一种变刚度柔性关节制造技术

本发明专利技术公开了一种变刚度柔性关节，包括：刚度调节电机、蜗杆、驱动盘、轴、从动盘；所述刚度调节电机与蜗杆连接，所述蜗杆和驱动盘的蜗轮通过传动副连接，所述从动盘设置于驱动盘的输出端面上，所述驱动盘的中心和从动盘的中心通过轴转动连接；所述从动盘沿圆周方向均匀分布有3组弹簧安装座，每组弹簧安装座上设有直线导轨，直线导轨上设有滑块，滑块的两侧分别与弹簧的一端固定连接，所述弹簧的另一端与弹簧安装座固定连接；所述驱动盘的输出端面上设有3组沿其圆周周向分布的T形槽，所述滑块的上端设有滚子，所述滚子与T型槽滑动连接。本发明专利技术的变刚度柔性关节通过改变弹簧预紧力实现变刚度的柔性关节，具有结构紧凑、响应快的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种变刚度柔性关节
本专利技术涉及机器人
，尤其是涉及一种变刚度柔性关节。
技术介绍
在早期的机器人关节设计时，刚性关节因其结构简单、响应快等优点而应用广泛，但是在受到冲击时，刚性关节不具备缓冲吸能作用，从而使机器人容易损坏。随着仿生学的发展，一些学者从动物肌腱在运动过程中所具备的柔顺性获得启发，开始将柔性关节应用于机器人的结构设计中，如在足式机器人腿部增加直线弹簧，在机器人关节中加入扭转弹簧等。上述这些方法通常是采用恒定刚度的弹性元件使结构具备一定的柔性，虽然可以缓解冲击，使机器人具备较好的运动特性，但是相比动物关节仍然具有较大差异。研究表明，动物在运动过程中可以根据运动速度、步频的变化来调整腿部的刚度以达到最佳运动状态。因此，在机器人设计过程中，通过在机器人结构中引入刚度可变机构可以根据运动需求存储和释放能量来提高机器人的运动效能，使机器人能够适应复杂的运行环境并抵抗外界的运动干扰。可变刚度柔性关节按照刚度调节原理不同，可分为5类：等效控制实现刚度控制、拮抗控制实现刚度控制、改变弹性体结构控制关节刚度、利用弹簧预紧实现刚度控制和改变输出传动比实现刚度控制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有机器人关节技术的不足，提供一种变刚度柔性关节，该关节是一种通过改变弹簧预紧力实现变刚度的柔性关节，结构紧凑，可应用于机器人旋转关节上。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种变刚度柔性关节，包括：刚度调节电机、蜗杆、驱动盘、轴、从动盘；所述刚度调节电机与蜗杆连接，所述蜗杆和驱动盘的蜗轮通过传动副连接，所述从动盘设置于驱动盘的输出端面上，所述驱动盘的中心和从动盘的中心通过轴转动连接；所述从动盘包括弹簧安装座、弹簧、滑块和直线导轨，所述从动盘沿圆周方向均匀分布有3组弹簧安装座，每组弹簧安装座上设有直线导轨，直线导轨上设有滑块，滑块的两侧分别与弹簧的一端固定连接，所述弹簧的另一端与弹簧安装座固定连接；所述驱动盘的输出端面上设有3组沿其圆周周向分布的T形槽，所述滑块的上端设有滚子，所述滚子与T型槽滑动连接。进一步地，所述驱动盘为类蜗轮盘型结构。进一步地，所述T形槽的轮廓线为变半径的曲线。进一步地，所述变半径的曲线为正弦曲线、余弦曲线、螺旋线或多项式曲线。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术提供的一种变刚度柔性关节是一种通过改变弹簧预紧力实现变刚度的柔性关节，结构紧凑、响应快，能够有效缓解冲击和振动，具有较好的抗冲击特性，并且通过独立的刚度调节电机调节弹簧的预压缩量来调节关节刚度，使关节的位置和刚度调节相对独立，控制方法较为简单且刚度可连续调节。另外，驱动盘输出端的T形槽曲线轮廓可灵活设计为正弦曲线、余弦曲线、螺旋线、多项式曲线等多种形式，可适用于不同应用场景的刚度调节要求。附图说明图1是本专利技术所述变刚度柔性关节的示意图；图2是本专利技术所述变刚度柔性关节的从动盘示意图；图3是本专利技术所述变刚度柔性关节的驱动盘输出端结构示意图；图4是本专利技术所述变刚度柔性关节的刚度曲线图；其中：1.蜗杆，2.驱动盘，3.轴，4.从动盘，5.弹簧，6.滑块，7.直线导轨。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术的技术方案进行进一步阐述。所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，基于本专利技术中的方法，本领域人员在没有作出创造性劳动前提下所获得所有其他实施例，均属有本专利技术保护范围。