一種柔性關節變剛度機構的製作方法
2023-06-28 20:06:31 3
本發明屬於機器人技術領域，特別涉及一種柔性關節變剛度機構。
背景技術：
隨著機器人技術的發展，機器人的適用範圍得到拓寬。機器人由原來的工廠隔離區逐漸走進人類社會。機器人在工作時不僅要和人類協作，甚至有時候需要和人類發生接觸。伴隨人機互動程度加深，外界環境的不確定因素也在增加，工作環境變得複雜，隨時可能和周圍的環境中的物體發生碰撞，這對機器人的安全性提出了很高的要求。傳統的工業機器人是剛性的，在利用大量的傳感器和複雜的控制算法的基礎上，也能實現一定的柔順控制。但是，精確動力學模型建立難度大，傳感器的解析度和系統的響應速度對柔順控制的效果產生了很大的影響。而且，機器人和人類一起工作時也應該具備一定被動安全性，以保證在一些傳感器失靈或者是遇到突發情況能保護機器人及人類免受傷害。同時，對於剛性比較大的機器人關節，在受到衝擊時或者碰撞到物體時，那部分撞擊的能量沒有得到合理的利用，造成能耗比較大。機器人處在位置環境時，經常會和物體或者人類接觸，經常起停，剛度大的機器人關節響應速度慢。
國內的學者試圖尋找出一種合理的辦法來保護人類的安全，並有效地改善效率低以及起動響應慢等問題。大部分學者提出的方法是設計一種剛度可變的柔性機構，在動力源和輸出端之間加入這種剛度可變的柔性機構，可以根據使用場合對關節的剛度進行調整，保證安全性。當機器人和外界物體發生碰撞時關節剛度變得很低，減小碰撞傷害。在對位置要求高的時候，使關節剛度變的高，保證位置精度。此外，這種機構在關節運動時可以充當一種能量存貯裝置，在關節到衝擊時將能量存儲下來，在接下來的運動中可以將能量返還到機器人系統中，減小能量的消耗，加快機器人的啟動速度。
現階段在關節中引入的變剛度機構的原理有以下幾種：拮抗原理、槓桿原理、改變彈簧參數、電磁原理、氣動肌肉等。基於上述原理設計的變剛度關節都能實現關節的變剛度要求，但是都存在相應的不足。基於拮抗原理設計的變剛度關節在進行剛度調節時所需的能量比較大，部分關節耦合性強，負載能力差；基於槓桿原理設計的變剛度關節的被動剛度曲線不夠理想，部分關節的尺寸比較大；基於改變彈簧參數設計的變剛度關節，尺寸比較大，剛度精度低；基於電磁原理設計的關節易受到電路電流波動影響，剛度穩定性差；基於氣動肌肉設計的變剛度關節，需要外接氣缸，使用範圍不廣。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服現有技術的缺點與不足，提供一種柔性關節變剛度機構，解決上述的負載能力差、剛度調節範圍小、調節剛度能耗大、耦合性強、被動剛度特性差、需要外接氣缸的問題。
本發明的目的通過以下技術方案實現：一種柔性關節變剛度機構，包括輸入結構1和輸出結構2，所述輸入結構1和輸出結構2上下對應相連；所述輸入結構1包括一對導杆軸11-1、11-2、一對導杆12-1、12-2、一對壓縮彈簧13-1、13-2、一對彈簧安裝座14-1、14-2和輸入板15；所述輸出結構2包括一對直線導軌組件21-1、21-2、一對滾子組22-1、22-2、一對滾子安裝架23-1、23-2、直線位移傳感器推桿24、一對齒條25-1、25-2、從動齒輪26、主動齒輪27、直線位移傳感器28、輸出板29以及多個軸承、卡簧和螺栓；所述導杆軸11-1、11-2以及彈簧安裝座14-1、14-2安裝在輸入板15上，導杆12-1、12-2安裝在導杆軸11-1、11-2上，導杆12-1、12-2和彈簧安裝座14-1、14-2之間安裝有壓縮彈簧13-1、13-2，所述直線導軌組件21-1、21-2、直線位移傳感器28和從動齒輪26分別安裝在輸出板29上，滾子安裝架23-1、23-2安裝在直線導軌組件21-1、21-2上，滾子安裝架23-1、23-2上分別安裝有滾子組22-1、22-2和齒條25-1、25-2，直線位移傳感器推桿24的一端安裝在主動齒輪27對應的滾子安裝架上，另一端和直線位移傳感器28上的滑塊相連，從動齒輪26安裝在從動齒輪軸上。
