一种可局部线性手动调节刚度值的机器人关节变刚度模块制造技术

本发明专利技术公开了一种可局部线性手动调节刚度值的机器人关节变刚度模块,包括输入部分、输出部分及刚度调节部分。本发明专利技术只需调节杠杆支点位置就能实现模块刚度的调节，在杠杆支点位置发生变化时杠杆的力臂比也将会在零到无穷大之间发生改变，使得本模块的刚度值从零到无穷大之间进行变化。输入部分与输出部分之间设有轴承，以承受非扭矩载荷并使两者之间可相对转动。当变刚度模块的输出部分受到外部瞬态负载时，负载经过凸轮式杠杆传递到压簧处被吸收，从而降低外部冲击、实现柔性驱动输出，提高了机器人的鲁棒性及运行稳定性。本发明专利技术结构紧凑、成本低、刚度在指定范围内实现线性调节，从而方便的运用到各种交互式设备中，尤其是柔性机器人关节中。

A Variable Stiffness Module for Robot Joints with Locally Linear Manual Adjustment of Stiffness Value

The invention discloses a robot joint variable stiffness module which can manually adjust stiffness value locally linearly, including an input part, an output part and a stiffness adjustment part. The stiffness of the module can be adjusted only by adjusting the position of the lever fulcrum. When the position of the lever fulcrum changes, the force arm ratio of the lever will also change from zero to infinity, which makes the stiffness value of the module change from zero to infinity. A bearing is arranged between the input part and the output part to withstand the non-torque load and to make the two parts rotate relatively. When the output part of the variable stiffness module is subjected to the external transient load, the load is transferred to the pressure spring through the cam lever and absorbed, which reduces the external impact, realizes the flexible drive output, and improves the robustness and stability of the robot. The invention has compact structure, low cost, and linear adjustment of stiffness within a specified range, so that it can be conveniently used in various interactive devices, especially in flexible robot joints.

