[發明專利]一種對稱式壓縮彈簧的變剛度關節

有效

• 申請號: 202011026233.0
• 申請日: 2020-09-25
• 公開（公告）號: CN112276994B
• 公開（公告）日: 2021-10-12
• 發明（設計）人: 季晨;趙振龍;趙慶江;徐金龍;孔民秀
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: B25J17/00
• 分類號: B25J17/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供了一種對稱式壓縮彈簧的變剛度關節，屬于仿生機器人領域，包括基座、關節連桿、位置電機、剛度電機和剛度調節模塊，其中剛度調節模塊由滾子以及設置在兩側的凸輪盤和彈簧組成的對稱結構構成，滾子連接在滾子保持架上，位置電機固定在基座上，其輸出端與滾子保持架連接，剛度調節模塊安置在基座上，關節連桿與一塊凸輪盤固連，剛度電機與關節連桿固連，其輸出端與另一塊凸輪盤連接。本發明采用由滾子和位于兩側對稱設置的凸輪盤以及彈簧組成的變剛度關節結構，結構簡單可靠、體積小、正向和反向驅動均能獲得相同的柔性效果，并且具有輸出力矩大以及剛度調節范圍寬的優勢，可作為模塊化設計應用于多種不同場合。

技術領域

本發明屬于仿生機器人領域，具體涉及一種對稱壓縮彈簧式變剛度關節。

背景技術

柔性機器人是一種具有類人肌肉特性剛度可變的機器人，柔性機器人通過關節獲得柔性，其中由位置電機驅動關節活動、由剛度電機調節關節剛度大小；變剛度關節的好壞直接影響柔性機器人的性能。

公開號為CN105328711A的中國發明專利，公開了一種模塊化的變剛度關節，其采用了扭簧作為彈性元件，同時使用滑輪機構和繩驅動減少驅動部件的占用空間，具有體積小，集成度高等優點，適用于外骨骼關節等應用，但是因為受限于扭簧特性，導致調節剛度范圍窄以及輸出扭矩低。公開號為CN105108771A的中國發明專利，公開了一種可變剛度機器人關節結構，其基于變杠桿原理設計剛度調節機構，采用了片彈簧作為彈性元件，通過改變杠桿支點實現剛度調節，剛度調節范圍寬，但是存在能量利用效率低，且執行機構復雜導致集成度低以及控制難度高等問題。因此需要研制一種剛度調節范圍寬、能量密度高的變剛度關節。

發明內容

針對現有技術中存在不足，本發明提供了一種基于曲面凸輪的對稱壓縮彈簧式變剛度關節，具有寬調節范圍、高能量密度，適配于各種不同性能要求的柔性機器人，有利于模塊化設計。

本發明是通過以下技術手段實現上述技術目的的。

一種對稱式壓縮彈簧的變剛度關節，包括基座、關節連桿、位置電機、剛度電機和剛度調節模塊；關節連桿通過剛度調節模塊與基座活動連接，位置電機固定在基座上，剛度電機與關節連桿固連；

所述剛度調節模塊為對稱結構，包括滾子、滾子保持架、凸輪盤和彈簧，相鄰兩個滾子組成一對滾子對，多個滾子對沿圓周方向均勻連接在滾子保持架外圈，凸輪盤設置在滾子兩側，凸輪盤內端面等間距的設有多處弧形凸起，兩塊凸輪盤相疊合形成多個滾動槽，多個滾子對分別位于多個滾動槽中，兩側的凸輪盤朝外的端面均連接有彈簧；

所述剛度調節模塊通過軸承安置在基座上，位置電機的輸出端與滾子保持架連接，關節連桿與靠近基座的一塊凸輪盤固連，剛度電機的輸出端與另一塊凸輪盤連接。

進一步地，所述滾動槽側邊曲線為指數曲線，且指數曲線的表達式為：

其中a為指數函數的底數，ρ_char為形狀參數，為指定的變形量。

進一步地，所述指數曲線通過如下優化方程確定其參數：

其中δS是關節的壓縮量，Nd為指定離散化點數量。

進一步地，所述彈簧為壓縮彈簧，且為碟形彈簧。

進一步地，所述彈簧的彈性系數可變。

進一步地，所述凸輪盤之間設有限位擋塊。

進一步地，所述滾子數量為三對。

進一步地，每對滾子之間夾角為15°。

本發明的有益效果為：