一种基于板簧变形的紧凑型一体化变刚度关节及方法

1.本发明创造属于智能机器人领域，尤其是涉及一种基于板簧变形的紧凑型一体化变刚度关节及方法。


背景技术：

2.面对人类对工业、生活、军事等方面的需求不断多样化，新一代智能机器人(如医疗机器人、越障机器人、智能穿戴机器人等)的研究更加深入。关节是机器人实现运动的结构基础，刚度大的关节能够承受更高的负载，具有高响应速度，能够保证位置的准确性，但与此同时造成的冲击和振动不可忽略。针对复杂的应用场景，为了保证机器人关节能够更好地适应环境，变刚度设计成为研究的热点。研制出满足要求的变刚度关节，能够使机器人根据环境的变化、自身的需求以及外来因素的干扰，适当的进行刚度调整，以保证机器人安全、高效、稳定地进行工作。现有的变刚度关节往往机构复杂、体积庞大，且需要附带复杂的运动或力检测系统，对机器人本体的质量和体积提出了苛刻的反要求，不利于机器人小型化、轻质化、智能化的发展。因此，研制出一种满足高承载、可快速大范围刚度调整、智能自感知等要求的紧凑型一体化关节成为一项迫切的任务。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明创造旨在提出一种基于板簧变形的紧凑型一体化变刚度关节及方法，以解决现有变刚度关节机构复杂、体积庞大，调刚范围小的问题。
4.为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
5.一种基于板簧变形的紧凑型一体化变刚度关节，包括从上到下依次布置在外壳内的动力输入组件、变刚驱动组件和动力输出组件，所述动力输入组件与变刚驱动组件相连，所述变刚驱动组件与动力输出组件相连，所述的动力输入组件是外界动力的输入端，所述动力输入组件用于将外界动力传递给所述的变刚驱动组件，所述动力输入组件包括主动轴，变刚驱动组件包括安装板、滚子a和滚子b，所述动力输出组件包括输出轴、板簧a和板簧b，板簧a和板簧b对称设置在输出轴上，滚子a和滚子b分别与板簧a和板簧b配合，所述动力输入组件中的主动轴与安装板固连，使变刚驱动组件整体随主动轴转动而转动，滚子a和滚子b转动挤压板簧a和板簧b，将刚性运动转化为柔性运动输出给动力输出组件的输出轴，所述输出轴再将动力传递给外界负载。
6.更进一步的，所述主动轴伸出外壳的上端布置，所述输出轴伸出外壳的下端布置，所述变刚驱动组件还包括绳索收卷机构和绳索牵拉机构，主动轴与安装板的上端面固定连接，绳索收卷机构和绳索牵拉机构分别设置在安装板的上下端面上，所述绳索牵拉机构分别与滚子a和滚子b铰接，滚子a的自由端与板簧a配合，滚子b的自由端与板簧b配合，所述板簧a、板簧b、滚子a和滚子b共同组成了变刚度模块；
7.绳索收卷机构通过绳索带动绳索牵拉机构运动，从而调节滚子a和滚子b之间的距离，主动轴转动带动固定在安装板上的滚子a和滚子b绕关节转动中心转动，从而滚子a和滚
子b分别挤压对应的板簧a和板簧b运动，通过板簧a和板簧b运动带动输出轴运动。
8.更进一步的，所述动力输入组件还包括输入端端盖、输入端编码器、输入端轴承、主动轴套筒、主动轴用挡圈和应变片群组，所述主动轴由外部装置驱动转动，是外界动力的输入端，所述输入端编码器能够测得主动轴的转角位移，实现主动端状态的实时监测，所述输入端轴承设置两个，输入端轴承的内圈与主动轴配合，输入端轴承的外圈与输入端端盖配合，所述主动轴套筒和主动轴用挡圈用于主动轴的轴向固定，所述应变片群组包括若干应变片，应变片贴在主动轴上。
9.更进一步的，所述应变片群组构成了一个自制的应力应变式扭矩传感器，能够通过测量主动轴特定位置的变形实时反映关节传递的扭矩，实现关节受力状态的监测。
