一种机器人一体化两级变刚度柔顺关节的制作方法

1.本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种机器人一体化两级变刚度柔顺关节。


背景技术：

2.机器人在面临人机交互协作、人机交融以及操作易损对象等工作环境中，为充分满足人或者操作对象的绝对安全，提高机器人的柔顺性能显得十分重要。
3.机器人经过多年的发展，具有响应速度快、刚度高、动态性能好等特点，因此在工业领域有着广泛的应用。传统关节型机器人凭借极高刚性的传动结构设计，可以达到位置高精度控制，满足了大部分环境中高效率、高精度的应用要求。随着科学技术的不断发展，机器人在21世纪的应用不仅限于工业领域。人们已经开始研究可用于太空安全领域、公共服务领域以及具有其他特殊任务的机器人，这些任务随着工作的变化而变化，并且大部分都需要人机交互。现有机器人的安全性主要取决于操作人员的安全意识和对操作规范的培训，无法充分考虑人机协作特性。为了使得机器人适应复杂多变环境，对机器人结构设计在机器人适应性和安全性的要求越来越高。面对这些需求，目前单级串联弹性柔顺关节结构已被应用，然而，这类柔顺关节灵活性较差、抗冲击能力有限，在人机交互与操作易损对象过程中舒适性与适应性较差。另外，部分产品存在结构尺寸较大、重量大、多阶段平滑性能差等不足，在穿戴设备、康复机器人、服务机器人等方面难以满足人们的高水平需求。基于此，本专利提供一种机器人一体化两级变刚度柔顺关节，解决上述现有技术缺陷。


技术实现要素：

4.本发明提供一种机器人一体化两级变刚度柔顺关节，通过两级变刚度调节，解决现有单级串联弹性柔顺关节结构的技术缺陷。
5.本发明采用的技术方案如下：一种机器人一体化两级变刚度柔顺关节，其特征在于：包括输入部，输入部的输出轴连接一级变刚机构，一级变刚机构与二级变刚机构相串联；所述一级变刚机构包括受到输入部驱动的盘座，盘座上设有与之相对转动的齿轮和固定连接的板簧支座，板簧支座上同轴连接可相对转动的内齿圈筒，内齿圈筒上连接二级变刚机构；所述齿轮、板簧支座与输入部的输出端同轴设置，板簧支座设有径向分布的一组板簧，板簧的外端插接在内齿圈筒的齿槽中；所述齿轮外啮合一组受驱动而直线运动的齿条移动块，每个齿条移动块分别耦合连接对应的板簧支座，板簧支座与对应的板簧沿板簧长度所在的直线方向上形成可移动的配合连接；当驱动齿条移动块直线移动时，带动板簧支座移动以改变其与板簧的外端间距，使该间距段的板簧刚度发生变化，传输的动力依次经板簧支座、板簧和内齿圈筒，将动力传动给二级变刚机构。
6.进一步地，所述齿条移动块上设有直线型的斜滑槽，所述板簧支座上设有与斜滑
槽滑动配合的斜滑齿；当齿条移动块直线移动时，通过斜滑槽与斜滑齿配合带动板簧支座沿对应板簧长度所在的直线方向上移动。
7.进一步地，所述板簧支座为组合件，包括滑块和通过静摩擦连接的板簧移动块，所述斜滑齿设置在滑块底端，滑块上部设有沿对应板簧长度所在的直线方向设置的t形滑轨，板簧移动块下部设有t形块，t形块与t形滑轨滑动配合形成滑动导向。
8.进一步地，所述板簧移动块还包括框体和设置在框体内的一对相平行的辊柱，两辊柱相靠近表面侧与板簧滚动配合。
9.进一步地，其中一个所述齿条移动块设有螺纹通孔，螺纹通孔内连接第一丝杆，其余所述齿条移动块设有光壁通孔, 光壁通孔内滑动连接导向杆，所述盘座内设有与齿条移动块滑动配合并起防转作用的第一导向槽；第一丝杆驱动其中一个齿条移动块移动经啮合的齿轮作用，带动其余齿条移动块同步移动。
