[发明专利]一种双电机驱动的机器人变刚度弹性关节

说明书

技术领域

本发明涉及一种机器人仿生关节，具体为一种双电机驱动的刚度可 调的机器人弹性关节，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。

背景技术

长期以来，传统的机器人关节设计理论认为，对于动力驱动装置 与关节铰链之间的机械连接方式应优先考虑刚度较大的传动机构。因 此，在工业机器手臂、仿生多足机器人以及康复医疗假肢等关节机器 人的研究中，普遍采用电机输出轴与关节机构进行刚性连接的驱动方 案，其优势在于结构简单、定位精准、响应快速，从而满足各种操作 与应用的需求。但这种驱动方案由于缺乏柔顺性使得机器人更容易受 到外部冲击的影响而损坏，甚至对与之协作的人类造成伤害，同时对 于机器人实现自调整接触、低能耗运动等目标也存在不足和缺憾。变 刚度弹性驱动关节能够使柔性机械臂系统像人类肌肉一样，遇到冲击 的时候能够适当的弯曲，从而缓冲碰撞等产生的能量，同时获得像生 物体一样的触觉，感知外界阻力以便产生反应，从而达到保护手臂和 环境的作用。另外，像肌肉一样吸收、存储、再次利用能量，不仅提 高了能量利用率，而且从一定程度上消除机械震荡，减轻零部件的机 械损伤。

目前，国内对弹性关节的研究还非常少。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，大部分不具有刚度调节 功能，如江苏大学杨启志等提出一种基于阿基米德螺线弹性体的柔弹 性关节，专利公开号CN105082170A，其弹性体采用两片圆形弹簧片， 弹簧片上开有阿基米德螺线槽以增加关节柔性，该装置虽然结构紧凑 但运动范围有限且不能进行刚度调节。即使目前有极少数该弹簧片装 置带有刚度调节，也存在集成度较低、较为笨重、通用性较差等问题， 如北京理工大学黄强等人提出的一种可变刚度的机器人关节，专利公 开号CN104440936A，关节上安装了一片主摩擦片和两片副摩擦片， 在螺栓施加预紧力作用下产生摩擦力，利用摩擦片的摩擦特性进行刚 度调节，但是摩擦片属于消耗品，使用一段时间后就会丧失原有功能 需要定期更换，且其只设两级刚度调节，不能实现线性可调的刚度特 性。更重要的是，目前已公开的刚度可调柔性关节均使用了一个电机 负责驱动关节，另一个电机调节刚度，而不负责驱动关节，如此对于 刚度调节电机的动力形成了浪费；而如果使用低性能刚度调节电机， 则又难以保障在遇到碰撞的情况下，关节刚度可以及时进行调整。

发明内容

本发明的目的在于克服现有机器人关节设计上的不足，提出一种 双电机驱动的机器人变刚度弹性关节，它能安装于大多数采用转动关 节的机器人上。本发明使用两个驱动电机同时驱动关节，同时，两个 电机之间的夹角通过四连杆机构调节弹簧片的有效长度，改变关节刚 度，实现弹性缓冲。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种双电机驱动的机器人变刚度弹性关节，包括位于同一旋转轴 线上的输出轴、柔性传动机构，驱动端，所述驱动端包括两个同轴地 驱动连接于所述柔性传动机构两端的空心轴驱动电机，所述的输出轴 与所述柔性传动机构中部固定连接且一端穿过并延伸至空心轴驱动 电机的空心轴外，所述输出轴在受到不同负载冲击时通过两空心轴驱 动电机改变两个电机之间的转动夹角调整柔性传动机构驱动所述输 出轴转动时的力臂长度实现刚度调整。

进一步地，所述的柔性传动机构包括弹性传力机构和刚性调节机 构，所述弹性传力机构同轴地固定于输出轴上，所述的刚性调节机构 两端分别连接空心轴驱动电机，中部与所述弹性传力机构滑动连接。

进一步地，所述的驱动端还包括分别设置于柔性传动机构两端、 用于固定两个空心轴驱动电机壳体的固定板。

进一步地，所述弹性传力机构包括固定在输出轴上的弹簧座、一 端沿输出轴径向均匀固定在弹簧座上的若干矩形弹簧片，所述弹簧片 长度方向的两侧面与刚性调节机构滑动连接。