[發(fā)明專利]一種緊湊型模塊化變剛度關(guān)節(jié)

有效

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• 申請日: 2020-09-16
• 公開（公告）號: CN112092008B
• 公開（公告）日: 2021-10-15
• 發(fā)明（設計）人: 金弘哲;劉章興;趙杰;黃衛(wèi)金;王彬巒
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學
• 主分類號: B25J17/00
• 分類號: B25J17/00
• 代理公司: 哈爾濱華夏松花江知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 23213
• 代理人: 高志光

一種緊湊型模塊化變剛度關(guān)節(jié)，它包括關(guān)節(jié)外殼、主驅(qū)動模塊、彈性模塊和調(diào)剛模塊；彈性模塊包括變剛度基座、直線彈簧模組和杠桿組件；變剛度基座由主驅(qū)動模塊的輸出端帶動轉(zhuǎn)動；變剛度基座上可轉(zhuǎn)動地設置有兩個呈軸對稱布置的杠桿組件，每個杠桿組件具有一滑槽，直線彈簧模組可滑動地設置在變剛度基座上；調(diào)剛模塊包括調(diào)剛驅(qū)動器、錐齒輪副、凸輪盤座、凸輪盤、滑塊和第一凸輪軸承隨動器；調(diào)剛驅(qū)動器安裝在關(guān)節(jié)外殼上，凸輪盤座可轉(zhuǎn)動地設置在關(guān)節(jié)外殼內(nèi)，兩個滑塊可滑動地設置在關(guān)節(jié)外殼內(nèi)，每個滑塊上相對的兩側(cè)面分別安裝有一個第一凸輪軸承隨動器。本發(fā)明剛度調(diào)節(jié)范圍大，承載能力大，可以滿足不同載荷情況下關(guān)節(jié)剛度的靈活調(diào)整。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種變剛度關(guān)節(jié)，具體涉及一種緊湊型模塊化變剛度關(guān)節(jié)。屬于機器人關(guān) 節(jié)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)工業(yè)機器人采用剛性關(guān)節(jié)設計，具有較高的位置控制精度，但是安全性較差，一 般工作于封閉的環(huán)境中。而服務機器人，野外特種操作機器人等機器人系統(tǒng)一般工作在開 放的環(huán)境中，不僅需要應對靈活多變的復雜操作任務，還存在人機安全交互、機器人與非 結(jié)構(gòu)化環(huán)境交互的要求，因此，傳統(tǒng)剛性關(guān)節(jié)不能很好的滿足協(xié)作型機器人的操作需求。

現(xiàn)有技術(shù)中用絲杠螺母進行關(guān)節(jié)剛度調(diào)節(jié)(如公開號CN 111390695A，一種通用型變剛 度關(guān)節(jié)機械臂關(guān)節(jié))，具有摩擦大，調(diào)剛系統(tǒng)能耗大的缺點；此外，這種基于弧形面的變剛 度結(jié)構(gòu)，其剛度曲線具有較強的非線性，且無法在平衡位置附近實現(xiàn)大范圍的剛度調(diào)節(jié)。 其剛度值會隨著關(guān)節(jié)載荷的增大而迅速增大，無法實現(xiàn)關(guān)節(jié)載荷與剛度值的解耦，因此， 剛度特性容易受關(guān)節(jié)載荷的影響。還有用扭簧調(diào)剛，這種方式會存在關(guān)節(jié)剛度線性度較差、 高回滯和穩(wěn)定性差的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明是為克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種緊湊型模塊化變剛度關(guān)節(jié)。該變剛度關(guān)節(jié)剛 度調(diào)節(jié)范圍大，承載能力大，可以滿足不同載荷情況下關(guān)節(jié)剛度的靈活調(diào)整。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種緊湊型模塊化變剛度關(guān)節(jié)包括關(guān)節(jié)外殼、主驅(qū)動模塊、彈性模塊和調(diào)剛模塊；

所述彈性模塊包括變剛度基座、直線彈簧模組和杠桿組件；

所述主驅(qū)動模塊設置在關(guān)節(jié)外殼內(nèi)且二者可相對轉(zhuǎn)動，所述彈性模塊布置在關(guān)節(jié)外殼 內(nèi)，變剛度基座由主驅(qū)動模塊的輸出端帶動轉(zhuǎn)動；變剛度基座上可轉(zhuǎn)動地設置有兩個呈軸 對稱布置的杠桿組件，每個杠桿組件具有一滑槽，所述滑槽的一端開口，一端封閉，兩個 開口相對設置，每個滑槽的兩個外壁分別對應頂靠有一個直線彈簧模組，直線彈簧模組可 滑動地設置在變剛度基座上；所述調(diào)剛模塊包括調(diào)剛驅(qū)動器、錐齒輪副、凸輪盤座、凸輪盤、滑塊和第一凸輪軸承隨動器；所述調(diào)剛驅(qū)動器安裝在關(guān)節(jié)外殼上，調(diào)剛驅(qū)動器的輸出端連接有錐齒輪副的一個錐齒輪，錐齒輪副的另一個錐齒輪安裝在凸輪盤座上，凸輪盤座可轉(zhuǎn)動地設置在關(guān)節(jié)外殼內(nèi)，凸輪盤與凸輪盤座固接，兩個滑塊可滑動地設置在關(guān)節(jié)外殼內(nèi)，每個滑塊上相對的兩側(cè)面分別安裝有一個第一凸輪軸承隨動器，凸輪盤上具有兩個呈中心對稱的弧形孔，其中兩個第一凸輪軸承隨動器分別限位在兩個弧形孔內(nèi)并可相對滑動， 另外兩個第一凸輪軸承隨動器分別限位在兩個滑槽內(nèi)并可相對滑動。

本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是：

本發(fā)明利用二級杠桿放大原理，具有大的調(diào)剛范圍(理論上可實現(xiàn)0到無窮大的變剛 度范圍)。關(guān)節(jié)剛度與關(guān)節(jié)載荷解耦，其剛度值受關(guān)節(jié)載荷的影響小，可以保證不同載荷情況下關(guān)節(jié)剛度的靈活調(diào)整。

調(diào)剛模塊設計緊湊，具有出力大、調(diào)剛響應速度快和調(diào)剛能耗低的優(yōu)點，彈性模塊的 杠桿組件成對對稱設置，有效提升了關(guān)節(jié)的承載能力，并可消除關(guān)節(jié)內(nèi)部的附加彎矩，提 升了關(guān)節(jié)的可靠性，直線彈簧模組替代扭簧穩(wěn)定性好，設置為可滑動，使得關(guān)節(jié)剛度曲線 具備線性度好、低回滯和穩(wěn)定性好的優(yōu)點，

本發(fā)明變剛度關(guān)節(jié)一方面可以滿足協(xié)作型機械臂安全交互的需求，另一方面還可以根 據(jù)不同的操作任務需求，進行實時的剛度調(diào)整，可以實現(xiàn)更加廣泛的適應性。