[實用新型]一種旋轉型變剛度柔性關節

有效

• 申請號: 201720236353.0
• 申請日: 2017-03-13
• 公開（公告）號: CN206536503U
• 公開（公告）日: 2017-10-03
• 發明（設計）人: 張明路;劉文義;孫凌宇;史延雷;張小俊
• 申請（專利權）人: 河北工業大學
• 主分類號: B25J17/00
• 分類號: B25J17/00
• 代理公司: 天津翰林知識產權代理事務所(普通合伙)12210
• 代理人: 李濟群,付長杰

技術領域

本實用新型涉及機器人技術領域，具體為一種旋轉型變剛度柔性關節。

背景技術

近年來，關節型機器人以其活動靈活，結構簡單，環境適應性強及工作空間大的特點，已被廣泛應用于抗震救災，醫療，工業生產等很多行。轉動關節是機器人重要組成部分之一，對機器人的運動穩定性和精確性等具有重要的意義。傳統機器人關節采用剛性設計，運動速度、精度也已達到較高水平，但隨著機器人的不斷普及，面對新的任務，剛性關節已漸漸不能滿足要求：工作在障礙物較多或其他復雜的未知環境下，剛性機器人容易受到未知碰撞而降低精度或損壞，在與人類肢體直接接觸的助殘、康復、外骨骼機器人上，安全問題是設計過程中必須考慮的重要方面,剛性機器人即使配合各類傳感裝置，安全系數也不能達到要求。

事實上，大自然中動物與人的運動關節就表現出了非常出色的運動特性，不僅具有快速響應、大力矩輸出能力，還體現出優秀的柔順特性。關節柔順特性不僅僅保護動物機體組織在外力作用時免受損傷，而且能夠保證精準的力輸出。同時，為適應不同情況，動物能夠調整肌肉-肌腱組織的剛度，提高運動穩定性及能量優化特性。參考動物關節特性，國內外研究人員提出了在驅動器與執行器間串聯彈性元件的串聯彈性驅動器(series elastic actuator，SEA)，并基于此柔性驅動器原理設計出了多種具有柔順特性的機器人關節結構。

現有的基于串聯驅動器的柔性關節多數依據特定機器人設計，主要關注柔性輸出的實現，目前普遍存在驅動元件與傳動機構不夠緊湊，柔性關節結構復雜，通用性差的問題。如CN102211622A號專利公開的一種圓筒式的串聯彈性驅動器，結構復雜，且只能產生直線運動，限制了關節的靈活程度，且剛度不可調，不利于應用在關節機器人上；又如CN101934525B號專利公開的仿人機器人具有可變剛度柔性關節設計，雖然實現了主動變剛度輸出的目的，但是同樣結構復雜，且驅動依靠柔索，不能適應快速運動及沖擊作用，應用到各種關節型機器人上的廣泛性受到限制。

WolfS等人(WolfS,Hirzinger G.A new variable stiffness design:Matching requirements of the next robot generation[C]//International Conference on Robotics andAutomation.DLR,2008:1741-1746.)通過凸輪機構來實現變剛度，當關節旋轉時，凸輪滾子在底部凸輪盤內的位置發生變化，致使彈簧的伸縮量發生變化，力的作用點也發生變化，實現被動變剛度的調節。但其結構也存在一定不足，凸輪沿凸輪槽滑動過程中會有摩擦，造成能量損失，效率低下。凸輪以及凸輪連接處受到的應力比較大，工作壽命短。變剛度特性是由凸輪槽決定的，凸輪槽設計比較復雜，造成其傳動精度很難保證。

實用新型內容

針對現有技術的不足，本實用新型擬解決的技術問題是，提供一種旋轉型變剛度柔性關節。該柔性關節不僅能夠實現柔性驅動輸出，又能降低關節驅動受到的外力沖擊，減少能量消耗，降低控制精度，延長機器人使用壽命，提高機器人安全性。同時能夠實現關節剛度隨關節柔性變形角度增大而增大，提高機器人魯棒性及運行穩定性，并能通過自身驅動主動調整關節剛度，更好的適應不同外界環境或不同工作任務。

本實用新型解決所述技術問題的技術方案是：設計一種旋轉型變剛度柔性關節，其特征在于該關節包括驅動盤、端蓋、扭簧、異形齒輪組、標準齒輪組、軸一、軸二、輸出軸、軸端固定架、蝸桿、蝸輪、直流減速電機、聯軸器、連接板、蝸桿固定塊、卡簧、電機安裝座、固定塊和軸承座；

所述驅動盤與端蓋固定，驅動盤端部直接通過減速器與外部電機連接，作為柔性關節的輸入；驅動盤內部設置有軸承座和軸端固定架，軸承座和驅動盤為一體結構，驅動盤與端蓋通過螺栓連接作為關節的外殼；軸端固定架的兩端通過固定塊固定在驅動盤上，在端蓋與軸端固定架之間通過深溝球軸承固定輸出軸，輸出軸與外部構件連接；軸一與軸二分別通過深溝球軸承、軸承座固定于驅動盤與端蓋上，軸一、軸二和輸出軸同高度；標準齒輪組安裝在輸出軸與軸二的一側上，兩個標準齒輪相互嚙合傳遞轉速；在軸二的另一側和軸一的同側上固定安裝異形齒輪組，在異形齒輪組的內側的軸一上套有扭簧，扭簧一端與異形齒輪組相連接；