10.更进一步的，所述绳索牵拉机构包括回复弹簧左端盖、直线滑槽、回复弹簧a、支撑座、回复弹簧b、回复弹簧右端盖、传动杆、导向槽、压绳端子、绳索和横臂，支撑座和导向槽均安装在安装板上，且支撑座设置在安装板的中间位置，导向槽设置在支撑座的一侧，所述直线滑槽安装在支撑座上，所述回复弹簧a和回复弹簧b放置在直线滑槽中，所述传动杆设置两个，两个传动杆的一端分别与横臂的两端铰接，两个传动杆的另一端分别与滚子a和滚子b铰接，所述滚子a和滚子b上均设有圆柱形凸台结构，回复弹簧a和回复弹簧b的一端分别穿过滚子a和滚子b上的凸台，另一端分别位于回复弹簧左端盖和回复弹簧右端盖中，回复弹簧左端盖和回复弹簧右端分别安装在直线滑槽的左右侧，所述回复弹簧a和回复弹簧b均处于压缩状态；所述横臂滑动设置在导向槽中，所述导向滚子穿过横臂并插入导向槽中，使得横臂能沿导向槽移动，并经传动杆驱动滚子a和滚子b沿直线滑槽移动；
11.所述绳索收卷机构包括滑轮座a、滑轮a、滑轮b、滑轮座b、滑轮c、绳索收卷滑轮支座、绳索收卷滑轮、刚度调整电机支座、减速器、刚度调整电机和刚度调整电机编码器，所述滑轮座a和绳索收卷滑轮支座均设置两个，所述滑轮a安装在两个滑轮座a上，滑轮b和滑轮c安装在滑轮座b上，绳索收卷滑轮安装在两个绳索收卷滑轮支座上，滑轮座a、滑轮座b、绳索收卷滑轮支座均安装在安装板上；所述绳索的一端穿过横臂，连接压绳端子，另一端绕过滑轮a、滑轮b和滑轮c后卷绕在绳索收卷滑轮上；所述减速器、刚度调整电机、刚度调整电机编码器组成调刚电机模块，调刚电机模块经刚度调整电机支座安装在安装板上，减速器的输出轴与绳索收卷滑轮连接。
12.更进一步的，所述动力输出组件还包括输出端端盖、输出端轴承、输出轴用挡圈、输出轴套筒和输出端编码器，其中输出端轴承设置两个，输出端轴承的内圈和输出轴配合，输出端轴承的外圈和输出端端盖配合，输出轴用挡圈和输出轴套筒用于输出轴的轴向固定。
13.更进一步的，滚子a和滚子b均为半圆柱形结构，滚子a和滚子b相对于关节转动中心o对称布置，滚子a和滚子b距关节转动中心o的距离均为l，板簧a和板簧b均为u型结构，滚子a的自由端伸入u型结构的板簧a内，滚子b的自由端伸入u型结构的板簧b内，板簧a和板簧b的长度均为l，其中0≤l≤l。
14.更进一步的，所述输入端编码器和输出端编码器均是一种中空式磁电编码器，主动轴从输入端编码器的中间穿过，输入端编码器的磁环安装在主动轴上，输入端编码器的感应端安装在输入端端盖上；输出轴从输出端编码器的中间穿过，输出端编码器的磁环安装在输出轴上，输出端编码器的感应端安装在输出端端盖上，输出端编码器能够检测输出
轴相对于输出端端盖的转角，再与关节输入端编码器的读数相减，即可得到主动轴和输出轴的转角差。
15.更进一步的，所述输入端端盖和输出端端盖均与外壳相连。
16.本发明创造的另一目的在于提出一种基于板簧变形的紧凑型一体化变刚度关节的工作方法，具体包括以下步骤：
17.(1)变刚度调节
18.刚度调整电机通电，带动减速器输出轴旋转，绳索收卷滑轮卷绕绳索，绳索拉动横臂沿导向槽滑动，使滚子a和滚子b在直线滑槽中滑动；当刚度调整电机反转时，滚子a和滚子b在回复弹簧a和回复弹簧b的作用下向反方向移动，实现滚子与转动中心o之间的间距l的可逆调整，实现滚子a相对板簧a位置的改变及滚子b相对板簧b位置的改变，实现主动变刚度功能；当l＝0时，滚子a、滚子b绕转动中心o的转动对板簧a、板簧b的挤压作用为0，对外表征的关节刚度为0；当l＝l时，理想状态下滚子a、滚子b与板簧a、板簧b完全锁定，理论上实现了完全刚性的传动；
19.(2)关节运动
20.调整完成滚子a和滚子b的相对位置后，当关节的主动轴转动时，变刚驱动组件2整体随之转动，变刚度模块中的滚子a和滚子b对板簧a和板簧b产生挤压作用，实现力矩的传递在关节运动的过程中可以根据指令实时调整滚子a和滚子b的相对位置以改变关节的刚度，从而适应复杂多变的力学环境；