【技术实现步骤摘要】
一种可局部线性手动调节刚度值的机器人关节变刚度模块
本专利技术涉及机器人领域，尤其涉及一种可局部线性手动调节刚度值的机器人关节变刚度模块。
技术介绍
随着现代工业技术的高速发展，机器人的应用范围急剧扩展，人机协作日益密切。伴随着人机交互程度的不断深入，机器人的工作环境变得复杂及存在很大的不确定性，随时可能与周围环境中的物体、人发生碰撞，这对机器人的安全性提出了很高的要求。如机器人需根据外部环境与自身负载的变化动态调整关节刚度、机器人关节的主/被动柔性。因此，在协作机器人关节中加入高性能、结构紧凑的变刚度机构从而使机器人具有柔顺性已经成为协作机器人领域一个技术难点。所以急需一批优越的变刚度模块来促进协作机器人的不断向前发展。与此同时，机器人产业发展迅速，需求量大、设计周期长。因此模块化的设计思想在机器人领域越来越被大家采用，通过对机器人的常用功能从机构和控制上进行分解，形成多个具有独立功能的功能模块，通过重构，组成应用所需机器人构型。从而在一定程度上降低机器人的应用成本、加快研发速度及降低研发风险。在变刚度方面，国内外研究者已经研制出了很多基于不同原理的变刚度机构。但现有的变刚度设计或多或少存在着一些不足，比如体积、重量较大，或通用性不高，或刚度调节范围小等。这样的话就很难应用到结构紧凑、质量需尽可能轻、刚度调节范围大的机器人关节中。如今现有的技术利用两对压缩弹簧及凸轮结构实现变刚度，通过凸轮被动改变弹簧的压缩量及电机主动改变弹簧压缩量来改变刚度。但是没有刚度放大结构导致刚度调节范围较小，采用了两对压缩弹簧也使得该变刚度旋转柔性关节的体积较大。因此，现有技术需要进一步改进和完善。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以降低机器人关节的外部冲击、实现柔性驱动输出，同时提高机器人的鲁棒性及运行稳定性的可局部线性手动调节刚度值的机器人关节变刚度模块。本专利技术的目的通过下述技术方案实现：一种可局部线性手动调节刚度值的机器人关节变刚度模块，该变刚度模块主要包括输入部分、输出部分、以及刚度调节部分。所述输入部分与输出部分之间设有轴承，以承受整个模块的非扭矩载荷并使输入部分与输出部分可相对转动。具体的，所述输入部分包括基座、以及基座轴承挡圈，所述基座轴承挡圈与基座通过螺栓连接，并与轴承的外圈固接在一起。所述基座上设有必要的安装孔位及减轻结构。所述基座内还设有约束大滑块及滚柱的导槽。具体的，所述输出部分包括输出盘、以及输出盘轴承挡圈。所述输出盘与输出盘轴承挡圈通过螺栓将轴承的内圈固接在一起，在输出盘的中心设有中心孔并且在中心孔处固接有一个刻度盘。具体的，所述刚度调节部分包括轴套、挡圈、卡环、滚柱、滚柱安装架、压簧、压簧安装座、凸轮式杠杆、刚度调节支点、以及支点调节部分。所述凸轮式杠杆可绕刚度调节支点自由转动，并且凸轮式杠杆一端设有凸台并通过轴套、挡圈及卡环与输出盘传动配合，凸轮式杠杆的另一端设有凸轮，其外表面通过滚柱及滚柱安装架作用于压簧。所述凸轮的顶部还设有凸耳。所述压簧的一端通过压簧安装座固接于基座上，另一端固接有滚柱安装架。所述滚柱设置在滚柱安装架内，且可相对转动。所述滚柱与凸轮式杠杆的凸轮端传动配合。所述滚柱的下端被限制在基座的导槽中，上端被凸轮式杠杆的凸耳限制而不能轴向运动。具体的，所述刚度调节部分还包括细牙螺栓、支点微调凸轮、大滑块、定位支座、微调凸轮安装座、以及小滑块。所述刚度调节支点可通过细牙螺栓及支点微调凸轮调节。所述大滑块设置在基座导槽内并与导槽配合，在大滑块靠近支点一端还与固定于基座的定位支座配合。所述大滑块的两端分别与细牙螺栓连接，且所述细牙螺栓在同一径向上相向与基座传动配合。所述大滑块的中部通过螺纹孔与微调凸轮安装座连接。所述微调凸轮安装座外部固定有一个保持弹簧。所述支点微调凸轮与微调凸轮安装座同心配合并通过沉头螺栓将其固接在凸轮安装座上。所述小滑块两侧面固定有挡块，在小滑块与大滑块之间还固定有一压紧弹簧，所述刚度调节支点固定在小滑块中间位置。所述刚度调节支点为圆柱形并且与凸轮式杠杆底部的槽口传动配合作为凸轮式杠杆的支点。作为本专利技术的优选方案，本专利技术两个所述压簧在同一轴线上相对布置并在初始位置时压簧具有相同的压缩量。作为本专利技术的优选方案，本专利技术所述刚度调节支点的位置可通过手动的形式进行调节，通过调节细牙螺栓可快速的调节支点的位置，然后可以再通过支点微调凸轮对其位置进行精确调节。进一步的，本专利技术所述支点微调凸轮上设有一个零位参考线，在调节时可以参考固定在输出盘中心孔周围的刻度盘以获得旋转角度值。本专利技术的工作过程和原理是：实际工作时，本专利技术所提供的变刚度模块主要应用在机器人关节中，变刚度模块的基座通过螺栓安装在机器人关节的减速器输出端，输出盘通过螺栓与下一关节固定。当受到外界环境中的干扰或突然将负载加载到机器人上时，负载通过输出盘经凸轮式杠杆后传到压簧处并将载荷的作用效果变平滑，从而保护机器人不被破坏、提高机器人的运行稳定性等。在变刚度模块起作用时输出部分、凸轮式杠杆会相对于平衡位置发生一定角度的偏转，从而导致一个压簧压缩量增加，相对的另一个压簧的压缩量减少，通过压簧间产生的作用力平衡外界负载。本专利技术还具有结构简单、操作方便、容易实施的优点。与现有技术相比，本专利技术还具有以下优点：(1)本专利技术所提供的可局部线性手动调节刚度值的机器人关节变刚度模块采用了特殊轮廓的支点微调凸轮，使得模块的刚度值在一定范围内与支点微调凸轮的旋转角度成线性关系。(2)本专利技术所提供的可局部线性手动调节刚度值的机器人关节变刚度模块采用凸轮式杠杆与输出盘的两级放大作用，从而只需对抗弹簧提供小的刚度值就可以输出大的刚度值，因此可以极大的减小整个变刚度模块的整体尺寸。(3)本专利技术所提供的可局部线性手动调节刚度值的机器人关节变刚度模块设有的压簧可以缓存外部施加的载荷，从而可以降低机器人关节的外部冲击、实现柔性驱动输出，同时提高机器人的鲁棒性及运行稳定性。(4)本专利技术所提供的可局部线性手动调节刚度值的机器人关节变刚度模块创新性的使用凸轮式杠杆结构，只需改变杠杆的支点位置就可以改变模块的刚度。因此可以极大地减少了变刚度机构的零件数量，从而做到结构紧凑、质量轻便，刚度调节范围大。(5)本专利技术所提供的可局部线性手动调节刚度值的机器人关节变刚度模块采用了模块化的设计方法，从而在一定程度上降低了本专利技术的应用成本并可快速的应用到其他设备中。如在机器人关节中与传统减速器输出配合作用后就可以实现串联弹性驱动器的功能。(6)本专利技术所提供的可局部线性手动调节刚度值的机器人关节变刚度模块通过采用螺距只有0.5毫米的细牙螺栓来调节杠杆的支点，既能保证刚度的微调性同时可以利用细牙螺纹的自锁性保证支点位置的不变性。通过改变支点的位置从而改变阻力臂与主力臂的比值，因此刚度值可以从零到无穷大。附图说明图1为本专利技术所提供的可局部线性手动调节刚度值的机器人关节变刚度模块的整体结构示意图。图2为本专利技术所提供的可局部线性手动调节刚度值的机器人关节变刚度模块的内部结构示意图1。图3为本专利技术所提供的可局部线性手动调节刚度值的机器人关节变刚度模块的内部结构示意图2；图4为本专利技术所提供的可局部线性手动调节刚度值的机器人关节变刚度模块的内部结构示意图3；图5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可局部线性手动调节刚度值的机器人关节变刚度模块，其特征在于，包括输入部分、输出部分、以及刚度调节部分；所述输入部分与输出部分之间设有轴承，以承受整个模块的非扭矩载荷并使输入部分与输出部分可相对转动；所述输入部分包括基座、以及基座轴承挡圈，所述基座轴承挡圈与基座通过螺栓连接，并与轴承的外圈固接在一起；所述基座上设有必要的安装孔位及减轻结构；所述基座内还设有约束大滑块及滚柱的导槽；所述输出部分包括输出盘、以及输出盘轴承挡圈；所述输出盘与输出盘轴承挡圈通过螺栓将轴承的内圈固接在一起，在输出盘的中心设有中心孔并且在中心孔处固接有一个刻度盘；所述刚度调节部分包括轴套、挡圈、卡环、滚柱、滚柱安装架、压簧、压簧安装座、凸轮式杠杆、以及刚度调节支点；所述凸轮式杠杆可绕刚度调节支点自由转动，并且凸轮式杠杆一端设有凸台并通过轴套、挡圈及卡环与输出盘传动配合，凸轮式杠杆的另一端设有凸轮，其外表面通过滚柱及滚柱安装架作用于压簧；所述凸轮的顶部还设有凸耳；所述压簧的一端通过压簧安装座固接于基座上，另一端固接有滚柱安装架；所述滚柱设置在滚柱安装架内，且可相对转动；所述滚柱与凸轮式杠杆的凸轮端传动配合；所述滚柱的下端被限制在基座的导槽中，上端被凸轮式杠杆的凸耳限制而不能轴向运动。...

