一种刚度可调的柔性关节驱动器机构的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及机器人技术领域，尤其涉及一种可以主动调节刚度的仿人机器人关节机构的设计。
【背景技术】
[0002]近些年来，随着工业技术的发展，智能机器人在工业、医疗、服务等领域与人有了更多的接触。传统机器人采用电机-减速器-负载线性传动的刚性关节。刚性关节具有结构简单、体积紧凑、定位精准等优点，能够满足工业生产的要求。但刚性关节不能对外界环境做出及时的被动响应，这使得搭载刚性关节的机器人与环境的兼容性差，能量效率低下且能耗很大，这是机器人发展中需要克服的问题。与刚性关节相比，柔性关节在与外界环境的交互过程中显得友好很多。
[0003]进一步探索中发现，在运动时人体的关节的韧性并非一成不变。比如腿部落地时，膝关节、踝关节呈现柔软的特性；而腿部发力后蹬时关节又极刚硬。为了模拟生物关节的这种特性，在串联弹性驱动关节的基础上，增加其可变刚度的功能，这便是可变刚度的串联弹性驱动关节。这种关节不仅能够实现柔性关节的功能，还能够根据机器人的运动状态，无级改变关节的劲度系数，甚至调整到刚性关节。变刚度关节能够提升机器人对环境的适应性和扩大机器人的应用领域，具有宽广的应用前景。
[0004]对于可调刚度的柔性关节，其性能优劣决定了机器人能否正常运行。目前，有一部分刚度可调的关节采用有级变刚度的结构。如申请号201410821096.8公开的“一种可变刚度的机器人关节”，在关节中安装一片主摩擦片和两片副摩擦片，通过螺栓的预紧产生摩擦力实现柔性驱动。但是摩擦件属于消耗品，需要定期更换，且不能实现线性可调的刚度特性；有一部分关节采用气动控制，如中国专利CN87107075A，“一种柔性气缸及弯曲、扭转关节”，采用气动驱动，总体结构较为复杂，难以实现线性操控，对柔性的调节较为困难。
【发明内容】
[0005]本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提出一种刚度可调的柔性关节驱动器机构。本实用新型灵敏度高，刚度调整精确可靠，结构紧凑。该驱动器机构分为驱动端、调整端和柔性关节三部分。其中驱动端为柔性关节运动提供动力，调整端负责改变柔性关节的刚度，柔性关节则起到减缓冲击、调节刚度的作用。
[0006]为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案如下:一种刚度可调的柔性关节驱动器机构，包括:驱动端编码器、驱动端编码器法兰、驱动端电机轴、驱动端电机法兰、驱动端电机、驱动端谐波、驱动端谐波法兰、驱动端谐波输出轴、前编码器座、弹簧轴、固接销、前编码器、前凸轮板、前轴承、底座法兰、前凸轮板法兰、后编码器座、中部转盘、后编码器、转轮、后凸轮板法兰、柔性关节外壳、调整端谐波、后轴承、调整端电机法兰、后凸轮板、调整端电机轴、调整端谐波输出法兰、调整端编码器法兰、调整端电机、调整端编码器、底座后支架、底板、底座前支架、摆臂、配重、矩形压簧和调整端谐波法兰。
[0007]所述驱动端编码器法兰上安装有驱动端编码器，驱动端编码器法兰与内部安装有驱动端电机的驱动端电机法兰固接；驱动端电机法兰与底板通过底座后支架固接；驱动端电机轴前端连接驱动端谐波的输入端，中段与驱动端电机的转子夹紧，后端与驱动端编码器的转子夹紧；驱动端谐波安装在驱动端谐波法兰上，输出端与驱动端谐波输出轴固接。
[0008]所述调整端编码器法兰上安装有调整端编码器，调整端编码器法兰与内部安装有调整端电机的调整端电机法兰固接；调整端电机轴前端连接调整端谐波的输入端，中段与调整端电机的转子夹紧，后端与调整端编码器的转子夹紧；调整端谐波安装在调整端谐波法兰上，输出端与调整端谐波输出法兰固接。
[0009]所述驱动端谐波输出轴末端固联有固接销，固接销的另一端穿过前凸轮板法兰与中部转盘固联；六个转轮分为三组，两个为一组均匀铰接在中部转盘的侧边，每组的两个转轮与中部转盘的旋转平面平行，六个转轮均可以自由旋转；前凸轮板的内圈压紧在前凸轮板法兰上，外圈通过三组凹槽与柔性关节外壳的内圈周向固定，前凸轮板可以相对柔性关节外壳轴向滑动，但两者不能发生相对周向转动；柔性关节外壳与后编码器座固联，摆臂安装在后编码器座上；摆臂末端固联有配重。
[0010]所述后凸轮板的内圈压紧在后凸轮板法兰上，外圈通过三组凹槽与调整端谐波输出法兰的内圈周向固定，后凸轮板可以相对调整端谐波输出法兰轴向滑动，但两者不能发生相对周向转动；调整端谐波输出法兰与调整端谐波输出端联接，后编码器座与调整端谐波钢轮联接。
[0011]所述矩形压簧一端与弹簧轴末端压紧，另一端与前凸轮板法兰中部压紧；弹簧轴根部与后凸轮板法兰压紧，前凸轮板、后凸轮板的内表面斜曲面与安装在中部转盘侧边的转轮两边相抵。