優選地，輸入板15一側和控制位置的動力源相連接，另一側安裝變剛度機構輸入結構；所述導杆軸11-1、11-2以及彈簧安裝座14-1、14-2均對稱地布置在輸入板15上，採用螺栓連接進行固定；所述導杆12-1、12-2為對稱布置和導杆軸11-1、11-2同軸布置，所述壓縮彈簧13-1、13-2和導杆12-1、12-2以及彈簧安裝座14-1、14-2垂直布置，導杆12-1、12-2和壓縮彈簧13-1、13-2之間通過凸起圓柱固定相對位置，彈簧安裝座14-1、14-2和壓縮彈簧13-1、13-2通過緊定螺釘固定相對位置。
優選地，輸出板29為盤狀，一端為關節輸出，另一端安裝有輸出結構，所述直線導軌組件21-1、21-2、滾子組22-1、22-2、滾子安裝架23-1、23-2和齒條25-1、25-2均採用對稱布置安裝在輸出板29上，所述直線位移傳感器28和主動齒輪27對應的直線導軌組件平行放置，兩者分別位於輸出板29的兩側，主動齒輪27和剛度調節電機相連；從動齒輪26和主動齒輪27的齒數和模數相同，之間相互嚙合，兩齒輪分別和齒條25-1、25-2嚙合。
優選地，從動齒輪26安裝在從動齒輪軸上，軸向固定採用軸肩和卡簧來實現，所述從動齒輪軸利用螺栓和輸出板29固連。
優選地，所述導杆12-1、12-2、滾子組22-1、22-2、彈簧安裝座14-1、14-2、壓縮彈簧13-1、13-2、齒條25-1、25-2、直線導軌組件21-1、21-2、滾子安裝架23-1、23-2均成對布置，和直徑方向成一定角度，成「八」字狀對稱布置。
優選地，導杆12-1、12-2的初始位置和直線導軌組件21-1、21-2平行，滾子組22-1、22-2和導杆12-1、12-2相切。
本發明由於採取以上技術方案，其具有以下優點：
1、本發明通過輪系傳動，實現滑塊的同步反向位移。基於槓桿原理，改變滾子和導杆之間作用作用力大小。而且導杆上作用力位置的變化，也使作用力對旋轉中心的力臂發生變化，有效地增強關節的額負載能力，剛度調節範圍大。
2、本發明採用滾子和導杆來傳遞力，滾子和導杆之間的摩擦力小，該變兩者的相對位置時，所需的力小且，在初始狀態時，滑塊導軌和導杆相互平行，相互之間的壓力小。通過上述創新，有效的實現改變剛度能耗小。
3、本發明是單獨作機器人變剛度關節的變剛度機構，位置電機驅動整個變剛度機構轉動，調剛度電機驅動滾子位置變化改變關節剛度。在工作中，位置控制和剛度控制是獨立的，不存在耦合問題。
4、本發明採用分離式的雙導杆結構。現存採用單槓桿的變剛度關節，在受不同方向的力矩時，兩個彈簧都提供相應的拉力或者壓力，兩個彈簧之間存在耦合作用。該發明中每個導杆和對應的滾子只在承受某一側力矩時才發生相互作用，在受另一側力時導杆和滾子之間是分離的，這樣可以解除兩個彈性元件之間的耦合，有效地簡化模型。
