一种可变刚度的柔性关节制造技术

一种可变刚度的柔性关节，它涉及一种机器人关节，以解决现有机器人关节结构复杂、线性度差以及能量损耗大的问题，它包括刚度调节机构、主传动机构、刚调传动机构和支撑定位座；所述刚度调节机构包括输出杆、刚调内齿圈、支点齿轮、支点杆、中间杆、弹簧和两个滑块；所述主传动机构包括主动电机、主行星减速器、主电机齿轮和主传动内齿圈；所述刚调传动机构包括刚调电机、刚调行星减速器、刚调电机齿轮、刚调传动齿轮和刚调主轴；所述支撑定位座包括底座和外壳；所述刚度调节机构布置在所述外壳内，所述主动电机齿轮、所述主传动内齿圈、所述刚调电机齿轮、所述刚调传动齿轮和所述刚调主轴布置在所述外壳，本发明专利技术用于机器人肘关节。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种机器人关节，具体涉及一种可变刚度的柔性关节，属于机器人

技术介绍
具备柔性关节的柔性机器人区别于传统的刚性机器人，因为具有环境交互的安全性，已成为未来机器人研究的重要目标。变刚度柔性关节作为柔性关节的一个重要分支，兼具了环境安全性、控制精度高和应用广泛的优点，自提出后，正逐渐成为一个新的研究热点。已有的变刚度关节，根据变刚度原理的不同，都或多或少的存在着一些缺陷。如平衡位置变刚度关节的系统带宽限制和弹簧调整能量损耗问题；拮抗变刚度关节结构复杂，占用空间大问题；结构控制变刚度关节的线性度以及控制复杂的问题以及机械控制变刚度关节的能量损耗问题等等。另一方面，各种传动机构如滚珠丝杠、齿轮齿条、曲柄滑块等也会给关节带来相应的问题。
技术实现思路
本专利技术是为解决现有机器人关节结构复杂、线性度差以及能量损耗大的问题，进而提供一种可变刚度的柔性关节。本专利技术为解决上述问题采取的技术方案是：一种可变刚度的柔性关节包括刚度调节机构、主传动机构、刚调传动机构和支撑定位座；所述刚度调节机构包括输出杆、刚调内齿圈、支点齿轮、支点杆、中间杆、弹簧和两个滑块；所述主传动机构包括主动电机、主行星减速器、主电机齿轮和主传动内齿圈；所述刚调传动机构包括刚调电机、刚调行星减速器、刚调电机齿轮、刚调传动齿轮和刚调主轴；所述支撑定位座包括底座和外壳；所述外壳为上端封闭而下端敞口的外壳，外壳的下端安装有底座；所述刚度调节机构布置在所述外壳内，所述主动电机齿轮、所述主传动内齿圈、所述刚调电机齿轮、所述刚调传动齿轮和所述刚调主轴布置在所述外壳；所述主动电机的输出轴竖向布置，所述主动电机的输出轴上安装有所述主动行星减速器，所述主动行星减速器的输出轴上安装有所述主电机齿轮，所述主电机齿轮与所述主传动内齿圈啮合，所述主传动内齿圈安装在所述外壳的内壁上，且所述主传动内齿圈能相对外壳周向转动，所述主传动内齿圈的上部设置有与其连接的所述刚调内齿圈；所述刚调电机的输出轴竖向布置，所述刚调电机的输出轴上安装有所述刚调行星减速器，所述刚调行星减速器的输出轴上安装有所述刚调电机齿轮；所述刚调主轴竖向设置，所述刚调主轴的下端转动安装在所述底座上，所述刚调主轴的上端安装有所述支点齿轮，所述支点齿轮与所述刚调内齿圈啮合，所述刚调主轴上还安装有所述刚调传动齿轮，所述刚调传动齿轮与所述刚调电机齿轮啮合，所述刚调主轴安装在所述主传动内齿圈上，且刚调主轴能相对所述主传动内齿圈周向转动；所述中间杆的两端各转动安装有一个所述滑块，位于两个所述滑块之间的所述中间杆上套装有弹簧，所述支点杆的一端与所述支点齿轮转动连接，所述支点杆的另一端转动安装在两个所述滑块中的其中一个滑块上，所述输出杆的一端转动连接转动安装在所述两个所述滑块中的另一个滑块上，所述输出杆的另一端安装有输出轴，所述输出轴转动安装在外壳的上端通孔内，邻近所述支点杆另一端的所述中间杆的端部转动安装在所述刚调内齿圈上。进一步地，所述支点齿轮与所述刚调内齿圈的齿数比为1:2。进一步地，所述主传动内齿圈与所述主电机齿轮的传动比为3.67。进一步地，所述刚调传动齿轮与所述刚调电机齿轮的传动比为1.5。进一步地，所述主传动机构还包括上连接盘、下连接盘和主传动深沟球轴承；所述下连接盘的下边缘与所述主传动内齿圈连接，所述上连接盘和所述下连接盘之间夹装有主传动深沟球轴承，所述主传动深沟球轴承的外圈与所述外壳的内壁面连接，所述上连接盘与所述刚调内齿圈连接。进一步地，所述刚度调节机构还包括支点架和支撑件；所述支点齿轮布置在所述支点架的下方且二者可拆卸连接，所述支点杆的一端与所述支点架转动连接，所述支撑件安装在所述刚调齿圈上，邻近所述支点杆另一端的所述中间杆的端部转动安装在所述支撑件上。进一步地，所述主行星减速器的输出轴呈D形，所述刚调行星减速器的输出轴呈D形。