[0012]所述前编码器外圈安装在前编码器座上，内圈与柔性关节外壳固接，前编码器座、底座法兰与前轴承的外圈固接；柔性关节外壳的小端与前轴承的内圈固接；前编码器座一端与驱动端谐波法兰固接，另一端与底座法兰固接；底座法兰与底板通过底座前支架固接；后编码器外圈安装在安装有摆臂的后编码器座上，内圈与调整端谐波输出法兰固接，柔性关节外壳的大端、后编码器座与后轴承的外圈固接；调整端谐波输出法兰与后轴承的内圈固接；调整端谐波输出法兰与后凸轮板周向固定。
[0013]本实用新型与【背景技术】相比，具有的有益效果是:
[0014]1、附带有驱动电机，能够主动驱动关节运动；
[0015]2、采用曲斜面-转轮配合结构的变刚度系统，摩擦阻力小，传动精密；
[0016]3、外壳全封闭，结构紧凑，能够在恶劣的环境下工作；
[0017]4、安装有四个绝对式编码器，工作过程中实现有效检测，灵敏度高，故障率低。
[0018]5、从极大柔性到完全刚性，关节刚度的变化线性可控。
【附图说明】
[0019]图1是一种刚度可调的柔性关节驱动器机构的安装立体图；
[0020]图2是一种刚度可调的柔性关节驱动器机构的总体剖视图；
[0021]图3是一种刚度可调的柔性关节驱动器机构的柔性关节部分平面装配图；
[0022]图4是一种刚度可调的柔性关节驱动器机构的柔性关节部分剖视图；
[0023]图5是一种刚度可调的柔性关节驱动器机构的柔性关节部分立体图；
[0024]图6是一种刚度可调的柔性关节驱动器机构的调整端接口立体图；
[0025]图7是一种刚度可调的柔性关节驱动器机构的驱动端接口立体图；
[0026]图8是一种刚度可调的柔性关节驱动器机构下凸轮板与调整端接口装配图；
[0027]图9是一种刚度可调的柔性关节驱动器机构上凸轮板与驱动端接口装配图；
[0028]图10是一种刚度可调的柔性关节驱动器机构在低刚度时静止状态下示意图；
[0029]图11是一种刚度可调的柔性关节驱动器机构在低刚度时扭转状态下示意图；
[0030]图12是一种刚度可调的柔性关节驱动器机构在高刚度时静止状态下示意图；
[0031]图13是一种刚度可调的柔性关节驱动器机构在高刚度时扭转状态下示意图；
[0032]图中，驱动端编码器1、驱动端编码器法兰2、驱动端电机轴3、驱动端电机法兰4、驱动端电机5、驱动端谐波6、驱动端谐波法兰7、驱动端谐波输出轴8、前编码器座9、弹簧轴10、固接销11、前编码器12、前凸轮板13、前轴承14、底座法兰15、前凸轮板法兰16、后编码器座17、中部转盘18、后编码器19、转轮20、后凸轮板法兰21、柔性关节外壳22、调整端谐波23、后轴承24、调整端电机法兰25、后凸轮板26、调整端电机轴27、调整端谐波输出法兰
28、调整端编码器法兰29、调整端电机30、调整端编码器31、底座后支架32、底板33、底座前支架34、摆臂35、配重36、矩形压簧37、调整端谐波法兰38。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。
[0034]如图1-图2所示，本实用新型一种刚度可调的柔性关节驱动器机构，包括:驱动端编码器1、驱动端编码器法兰2、驱动端电机轴3、驱动端电机法兰4、驱动端电机5、驱动端谐波6、驱动端谐波法兰7、驱动端谐波输出轴8、前编码器座9、弹簧轴10、固接销11、前编码器12、前凸轮板13、前轴承14、底座法兰15、前凸轮板法兰16、后编码器座17、中部转盘18、后编码器19、转轮20、后凸轮板法兰21、柔性关节外壳22、调整端谐波23、后轴承24、调整端电机法兰25、后凸轮板26、调整端电机轴27、调整端谐波输出法兰28、调整端编码器法兰
29、调整端电机30、调整端编码器31、底座后支架32、底板33、底座前支架34、摆臂35、配重36、矩形压簧37和调整端谐波法兰38。
[0035]如图2、图7所示，驱动端编码器法兰2上安装有驱动端编码器1，驱动端编码器法兰2与内部安装有驱动端电机5的驱动端电机法兰4固接；驱动端电机法兰4与底板33通过底座后支架32固接；驱动端电机轴3前端连接驱动端谐波6的输入端，中段与驱动端电机5的转子夹紧，后端与驱动端编码器I的转子夹紧。驱动端谐波6安装在驱动端谐波法兰7上，输出端与驱动端谐波输出轴8固接。
[0036]如图2、图6所示，调整端编码器法兰29上安装有调整端编码器31，调整端编码器法兰29与内部安装有调整端电机30的调整端电机法兰25固接。调整端电机轴27前端连接调整端谐波23的输入端，中段与调整端电机30的转子夹紧，后端与调整端编码器31的转子夹紧。调整端谐波23安装在调整端谐波法兰38上，输出端与调整端谐波输出法兰28固接。
[0037]如图2、图3所示，驱动端谐波输出轴8末端固联有固接销11，固接销11的另一端穿过前凸轮板法