[發(fā)明專利]一種基于凸輪機構(gòu)的一體化主被動變剛度關(guān)節(jié)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110178211.4
• 申請日: 2021-02-08
• 公開（公告）號: CN113021404B
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張小俊;郭俊改;王滿;李滿宏;孫凌宇
• 申請（專利權(quán)）人: 河北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: B25J17/00
• 分類號: B25J17/00;B25J17/02
• 代理公司: 天津盛理知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 12209
• 代理人: 王利文

本發(fā)明涉及一種基于凸輪機構(gòu)的一體化主被動變剛度關(guān)節(jié)，包括依次連接在一起的關(guān)節(jié)主被動剛度調(diào)節(jié)模塊、關(guān)節(jié)動力驅(qū)動模塊、關(guān)節(jié)控制反饋模塊和機架；關(guān)節(jié)主被動剛度調(diào)節(jié)模塊包括齒輪、齒條、滾輪架、彈簧、彈簧套桿、凸輪輸出盤、滑塊和變剛度模塊外殼；關(guān)節(jié)動力驅(qū)動模塊包括中空力矩電機、諧波減速器和剛度調(diào)節(jié)電機；關(guān)節(jié)控制模塊包括磁編碼器、編碼器支架、控制板和控制板安裝柱。本發(fā)明設(shè)計合理，并采用平面盤形凹槽凸輪機構(gòu)配置彈簧的方式實現(xiàn)關(guān)節(jié)剛度的主被動調(diào)節(jié)，采用凸輪機構(gòu)使得關(guān)節(jié)更加緊湊，關(guān)節(jié)動力驅(qū)動模塊與關(guān)節(jié)主被動剛度調(diào)節(jié)模塊可拆卸作為單獨的模塊進(jìn)行使用，安裝使用方便，且通用性較強。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于智能機器人技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于凸輪機構(gòu)的一體化主被動變剛度關(guān)節(jié)。

背景技術(shù)

關(guān)節(jié)作為機械臂和足式機器人的核心零部件，是確保其具備優(yōu)越運動穩(wěn)定性與環(huán)境適應(yīng)性的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的剛性關(guān)節(jié)采用剛性零部件，其結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便且關(guān)節(jié)驅(qū)動控制較為簡單，但是關(guān)節(jié)剛度是固定的，這就導(dǎo)致機器人在非結(jié)構(gòu)化工作空間或面臨復(fù)雜地形環(huán)境時，機器人的環(huán)境適應(yīng)性欠佳，且工作過程中外界擾動的存在，極易沖擊機器人關(guān)節(jié)甚至對機體內(nèi)部靈敏元器件造成無法修復(fù)的損傷，因此，為滿足機器人的柔順需求進(jìn)一步提升關(guān)節(jié)的整體性能，具備剛度可調(diào)的關(guān)節(jié)被提出。

目前，變剛度關(guān)節(jié)按照剛度調(diào)節(jié)方式可大致分為兩類：第一類，傳統(tǒng)剛性關(guān)節(jié)與柔順控制方法相結(jié)合的方式，但是，由于機械帶寬、傳感器誤差、響應(yīng)速度等局限性，使得通過柔順控制方法調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)剛度的方式剛度實時調(diào)整效果不佳，往往是在機器人受到碰撞之后變剛度特性才顯現(xiàn)出來，具有一定的滯后性。第二類，從關(guān)節(jié)機械結(jié)構(gòu)入手，通過在傳統(tǒng)剛性關(guān)節(jié)中添加彈性元件以實現(xiàn)關(guān)節(jié)剛度可調(diào)，并且采用添加額外驅(qū)動的方式調(diào)節(jié)彈性元件實現(xiàn)關(guān)節(jié)剛度的實時可調(diào)。綜上所述，現(xiàn)有的變剛度關(guān)節(jié)大都存在關(guān)節(jié)尺寸大、剛度調(diào)節(jié)機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、關(guān)節(jié)剛度動態(tài)調(diào)節(jié)效果不佳且模塊化程度低等問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于凸輪機構(gòu)的一體化主被動變剛度關(guān)節(jié)，通過主動控制關(guān)節(jié)輸出剛度的同時被動緩沖關(guān)節(jié)外部擾動，以達(dá)到關(guān)節(jié)期望剛度跟隨的效果。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題是采取以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種基于凸輪機構(gòu)的一體化主被動變剛度關(guān)節(jié)，包括關(guān)節(jié)主被動剛度調(diào)節(jié)模塊、關(guān)節(jié)動力驅(qū)動模塊、關(guān)節(jié)控制反饋模塊和機架，所述關(guān)節(jié)主被動剛度調(diào)節(jié)模塊、關(guān)節(jié)動力驅(qū)動模塊和關(guān)節(jié)控制反饋模塊采用串聯(lián)方式安裝在一起；

所述關(guān)節(jié)主被動剛度調(diào)節(jié)模塊包括齒輪、齒條、滾輪架、彈簧、彈簧套桿、彈簧套桿安裝盤、凸輪輸出盤、滑塊和變剛度模塊外殼，所述變剛度模塊外殼連接于諧波減速器柔輪并與其一同轉(zhuǎn)動，該變剛度模塊外殼與凸輪輸出盤通過殼體上周向布置的螺紋連接，輸出關(guān)節(jié)整體運動；所述齒輪與齒條相連接構(gòu)成齒輪齒條機構(gòu)，該齒輪齒條機構(gòu)通過鍵連接方式安裝在剛度調(diào)節(jié)電機輸出軸，該剛度調(diào)節(jié)電機輸出軸通過與齒條固聯(lián)的彈簧擋塊對彈簧壓縮量進(jìn)行調(diào)節(jié)，所述彈簧套桿安裝盤中心對稱布置的齒條由固聯(lián)于彈簧套桿安裝盤的滾輪架和滾輪軸承支撐沿平行于彈簧壓縮方向滑動；所述彈簧通過彈簧套桿支撐于彈簧套桿安裝盤上，所述彈簧套桿兩端攻有螺紋通過螺母固定于彈簧套桿安裝盤上；所述滑塊通過與凸輪輸出盤上凸輪槽配合對彈簧進(jìn)行調(diào)節(jié)；

所述關(guān)節(jié)動力驅(qū)動模塊包括中空力矩電機、諧波減速器和剛度調(diào)節(jié)電機；所述中空力矩電機通過螺栓與電機保護(hù)殼連接，該中空力矩電機定子通過定子固定法蘭固定連接在電機套筒上，該電機套筒通過關(guān)節(jié)右端蓋固定安裝于機架上，同時電機保護(hù)殼與驅(qū)動端外殼通過螺栓連接固定安裝在機架上；所述諧波減速器包括諧波減速器波發(fā)生器、諧波減速器剛輪和諧波減速器柔輪，該諧波減速器波發(fā)生器通過波發(fā)生器法蘭固聯(lián)在定子固定法蘭上，該諧波減速器剛輪與電機保護(hù)殼連接并與電機轉(zhuǎn)子一同轉(zhuǎn)動，并通過諧波減速器柔輪輸出運動；所述剛度調(diào)節(jié)電機嵌套于電機套筒內(nèi)并通過剛度電機固定支架固定于法蘭上；