10.进一步地，所述二级变刚机构包括一对滑臂、和与内齿圈筒中心固定连接的第一连杆，滑臂位于第一连杆宽度方向两侧，每个滑臂一端分别与设置在内齿圈筒上弧形槽滑动连接，两个滑臂的另一端共同固定连接第三连接杆，第三连接杆上固定连接与内齿圈筒中心可自由转动的转动杆；每个滑臂与第一连杆之间设有沿第一连杆长度方向受驱移动的弹簧伸缩架，每个弹簧伸缩架的一端与对应侧的滑臂滑动连接、另一侧与第一连杆滑动连接，通过移动弹簧伸缩架在第一连杆长度方向的位置，改变弹簧伸缩架两端弹性压缩变化量进而改变其刚度，使第一连杆与滑臂形成变刚度连接。
11.进一步地，所述弹簧伸缩架包括一对可伸缩配合的移动块和一对铰座，该对移动块所在直线与该对铰座所在直线相交并通过连杆铰接形成菱形框架结构，一侧的移动块与滑臂滑动配合、另一侧的移动块与第一连杆滑动配合，两铰座之间通过弹簧弹性连接；当弹簧伸缩架移动不同位置时，通过两铰座上的弹簧形变改变两移动块的连接刚度。
12.进一步地，一对所述移动块上分别铰接一个伸缩杆和一个滑套，伸缩杆和滑套形成直线滑动配合。
13.进一步地，所述弹簧伸缩架上还设有丝母套，丝母套与第二丝杆连接；移动块上设有卡爪，滑臂和第一连杆设有与卡爪对应的卡槽，通过卡爪与卡槽配合形成滑动导向并起防转作用，使第二丝杆转动时驱动弹簧伸缩架整体直线平移。
14.进一步地，所述输入部包括带有关节电机的关节减速器，关节减速器经减速器支架固定在关节固定支架上，关节减速器输出端固定连接后盖，后盖可转动连接在关节固定支架上，后盖与所述盘座固定连接。
15.相比于现有技术，本发明具的有益效果：1、本方案通过将一级、二级变刚机构串联，形成了一体化两级变刚度柔顺关节，它扩大了刚度的调节范围，同时也具备较好的柔顺性能和平稳的多级平滑性，有助于机器人集成一体化设计。
16.2、本方案通过驱动板簧支座移动以改变其与板簧的外端间距，使该间距段的板簧刚度发生变化，实现变刚度调节；同时，板簧的外端插接在内齿圈筒的齿槽中，当瞬时负载过大时，板簧会产生较大形变而脱离当前齿槽进入下一个齿槽，从而起到保护整机、防过载的作用；另外，滑块和板簧移动块采用静摩擦的连接方式，也具有一定的保护整机、防过载
的作用。
17.3、本方案通过在第一连杆两侧设置可直线移动的弹簧伸缩架，可实现正反两个方向的刚度调节，具有很强的适应性；另外通过弹簧伸缩架本身的弹性作用实现缓冲效果，使本关节具备刚度调节的同时也提高了关节的灵活性和柔顺性。
附图说明
18.图1是本发明一种机器人一体化两级变刚度柔顺关节实施例的外观示意图；图2是本发明一种机器人一体化两级变刚度柔顺关节实施例的结构剖视图；图3是本发明一种机器人一体化两级变刚度柔顺关节实施例中一级变刚机构的结构示意图一；图4是本发明一种机器人一体化两级变刚度柔顺关节实施例中一级变刚机构的结构示意图二；图5是本发明一种机器人一体化两级变刚度柔顺关节实施例中板簧和内齿圈筒安装位置结构示意图；图6是图2中a-a方向的剖面结构示意图；图7是本发明一种机器人一体化两级变刚度柔顺关节实施例中齿条移动块的结构示意图；图8是本发明一种机器人一体化两级变刚度柔顺关节实施例中板簧移动块的结构示意图；图9是本发明一种机器人一体化两级变刚度柔顺关节实施例中二级变刚机构的结构示意图一；图10是本发明一种机器人一体化两级变刚度柔顺关节实施例中二级变刚机构的结构示意图二；图11是本发明一种机器人一体化两级变刚度柔顺关节实施例中弹簧伸缩架的结构示意图；其中，为了更易清楚表示本发明的结构，图3中省略了盘座。
