一种变速比串并联弹性驱动转动关节机构，属于机器人技术领域。本发明专利技术为了解决现有的机器人转动关节不能连续改变传动比，不具有缓冲的功能，致使关节受到冲击载荷会产生震动的问题。电机连接摩擦轮滑动导杆，小摩擦轮通过滑动键可在该导杆轴向滑动，并能跟随转动。大摩擦轮与转轴固连，转轴靠一对滚针轴承支撑，实现轴向移动。推力弹簧通过推力轴承作用在转轴上，使两摩擦轮压力；舵机带动两个曲柄摇杆机构运动；第一曲柄可间歇地带动第二曲柄运动，第一连杆带动止推块上下移动，止推块上开有凹槽，止推块上下移动过程中，滚动圆柱嵌入和嵌出凹槽，从而推动转轴发生轴向移动。本发明专利技术能实现连续改变传动比，具有弹性驱动器的特性，并能进行储能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种变速比串并联弹性驱动关节机构，属于机器人
技术介绍
传统的机器人转动关节一般是由驱动单元直接驱动，具有较好的位置控制精度，由于转动关节结构中没有设置柔性原件，不具有缓冲的功能，但在很多场合关节受到冲击载荷，这时会产生震动，而且现有的机器人转动关节不能调整传动比，致使驱动器无法适应不同的工作状态，比如装在机器人膝关节处分别进行平地行走与上楼梯，上楼梯时关节所需要的驱动力矩要远远大于平地行走。在楼梯时，无法增大传动比来保证驱动器可以输出足够的力量完成上搂的功能。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有的机器人转动关节不能连续改变传动比，不具有缓冲的功能，致使关节受到冲击载荷会产生震动的问题，进而提供了一种变速比串并联弹性驱动转动关节机构。本专利技术为解决上述技术问题采取的技术方案是:一种变速比串并联弹性驱动转动关节机构,所述变速比串并联弹性驱动关节机构包括机器人上肢和机器人下肢，所述变速比串并联弹性驱动关节机构还包括弹性驱动器和串并联驱动关节，机器人上肢和机器人下肢通过串并联驱动关节连接在一起，弹性驱动器通过带传动驱动驱动串并联驱动关节动作；弹性驱动器包括驱动电机、摩擦轮滑动导杆、小摩擦轮、大摩擦轮、转轴、推力弹簧、推力轴承和舵机；驱动电机的输出轴连接摩擦轮滑动导杆，小摩擦轮通过滑动键安装在摩擦轮滑动导杆上，小摩擦轮可在所述擦轮滑动导杆轴向滑动并能跟随所述擦轮滑动导杆一起转动；大摩擦轮固装在转轴上，转轴的一端通过一对滚针轴承支撑并安装在固定于机器人上肢上的支撑机座内，转轴可实现轴向移动；大摩擦轮和小摩擦轮之间摩擦传动；推力轴承安装在转轴的另一端上，位于推力轴承两端的转轴上还设有第一挡圈和第二挡圈，推力轴承上还设有阶梯状挡筒，推力弹簧套在所述阶梯状挡筒上，推力弹簧位于支撑机座上具有的挡环和阶梯状挡筒的边沿之间且与二者相接触，转轴还装有滚动圆柱支架，滚动圆柱和固定圆柱分别安装在滚动圆柱支架内，滚动圆柱和固定圆柱分别位于止推块的两侧且滚动圆柱靠近转轴的另一端端面；推力弹簧通过推力轴承作用在转轴上，使大摩擦轮和小摩擦轮之间具有压紧力；舵机带动两套曲柄摇杆机构运动，一套曲柄摇杆机构包括第一曲柄和第一连杆，另一套曲柄摇杆机构包括第二曲柄和第二连杆，舵机的输出轴与第一曲柄固连，第一曲柄与第二曲柄之间有间隙，第一曲柄可间歇地带动第二曲柄运动；第一连杆带动止推块上下移动，止推块上开有圆弧形凹槽，止推块上下移动过程中，滚动圆柱嵌入和嵌出所述圆弧形凹槽，从而推动转轴发生轴向移动；第二连杆可带动小摩擦轮在摩擦轮滑动导杆上滑动；小带轮安装在转轴上；串并联驱动关节包括并联扭簧和串联扭簧，机器人上肢上固设关节轴，关节轴上