[发明专利]电磁式可变刚度的柔性转动关节

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种机器人领域的技术，具体是一种电磁式可变刚度的柔性转动关节。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，机器人正逐渐地进入工业以及人们的日常生活，越来越多的场合需要机器人-环境、机器人-人的交互。传统刚性驱动器无法直接对交互过程中变化的力进行顺应。为了缓和机器人交互过程中碰撞所造成的冲击，保护操作人员、机器人及环境设备的安全，同时适应不同工况条件的需求，近年来，设计出具有输出刚度可变能力的柔性关节/驱动器得到了越来越多的研究关注。

目前变刚度柔性关节的设计主要基于：1.调节滑块位置，改变关节内置弹簧片的有效长度来调节其挠曲刚度，进而改变关节的输出刚度；2.预先调节关节内置弹簧的预紧或预拉伸量，从而改变关节的刚度；3.基于杠杆原理，杠杆两端分别连接关节的输出连杆和内置弹性单元，通过改变输出与弹性单元的传递比实现关节刚度的调控。

整体而言，以上的设计都是基于机械式的原理。关节输出刚度的改变一定程度上都依赖于关节内部机械结构的变化。而这种机械结构的改变，又需要通过在关节内部设置专门的调节电机和调节机构来实现，从而使关节的内部结构更加复杂化，延迟了关节的刚度变化响应，同时增大了关节的体积和重量，提高了关节的制造成本。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种电磁式可变刚度的柔性转动关节，通过电磁驱动调节转动关节的扭转刚度，具有机械结构简单、重量轻、体积小、刚度调节快速方便等特点。

本发明是通过以下技术方案实现的，

本发明包括：设有输出轴的电磁变刚度单元、关节外壳和底座，其中：关节外壳、底座与电磁变刚度单元同轴设置，输出轴两端分别固定有第一滚珠轴承和第二滚珠轴承，第一滚珠轴承设置在关节外壳内，第二滚珠轴承设置在底座内，关节外壳顶部与底座之间周向均布有若干限位钉。

所述的电磁变刚度单元包括与输出轴同轴设置的定子和转子，其中：定子内周向均布有若干定子铁芯，定子铁芯外缠绕有定子线圈，转子设置在定子内，转子铁芯与定子铁芯相对设置，输出轴与转子通过键槽结构固定连接，转子上端面设有挡圈，挡圈与第一滚珠轴承相连。

所述的柔性转动关节中转子铁芯在限位钉范围内转动，其扭转刚度随输入电流的变化而变化，且相互呈正相关的关系。

所述的转子在上下端面周向均布有若干拉钩，拉钩与限位钉之间通过平衡弹簧相连。

所述的关节外壳设有开孔的前端盖，输出轴一端穿过前端盖与输出连杆相连，同时前端盖与挡圈对第一滚珠轴承进行定位固定。

所述的底座设有后端盖，后端盖与输出轴轴肩对第二滚珠轴承进行轴向定位固定。

技术效果

与现有技术相比，本发明基于电磁效应，通过控制输入定子线圈中的电流大小，改变定子铁芯对转子铁芯的吸引力，从而调节关节扭转刚度，具有调节方便、响应速度快的优点；本发明无需设置额外的调节电机和传动机构，从而使关节的内部结构更加简单、体积更加紧凑、质量更加轻便。

附图说明

图1为本发明外部壳体剖切后的结构示意图；

图2为本发明中电磁变刚度单元结构示意图；

图3为本发明剖面结构图；

图4为本发明转子转动范围示意图；

图5为本发明处于空载状态时的工作原理示意图；

图6为本发明处于负载状态时的工作原理示意图；

图中：关节外壳1、底座2、定子3、定子铁芯301、定子线圈302、转子4、转子铁芯401、输出轴5、限位钉6、平衡弹簧7、拉钩8、第一滚珠轴承9、第二滚珠轴承10、前端盖11、挡圈12、后端盖13。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1、图2和图3所示，本实施例包括：设有输出轴5的电磁变刚度单元、关节外壳1和底座2，其中：关节外壳1、底座2与输出轴5同轴设置，输出轴5两端分别固定有第一滚珠轴承9和第二滚珠轴承10，第一滚珠轴承9设置在关节外壳1内，第二滚珠轴承10设置在底座2内；