关节驱动杆固定；所述中心轴中部为中心轴肩，中心轴肩两端的轴段是丝杠，两个丝杠旋向相反，丝杠的外侧是第一光轴；第一光轴的外侧为第二光轴，在一侧的第二光轴上设有键槽；第二光轴的外侧为第三光轴，第三光轴的外侧为螺纹轴，第一光轴、第二光轴、第三光轴、螺纹轴两两之间均存在轴肩；所述中心轴上从驱动端到输出端依次嵌套有左端盖、第二压簧、第二锥盘、第二碟簧、左旋螺母、右旋螺母、第一碟簧、第一锥盘、第一压簧、斜齿大齿轮，所述左旋螺母、右旋螺母通过螺纹连接在中心轴的相应丝杠上，第二锥盘、第一锥盘分别固定在中心轴的第一光轴上；斜齿大齿轮通过键槽安装在第一锥盘外侧的中心轴的第二光轴上，左端盖位于第二锥盘外侧的中心轴的第二光轴上；所述第一碟簧、第一压簧、第二碟簧、第二压簧均与中心轴之间存在间隙；所述左端盖通过过盈配合安装在在中心轴的第二光轴上，通过第二轴套对其进行轴向定位；所述第一锥盘为圆台型，圆台的侧面上均匀布置有多个钢珠槽，圆台的大直径端靠近相邻的右旋螺母，圆台中心为通孔，套在中心轴的第一光轴上，圆台的...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹东兴，张琦，甘晓萌，王强，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12