具有延伸件，机器人下肢上设有关节套，关节套的外侧圆周还设有环形槽，关节套套装在关节轴上且二者之间安装有第一关节轴承，挡盖的内表上具有挡盖轴，挡盖轴安装在延伸件的内腔中且二者之间装有第二关节轴承，轴承端盖安装在关节套上用于定位第一关节轴承；关节套上由内至外依次套装有并联扭簧和串联扭簧，并联扭簧的一端与环形槽底壁接触，并联扭簧的另一端与延伸件的外沿接触；串联扭簧的一端与环形槽底壁接触，串联扭簧的另一端与挡盖的内侧壁接触；大带轮安装在挡盖的外侧壁以及环形槽的外侧壁上，大带轮和小带轮之间通过同步带传动连接。本专利技术的有益效果是:本专利技术具有传动比连续调整的功能和串并联弹性驱动的功能，本专利技术中的驱动器完全适用于机器人的转动关节，能实现连续改变传动比，具有弹性驱动器的特性，并能在一定工况中进行储能。一、传动比连续调整的功能调整传动比的目的是为了驱动器可以适应不同的工作状态，比如装在机器人膝关节处分别进行平地行走与上楼梯，上楼梯时关节所需要的驱动力矩要远远大于平地行走，这时，可以通过把传动比增大来保证驱动器可以输出足够的力量。本专利技术中的驱动器是由三级传动构成，从高速到低速依次为:齿轮减速器(驱动电机上具有的齿轮减速器)、摩擦轮传动、同步带传动。调速机构的作用原理是改变中间一级中摩擦轮(主动轮和从动轮)的相对位置，使传动半径改变来实现传动比的变化，由于传动半径可以连续的变化，就可以实现传动比的连续改变。如图1所示，电机连接“摩擦轮滑动导杆”，“小摩擦轮”通过滑动键可在该导杆轴向滑动，并能跟随转动。“大摩擦轮”与“转轴”固连，“转轴”靠一对“滚针轴承”支撑，可以实现轴向移动。“推力弹簧”通过“推力轴承”作用在“转轴”上，使两摩擦轮压力。另外，“舵机”带动两个曲柄摇杆机构，其中，舵机的输出轴与“第一曲柄”固连，“第一曲柄”与“第二曲柄”之间有间隙，即“第一曲柄”可间歇地带动“第二曲柄”运动。“第一连杆”带动“止推块”上下移动，“止推块”上开有凹槽，“止推块”上下移动过程中，“滚动圆柱”嵌入和嵌出凹槽，从而推动“转轴”发生轴向移动。“第二连杆”可带动“小摩擦轮”在导杆上滑动。摩擦传动需要两摩擦轮之间有足够的压紧力，以上结构采用一个推力弹簧配合一个推力轴承来实现，这样就可以在转动的大轮转轴上施加轴向力。改变速比需要小摩擦轮相对大摩擦轮发生沿其径向的位移，这也就意味着在压紧状态下要克服很大的滑动摩擦力。为了解决这一问题，在该设计中，首先使俩摩擦轮分离，然后改变小轮位置，最后两摩擦轮再次压紧，这是一个传动比调整的全过程。另外，该结构可以通过控制舵机的转角，使两轮只发生分离和压紧，就可以实现驱动器与关节的脱离，使关节在需要随动时快速地转变为自由转动状态。二、串并联弹性驱动的功能传统的转动关节一般是由驱动单元直接驱动，具有较好的位置控制精度，但在很多场合关节受到冲击载荷，这时会产生震动，为了克服冲击，该结构引入扭簧这种柔性原件来起到缓冲的作用。如图3所示，假设关节“上肢”固定不动，大带轮与“下肢”用一个扭簧连接在一起，这根扭簧相当于是跟驱动器串接在一起，可以认为是驱动器输出端的延伸，所以称之为“串联扭簧”。另外还有一根扭簧，它的两端分别连接机器人下肢和机器人上肢，与驱动器是并联的关系，称它为“并联扭簧”。当受到冲击，且驱动器抱死时，串联扭簧和并联扭簧一同被扭转，起到缓冲的作用。另外，在行走机器人中，该驱动关节可以起到储能的作用，在一个行走的步态周期中，有一段关节驱动器是做负功的，这是为了抵抗重力下降做的正功，该驱动器可以在重心下降的时段内利用前面说到的调速机构使驱动器与关节脱离，并联扭簧被扭转来抵抗重力，同时把这部分重力势能转化成弹性势能储存起来，等到需要关节做正功的时段，让驱动器与关节连接，借助并联扭簧一同做功，通过这种形式可以降低驱动器的能耗。