21.通过输入端编码器和输出端编码器监测输入端运动状态和输出端运动状态，通过粘贴在主动轴上的应变片群组获得关节所传递的扭矩，刚度调整电机编码器能够实时反映刚度调整电机的输出量，以上编码器的监测量实时反映关节的位置和力状态，能够实现关节刚度和关节运动的反馈控制。
22.与现有技术相比，本发明创造所述的一种基于板簧变形的紧凑型一体化变刚度关节及方法的有益效果是：
23.1、在尺寸约束和承载能力上，本发明采用绳索驱动滚子移动、改变板簧有效力臂长度的方式实现变刚度功能，占用空间小、承载力大，可通过改变板簧的结构尺寸调整关节的承载范围。
24.2、本技术的变刚度关节整体结构外径约65mm，长度58mm，属于小型关节，内部集成了编码器、调刚电机、应变式扭矩传感器，并采用绳驱动的方式，避免了复杂传动机构，结构紧凑。
25.3、本发明采用双板簧夹紧滚子的方式，两个板簧轮替受力，有效地减小蠕变发生的概率，延长了关节寿命。
26.4、在调刚范围和响应速度上，本发明采用两个半圆柱滚子中心对称布置方式，能够实现刚度从0到103nm/rad范围内的调整，响应时间在2s之内。
27.5、在功能集成化上，本发明内部集成了角位移传感器(是输入端编码器和输出端编码器)、扭矩传感器(是应变片群组构成的应力应变式扭矩传感器)，既实现了驱动-承载-感知的一体化功能，有利于机器人的模块化、可重构设计，又能够实现关节刚度的精确控制和运动控制。
附图说明
28.构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：
29.图1为本发明实施例所述的一种基于板簧变形的紧凑型一体化变刚度关节的外形示意图；
30.图2为本发明实施例所述的一种基于板簧变形的紧凑型一体化变刚度关节的部分剖示图；
31.图3为本发明实施例所述的一种基于板簧变形的紧凑型一体化变刚度关节的剖示图；
32.图4为本发明实施例所述的一种基于板簧变形的紧凑型一体化变刚度关节的动力输入组件示意图；
33.图5为本发明实施例所述的一种基于板簧变形的紧凑型一体化变刚度关节的动力输入组件与安装板之间的连接关系示意图；
34.图6为本发明实施例所述的一种基于板簧变形的紧凑型一体化变刚度关节的变刚驱动组件示意图；
35.图7为本发明实施例所述的一种基于板簧变形的紧凑型一体化变刚度关节的变刚驱动组件正视图；
36.图8为本发明实施例所述的一种基于板簧变形的紧凑型一体化变刚度关节的变刚驱动组件俯视图；
37.图9为本发明实施例所述的一种基于板簧变形的紧凑型一体化变刚度关节的绳索收卷机构俯视图；
38.图10为本发明实施例所述的一种基于板簧变形的紧凑型一体化变刚度关节的动力输出组件剖视图；
39.图11为本发明实施例所述的一种基于板簧变形的紧凑型一体化变刚度关节的动力输出组件与滚子之间的相对位置关系示意图；
40.图12为本发明实施例所述的一种基于板簧变形的紧凑型一体化变刚度关节的变刚度模块平衡位置示意图；其中，l—滚子a和滚子b与转动中心之间的距离；l-为板簧a或板簧b的长度；
41.图13为本发明实施例所述的一种基于板簧变形的紧凑型一体化变刚度关节的变刚度模块非平衡位置示意图。
42.附图标记说明：
43.1、动力输入组件；101、输入端端盖；102、输入端编码器；103、输入端轴承；104、主动轴；105、主动轴套筒；106、主动轴用挡圈；107、应变片群组；2、变刚驱动组件；21、绳索牵拉机构；22、绳索收卷机构；201、回复弹簧左端盖；202、直线滑槽；203、回复弹簧a；204、滚子a；205、滚子b；206、支撑座；207、回复弹簧b；208、回复弹簧右端盖；209、传动杆；210、导向槽；211、导向滚子；212、压绳端子；213、绳索；214、横臂；215、安装板；216、滑轮座a；217、滑轮a；218、滑轮b；219、滑轮座b；220、滑轮c；221、绳索收卷滑轮支座；222、绳索收卷滑轮；223、刚度调整电机支座；224、减速器；225、刚度调整电机；226、刚度调整电机编码器；3、动
