[發明專利]一種基于凸輪機構的變剛度關節

有效

• 申請號: 201810733720.7
• 申請日: 2018-07-05
• 公開（公告）號: CN108858275B
• 公開（公告）日: 2020-07-03
• 發明（設計）人: 李兵;寧英豪;徐文福;劉飛;梁家樂
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學（深圳）
• 主分類號: B25J17/02
• 分類號: B25J17/02
• 代理公司: 廣州三環專利商標代理有限公司 44202
• 代理人: 朱本利

本發明提供了一種基于凸輪機構的變剛度關節，包括殼體、輸入控制端、變剛度調節組件，輸入控制端用于驅動殼體圍繞其回轉中心轉動，其包括關節輸入轉軸，殼體的前端設置有負載盤，變剛度調節組件用于調節關節的剛度值；剛度調節組件包括花鍵滑塊、滾子、圓柱凸輪、連接法蘭、彈簧載盤、楔形滑塊、彈簧器；關節輸入轉軸的外側表面花鍵槽，花鍵滑塊與花鍵槽相配合，滾子固定設在花鍵滑塊上；在圓柱凸輪設有輪廓曲面，滾子與輪廓曲面接觸；圓柱凸輪通過連接法蘭和殼體連接，彈簧載盤設在圓柱凸輪的前端面和后端面，與滾子接觸，楔形滑塊滑動設在彈簧載盤上，彈簧器的兩端分別設在彈簧載盤和楔形滑塊上；本發明整體尺寸小、不存在空回程的問題。

技術領域

本發明屬于機器人技術領域，具體涉及一種基于凸輪機構的變剛度關節。

背景技術

變剛度關節是一種具有自身帶有柔順特性的機器人機構，能夠提高機器人與人交互作用時的安全性，擴大機器人與人接觸的應用場合。

在變剛度關節的應用中，可以分為主動式和被動式變剛度關節。主動式變剛度關節，往往在關節中增加額外的電機，不僅增加了整體重量，而且增加了控制難度。被動式變剛度關節，通過外部力矩被動調節剛度從而達到所需力矩。被動式變剛度關節，由于其原理簡單，使用時更加穩定可靠，可以應用在更多場合。

針對被動式變剛度關節的設計，國內外學者已經研制出了多種不同原理的變剛度關節，有凸輪式、杠桿式等。凸輪式變剛度關節，凸輪與滾子直接接觸，可以產生較大力矩，但彈簧的存在增加了整體尺寸。杠桿式變剛度關節，移動支點存在摩擦，且強度需要進一步校核才能使用。

學術論文The DLR FSJ:Energy based design of a variable stiffnessjoint, 2011IEEE International Conference on Robotics and Automation(DLR FSJ:一種基于能量設計的變剛度關節，2011年機器人與自動化國際會議)設計了一種基于凸輪式的變剛度關節，增加一個額外的電機從而主動改變剛度，這是目前較為緊湊的一種基于凸輪機構的變剛度關節。雖然該關節結構緊湊，但一個重要的問題是不能用于中空走線，如果采用中空走線結構，彈簧的尺寸較大，使得整體尺寸變大，或者在有限空間中無法獲得滿意的彈簧尺寸。此外，如果關節從正轉向反轉方向轉變，會存在一個過渡的空回程。

發明內容

針對現有技術的缺陷，本發明提供一種基于凸輪機構的變剛度關節，解決現有凸輪機構整體尺寸偏大、存在空回程等問題。

為了實現上述目的，本發明提供了一種基于凸輪機構的變剛度關節，其包括：殼體、輸入控制端、變剛度調節組件；其中，

輸入控制端用于驅動殼體圍繞其回轉中心轉動，其包括關節輸入轉軸，殼體的前端設置有負載盤，變剛度調節組件用于根據負載盤的實際需要調節關節的剛度值；

變剛度調節組件包括花鍵滑塊、滾子、圓柱凸輪、連接法蘭、彈簧載盤、楔形滑塊、彈簧器；

關節輸入轉軸的外側表面設有沿其軸向方向的花鍵槽，花鍵滑塊與花鍵槽相配合，滾子固定設置于花鍵滑塊上；

圓柱凸輪設于關節輸入轉軸的外側，在圓柱凸輪的前端面和后端面至少部分設有沿其周向延展的輪廓曲面，滾子與輪廓曲面接觸，且滾子可以沿著輪廓曲面運動；連接法蘭設置于圓柱凸輪的外側表面，且連接法蘭與殼體固定連接；

彈簧載盤設在圓柱凸輪的前端面和后端面，且與滾子接觸，以使滾子驅動彈簧載盤沿著關節輸入轉軸的軸向運動；彈簧載盤上設有沿其徑向方向的滑槽，楔形滑塊滑動設置于滑槽中，彈簧器的一端轉動設在彈簧載盤上，另一端轉動設在楔形滑塊上；殼體的內側設置帶有斜面的楔形條，斜面與楔形滑塊相抵。