进一步地，所述主动电机为自带编码器的电机，所述刚调电机为自带编码器的电机。本专利技术的有益效果是：一、本专利技术实现了柔性关节变刚度原理的创新，该创新使用了类曲柄滑块机构，改变滑块相对位置压缩弹簧产生不同变形量，实现输出刚度的变化。该机构的刚度变化由机构几何关系保证，运算及仿真证明，该机构在行星轮的驱动下，可以产生线性度较高的刚度-偏转角曲线，有效的提升了控制精度。在刚度的稳定性方面，当主传动机构和调刚传动机构同步运动时，刚度保持不变，此时机构即使有窜动，也会在力作用下回到平衡状态，保持了刚度的稳定。二、本专利技术在结构上进行了创新，解决了现有结构体积较大，结构复杂，布局不合理的缺点。刚度调节机构、刚调传动机构和主传动机构沿轴向紧凑布置，零件数量少，空间占用小；同时，主动电机和刚调电机并排布置，减轻了电机带来的结构尺寸增大问题，使得结构更加紧凑。本专利技术提供轻便，紧凑，变刚度范围大，线性度好的变刚度关节有重要的应用价值。三、本专利技术在传动方面采用了基于运动学解算法的传动方式，通过固定尺寸比的行星轮来产生变刚度部分所需的直线运动，该传动方式摒弃了传统丝杠传动和齿轮齿条传动径向尺寸大的缺点，自下而上的传动方式也为结构在外壳内的高度集成带来了便利。四、本专利技术实现了刚度从零到较大范围的近似线性连续变化，支点处在零位时，输出刚度为零，随着支点位置的偏移，弹簧产生对应的压缩，输出一条近似直线的刚度变化曲线，直至弹簧达到最大压缩量，此时关节输出较大刚度。五、本专利技术创新性的加入了双滑块结构，滑块通过轴套与中间杆相连，支点与滑块之间则用轴承相连接，解决了传统机构中使用支点和中间杆配合时的间隙和润滑问题，提升了位置精度。附图说明图1为本专利技术整体结构示意图；图2为具体实施方式的刚度调节机构的整体结构示意图；图3为具体实施方式的中间杆、弹簧和两个滑块配合结构示意图；图4为具体实施方式的主传动机构的整体结构示意图；图5为具体实施方式的刚调传动机构的整体结构示意图。具体实施方式下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本专利技术的技术方案。结合图1-图5说明，本实施方式的一种可变刚度的柔性关节包括刚度调节机构1、主传动机构2、刚调传动机构3和支撑定位座4；所述刚度调节机构1包括输出杆101、刚调内齿圈102、支点齿轮103、支点杆107、中间杆110、弹簧111和两个滑块112；所述主传动机构2包括主动电机200、主行星减速器201、主电机齿轮202和主传动内齿圈206；所述刚调传动机构3包括刚调电机300、刚调行星减速器301、刚调电机齿轮302、刚调传动齿轮306和刚调主轴308；所述支撑定位座4包括底座401和外壳402；所述外壳402为上端封闭而下端敞口的外壳，外壳402的下端安装有底座401；所述刚度调节机构1布置在所述外壳402内，所述主动电机齿轮202、所述主传动内齿圈206、所述刚调电机齿轮302、所述刚调传动齿轮306和所述刚调主轴308布置在所述外壳402；所述主动电机200的输出轴竖向布置，所述主动电机200的输出轴上安装有所述主动行星减速器201，所述主动行星减速器201的输出轴上安装有所述主电机齿轮202，所述主电机齿轮202与所述主传动内齿圈206啮合，所述主传动内齿圈206安装在所述外壳402的内壁上，且所述主传动内齿圈206能相对外壳402周向转动，所述主传动内齿圈206的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可变刚度的柔性关节，其特征在于：它包括刚度调节机构(1)、主传动机构(2)、刚调传动机构(3)和支撑定位座(4)；所述刚度调节机构(1)包括输出杆(101)、刚调内齿圈(102)、支点齿轮(103)、支点杆(107)、中间杆(110)、弹簧(111)和两个滑块(112)；所述主传动机构(2)包括主动电机(200)、主行星减速器(201)、主电机齿轮(202)和主传动内齿圈(206)；所述刚调传动机构(3)包括刚调电机(300)、刚调行星减速器(301)、刚调电机齿轮(302)、刚调传动齿轮(306)和刚调主轴(308)；所述支撑定位座(4)包括底座(401)和外壳(402)；所述外壳(402)为上端封闭而下端敞口的外壳，外壳(402)的下端安装有底座(401)；所述刚度调节机构(1)布置在所述外壳(402)内，所述主动电机齿轮(202)、所述主传动内齿圈(206)、所述刚调电机齿轮(302)、所述刚调传动齿轮(306)和所述刚调主轴(308)布置在所述外壳(402)；所述主动电机(200)的