19.附图标记说明：1、关节电机；2、关节减速器；3、减速器支架；4、关节固定支架；5a、第一轴承；5b、第二轴承；5c、第三轴承；6、后盖；7、盘座；7a、第一导向槽；7b、第二导向槽；8、第一步进电机；9、第二步进电机；10a、第一联轴器；10b、第二联轴器；11、第一丝杆；11a、导向杆；12、齿条移动块；12a、斜滑槽；12b、齿条；12c、螺纹通孔；12d、光壁通孔；13、齿轮；14、滑块；14a、斜滑齿；14b、t形滑轨；14c、导槽；15、板簧移动块；15a、t形块；15b、框体；15c、辊柱；16、板簧；17、板簧支座；18、内齿圈筒；18a、弧形槽；19、电机座；20、第二丝杆；21、丝母套；22a、伸缩杆；22b、滑套；23、弹簧伸缩架；23a、移动块；23b、铰座；23c、连杆；23d、弹簧；24、滑臂；25、第一连杆；26、转动杆；27、外载端；28、第三连接杆；100、输入部；200、一级变刚机构；300、二级变刚机构。
具体实施方式
20.为使本发明更加清楚明白，下面结合附图对本发明的一种机器人一体化两级变刚
度柔顺关节进一步说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
21.如图1所示，一种机器人一体化两级变刚度柔顺关节，它包括输入部100，输入部100的输出轴连接一级变刚机构200，一级变刚机构200与二级变刚机构300相串联。
22.如图2所示，所述输入部100包括关节电机1和相连接的关节减速器2，关节减速器2与套筒形的减速器支架3固定连接，减速器支架3连接在关节固定支架4上。关节减速器2的输出端通过键配合与后盖6同轴连接，后盖6为圆盘状，其外端侧轴心处具有凸缘，凸缘处通过第一轴承5a连接在关节固定支架4上，后盖6与盘座7通过紧固件同轴固定连接。关节电机1驱动关节减速器2，带动后盖6、盘座7共同转动。
23.如图2至图6所示，所述一级变刚机构200包括后盖6和盘座7，盘座7的左端（靠近输出部的一侧）中心处具有圆形的凸台，凸台的外周面通过第二轴承5b连接一个可相对转动的齿轮13，凸台中心设有通孔，通孔与板簧支座17的一端固定连接，板簧支座17的另一端通过轴承与内齿圈筒18连接，使板簧支座17与内齿圈筒18可发生相对转动，内齿圈筒18外端面上连接二级变刚机构300。其中，板簧支座17呈筒形，板簧支座17与盘座7、齿轮13和内齿圈筒18同轴设置。
24.在板簧支座17周侧面上径向均布一组板簧16，本实施方式中板簧16的数量为三个。每个板簧16的外端均插接在内齿圈筒18的齿槽中，每个板簧16的长度方向上可移动连接板簧支座。
25.所述齿轮13外啮合一组齿条移动块12，该组齿条移动块12的数量为三个，对应分布在板簧16下方，并与板簧16的竖向投影相交。结合图7所示，每个齿条移动块12的上端设有一组直线型的斜滑槽12a、内侧设有与齿轮13外啮合的齿条12b，一个齿条移动块12长度方向设有螺纹通孔12c，螺纹通孔12c内连接第一丝杆11，第一丝杆11通过第一联轴器10a与第一步进电机8连接，第一步进电机8通过支架固定连接在盘座7的外周面上。其余两个齿条移动块12的长度方向均设有光壁通孔12d，光壁通孔12d内滑动连接导向杆11a，导向杆11a固定在盘座7上。当然，为了防止在第一丝杆11驱动下齿条移动块12发生转动现象，以及与配合导向杆11a的齿条移动块12发生转动现象，在盘座7下侧对应设置第一导向槽7a，第一导向槽7a的两侧壁与齿条移动块12间隙配合形成具有防转功能的滑动导向配合。第一步进电机8通过第一丝杆11驱动其中一个齿条移动块12移动经啮合的齿轮13作用，带动其余齿条移动块12同步直线移动。