5、本發明採用改變作用力的大小及改變作用力和直徑方向的夾角聯合作用，實現良好的仿人被動剛度性能。現存的基於槓桿原理的變剛度關節通常在不受外力矩時，槓桿通常和直徑重合，槓桿和支點之間的作用力的和半徑方向的夾角為90度。在受到外力矩時，作用力變大，但是作用力和直徑方向的夾角發生改變，使得有效力臂減小。作用力的增大和有效力臂的減小，使得關節的被動剛度效果不理想。本發明中，採用導軌和直徑方向不平行放置，在初始狀態使得滾子和導杆之間的作用力和半徑方向小於90度，在受到外部載荷時，作用力的方向和半徑方向的夾角增大，接近90度而不超過90度。通過作用力和作用力角度同時增大，有效的實現良好的被動剛度性能。
6、本發明採用電機驅動，不需要外接氣缸。
附圖說明
圖1是本發明整體結構圖；
圖2是本發明的輸入結構結構圖；
圖3是本發明的輸出結構結構圖；
圖4是本發明的輸出結構右視圖；
圖5是本發明的原理圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
結合圖1、圖2、圖3、圖4，一種柔性關節變剛度機構，包括輸入結構1和輸出結構2，所述輸入結構1和輸出結構2上下對應相連；所述輸入結構1包括一對導杆軸11-1、11-2、一對導杆12-1、12-2、一對壓縮彈簧13-1、13-2、一對彈簧安裝座14-1、14-2和輸入板15；所述輸出結構2包括一對直線導軌組件21-1、21-2、一對滾子組22-1、22-2、一對滾子安裝架23-1、23-2、直線位移傳感器推桿24、一對齒條25-1、25-2、從動齒輪26、主動齒輪27、直線位移傳感器28、輸出板29以及多個軸承、卡簧和螺栓；所述導杆軸11-1、11-2以及彈簧安裝座14-1、14-2安裝在輸入板15上，導杆12-1、12-2安裝在導杆軸11-1、11-2上，導杆12-1、12-2和彈簧安裝座14-1、14-2之間安裝有壓縮彈簧13-1、13-2，所述直線導軌組件21-1、21-2、直線位移傳感器28和從動齒輪26分別安裝在輸出板29上，滾子安裝架23-1、23-2安裝在直線導軌組件21-1、21-2上，滾子安裝架23-1、23-2上分別安裝有滾子組22-1、22-2和齒條25-1、25-2，直線位移傳感器推桿24的一端安裝在主動齒輪27對應的滾子安裝架上，另一端和直線位移傳感器28上的滑塊相連，從動齒輪26安裝在從動齒輪軸上。
所述輸入板15一側和控制位置的動力源相連接，另一側安裝變剛度機構輸入結構；所述導杆軸11-1、11-2以及彈簧安裝座14-1、14-2均對稱地布置在輸入板15上，採用螺栓連接進行固定；所述導杆12-1、12-2為對稱布置和導杆軸11-1、11-2同軸布置，所述壓縮彈簧13-1、13-2和導杆12-1、12-2以及彈簧安裝座14-1、14-2垂直布置，導杆12-1、12-2和壓縮彈簧13-1、13-2之間通過凸起圓柱固定相對位置，彈簧安裝座14-1、14-2和壓縮彈簧13-1、13-2通過緊定螺釘固定相對位置。
所述輸出板29為盤狀，一端為關節輸出，另一端安裝有輸出結構，所述直線導軌組件21-1、21-2、滾子組22-1、22-2、滾子安裝架23-1、23-2和齒條25-1、25-2均採用對稱布置安裝在輸出板29上，所述直線位移傳感器28和主動齒輪27對應的直線導軌組件平行放置，兩者分別位於輸出板29的兩側，主動齒輪27和剛度調節電機相連；從動齒輪26和主動齒輪27的齒數和模數相同，之間相互嚙合，兩齒輪分別和齒條25-1、25-2嚙合。
所述從動齒輪26安裝在從動齒輪軸上，軸向固定採用軸肩和卡簧來實現，所述從動齒輪軸利用螺栓和輸出板29固連。