输出轴竖向布置，所述主动电机(200)的输出轴上安装有所述主动行星减速器(201)，所述主动行星减速器(201)的输出轴上安装有所述主电机齿轮(202)，所述主电机齿轮(202)与所述主传动内齿圈(206)啮合，所述主传动内齿圈(206)安装在所述外壳(402)的内壁上，且所述主传动内齿圈(206)能相对外壳(402)周向转动，所述主传动内齿圈(206)的上部设置有与其连接的所述刚调内齿圈(102)；所述刚调电机(300)的输出轴竖向布置，所述刚调电机(300)的输出轴上安装有所述刚调行星减速器(301)，所述刚调行星减速器(301)的输出轴上安装有所述刚调电机齿轮(302)；所述刚调主轴(308)竖向设置，所述刚调主轴(308)的下端转动安装在所述底座(401)上，所述刚调主轴(308)的上端安装有所述支点齿轮(103)，所述支点齿轮(103)与所述刚调内齿圈(102)啮合，所述刚调主轴(308)上还安装有所述刚调传动齿轮(306)，所述刚调传动齿轮(306)与所述刚调电机齿轮(302)啮合，所述刚调主轴(308)安装在所述主传动内齿圈(206)上，且刚调主轴(308)能相对所述主传动内齿圈(206)周向转动；所述中间杆(110)的两端各转动安装有一个所述滑块(112)，位于两个所述滑块(112)之间的所述中间杆(110)上套装有弹簧(111)，所述支点杆(107)的一端与所述支点齿轮(103)转动连接，所述支点杆(107)的另一端转动安装在两个所述滑块(112)中的其中一个滑块(112)上，所述输出杆(101)的一端转动连接转动安装在所述两个所述滑块(112)中的另一个滑块(112)上，所述输出杆(101)的另一端安装有输出轴(C)，所述输出轴(C)转动安装在外壳(402)的上端通孔内，邻近所述支点杆(107)的另一端的所述中间杆(110)的端部转动安装在所述刚调内齿圈(102)上。...

【技术特征摘要】
1.一种可变刚度的柔性关节，其特征在于：它包括刚度调节机构(1)、主传动机构(2)、刚调传动机构(3)和支撑定位座(4)；所述刚度调节机构(1)包括输出杆(101)、刚调内齿圈(102)、支点齿轮(103)、支点杆(107)、中间杆(110)、弹簧(111)和两个滑块(112)；所述主传动机构(2)包括主动电机(200)、主行星减速器(201)、主电机齿轮(202)和主传动内齿圈(206)；所述刚调传动机构(3)包括刚调电机(300)、刚调行星减速器(301)、刚调电机齿轮(302)、刚调传动齿轮(306)和刚调主轴(308)；所述支撑定位座(4)包括底座(401)和外壳(402)；所述外壳(402)为上端封闭而下端敞口的外壳，外壳(402)的下端安装有底座(401)；所述刚度调节机构(1)布置在所述外壳(402)内，所述主动电机齿轮(202)、所述主传动内齿圈(206)、所述刚调电机齿轮(302)、所述刚调传动齿轮(306)和所述刚调主轴(308)布置在所述外壳(402)；所述主动电机(200)的输出轴竖向布置，所述主动电机(200)的输出轴上安装有所述主动行星减速器(201)，所述主动行星减速器(201)的输出轴上安装有所述主电机齿轮(202)，所述主电机齿轮(202)与所述主传动内齿圈(206)啮合，所述主传动内齿圈(206)安装在所述外壳(402)的内壁上，且所述主传动内齿圈(206)能相对外壳(402)周向转动，所述主传动内齿圈(206)的上部设置有与其连接的所述刚调内齿圈(102)；所述刚调电机(300)的输出轴竖向布置，所述刚调电机(300)的输出轴上安装有所述刚调行星减速器(301)，所述刚调行星减速器(301)的输出轴上安装有所述刚调电机齿轮(302)；所述刚调主轴(308)竖向设置，所述刚调主轴(308)的下端转动安装在所述底座(401)上，所述刚调主轴(308)的上端安装有所述支点齿轮(103)，所述支点齿轮(103)与所述刚调内齿圈(102)啮合，所述刚调主轴(308)上还安装有所述刚调传动齿轮(306)，所述刚调传动齿轮(306)与所述刚调电机齿轮(302)啮合，所述刚调主轴(308)安装在所述主传动内齿圈(206)上，且刚调主轴(308)能相对所述主传动内齿圈(206)周向转动；所述中间杆(110)的两端各转动安装有一个所述滑块(112)，位于两个所述滑块(...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘玉斌，张赫，蔡若凡，李戈，赵杰，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23