一种机器人变刚度关节

本发明涉及机器人变刚度关节，具体涉及一种机器人变刚度关节。

背景技术：

1、随着机器人技术的不断发展，机器人应用的范围也越来越广，人机交互的场景也越来越多，为保障人机协同中人的安全，减小对设备、环境的损害，人们设计了变刚度关节作为其中的一种安全策略。

2、现有的机器人变刚度关节的结构种类繁多，但大多数使用的是电机作为刚度调节的动力源，在结构尺寸和重量上均没有优势，导致设备的重量及轴向尺寸较大。

技术实现思路

1、因此，有必要提出一种机器人变刚度关节，该机器人变刚度关节通过sma弹簧直线驱动器作为刚度调节的动力源，用以解决现有机器人变刚度关节中大多采用电机作为刚度调节的动力源而导致的设备重量及轴向尺寸较大的技术问题。

2、为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种机器人变刚度关节，包括关节单元和调节单元，所述关节单元包括输入盘、输出盘以及连接件，所述输入盘和所述输出盘相对布置，并且在所述输入盘和所述输出盘之间形成容纳腔，所述连接件内置于所述容纳腔内并分别与所述输入盘和所述输出盘固定连接；所述调节单元包括设置于所述容纳腔中的驱动机构、调刚机构和变刚机构，所述驱动机构包括多个sma弹簧直线驱动器，多个所述sma弹簧直线驱动器固定安装于所述输入盘朝向所述输出盘的侧面，所述调刚机构和变刚机构的数量与所述驱动机构的数量相同，且所述调刚机构的一端与所述sma弹簧直线驱动器的动力输出端连接，其另一端与所述变刚机构滑动连接，所述变刚机构的另一端固定安装于所述输出盘朝向所述输入盘的侧面；所述sma弹簧直线驱动器可使所述调刚机构在所述变刚度机构上滑动，以改变所述变刚机构的受力点和有效长度，使得所述输入盘和所述输出盘之间产生扭矩角，实现变刚度。

3、进一步地，所述sma弹簧直线驱动器包括套筒式的基座、铜缸、加热金属丝和sma弹簧，所述基座固定于所述输入盘的内端面，所述铜缸设置于所述基座的内腔中，且所述铜缸的一端由所述基座内部的凸台定位，另一端由设置于所述基座开口处的封环固定，所述sma弹簧设置于所述铜缸的内部，所述sma弹簧的一端压在所述基座内的孔壁中，其另一端与所述调刚机构连接，所述加热金属丝缠绕于所述铜缸的外壁，且所述加热金属丝的两个接头分别从所述基座两侧的出线孔引出。

4、进一步地，所述调刚机构包括活塞及设置于所述活塞内部的活塞内环，所述活塞设置于所述铜缸的内部，且所述活塞远离所述活塞内环的一端与所述sma弹簧连接，所述活塞的另一端内部设置有与所述活塞内环的外螺纹适配的内螺纹，所述活塞内环的内部中心设有用于插入所述变刚机构的矩形通孔，在所述sma弹簧的作用下使得活塞运动，进而带动活塞内环在所述变刚机构上滑动。

5、进一步地，所述活塞由第一活塞和第二活塞组成，所述第二活塞的直径小于第一活塞的直径，且所述第二活塞的外部设有螺纹，该螺纹的外部套设有复位弹簧，所述复位弹簧的该侧外部套设有活塞套，所述复位弹簧的另一侧插入所述sma弹簧内部，通过插销将其另一侧的拉环固定在所述基座的底孔中，所述活塞套远离所述第一活塞的一侧端面与所述sma弹簧连接。

6、进一步地，所述矩形通孔的内孔表面为弧形面。

7、进一步地，所述变刚机构包括叶片弹簧和夹持座，所述夹持座固定安装于所述输出盘的内端面上，所述叶片弹簧的一端插入所述夹持座内，所述叶片弹簧的另一端插入所述矩形通孔中，且与所述矩形通孔的内孔表面相接触。

8、进一步地，所述机器人变刚度关节还包括角度检测机构，用于测量所述输入盘与所述输出盘之间的扭转角。

9、进一步地，所述角度检测机构包括单圈绝对式编码器读头、编码器磁环和编码器读头安装环，所述编码器读头安装环固定在多个所述基座远离所述输入盘的一侧，所述单圈绝对式编码器读头安装在所述编码器读头安装环上，所述编码器磁环固定在所述输出盘的内端面上。

10、进一步地，所述sma弹簧直线驱动器还包括温度控制单元，所述温度控制单元包括智能温控器和温度传感器，所述智能温控器安装在所述编码器读头安装环上，所述温度传感器的输入端与所述sma弹簧接触，所述温度传感器的输出端与所述智能温控器的输入端电连接。