力输出组件；301、输出端端盖；302、板簧a；303、输出端轴承；304、输出轴；305、输出轴用挡圈；306、输出轴套筒；307、输出端编码器；308、板簧b；4、外壳。
具体实施方式
44.下面将结合附图对本发明创造的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明创造一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明创造中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明创造保护的范围。
45.在本发明创造的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
46.在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
47.此外，下面所描述的本发明创造不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
48.如图1-图13所示，一种基于板簧变形的紧凑型一体化变刚度关节，包括从上到下依次布置在外壳4内的动力输入组件1、变刚驱动组件2和动力输出组件3，所述动力输入组件1与变刚驱动组件2相连，所述变刚驱动组件2与动力输出组件3相连，所述的动力输入组件1是外界动力的输入端，所述动力输入组件1用于将外界动力传递给所述的变刚驱动组件2，所述动力输入组件1包括主动轴104，变刚驱动组件2包括安装板215、滚子a204和滚子b205，所述动力输出组件3包括输出轴304、板簧a302和板簧b308，板簧a302和板簧b308对称设置在输出轴304上，滚子a204和滚子b205分别与板簧a302和板簧b308配合，所述动力输入组件1中的主动轴104与安装板215固连，使变刚驱动组件2整体随主动轴104转动而转动，滚子a 204和滚子b 205转动挤压板簧a 302和板簧b 308，将刚性运动转化为柔性运动输出给动力输出组件3的输出轴，所述输出轴304再将动力传递给外界负载。
49.所述主动轴104伸出外壳的上端布置，所述输出轴304伸出外壳的下端布置，所述变刚驱动组件2还包括绳索收卷机构22和绳索牵拉机构21，主动轴104与安装板215的上端面固定连接，绳索收卷机构22和绳索牵拉机构21分别设置在安装板215的上下端面上，所述绳索牵拉机构21分别与滚子a204和滚子b205铰接，滚子a204的自由端与板簧a302配合，滚子b205的自由端与板簧b308配合，所述板簧a302、板簧b308、滚子a204和滚子b205共同组成了变刚度模块；
50.绳索收卷机构22通过绳索213带动绳索牵拉机构21运动，从而调节滚子a 204和滚子b 205之间的距离，主动轴104转动带动固定在安装板215上的滚子a 204和滚子b205绕关节转动中心转动，从而滚子a 204和滚子b 205分别挤压对应的板簧a 302和板簧b 308运
动，通过板簧a 302和板簧b 308运动带动输出轴304运动。
51.所述动力输入组件1还包括输入端端盖101、输入端编码器102、输入端轴承103、主动轴套筒105、主动轴用挡圈106和应变片群组107，所述主动轴104由外部装置驱动转动，是外界动力的输入端，所述输入端编码器102能够测得主动轴104的转角位移，实现主动端状态的实时监测，所述输入端轴承103设置两个，输入端轴承103的内圈与主动轴104配合，输入端轴承103的外圈与输入端端盖101配合，所述主动轴套筒105和主动轴用挡圈106用于主动轴104的轴向固定，所述应变片群组107包括若干应变片，应变片贴在主动轴104上。