26.在一个实施方式中，所述板簧支座为组合件，它包括滑块14和板簧移动块15，滑块14对应设置在齿条移动块12和板簧移动块15之间。每个滑块14的底端设有与斜滑槽12a滑动配合的斜滑齿14a，滑块14的上端设有槽式的t形滑轨14b，t形滑轨14b沿着对应板簧16所在长度的直线方向设置。滑块14的上表面具有较大的摩擦系数。所述板簧移动块15的下部设有与t形滑轨14b滑动配合的t形块15a，板簧移动块15与滑块14的上表面通过静摩擦实现相互连接，且作用在每个板簧移动块15的静摩擦力均相同。另外，滑块14的宽度方向两侧还设有导槽14c，在盘座7上侧设有避让板簧移动块15的第二导向槽7b，第二导向槽7b的两侧壁通过设置与导槽14c对应的凸块与之形成滑动导向配合，保证滑块14沿着对应板簧16所在长度的直线方向移动。在该实施方式中，采用静摩擦力连接滑块14和板簧移动块15，当出现过载时，滑块14和板簧移动块15发生相对移动，起到过载保护作用。当然，在另一个实施
方式中，滑块14和板簧移动块15也可以是固定连接，二者不存在相对运动。在上述实施方式中，滑块14除了采用导槽14c与凸块配合形成定向滑动的效果外，还可以采用双导杆、非圆截面导杆等常规结构形成防转的定向滑动配合。
27.如图8所示，所述板簧移动块15还包括矩形状的框体15b和设置在框体15b内的一对相平行的辊柱15c，两辊柱15c相靠近的表面之间的间隙与板簧16厚度相等，且与板簧16两侧板面形成滚动配合，以减少板簧移动块15沿板簧16长度方向移动的摩擦阻力。
28.如图2、图9、图10所示，所述二级变刚机构300包括一对滑臂24和一个第一连杆25，第一连杆25的一端具有环形的法兰结构，该端通过紧固件连接在内齿圈筒18外端面的轴心处，另一端为自由端，第一连杆25整体形成悬臂结构。该对滑臂24分别对称设置在第一连杆25宽度方向的两侧。每个滑臂24同侧端分别与设置在内齿圈筒18上的弧形槽18a滑动连接，两个滑臂24的另一端共同固定连接第三连接杆28，第三连接杆28与转动杆26的一端固定连接，转动杆26的另一端通过第三轴承5c连接在第一连杆25的法兰轴孔部位，使转动杆26与内齿圈筒18形成可相对同轴转动的结构。第三连接杆28上还连接外载端27，用于连接外部载荷结构。其中，两弧形槽18a设置在内齿圈筒18直径方向相对称的两侧，且每个弧形槽18a的圆心与内齿圈筒18的圆心重合，通过转动杆26的定心作用，两滑臂24可在弧形槽18a中进行同轴转动，同时弧形槽18a也可限定两滑臂24左右偏转的最大极限位置。
29.在每个滑臂24与第一连杆25之间均设有一个的弹簧伸缩架23。如图11所示，每个弹簧伸缩架23包括一对可伸缩配合的移动块23a和一对铰座23b，该对移动块23a上端分别铰接一个伸缩杆22a和一个滑套22b，伸缩杆22a和滑套22b形成直线滑动配合。在滑套22b上设有丝母套21，丝母套21的轴线与第一连杆25长度方向平行并和滑套22b的轴线相垂直，即伸缩杆22a和一个滑套22b的伸缩方向垂直于第一连杆25的长度方向，丝母套21与第二丝杆20配合连接，第二丝杆20通过第二联轴器10b与第二步进电机9连接，第二步进电机9通过电机座19固定在内齿圈筒18的外端面上，通过第二丝杆20驱动弹簧伸缩架23直线平移。
