一种基于浮动弹簧的刚度连续可调关节制造技术

本发明专利技术公开了一种基于浮动弹簧的刚度连续可调关节，包括主轴驱动电机、谐波减速器、关节外壳、输出法兰，所述主轴驱动电机与所述谐波减速器的输入端驱动连接，所述关节外壳与谐波减速器外壳固定连接，所述关节外壳内设置有浮动弹簧刚度调节装置，所述浮动弹簧刚度调节装置一端与所述谐波减速器输出端相连接，另一端与输出法兰相连接。本发明专利技术通过对矩形浮动弹簧工作长度的调节，关节可实现从全刚度到全柔性的线性调节，实现弹性缓冲，提高机器人的安全性与对环境的友好度，结构紧凑、外形规则、通用性好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种机器人仿生关节，具体为一种基于浮动弹簧的刚度连续可调关节，该装置可以适用于各种关节型机器人，提高机器人的安全性与对环境的友好度。技术背景目前，工业机器人的关节驱动方式大部分为驱动轴直接驱动关节，为较大的刚性连接。这种方式虽然结构简单紧凑、位置精度高、能即时响应，但较大的刚性也会导致一些问题，例如当机械臂受到突发的外力冲击时容易损坏机构，同时在与人协作时也容易存在安全隐患。近些年，一种具有柔顺性的弹性驱动关节在国际上引起广泛研究，变刚度弹性驱动关节能够模拟人类肌肉伸缩功能，在受到冲击时能缓冲碰撞时产生的能量，同时获得生物体一样的触觉，感知外界阻力以便产生反应，从而避免了机器人机构的损坏，提高了与人协作时的安全性。国内对可变刚度弹性关节的研究较少，经对现有技术文献的检索发现，从现有公开的串联弹性驱动关节看，普遍存在集成度较低、体积较为庞大、结构复杂、通用性较差等问题。北京航空航天大学提出一种基于左右旋丝杠-滑块连杆机构的分布式片弹簧变刚度关节驱动器，专利公开号CN105584551A，该装置通过丝杠、丝杠螺母驱动连杆使得滑块在弹簧片上的接触点发生改变由此改变刚度，这种结构体积极其庞大，单位体积的负载能力较低，几乎没法用在机械臂上，且弹簧片的缓冲角度有限，容易产生疲劳破坏。浙江大学提出一种刚度可调的柔性关节驱动器机构，专利公开号CN104985608A，该装置利用滚轮在上下两个斜曲面盘上滚动引起上下两个斜曲面盘的轴向距离的改变而压缩弹簧得到缓冲，通过调整上下两个斜曲面盘的错开角度来调节刚度，要求调节电机的输出力矩较大，并需要足够强度的自锁功能，该机构平衡位置的输出力矩始终为零，这就导致了低负载时的定位精度较差的问题。该结构留给弹簧安装的位置较为狭小，整个结构虽然紧凑，但外形极不规则，通用性较差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有机器人关节设计上的不足，提出一种新型可调刚度的机器人柔弹性关节，它基于浮动弹簧设计，具有结构紧凑、负载能力强、缓冲范围广、刚度调节范围广的优点。通过滚子在斜面上的滚动使浮动弹簧的轴向弹力变为输出的轴向力矩，得到缓冲，改变浮动弹簧的预压缩量即改变刚度。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种基于浮动弹簧的刚度连续可调关节，包括主轴驱动电机、谐波减速器、关节外壳、输出法兰，所述主轴驱动电机与所述谐波减速器的输入端驱动连接，所述关节外壳与谐波减速器外壳固定连接，所述关节外壳内设置有浮动弹簧刚度调节装置，所述浮动弹簧刚度调节装置一端与所述谐波减速器输出端相连接，另一端与输出法兰相连接。