52.所述应变片群组107构成了一个自制的应力应变式扭矩传感器，能够通过测量主动轴104特定位置的变形实时反映关节传递的扭矩，实现关节受力状态的监测，特定位置是指例如图5所示，主动轴上位于磁电编码器的安装位置和滚动轴承之间。
53.所述绳索牵拉机构21包括回复弹簧左端盖201、直线滑槽202、回复弹簧a203、支撑座206、回复弹簧b207、回复弹簧右端盖208、传动杆209、导向槽210、压绳端子212、绳索213和横臂214，支撑座206和导向槽210均安装在安装板215上，且支撑座206设置在安装板215的中间位置，导向槽210设置在支撑座206的一侧，所述直线滑槽202安装在支撑座206上，所述回复弹簧a203和回复弹簧b207放置在直线滑槽202中，所述传动杆209设置两个，两个传动杆209的一端分别与横臂214的两端铰接，两个传动杆209的另一端分别与滚子a204和滚子b205铰接，所述滚子a204和滚子b205上均设有圆柱形凸台结构，回复弹簧a203和回复弹簧b207的一端分别穿过滚子a204和滚子b205上的凸台，另一端分别位于回复弹簧左端盖201和回复弹簧右端盖208中，回复弹簧左端盖201和回复弹簧右端分别安装在直线滑槽202的左右侧，该措施可以防止弹簧发生失稳，所述回复弹簧a203和回复弹簧b207均处于压缩状态，在工作全过程中始终处于压缩状态；所述横臂214滑动设置在导向槽210中，所述导向滚子211穿过横臂214并插入导向槽210中，使得横臂214能沿导向槽210移动，并经传动杆209驱动滚子a204和滚子b205沿直线滑槽202移动；
54.所述绳索收卷机构22包括滑轮座a 216、滑轮a 217、滑轮b 218、滑轮座b 219、滑轮c 220、绳索收卷滑轮支座221、绳索收卷滑轮222、刚度调整电机支座223、减速器224、刚度调整电机225和刚度调整电机编码器226，所述滑轮座a 216和绳索收卷滑轮支座221均设置两个，所述滑轮a217安装在两个滑轮座a 216上，滑轮b 218和滑轮c 220安装在滑轮座b 219上，绳索收卷滑轮222安装在两个绳索收卷滑轮支座221上，滑轮座a 216、滑轮座b 219、绳索收卷滑轮支座221均安装在安装板215上；所述绳索213的一端穿过横臂214，连接压绳端子212，另一端绕过滑轮a 217、滑轮b 218和滑轮c 220后卷绕在绳索收卷滑轮222上；所述减速器224、刚度调整电机225、刚度调整电机编码器226组成调刚电机模块，调刚电机模块经刚度调整电机支座223安装在安装板215上，减速器224的输出轴与绳索收卷滑轮222连接。
55.所述动力输出组件3还包括输出端端盖301、输出端轴承303、输出轴用挡圈305、输出轴套筒306和输出端编码器307，其中输出端轴承303设置两个，输出端轴承303的内圈和输出轴304配合，输出端轴承303的外圈和输出端端盖301配合，输出轴用挡圈305和输出轴套筒306用于输出轴304的轴向固定；所述输入端端盖101和输出端端盖301均与外壳4相连。
56.滚子a 204和滚子b 205均为半圆柱形结构，滚子a 204和滚子b 205相对于关节转动中心o对称布置，滚子a 204和滚子b 205距关节转动中心o的距离均为l，板簧a302和板簧
b 308均为u型结构，滚子a 204的自由端伸入u型结构的板簧a 302内，滚子b 205的自由端伸入u型结构的板簧b 308内，板簧a 302和板簧b 308的长度均为l，其中0≤l≤l。
