[發明專利]一種可變剛度的關節模塊

有效

• 申請號: 201410406580.4
• 申請日: 2014-08-18
• 公開（公告）號: CN104260106A
• 公開（公告）日: 2015-01-07
• 發明（設計）人: 陶永;王云慶;魏洪興;鄭隨兵;郭龍
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: B25J17/02
• 分類號: B25J17/02
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 周長琪

技術領域

本發明屬于機械設計技術領域，是一種既能夠實現模塊間的軸向快速固定連接，又能夠實現周向剛度可調節的柔性連接的模塊。

背景技術

目前，機器人產業發展迅速，需求量大、設計周期長。迫切需要開發出一套標準化的、集合常用機器人應用模塊的硬件平臺，這樣有利于降低機器人應用的成本和研發風險。因此機器人模塊化的研究成為了重點，特別是機器人模塊化的設計。根據機器人常用功能，將其從機構和控制上進行分解，形成多個具有獨立功能的功能模塊，通過重構，組成應用所需機器人構型。

同樣，隨著機器人在工業、航天、醫療、服務等各個行業應用越來越廣泛，與人交互的機會也越來越多，保障機器人在與環境或人類交互時的安全性成為國內外重點研究目標。傳統機器人設計為了保證末端位置操作精確，多為剛性機器人，按照預先規劃好的路線進行動作，完成單調而重復的工作。但是，當機器人末端執行器與周圍環境發生接觸時，再精確的位置控制也會顯得不足。如果結合了接觸力控制后，就可以放松對位置精度控制的要求。為此，科學家提出了變剛度的設計，同時具有柔性機構的被動安全，又具有控制精度高、應用范圍廣的特性。能像生物肌肉一樣緩沖碰撞，吸收、存儲和在此利用能量。保證安全的基礎上提高了能量利用率和機器人工作效率。

現有的變剛度設計一般體積、重量太大，負載低，對彈性元件要求太高，不便于控制。

發明內容

針對上述問題，本發明提出一種可變剛度的關節模塊，可應用于機器人的關節處，具體采用模塊化的設計思路，集成了軸向快速固定連接和周向可變剛度兩大功能。

一種可變剛度的關節模塊，包括周向旋轉部分與剛度調節部分。其中，周向旋轉部分包括頂板、頂板連接件、緊定螺母、連接板、深溝球軸承、碼盤、頂板連接件；剛度調節部分包括底板、滑軌、滑塊、絲杠、絲杠螺母、絲杠軸齒輪、電機齒輪、驅動電機、彈簧片、讀頭。

所述周向旋轉部分中，頂板連接件底端至頂端依次套有推力軸承、連接板、深溝球軸承、碼盤，頂板連接件頂端穿過頂板，與緊定螺母相連，使推力軸承、連接板、深溝球軸承、碼盤與頂板間軸向相對壓緊固定。

所述剛度調節部分中，底板上安裝滑軌與驅動電機。滑軌上安裝有滑塊；絲杠螺母螺紋連接在絲杠上，形成滾珠絲杠副；螺母與滑塊固定。絲杠一端安裝有絲杠軸齒輪，絲杠軸齒輪與驅動電機輸出軸上固定安裝的電機齒輪嚙合；通過電機驅動滾珠絲杠副運動，實現滑塊沿滑軌的移動。上述滑塊上安裝有兩個豎直的軸承安裝柱，兩個軸承安裝柱上均套接有彈簧片傳動軸承，兩個彈簧片傳動軸承間設置彈簧片，使彈簧片兩側面分別與兩個彈簧片傳動軸承貼合；彈簧片一端相對底板固定，另一端作為自由端通過連接件與周向旋轉部分中的頂板固定。底板上還安裝有讀頭。

上述周向旋轉部分中，連接板與底板固定；同時，使碼盤位于讀頭的讀槽中。

本發明的優點在于：

1、本發明可變剛度的關節模塊，將軸向快速連接和周向可變剛度兩大功能集成為一體，便于模塊化的生產和使用，有利于工業上的應用和推廣；

2、本發明可變剛度的關節模塊，將可變剛度的概念引入到模塊間的連接，實現了模塊間連接的柔性可調節，這種連接在工業上的用途十分廣泛；

3、本發明可變剛度的關節模塊，結構設計緊湊，體積比較小，能滿足體積受限情況下的使用需求。

附圖說明

圖1為本發明可變剛度的關節模塊整體結構示意圖；

圖2為本發明可變剛度的關節模塊中周向旋轉部分裝配爆炸圖；

圖3為本發明可變剛度的關節模塊中剛度調節部分結構示意圖；

圖4為剛度調節部分中滑塊的設計及滑塊與彈簧片的配合方式示意圖；

圖5為本發明可變剛度的關節模塊中讀頭與碼盤間安裝方式示意圖。

圖中：

1-周向旋轉部分????????????2-剛度調節部分????????????101-頂板

102-頂板連接件????????????103-推力軸承??????????????104-連接板

105-深溝球軸承????????????106-碼盤??????????????????107-緊定螺母

108-環形側壁??????????????109-缺口??????????????????201-底板

202-滑軌??????????????????203-滑塊??????????????????204-絲杠