另外，并联扭簧可以为关节设定一个平衡位置，在该位置并联扭簧的弹性力为零。当驱动器断电或与关节脱离时，并联扭簧会牵引关节转到平衡位置，这可以保护机器人在失去动力源时恢复到稳定状态,避免倾倒。附图说明图1是本专利技术的整体结构图，图2是图1的A部放大图，图3是本专利技术中的串并联驱动关节的剖面图，图4是本专利技术实现变速功能的各机构工作原理示意图(依次为工作状态1、工作状态2、工作状态3、工作状态4)。具体实施例方式具体实施方式一:如图1 4所示，本实施方式所述的一种变速比串并联弹性驱动转动关节机构，所述变速比串并联弹性驱动关节机构包括机器人上肢40和机器人下肢39，所述变速比串并联弹性驱动关节机构还本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种变速比串并联弹性驱动转动关节机构，所述变速比串并联弹性驱动关节机构包括机器人上肢(40)和机器人下肢(39)，其特征在于：所述变速比串并联弹性驱动关节机构还包括弹性驱动器(I)和串并联驱动关节(II)，机器人上肢(40)和机器人下肢(39)通过串并联驱动关节(II)连接在一起，弹性驱动器(I)通过带传动驱动驱动串并联驱动关节(II)动作；弹性驱动器(I)包括驱动电机(1)、摩擦轮滑动导杆(2)、小摩擦轮(3)、大摩擦轮(4)、转轴(5)、推力弹簧(7)、推力轴承(8)和舵机(9)；驱动电机(1)的输出轴连接摩擦轮滑动导杆(2)，小摩擦轮(3)通过滑动键安装在摩擦轮滑动导杆(2)上，小摩擦轮(3)可在所述擦轮滑动导杆(2)轴向滑动并能跟随所述擦轮滑动导杆(2)一起转动；大摩擦轮(4)固装在转轴(5)上，转轴(5)的一端通过一对滚针轴承(6)支撑并安装在固定于机器人上肢(40)上的支撑机座(21)内，转轴(5)可实现轴向移动；大摩擦轮(4)和小摩擦轮(3)之间摩擦传动；推力轴承(8)安装在转轴(5)的另一端上，位于推力轴承(8)两端的转轴(5)上还设有第一挡圈(18)和第二挡圈(19)，推力轴承(8)上还设有阶梯状挡筒(16)，推力弹簧(7)套在所述阶梯状挡筒(16)上，推力弹簧(7)位于支撑机座(21)上具有的挡环(21?1)和阶梯状挡筒(16)的边沿(16?1)之间且与二者相接触，转轴(5)还装有滚动圆柱支架(20)，滚动圆柱(15)和固定圆柱(30)分别安装在滚动圆柱支架(20)内，滚动圆柱(15)和固定圆柱(30)分别位于止推块(14)的两侧且滚动圆柱(15)靠近转轴(5)的另一端端面；推力弹簧(7)通过推力轴承(8)作用在转轴(5)上，使大摩擦轮(4)和小摩擦轮(3)之间具有压紧力；舵机(9)带动两套曲柄摇杆机构运动，一套曲柄摇杆机构包括第一曲柄(10)和第一连杆(11)，另一套曲柄摇杆机构包括第二曲柄(12)和第二连杆(13)，舵机(9)的输出轴与第一曲柄(10)固连，第一曲柄(10)与第二曲柄(12)之间有间隙，第一曲柄(10)可间歇地带动第二曲柄(12)运动；第一连杆(11)带动止推块(14)上下移动，止推块(14)上开有圆弧形凹槽(14?1)，止推块(14)上下移动过程中，滚动圆柱(15)嵌入和嵌出所述圆弧形凹槽(14?1)，从而推动转轴(5)发生轴向移动；第二连杆(13)可带动小摩擦轮(3)在摩擦轮滑动导杆(2)上滑动；小带轮(17)安装在转轴(5)上；串并联驱动关节(II)包括并联扭簧(26)和串联扭簧(25)，机器人上肢(40)上固设关节轴(40?1)，关节轴(40?1)上具有延伸件(40?2)，机器人下肢(39)上设有关节套(39?1)，关节套(39?1)的外侧圆周还设有环形槽(39?2)，关节套(39?1)套装在关节轴(40?1)上且二者之间安装有第一关节轴承(38)，挡盖(28)的内表上具有挡盖轴(28?1)， 