11、进一步地，所述连接件为中空轴，所述中空轴上与所述sma弹簧直线驱动器对应的部位开设有通气孔。

12、与现有技术相比，本发明的有益效果主要包括：

13、本发明提供的一种机器人变刚度关节，采用sma弹簧直线驱动器作为刚度调节的动力源，可将轴向尺寸由现有技术的约一百毫米做到三十几毫米，大大缩小了该机器人变刚度关节的体积，使得整个设备结构紧凑、重量轻、实用性强，可应用于机械臂和机器人等场景上。

技术特征：

1.一种机器人变刚度关节，其特征在于，包括关节单元和调节单元；

2.根据权利要求1所述的一种机器人变刚度关节，其特征在于，所述sma弹簧直线驱动器包括套筒式的基座、铜缸、加热金属丝和sma弹簧，所述基座固定于所述输入盘的内端面，所述铜缸设置于所述基座的内腔中，且所述铜缸的一端由所述基座内部的凸台定位，另一端由设置于所述基座开口处的封环固定，所述sma弹簧设置于所述铜缸的内部，所述sma弹簧的一端压在所述基座内的孔壁中，其另一端与所述调刚机构连接，所述加热金属丝缠绕于所述铜缸的外壁，且所述加热金属丝的两个接头分别从所述基座两侧的出线孔引出。

3.根据权利要求2所述的一种机器人变刚度关节，其特征在于，所述调刚机构包括活塞及设置于所述活塞内部的活塞内环，所述活塞设置于所述铜缸的内部，且所述活塞远离所述活塞内环的一端与所述sma弹簧连接，所述活塞的另一端内部设置有与所述活塞内环的外螺纹适配的内螺纹，所述活塞内环的内部中心设有用于插入所述变刚机构的矩形通孔，在所述sma弹簧的作用下使得活塞运动，进而带动活塞内环在所述变刚机构上滑动。

4.根据权利要求3所述的一种机器人变刚度关节，其特征在于，所述活塞由第一活塞和第二活塞组成，所述第二活塞的直径小于第一活塞的直径，且所述第二活塞的外部设有螺纹，该螺纹的外部套设有复位弹簧，所述复位弹簧的该侧外部套设有活塞套，所述复位弹簧的另一侧插入所述sma弹簧内部，通过插销将其另一侧的拉环固定在所述基座的底孔中，所述活塞套远离所述第一活塞的一侧端面与所述sma弹簧连接。

5.根据权利要求3或4所述的一种机器人变刚度关节，其特征在于，所述矩形通孔的内孔表面为弧形面。

6.根据权利要求3所述的一种机器人变刚度关节，其特征在于，所述变刚机构包括叶片弹簧和夹持座，所述夹持座固定安装于所述输出盘的内端面上，所述叶片弹簧的一端插入所述夹持座内，所述叶片弹簧的另一端插入所述矩形通孔中，且与所述矩形通孔的内孔表面相接触。

7.根据权利要求2所述的一种机器人变刚度关节，其特征在于，所述机器人变刚度关节还包括角度检测机构，用于测量所述输入盘与所述输出盘之间的扭转角。

8.根据权利要求7所述的一种机器人变刚度关节，其特征在于，所述角度检测机构包括单圈绝对式编码器读头、编码器磁环和编码器读头安装环，所述编码器读头安装环固定在多个所述基座远离所述输入盘的一侧，所述单圈绝对式编码器读头安装在所述编码器读头安装环上，所述编码器磁环固定在所述输出盘的内端面上。

9.根据权利要求8所述的一种机器人变刚度关节，其特征在于，所述sma弹簧直线驱动器还包括温度控制单元，所述温度控制单元包括智能温控器和温度传感器，所述智能温控器安装在所述编码器读头安装环上，所述温度传感器的输入端与所述sma弹簧接触，所述温度传感器的输出端与所述智能温控器的输入端电连接。

10.根据权利要求1所述的一种机器人变刚度关节，其特征在于，所述连接件为中空轴，所述中空轴上与所述sma弹簧直线驱动器对应的部位开设有通气孔。

技术总结
本发明公开一种机器人变刚度关节，包括关节单元和调节单元，所述关节单元包括输入盘、输出盘以及连接件，所述输入盘和所述输出盘相对布置并形成容纳腔，所述连接件内置于所述容纳腔内并分别与所述输入盘和所述输出盘固定连接；所述调节单元包括设置于所述容纳腔中的驱动机构、调刚机构和变刚机构，所述驱动机构包括多个SMA弹簧直线驱动器，所述调刚机构的一端与所述SMA弹簧直线驱动器的动力输出端连接，其另一端与所述变刚机构滑动连接，所述变刚机构的另一端固定安装于所述输出盘朝向所述输入盘的侧面。本发明解决了现有机器人变刚度关节中大多采用电机作为刚度调节的动力源而导致的设备重量及轴向尺寸较大的技术问题。

技术研发人员：李瑞亚,吴平,王永康,林子坤,谭跃刚
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13