进一步地，所述的浮动弹簧刚度调节装置包括连接所述谐波减速器输出端的凸字形输入转动机体、弹簧上支撑盖、滚子保持架、环形凸轮盘、浮动弹簧、调节电机支座、刚度调节电机，所述输入转动机体内侧设置有内螺纹，所述的弹簧上支撑盖外周壁设置有连接所述输入转动机体的内螺纹，所述调节电机支座为具有两种直径外花键的中空阶梯轴，所述刚度调节电机固定设置在所述调节电机支座的空腔内，所述输入转动机体外周壁设置有外花键，所述滚子保持架上部通过内花键与所述输入转动机体外花键相连接，所述凸轮盘通过轴承安装在关节外壳下部，所述凸轮盘的上端面沿周向均匀设置若干斜曲面，所述凸轮盘的中心孔设置有与所述调节电机支座较大直径外花键相配合的内花键，所述滚子保持架下部沿周向均匀设置有若干组通孔，每组通孔设置装有滚子的滚子轴，滚子保持架通过滚子在凸轮盘的斜曲面上滚动，所述滚子保持架底端的中心孔内设置有与所述调节电机支座较小直径外花键相配合的内花键，所述凸轮盘底部通过若干螺纹孔及固定螺丝与主轴输出法兰紧固连接；所述刚度调节电机输出轴与弹簧上支撑盖的中心孔过盈配合形成硬性连接，带动其转动；所述浮动弹簧穿过调节电机支座安装在弹簧上支撑盖和滚子保持架下部之间，两者的弹簧支撑面分别与浮动弹簧上、下端面相互滑动旋转。进一步地，所述的刚度调节电机内集成设置有齿轮减速箱。进一步地，所述的浮动弹簧为矩形弹簧。进一步地，所述凸轮盘的上端面沿周向均匀设置三个斜曲面，所述滚子保持架下部沿周向均匀设置有三组通孔，每组通孔设置装有滚子的滚子轴。进一步地，所述三组通孔每组有四个通孔，四个通孔并列安装两个装有滚子的滚子轴。进一步地，所述滚子轴两端有用于安装轴用弹性挡圈约束滚子轴的轴向运动沟槽。进一步地，所述输入转动机体的内螺纹及所述的弹簧上支撑盖外周壁的外螺纹均为梯形螺纹。本专利技术相比现有技术具有以下优点：（1）柔性工作状态时的平衡位置滚子与凸轮斜面接触点斜率不为零，所以当弹簧有预压缩时有一个预紧力，当外力矩负载超过这个预紧力时，才能开始缓冲一个角度；解决了平衡位置晃动的问题，提高了低负载时机械臂的位置精度。（2）全刚度工作时遇到突发情况时调节电机只要工作一小段距离便能迅速进入最大柔性工作状态，关节工作灵敏，极大提高了安全性。附图说明图1示出了刚度连续可调关节的总体结构图。图2示出了刚度连续可调关节的剖视图。图3示出了刚度连续可调关节的滚子斜曲面示意图。图4示出了刚度连续可调关节的主要零件爆炸图。图中：1-主轴驱动电机；2-谐波减速器；3-弹簧上支撑盖；4-输入转动机体；5-关节外壳；6-滚子保持架；7-凸轮盘；8-轴承；9-输出法兰10-浮动弹簧；11-调节电机支座；12-刚度调节电机；13-滚子；14-轴用弹性挡圈；15-滚子轴；16-固定螺丝。具体实现方式下面通过具体实施例对本专利技术的目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本专利技术的实施方式并不因此限定于以下实施例。如图1至图4所示，一种基于浮动弹簧的刚度连续可调关节，包括主轴驱动电机1、谐波减速器2、关节外壳5、输出法兰9，所述主轴驱动电机1与所述谐波减速器2的输入端驱动连接，所述关节外壳5与谐波减速器2外壳通过八个固定螺钉16固定连接，所述关节外壳5内设置有浮动弹簧刚度调节装置，所述浮动弹簧刚度调节装置一端与所述谐波减速器2输出端相连接，另一端与输出法兰9相连接。