[發明專利]一種可實現全范圍剛度調整的對稱式變支點剛度調節模塊

有效

• 申請號: 202011010361.6
• 申請日: 2020-09-23
• 公開（公告）號: CN112157656B
• 公開（公告）日: 2022-03-08
• 發明（設計）人: 劉伊威;孫永軍;崔士鵬;胡漢東;劉宏
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16;B25J17/02
• 代理公司: 哈爾濱華夏松花江知識產權代理有限公司 23213
• 代理人: 高志光

一種可實現全范圍剛度調整的對稱式變支點剛度調節模塊，它涉及機器人技術領域。本發明為解決現有VSJ剛度調節范圍有限、剛度調節機構無法實現模塊化的問題。本發明包括支點調節機構、彈性傳遞機構和一對第一軸承，支點調節機構與彈性傳遞機構之間通過一對第一軸承轉動連接。本發明用于柔性機器人。

技術領域

本發明涉及機器人技術領域，具體涉及一種可實現全范圍剛度調整的對稱式變支點剛度調節模塊。

背景技術

傳統機器人大多應用于工業生產，在結構化環境中按照既定的軌跡進行動作，以完成特定的任務。為了使機器人具有較高的重復定位精度、較好的軌跡跟蹤效果和較快的響應速度，同時保證一定的安全性，機器人系統通常采用“剛性機械結構、主動柔順控制”的設計方案。但當機器人在非結構化環境中與剛性物體發生碰撞時，基于“主動柔順控制”的機器人在碰撞瞬間仍然表現出剛性狀態。隨著機器人應用范圍的不斷拓寬，特別是在公共服務、醫療康復、陪護養老等行業的廣泛應用，能夠實現人機交互，且對環境友好的柔性關節機器人成為近些年來研究的熱點之一。

柔性關節內部集成有彈性元件，呈現出固有柔順性：在與外界環境發生碰撞時，彈性元件能夠產生柔性變形，降低關節輸出連桿和電機之間傳動鏈路上的峰值扭矩，從而起到保護機器人和周圍環境的目的。作為柔性關節的典型代表，可變桿剛度柔性關節(Variable Stiffness Joint,VSJ)旨在模擬并實現類似于生物關節的動力學、運動學特性以及固有柔順性等。VSJ不但可以通過釋放彈性元件中存儲的彈性勢能來提高輸出連桿動能，降低能量消耗，與串聯彈性驅動器(Series Elastic Actuator,SEA)相比，VSJ還可通過主動調節自身剛度以適應不同任務需求，改善輸出連桿的動態性能。

目前，VSJ樣機的研制和原理驗證的相關工作較多，但現有VSJ的剛度可調范圍有限，無法兼顧柔順性和動態性能，從而降低了關節的適應性。此外，現有VSJ一般采用驅動機構和剛度調節機構一體式設計方案，剛度調節機構嵌入到整個VSJ中，無法實現剛度調節機構的模塊化設計。

發明內容

本發明為了解決現有VSJ剛度調節范圍有限、剛度調節機構無法實現模塊化的問題，進而提出一種可實現全范圍剛度調整的對稱式變支點剛度調節模塊。

本發明為解決上述技術問題采取的技術方案是：

一種可實現全范圍剛度調整的對稱式變支點剛度調節模塊包括支點調節機構、彈性傳遞機構和一對第一軸承，支點調節機構與彈性傳遞機構之間通過一對第一軸承轉動連接。

本發明與現有技術相比包含的有益效果是：

1、本發明采用改變支點位置的杠桿原理方案解決了通過改變彈簧力作用位置，或改變外部力作用位置的杠桿原理方案所存在的剛度調節范圍有限的問題；本發明所述杠桿采用雙層滑槽設計消除了零件之間的幾何約束，實現了剛度調節模塊從零到無窮大的剛度調整。

2、本發明采用中心對稱式結構設計，一方面可以在有限的空間內增加剛度調節模塊(關節)的最大承載能力(40Nm)，另一方面還可以消除由非對稱結構引起的附加彎矩，提高內部結構的可靠性和穩定性。

3、本發明實現了基于杠桿原理的剛度調節機構的模塊化設計，普通剛性關節可通過掛載所設計的剛度調節模塊轉化為VSJ。

4、本發明僅使用線性彈簧、滑塊、直線導軌、杠桿、支點等較少零部件就實現了剛度調節模塊的結構設計，具有所需零部件少，結構簡單緊湊的特點，使得構造VSJ或VSJ機械臂成為可能。

5、本發明所述的變支點剛度調節模塊可應用在普通剛性關節上，無需改變關節原有結構，即可將剛性關節轉化為可變剛度關節。

附圖說明

圖1是本發明整體內部結構的剖視圖；

圖2是與圖1剖視圖相垂直截面的剖視圖；