[發明專利]關節輸出剛度可變的柔性平移關節

有效

• 申請號: 201610237096.2
• 申請日: 2016-04-15
• 公開（公告）號: CN105773653B
• 公開（公告）日: 2017-08-15
• 發明（設計）人: 趙勇;余覺;王皓;余海東;潘浩;來新民
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: B25J17/00
• 分類號: B25J17/00;B25J18/02;B25J9/00
• 代理公司: 上海交達專利事務所31201
• 代理人: 王毓理,王錫麟

技術領域

本發明涉及的是一種機器人領域的技術，具體是一種關節輸出剛度可變的柔性平移關節。

背景技術

當前，機器人正越來越廣泛的應用于工業生產，并逐步向人們的日常生活普及。傳統機器人一般為剛性機器人，從而保證設備能夠進行精確的運動定位及軌跡追蹤。然而，對于需要人-機交互的機械設備，如可穿戴機器人、康復機器人以及人造假肢，為緩和機器人發生碰撞時產生的沖擊，保護人及設備的安全，往往需要機器人關節剛度具有一定的柔性。另一方面，某些精密加工工藝可能會對加工過程中的支撐或切削剛度具有特殊的要求。例如鏡像銑削薄板時，為保證銑削量均勻，需盡量保證薄板的支撐剛度近恒，這就要求機械的末端剛度在運動過程中具有一定的可調性。因此，在近年來，剛度可變關節得到了越來越多的研究關注。

經過對現有技術的檢索發現，當前主要的變剛度關節設計多為轉動關節。對于需要實現平移運動的情況，還要另外安裝轉動-平動的轉換裝置，從而使機械系統的結構更加復雜，極大地增大了關節的整體體積和重量，不便于關節的應用。

發明內容

本發明針對現有技術存在的上述不足，提出一種關節輸出剛度可變的柔性平移關節，具有機械結構緊湊、質量輕便、實施成本低等特點。

本發明是通過以下技術方案實現的：

本發明包括：剛度調節機構、設置于剛度調節機構上的簡支梁彈簧機構以及位于簡支梁彈簧機構頂端的關節輸出軸，其中：關節輸出軸通過觸腳與簡支梁彈簧機構的彈簧片相連，簡支梁彈簧機構與剛度調節機構通過齒輪嚙合，并接受來自剛度調節機構的扭矩從而調節彈簧片的跨度，實現輸出剛度的改變。

所述的簡支梁彈簧機構包括：導軌、曲柄齒輪以及設置于導軌上且對稱布置于曲柄齒輪兩側的一對滑塊，其中：每個滑塊頂部均設有兩對輥輪，并通過輥輪將彈簧片緊密夾持，使彈簧片近似為簡支梁；滑塊底部與曲柄齒輪通過連桿連接，構成雙曲柄滑塊機構。

當曲柄齒輪轉動時，將帶動一對滑塊沿導軌相向或背向運動，使彈簧片的跨度相應的發生縮短或增長，從而改變其撓曲剛度，實現對關節輸出剛度的調節。

所述的剛度調節機構包括：底座、位于底座上的支板以及設置于支板上且依次相連的扭矩輸出齒輪、減速機構和調節電機，其中：減速機構設置于支板內孔中并與電機輸出齒輪相連，從而通過傳動軸，驅使設置于傳動軸另一端的扭矩輸出齒輪對外輸出扭矩。

所述的減速機構包括：傳動軸、滾珠軸承以及減速齒輪。

所述的關節輸出軸包括：依次相連的方軸、連接體和觸腳，其中：方軸和觸腳分別設置于連接體的兩端，且每個觸腳正對一個固支梁彈簧機構。

所述的簡支梁彈簧機構優選為三個，且彼此以夾角60°的方式中心對稱布置于剛度調節結構的支板上。

所述的關節輸出軸的觸腳分別與每個簡支梁彈簧機構的彈簧片中心相接觸。

技術效果

與現有技術相比，本發明根據簡支梁撓曲剛度與其跨度間的對應關系，通過齒輪傳動控制雙曲柄滑塊機構改變簡支彈簧片的跨度，設計出一種輸出剛度可調的平移關節。當彈簧片的跨度為零時，理論上關節處于絕對剛性模式；而當跨度達到最大，關節處于柔性模式。相比傳統變剛度設計一般為轉動關節，為實現平移運動還需額外加裝運動轉換裝置；本發明具有剛度調節范圍大、關節體積小、結構緊湊、質量輕便等突出優點，便于推廣應用。將本關節設置于類似于康復機器人的人-機交互機器設備上，可以吸收沖擊，保護人及機器設備的安全，并能通過勢能與動能的轉換提高能量的利用效率。與一般串聯機械臂或并聯機床(如：Stewart，Tricept)結合，可調節設備末端的支撐剛度或切削剛度，提高加工精度。

附圖說明

圖1為本發明變剛度平移關節的立體結構示意圖(外殼半剖)；

圖2為本發明簡支梁彈簧機構立體結構示意圖；

圖3為本發明簡支梁彈簧機構三視圖；

圖中：a為正視圖，b為側視圖，c為俯視圖；

圖4為本發明變剛度平移關節俯視圖(去外殼)；

圖5為本發明剛度調節機構立體結構示意圖；

圖6為本發明剛度調節機構三視圖；

圖中：a為正視圖，b為A-A剖面示意圖，c為B-B剖面示意圖；

圖7為本發明關節輸出軸立體結構圖。