57.所述输入端编码器102和输出端编码器307均是一种中空式磁电编码器，主动轴104从输入端编码器102的中间穿过，输入端编码器102的磁环安装在主动轴104上，输入端编码器102的感应端安装在输入端端盖101上；输出轴304从输出端编码器307的中间穿过，输出端编码器307的磁环安装在输出轴304上，输出端编码器307的感应端安装在输出端端盖301上，输出端编码器307能够检测输出轴304相对于输出端端盖301的转角，再与关节输入端编码器102的读数相减，即可得到主动轴104和输出轴304的转角差。
58.板簧a 302、板簧b 308采用高性能弹簧钢材料，滚子a 204和滚子b 205采用高性能合金钢材料，绳索213采用凯夫拉绳或大力马绳。
59.滚子a 204和滚子b 205与直线滑槽202的接触面，导向槽210与导向滚子211和横臂214的接触面，传动杆209与横臂214及滚子a 204和滚子b 205的相对转动表面等均涂覆二硫化钼润滑喷剂。
60.本技术的变刚度关节的动力输入组件1是外界动力的输入端，将外界动力传递给变刚驱动组件2，变刚驱动组件2作为变刚度的执行部件，将刚性运动转化为柔性运动输出给动力输出组件3，动力输出组件3再将动力传递给外界负载，实现一定的力和运动输出功能。
61.本技术的一种基于板簧变形的紧凑型一体化变刚度关节，具有小型化、大承载、快响应、可重复变刚度、自感知的特点，满足新型智能机器人的应用要求。
62.本技术是一种满足高承载、可快速大范围刚度调整、智能自感知等要求的紧凑型一体化关节。
63.一种基于板簧变形的紧凑型一体化变刚度关节的工作方法，具体包括以下步骤：
64.(1)变刚度调节
65.刚度调整电机225通电，带动减速器224的输出轴旋转，绳索收卷滑轮222卷绕绳索213，绳索213拉动横臂214沿导向槽210滑动，使滚子a204和滚子b205在直线滑槽202中滑动；当刚度调整电机225反转时，滚子a204和滚子b205在回复弹簧a203和回复弹簧b207的作用下向反方向移动，实现滚子与转动中心o之间的间距l的可逆调整，实现滚子a204相对板簧a302位置的改变及滚子b205相对板簧b308位置的改变，实现主动变刚度功能；当l＝0时，滚子a204、滚子b205绕转动中心o的转动对板簧a302、板簧b308的挤压作用为0，对外表征的关节刚度为0；当l＝l时，理想状态下滚子a204、滚子b205与板簧a302、板簧b308完全锁定，理论上实现了完全刚性的传动；
66.(2)关节运动
67.调整完成滚子a204和滚子b205的相对位置后，当关节的主动轴104转动时，变刚驱动组件22整体随之转动，变刚度模块中的滚子a204和滚子b205对板簧a302和板簧b308产生挤压作用，实现力矩的传递，在关节运动的过程中可以根据指令实时调整滚子a204和滚子b205的相对位置以改变关节的刚度，从而适应复杂多变的力学环境；
68.通过输入端编码器102和输出端编码器307监测输入端运动状态和输出端运动状态，通过粘贴在主动轴104上的应变片群组107获得关节所传递的扭矩，经过建立应变与力矩的单一关系，并通过运算放大、滤波等手段实现数据采集，刚度调整电机编码器226能够
实时反映刚度调整电机225的输出量，以上编码器的监测量实时反映关节的位置和力状态，能够实现关节刚度和关节运动的反馈控制。
69.以上公开的本发明创造实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明创造仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明创造的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明创造。