30.该对移动块23a所在直线与该对铰座23b所在直线相交并通过连杆23c首尾铰接形成菱形框架结构，每个移动块23a上设有卡爪，每个滑臂24和第一连杆25设有与卡爪对应的卡槽，通过卡爪与卡槽t字型截面的配合，使一侧的移动块23a与滑臂24滑动配合、另一侧的移动块23a与第一连杆25滑动配合，形成直线滑动导向并起防转作用，两铰座23b之间通过弹簧23d弹性连接，弹簧23d属于受拉状态；当弹簧伸缩架23移动不同位置时，通过弹簧23d形变变化，进而改变两移动块23a的连接刚度。
31.每个弹簧伸缩架23的一端与对应侧的滑臂24滑动连接、另一侧与第一连杆25滑动连接，通过移动弹簧伸缩架23在第一连杆25长度方向的位置，改变弹簧伸缩架23两端弹性压缩变化量进而改变其刚度，使第一连杆25与滑臂24形成变刚度连接。
32.本装置在不变刚状态下的动力输出：动力首先由关节电机1产生，依次经关节减速器2、后盖6、盘座7、板簧支座17传递给板簧16前端，板簧16前端通过插接在内齿圈筒18的齿槽中，将动力传递给内齿圈筒18；内齿圈筒18将动力传递给二级变刚机构，即内齿圈筒18将动力依次经第一连杆25、弹簧伸缩架23、滑臂24，传递给第三连接杆28和外载端27。
33.在二级变刚机构传递动力过程中，两侧的弹簧伸缩架23根据转动方向选择具体哪一侧的弹簧伸缩架23传递动力，例如图10所示的观察方向来看，当第一连杆25顺时针转动时，第一连杆25下侧的弹簧伸缩架23中两移动块23a具有相对靠近的趋势，该弹簧伸缩架23
传递动力，位于第一连杆25上侧的弹簧伸缩架23中两移动块23a具有相对远离的趋势，该弹簧伸缩架23不传递动力；反之，当当第一连杆25逆时针转动时，下侧的弹簧伸缩架23不传递动力，上侧的弹簧伸缩架23传递动力。
34.本装置的变刚过程一级变刚机构：第一步进电机8驱动第一丝杆11使其中一个齿条移动块12移动，并经齿轮13啮合，带动其余齿条移动块12同步直线移动，同时，齿条移动块12驱动滑块14和静摩擦连接的板簧移动块15同步移动，改变板簧移动块15与对应板簧16外端部的间距，由于该段板簧16长度发生变化，其刚度也会随之改变。
35.另外，由于板簧16的外端插接在内齿圈筒18的齿槽中，当瞬时负载过大时，板簧16会产生较大形变而脱离当前齿槽进入下一个齿槽，从而起到保护整机的作用。
36.二级变刚机构：由于二级变刚机构单侧传递动力过程中仅一侧的弹簧伸缩架23传递动力，在该侧弹簧伸缩架23移动的变刚过程，例如图10所示的观察方向来看，当第一连杆25顺时针转动时，首先对下侧的第二步进电机9驱动第二丝杆20带动弹簧伸缩架23整体移动，改变其在第一连杆25长度方向上的位置。当一级变刚机构输出扭矩不变的情况下，弹簧伸缩架23处于不同位置时其移动块23a上的作用力也不同、弹簧伸缩架23压缩形变量不同以及对应滑臂24与第一连杆25之间的间距也不同，进而使应滑臂24与第一连杆25之间连接刚度不同，整体体现变刚作用。
37.同理，当第一连杆25逆时针转动时，上侧的弹簧伸缩架23改变位置也具有变刚作用。另外，由于弹簧伸缩架23本身具有弹性压缩的作用，在传递动力的过程中能起到缓冲作用，使本关节具备刚度调节的同时也提高了关节的灵活性和柔顺性。此外，由于弹簧伸缩架23两侧布置，可实现正反两个方向的动力传递和刚度调节，具有很强的适应性。
38.本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的实质精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围。