【技术特征摘要】
1.一种可局部线性手动调节刚度值的机器人关节变刚度模块，其特征在于，包括输入部分、输出部分、以及刚度调节部分；所述输入部分与输出部分之间设有轴承，以承受整个模块的非扭矩载荷并使输入部分与输出部分可相对转动；所述输入部分包括基座、以及基座轴承挡圈，所述基座轴承挡圈与基座通过螺栓连接，并与轴承的外圈固接在一起；所述基座上设有必要的安装孔位及减轻结构；所述基座内还设有约束大滑块及滚柱的导槽；所述输出部分包括输出盘、以及输出盘轴承挡圈；所述输出盘与输出盘轴承挡圈通过螺栓将轴承的内圈固接在一起，在输出盘的中心设有中心孔并且在中心孔处固接有一个刻度盘；所述刚度调节部分包括轴套、挡圈、卡环、滚柱、滚柱安装架、压簧、压簧安装座、凸轮式杠杆、以及刚度调节支点；所述凸轮式杠杆可绕刚度调节支点自由转动，并且凸轮式杠杆一端设有凸台并通过轴套、挡圈及卡环与输出盘传动配合，凸轮式杠杆的另一端设有凸轮，其外表面通过滚柱及滚柱安装架作用于压簧；所述凸轮的顶部还设有凸耳；所述压簧的一端通过压簧安装座固接于基座上，另一端固接有滚柱安装架；所述滚柱设置在滚柱安装架内，且可相对转动；所述滚柱与凸轮式杠杆的凸轮端传动配合；所述滚柱的下端被限制在基座的导槽中，上端被凸轮式杠杆的凸耳限制而不能轴向运动。2.根据权利要求1所述的可局部线性手动调节刚度值的机器人关节变刚度模块，其特征在于，所述刚度调节部分还包括细牙螺栓、支...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱海飞，赵波，钟玉，谷世超，管贻生，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44