[發(fā)明專利]一種基于彈性元件的可變剛度被動(dòng)柔順關(guān)節(jié)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810164493.0
• 申請(qǐng)日: 2018-02-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108297127B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-01-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉宏;崔士鵬;劉伊威;孫永軍;任義
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): B25J17/02
• 分類號(hào): B25J17/02
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標(biāo)事務(wù)所 23109
• 代理人: 牟永林

一種基于彈性元件的可變剛度被動(dòng)柔順關(guān)節(jié)，它涉及機(jī)器人技術(shù)。本發(fā)明為解決現(xiàn)有串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器剛度固定，動(dòng)態(tài)性能差，增加能量損耗的問(wèn)題。本發(fā)明包括關(guān)節(jié)殼體、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、關(guān)節(jié)輸出、關(guān)節(jié)端磁編碼器、兩個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)、兩個(gè)諧波減速器和兩個(gè)剛度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，關(guān)節(jié)電機(jī)對(duì)稱固接在關(guān)節(jié)殼體的內(nèi)部，齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括一個(gè)輸出端和兩個(gè)輸入端，關(guān)節(jié)電機(jī)的電機(jī)軸通過(guò)諧波減速器與齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸入端連接，齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出端與關(guān)節(jié)輸出連接，關(guān)節(jié)端磁編碼器與齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，諧波減速器的兩側(cè)對(duì)稱設(shè)有剛度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。本發(fā)明用于柔性關(guān)節(jié)機(jī)械人。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機(jī)器人技術(shù)，具體涉及一種基于彈性元件的可變剛度被動(dòng)柔順關(guān)節(jié)。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人為了保證速度和位置精度，常采用“剛性設(shè)計(jì)，控制實(shí)現(xiàn)安全”模式，在結(jié)構(gòu)化環(huán)境中按照既定的軌跡進(jìn)行動(dòng)作，以完成特定的任務(wù)，關(guān)節(jié)多采用剛性設(shè)計(jì)方法。隨著機(jī)器人工作時(shí)與人接觸的機(jī)會(huì)越來(lái)越多，迫切需要一種能夠應(yīng)用于與人協(xié)作的環(huán)境中，對(duì)環(huán)境友好、且不對(duì)外界環(huán)境產(chǎn)生危害的機(jī)器人系統(tǒng)。

柔性關(guān)節(jié)機(jī)器人采用“設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)安全，控制提高性能”模式，關(guān)節(jié)內(nèi)部集成有被動(dòng)柔順結(jié)構(gòu)。在與外界環(huán)境發(fā)生碰撞時(shí)，關(guān)節(jié)能在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生柔性變形，從而起到一定的緩沖保護(hù)作用。柔性關(guān)節(jié)機(jī)器人已成為近些年來(lái)研究的熱點(diǎn)之一。

目前，柔性關(guān)節(jié)大多采用串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器(Series Elastic Actuator，SEA)技術(shù)。串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器在關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)端和負(fù)載端添加彈性元件，彈性元件一般為彈簧或特制扭轉(zhuǎn)彈性體，柔性相對(duì)較大。串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器一方面大幅提高關(guān)節(jié)的柔順特性，另一方面可以作為力傳感器反饋關(guān)節(jié)實(shí)際力矩，從而使柔性關(guān)節(jié)機(jī)器人具有高負(fù)載/自重比、精確力控制、較好的抗沖擊能力等特性。但串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器剛度固定，在大幅降低關(guān)節(jié)剛度的同時(shí)導(dǎo)致機(jī)器人的固有頻率降低，從而減小了機(jī)器人的頻帶寬度，使其動(dòng)態(tài)性能變差，增加能量損耗。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器剛度固定，動(dòng)態(tài)性能差，增加能量損耗的問(wèn)題，進(jìn)而提出一種基于彈性元件的可變剛度被動(dòng)柔順關(guān)節(jié)。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采取的技術(shù)方案是：

一種基于彈性元件的可變剛度被動(dòng)柔順關(guān)節(jié)包括關(guān)節(jié)殼體、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、關(guān)節(jié)輸出、關(guān)節(jié)端磁編碼器、兩個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)、兩個(gè)諧波減速器和兩個(gè)剛度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，關(guān)節(jié)電機(jī)對(duì)稱固接在關(guān)節(jié)殼體的內(nèi)部，齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括一個(gè)輸出端和兩個(gè)輸入端，關(guān)節(jié)電機(jī)的電機(jī)軸通過(guò)諧波減速器與齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸入端連接，齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出端與關(guān)節(jié)輸出連接，關(guān)節(jié)端磁編碼器與齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，諧波減速器的兩側(cè)對(duì)稱設(shè)有剛度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比包含的有益效果是：

1、所設(shè)計(jì)的可變剛度被動(dòng)柔順關(guān)節(jié)采用兩套關(guān)節(jié)電機(jī)和剛度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)共同驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)輸出，關(guān)節(jié)剛度可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，從而適用于不同的工作場(chǎng)合。

2、所設(shè)計(jì)的可變剛度被動(dòng)柔順關(guān)節(jié)通過(guò)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)減速，既可以將關(guān)節(jié)的最大輸出力矩增加到20Nm，又可以實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)剛度較大范圍的調(diào)節(jié)。

3、本發(fā)明將所述諧波減速器的鋼輪作為剛度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的輸入，從而大幅減小了關(guān)節(jié)的尺寸，使得構(gòu)造可變剛度柔順關(guān)節(jié)的仿人機(jī)械臂成為可能。

4、本發(fā)明的可變剛度被動(dòng)柔順關(guān)節(jié)提高了機(jī)器人的固有頻率，增大了機(jī)器人的頻帶寬度，使其動(dòng)態(tài)性能得到提升，降低了能量損耗。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的軸測(cè)圖；

圖2是圖1中A向視圖；

圖3是圖1中B向視圖；

圖4是本發(fā)明中齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)4的軸測(cè)圖；

圖5是本發(fā)明中剛度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)7的軸測(cè)圖；