具体而言，所述的浮动弹簧刚度调节装置包括连接所述谐波减速器2输出端的凸字形输入转动机体4、弹簧上支撑盖3、滚子保持架6、环形凸轮盘7、浮动弹簧10、调节电机支座11、刚度调节电机12，所述输入转动机体4内侧设置有内螺纹，所述的弹簧上支撑盖3外周壁设置有连接所述输入转动机体4的内螺纹，所述调节电机支座11为具有两种直径外花键的中空阶梯轴，所述刚度调节电机12固定设置在所述调节电机支座11的空腔内，所述输入转动机体4外周壁设置有外花键，使得能相互轴向滑动，轴向转动被约束；所述滚子保持架6上部通过内花键与所述输入转动机体4外花键相连接，所述凸轮盘7通过轴承8安装在关节外壳5下部，使其能转动不能轴向运动；所述凸轮盘7的上端面沿周向均匀设置若干斜曲面，所述凸轮盘7的中心孔设置有与所述调节电机支座11较大直径外花键相配合的内花键，所述滚子保持架6下部沿周向均匀设置有若干组通孔，每组通孔设置装有滚子13的滚子轴15，滚子保持架6通过13滚子在凸轮盘7的斜曲面上滚动，所述滚子保持架6底端的中心孔内设置有与所述调节电机支座11较小直径外花键相配合的内花键，所述凸轮盘7底部通过八个螺纹孔及固定螺丝16与主轴输出法兰紧9固连接；所述浮动弹簧10穿过调节电机支座本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于浮动弹簧的刚度连续可调关节，包括主轴驱动电机(1)、谐波减速器(2)、关节外壳(5)、输出法兰(9)，其特征在于：所述主轴驱动电机(1)与所述谐波减速器(2)的输入端驱动连接，所述关节外壳(5)与谐波减速器(2)外壳固定连接，所述关节外壳(5)内设置有浮动弹簧刚度调节装置，所述浮动弹簧刚度调节装置一端与所述谐波减速器(2)输出端相连接，另一端与输出法兰(9)相连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于浮动弹簧的刚度连续可调关节，包括主轴驱动电机(1)、谐波减速器(2)、关节外壳(5)、输出法兰(9)，其特征在于：所述主轴驱动电机(1)与所述谐波减速器(2)的输入端驱动连接，所述关节外壳(5)与谐波减速器(2)外壳固定连接，所述关节外壳(5)内设置有浮动弹簧刚度调节装置，所述浮动弹簧刚度调节装置一端与所述谐波减速器(2)输出端相连接，另一端与输出法兰(9)相连接。2.根据权利要求1所述的一种基于浮动弹簧的刚度连续可调关节，其特征在于：所述的浮动弹簧刚度调节装置包括连接所述谐波减速器(2)输出端的凸字形输入转动机体(4)、弹簧上支撑盖(3)、滚子保持架(6)、环形凸轮盘(7)、浮动弹簧(10)、调节电机支座(11)、刚度调节电机(12)，所述输入转动机体(4)内侧设置有内螺纹，所述的弹簧上支撑盖(3)外周壁设置有连接所述输入转动机体(4)的内螺纹，所述调节电机支座(11)为具有两种直径外花键的中空阶梯轴，所述刚度调节电机(12)固定设置在所述调节电机支座(11)的空腔内，所述输入转动机体(4)外周壁设置有外花键，所述滚子保持架(6)上部通过内花键与所述输入转动机体(4)外花键相连接，所述凸轮盘(7)通过轴承(8)安装在关节外壳(5)下部，所述凸轮盘(7)的上端面沿周向均匀设置若干斜曲面，所述凸轮盘(7)的中心孔设置有与所述调节电机支座(11)较大直径外花键相配合的内花键，所述滚子保持架(6)下部沿周向均匀设置有若干组通孔，每组通孔设置装有滚子(13)的滚子轴(15)，滚子保持架(6)通过(13)滚子在凸轮盘(7)的斜曲面上...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭芳，温海阳，李智军，章隆彬，
申请(专利权)人：华南理工大学，电子科技大学中山学院，
类型：发明
国别省市：广东;44