挡盖轴(28?1)安装在延伸件(40?2)的内腔中且二者之间装有第二关节轴承(37)，轴承端盖(27)安装在关节套(39?1)上用于定位第一关节轴承(38)；关节套(39?1)上由内至外依次套装有并联扭簧(26)和串联扭簧(25)，并联扭簧(26)的一端与环形槽(39?2)底壁接触，并联扭簧(26)的另一端与延伸件(40?2)的外沿接触；串联扭簧(25)的一端与环形槽(39?2)底壁接触，串联扭簧(25)的另一端与挡盖(28)的内侧壁接触；大带轮(23)安装在挡盖(28)的外侧壁以及环形槽(39?2)的外侧壁上，大带轮(23)和小带轮(17)之间通过同步带(22)传动连接。...
【技术特征摘要】
1.一种变速比串并联弹性驱动转动关节机构,所述变速比串并联弹性驱动关节机构包括机器人上肢(40)和机器人下肢(39)，其特征在于:所述变速比串并联弹性驱动关节机构还包括弹性驱动器(I)和串并联驱动关节(II)，机器人上肢(40)和机器人下肢(39)通过串并联驱动关节(II)连接在一起，弹性驱动器(I)通过带传动驱动驱动串并联驱动关节(II)动作； 弹性驱动器(I)包括驱动电机(I)、摩擦轮滑动导杆(2)、小摩擦轮(3)、大摩擦轮(4)、转轴(5)、推力弹簧(7)、推力轴承(8)和舵机(9);驱动电机(I)的输出轴连接摩擦轮滑动导杆(2)，小摩擦轮(3)通过滑动键安装在摩擦轮滑动导杆(2)上，小摩擦轮(3)可在所述擦轮滑动导杆(2)轴向滑动并能跟随所述擦轮滑动导杆(2) —起转动；大摩擦轮(4)固装在转轴(5)上，转轴(5)的一端通过一对滚针轴承(6)支撑并安装在固定于机器人上肢(40)上的支撑机座(21)内，转轴(5)可实现轴向移动；大摩擦轮⑷和小摩擦轮(3)之间摩擦传动；推力轴承(8)安装在转轴(5)的另一端上，位于推力轴承(8)两端的转轴(5)上还设有第一挡圈(18)和第二挡圈(19)，推力轴承(8)上还设有阶梯状挡筒(16)，推力弹簧(7)套在所述阶梯状挡筒(16)上，推力弹簧(7)位于支撑机座(21)上具有的挡环(21-1)和阶梯状挡筒(16)的边沿(16-1)之间且与二者相接触，转轴(5)还装有滚动圆柱支架(20)，滚动圆柱(15)和固定圆柱(30)分别安装在滚动圆柱支架(20)内，滚动圆柱(15)和固定圆柱(30)分别位于止推块(14)的两侧且滚动圆柱(15)靠近转轴(5)的另一端端面；推力弹簧(7)通过推力轴承⑶作用在转轴(5)上，使大摩擦轮⑷和小摩擦轮(3)之间具有压紧力；舵机(9)带动两套曲柄摇杆机构运动，一套曲柄摇杆机构包括第一曲柄(10)和第一连杆(11)，另一套曲柄摇杆机构包括第二曲柄(12)和第二连杆(13),舵机(9)的输出轴与第一曲...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵杰，朱延河，臧希喆，刘玉斌，陈辉，张超，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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