[實用新型]一種基于浮動彈簧的剛度連續可調關節

有效

• 申請號: 201621034995.4
• 申請日: 2016-08-31
• 公開（公告）號: CN206216730U
• 公開（公告）日: 2017-06-06
• 發明（設計）人: 彭芳;溫海陽;李智軍;章隆彬
• 申請（專利權）人: 華南理工大學;電子科技大學中山學院
• 主分類號: B25J17/02
• 分類號: B25J17/02
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司44102
• 代理人: 何淑珍

技術領域

本實用新型涉及一種機器人仿生關節，具體為一種基于浮動彈簧的剛度連續可調關節，該裝置可以適用于各種關節型機器人，提高機器人的安全性與對環境的友好度。

技術背景

目前，工業機器人的關節驅動方式大部分為驅動軸直接驅動關節，為較大的剛性連接。這種方式雖然結構簡單緊湊、位置精度高、能即時響應，但較大的剛性也會導致一些問題，例如當機械臂受到突發的外力沖擊時容易損壞機構，同時在與人協作時也容易存在安全隱患。近些年，一種具有柔順性的彈性驅動關節在國際上引起廣泛研究，變剛度彈性驅動關節能夠模擬人類肌肉伸縮功能，在受到沖擊時能緩沖碰撞時產生的能量，同時獲得生物體一樣的觸覺，感知外界阻力以便產生反應，從而避免了機器人機構的損壞，提高了與人協作時的安全性。

國內對可變剛度彈性關節的研究較少，經對現有技術文獻的檢索發現，從現有公開的串聯彈性驅動關節看，普遍存在集成度較低、體積較為龐大、結構復雜、通用性較差等問題。北京航空航天大學提出一種基于左右旋絲杠-滑塊連桿機構的分布式片彈簧變剛度關節驅動器，專利公開號CN105584551A，該裝置通過絲杠、絲杠螺母驅動連桿使得滑塊在彈簧片上的接觸點發生改變由此改變剛度，這種結構體積極其龐大，單位體積的負載能力較低，幾乎沒法用在機械臂上，且彈簧片的緩沖角度有限，容易產生疲勞破壞。浙江大學提出一種剛度可調的柔性關節驅動器機構，專利公開號CN104985608A，該裝置利用滾輪在上下兩個斜曲面盤上滾動引起上下兩個斜曲面盤的軸向距離的改變而壓縮彈簧得到緩沖，通過調整上下兩個斜曲面盤的錯開角度來調節剛度，要求調節電機的輸出力矩較大，并需要足夠強度的自鎖功能，該機構平衡位置的輸出力矩始終為零，這就導致了低負載時的定位精度較差的問題。該結構留給彈簧安裝的位置較為狹小，整個結構雖然緊湊，但外形極不規則，通用性較差。

實用新型內容

本實用新型的目的在于克服現有機器人關節設計上的不足，提出一種新型可調剛度的機器人柔彈性關節，它基于浮動彈簧設計，具有結構緊湊、負載能力強、緩沖范圍廣、剛度調節范圍廣的優點。通過滾子在斜面上的滾動使浮動彈簧的軸向彈力變為輸出的軸向力矩，得到緩沖，改變浮動彈簧的預壓縮量即改變剛度。

本實用新型是通過以下技術方案實現的：

一種基于浮動彈簧的剛度連續可調關節，包括主軸驅動電機、諧波減速器、關節外殼、輸出法蘭，所述主軸驅動電機與所述諧波減速器的輸入端驅動連接，所述關節外殼與諧波減速器外殼固定連接，所述關節外殼內設置有浮動彈簧剛度調節裝置，所述浮動彈簧剛度調節裝置一端與所述諧波減速器輸出端相連接，另一端與輸出法蘭相連接。

進一步地，所述的浮動彈簧剛度調節裝置包括連接所述諧波減速器輸出端的凸字形輸入轉動機體、彈簧上支撐蓋、滾子保持架、環形凸輪盤、浮動彈簧、調節電機支座、剛度調節電機，所述輸入轉動機體內側設置有內螺紋，所述的彈簧上支撐蓋外周壁設置有連接所述輸入轉動機體的內螺紋，所述調節電機支座為具有兩種直徑外花鍵的中空階梯軸，所述剛度調節電機固定設置在所述調節電機支座的空腔內，所述輸入轉動機體外周壁設置有外花鍵，所述滾子保持架上部通過內花鍵與所述輸入轉動機體外花鍵相連接，所述凸輪盤通過軸承安裝在關節外殼下部，所述凸輪盤的上端面沿周向均勻設置若干斜曲面，所述凸輪盤的中心孔設置有與所述調節電機支座較大直徑外花鍵相配合的內花鍵，所述滾子保持架下部沿周向均勻設置有若干組通孔，每組通孔設置裝有滾子的滾子軸，滾子保持架通過滾子在凸輪盤的斜曲面上滾動，所述滾子保持架底端的中心孔內設置有與所述調節電機支座較小直徑外花鍵相配合的內花鍵，所述凸輪盤底部通過若干螺紋孔及固定螺絲與主軸輸出法蘭緊固連接；所述剛度調節電機輸出軸與彈簧上支撐蓋的中心孔過盈配合形成硬性連接，帶動其轉動；所述浮動彈簧穿過調節電機支座安裝在彈簧上支撐蓋和滾子保持架下部之間，兩者的彈簧支撐面分別與浮動彈簧上、下端面相互滑動旋轉。

進一步地，所述的剛度調節電機內集成設置有齒輪減速箱。

進一步地，所述的浮動彈簧為矩形彈簧。

進一步地，所述凸輪盤的上端面沿周向均勻設置三個斜曲面，所述滾子保持架下部沿周向均勻設置有三組通孔，每組通孔設置裝有滾子的滾子軸。

進一步地，所述三組通孔每組有四個通孔，四個通孔并列安裝兩個裝有滾子的滾子軸。

進一步地，所述滾子軸兩端有用于安裝軸用彈性擋圈約束滾子軸的軸向運動溝槽。

進一步地，所述輸入轉動機體的內螺紋及所述的彈簧上支撐蓋外周壁的外螺紋均為梯形螺紋。