上述安裝連接關係均可通過螺栓連接進行固定，從動齒輪26安裝在從動齒輪軸上，兩者之間裝有軸承，從動齒輪26可以自由的繞從動齒輪軸轉動，軸向固定採用軸肩和卡簧來實現。主動齒輪27和調剛度電機相連接，傳遞動力。從動齒輪26和主動齒輪27齒數和模數相等，之間相互嚙合。兩齒輪分別和齒條25嚙合，實現滑塊的同步動作來改變關節的剛度。當有調剛度運動輸入時，從動齒輪26和主動齒輪27相互嚙合反向轉動，帶動與之嚙合的齒條25反向同步運動，實現滾子組的同步動作，來改變關節的剛度。
所述導杆12-1、12-2、滾子組22-1、22-2、彈簧安裝座14-1、14-2、壓縮彈簧13-1、13-2、齒條25-1、25-2、直線導軌組件21-1、21-2、滾子安裝架23-1、23-2均成對布置，和直徑方向成一定角度，成「八」字狀對稱布置。
所述導杆12-1、12-2的初始位置和直線導軌組件21-1、21-2平行，滾子組22-1、22-2和導杆12-1、12-2相切，輸入結構1和輸出結構2之間的軸向距離通過外殼來確定。滾子組22分別和導杆12接觸。初始狀態時，在輪系的驅動下，滾子組22分別和導杆12間的接觸點位置發生改變，接觸點時刻保持對稱的位置。導杆12的初始位置分別和直線導軌組件21平行，驅動輪系改變作用點位置所需的能量小。
結合圖5，本發明的原理為：
由於滾子組22在運動的過程中始終是對稱的，這裡主要以滾子組22-1來說明。如圖5所示，在調節電機的作用下，運動經過輪系傳動，實現滾子組22-1和22-2靠近或者遠離初始位置a，實現變剛度。在遠離初始位置a時，以導杆12-1的旋轉中心為中心，導杆12-1-a和滾子組22-1-b之間作用力的力臂減小，彈簧力的力臂保持不變，利用槓桿原理，將導杆12-1-a和滾子組22-1-b之間作用力變大。同時，在滾子組22-1-a運動到滾子組22-1-b時，導杆12-1-a和滾子組22-1-b之間作用力對關節旋轉中心的力臂增加。以上兩點使關節有良好的負載能力。
在外界力矩的作用下，輸入板15和輸出板29之間發生偏轉，滾子組22-1-b對導杆12-1-a的作用力使導杆12-1-a發生旋轉，導杆12-1-a的斜置設計使導杆12-1-a發生旋轉後對滾子組22-1-c的作用力的方向和直徑O1O2的夾角增大，以致導杆12-1-b對滾子組22-1-c的作用力對關節的旋轉中心的有效力臂增加，使整個關節的被動剛度性能得到優化，能有效的緩衝外界載荷。
該變剛度機構中，採用了雙導杆-雙滾子組結構，在受到外部負載力矩時，只有一側導杆和滾子之間相互接觸，另一側導杆和滾子之間相互分離。這樣可以解除兩個壓縮彈簧之間的耦合作用，得到更好的剛度性能和負載能力。同時採用兩個組導杆和滾子組對稱布置和滾子組的同步動作，實現正反轉力矩和剛度隨偏轉角的變化曲線一致。
其理論計算如下：
如圖5所示，滾子組位置由22-1-a移動x到達22-1-b位置，對整體剛度進行調節。受到外界負載Text後，輸入板15和輸出板29之間偏轉角度為β。彈簧力Fs1對旋轉中心O1的力臂為Ls1。F為滾子組22-1-c對導杆12-1-b的作用力，其對O1的力臂為L，則F的大小為：
F＝(Fs1×Ls1)/L
Lr為滾子組22-1-c發生旋轉時軌跡所在的半徑，σ1是F的方向和O1O2的夾角。則F對關節旋轉中心的力矩T為：
T＝F×Lr×sin(β－σ1)
關節剛度為：
Kadj＝dT/dβ
通過電機驅動主動齒輪27運動，經過驅動輪系的傳遞，實現滾子的位置的單向同步變化，對關節的剛度進行調節。
以上對本發明所提供的一種柔性關節變剛度機構，進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用範圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。