如图1为本专利技术所述变刚度柔性关节的示意图，所述变刚度柔性关节包括：刚度调节电机、蜗杆1、驱动盘2、轴3、从动盘4；所述刚度调节电机与蜗杆1连接，本专利技术中的驱动盘2为类蜗轮盘型结构，所述驱动盘2的圆柱面加工为与蜗杆1相配合的蜗轮齿面，所述蜗杆1和驱动盘2的蜗轮通过传动副连接，刚度调节电机带动蜗杆1旋转，通过蜗轮的齿轮啮合带动驱动盘2转动。所述驱动盘2的输出端面上设有3组沿其圆周周向分布的T形槽，如图3所示，本专利技术的T形槽的轮廓线为变半径的曲线，可以为正弦曲线、余弦曲线、螺旋线或多项式曲线。通过理论推导和仿真分析可知，曲线方程是决定整个结构是否能够完成变刚度的关键参数，例如，当曲线为圆弧时，整个结构无法实现变刚度，只有当T形槽为变半径的曲线时，才能实现关节的刚度变化。所述从动盘4设置于驱动盘2的输出端上，所述驱动盘2的中心和从动盘4的中心通过轴3转动连接。如图2，本专利技术的从动盘4为盘形结构件，所述从动盘4包括弹簧安装座、弹簧5、滑块6和直线导轨7，所述从动盘4沿圆周方向均匀分布有3组弹簧安装座，用以安装弹簧5。每组弹簧安装座上设有直线导轨7，直线导轨7上设有滑块6，滑块的两侧分别与弹簧5的一端固定连接，所述弹簧5的另一端与弹簧安装座固定连接；所述滑块6的上端设有滚子，所述滚子与T型槽滑动连接。因此，滑块6的运动是一个复合运动，一方面当刚度调节电机带动蜗杆1转动时，驱动盘2在蜗杆1的驱动下旋转，可带动滚子在T形槽中沿曲线运动；另一方面边沿径向布置的直线导轨7在从动盘4的径向直线移动，当滑块6沿直线导轨7运动时，可改变弹簧5的伸缩量，从而导致弹簧5的预紧力发生改变，进而改变关节的刚度，因此，本专利技术中使用的弹簧5也可以由其他具有一定刚度的弹性元件替换。通过调节弹簧5的预紧力来实现关节的刚度调节，具有结构简单紧凑、体积小，调节范围大且精度高等优点，可集成到机器人旋转关节中。如图4给出了本专利技术所述变刚度柔性关节的刚度曲线图，根据刚度的定义可知，关节的转动刚度是关节转动的力矩对转动角度的导数，其中k为系统刚度，从图4中可知，关节刚度k随转动角度θ的增大而增大。本专利技术的工作过程为：蜗杆1由刚度调节电机驱动，通过蜗轮蜗杆传动副带动驱动盘2旋转，带动滑块6的滚子在驱动盘2输出端面内的T形槽内滑动，同时滑块6沿直线导轨7做直线运动，从而改变安装在滑块6和从动盘4之间的弹簧5的伸缩量，进而改变弹簧5的预紧力达到调节系统刚度的目的。通过独立的刚度调节电机调节弹簧5的预压缩量来调节关节的刚度，使关节的位置和刚度调节相对独立，控制方法较为简单且刚度可连续调节。将本专利技术的变刚度柔性关节可用于足式机器人、工业机器人和协作机器人等，通过调整结构的刚度可以适应不同的工作场景，如应用在足式机器人中可以缓解冲击，使机器人具备较好的运动特性；应用于协作机器人可使协作机器人的动作柔顺性更好，避免在人机交互过程中对人体产生伤害。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种变刚度柔性关节，其特征在于，包括：刚度调节电机、蜗杆(1)、驱动盘(2)、轴(3)、从动盘(4)；所述刚度调节电机与蜗杆(1)连接，所述蜗杆(1)和驱动盘(2)的蜗轮通过传动副连接，所述从动盘(4)设置于驱动盘(2)的输出端面上，所述驱动盘(2)的中心和从动盘(4)的中心通过轴(3)转动连接；所述从动盘(4)包括弹簧安装座、弹簧(5)、滑块(6)和直线导轨(7)，所述从动盘(4)沿圆周方向均匀分布有3组弹簧安装座，每组弹簧安装座上设有直线导轨(7)，直线导轨(7)上设有滑块(6)，滑块的两侧分别与弹簧(5)的一端固定连接，所述弹簧(5)的另一端与弹簧安装座固定连接；所述驱动盘(2)的输出端面上设有3组沿其圆周周向分布的T形槽，所述滑块(6)的上端设有滚子，所述滚子与T型槽滑动连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种变刚度柔性关节，其特征在于，包括：刚度调节电机、蜗杆(1)、驱动盘(2)、轴(3)、从动盘(4)；所述刚度调节电机与蜗杆(1)连接，所述蜗杆(1)和驱动盘(2)的蜗轮通过传动副连接，所述从动盘(4)设置于驱动盘(2)的输出端面上，所述驱动盘(2)的中心和从动盘(4)的中心通过轴(3)转动连接；所述从动盘(4)包括弹簧安装座、弹簧(5)、滑块(6)和直线导轨(7)，所述从动盘(4)沿圆周方向均匀分布有3组弹簧安装座，每组弹簧安装座上设有直线导轨(7)，直线导轨(7)上设有滑块(6)，滑块的两侧分别与弹簧(5)的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张兰，黄冠宇，孔令雨，陈令凯，谢安桓，张丹，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：浙江;33