[发明专利]一种基于单动力源的可变刚度柔性关节

说明书

本发明涉及一种基于单动力源的可变刚度柔性关节，关节驱动端包括关节支架、减速器支架、互锁离合器结构、谐波减速器和安装有编码器的关节驱动电机；所述关节支架为一U形结构部件，谐波减速器通过减速器支架与关节支架左端连接，关节驱动电机的输出端通过互锁离合器结构与刚度调节机构连接；所述减速器支架为一中空圆柱壳体，减速器支架一端设置有用于连接谐波减速器的安装孔，另一端设置有用于连接关节支架左端的螺纹孔，减速器支架上还设置有轴肩；所述互锁离合器结构位于减速器支架的空腔内。该关节采用单电机实现关节驱动与刚度调节、结构紧凑、集成度高、定位精度高、刚度可大幅连续线性精确调节、具备多种刚度调节模式。

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体为一种基于单动力源的可变刚度柔性关节。

背景技术

随着现代工业技术的高速发展，机器人的应用范围急剧扩展，人机协作日益密切，伴随着人机交互程度的不断深入，机器人的安全性问题日益突出。目前，机器人普遍采用以“结构简单、体积紧凑、控制方便、定位精准、响应及时”为突出特点的刚性关节，难以根据外部环境与自身负载的变化动态调整关节刚度以满足人机协作的安全性需求。与此同时，以仿生机器人为典型代表的特种机器人发展迅猛，对机器人关节的主/被动柔性也提出了较高的要求。因此，具有可变刚度特性的柔性关节已成为机器人研究领域的热点。

针对可变刚度柔性关节，国内外开展了系统深入的研究工作，研发了多款典型关节，如专利文献“一种柔性关节变刚度机构(CN106695870A)”涉及一种柔性关节变刚度机构，利用刚度调节电机调节两滚子组位置以改变关节周向布置两弹簧压缩量实现关节刚度的有效调节，由于该关节配置两个电机分别用于关节驱动和刚度调节，以致结构控制过于复杂，成本相对较高，同时受杠杆调节刚度原理和周向弹簧布置形式影响，难以实现关节刚度的线性精确调节；专利文献“刚度可调的柔性关节驱动机构(CN104985608A)”公开了一种刚度可调的柔性关节，该关节设置有弹簧连接的两斜曲面盘，利用随关节输出端同步运动的滚轮在两斜曲面盘间的滚动产生关节柔性，该关节虽结构紧凑、刚度精确可调，但对关节刚度调整结构的结构强度以及调整力矩要求较高，且难以实现对关节平衡位置刚度即关节被动刚度的有效调节；专利文献“刚度连续可调的机器人柔性关节(CN106142132A)”公开了一种刚度可连续调整的机器人柔性关节，通过刚度调节电机调整安装于弹簧支撑架和连杆下拉套筒间浮动弹簧的预压缩量，实现关节刚度的大幅连续调节，但该关节同样配置两个分别用于关节驱动和刚度调节的电机，结构控制较为复杂，同时由于缺乏相应的位置检测系统，关节定位精度和刚度调节精度相对较低。

综上所述，现有柔性关节虽能初步实现关节刚度的有效调节，但关节普遍配置两个电机分别用于关节驱动和刚度调节，存在结构控制复杂、定位精度不高、刚度调节方式单一、刚度线性精确调节困难且调整范围局限等诸多不足。因此，亟需研发一种采用单电机实现关节驱动与刚度调节、结构紧凑、集成度高、定位精度高、刚度可大幅连续线性精确调节、具备多种刚度调节模式、且易于控制的可变刚度柔性关节。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种采用单电机实现关节驱动与刚度调节、结构紧凑、集成度高、定位精度高、刚度可大幅连续线性精确调节、具备多种刚度调节模式、且易于控制的可变刚度柔性关节。

本发明解决所述技术问题所采用的技术方案是：设计一种基于单动力源的可变刚度柔性关节，包括关节驱动端、刚度调节机构和关节输出端；所述关节输出端与关节负载相连接，所述刚度调节机构两端分别与关节驱动端和关节输出端刚性连接；其特征在于：

所述关节驱动端包括关节支架、减速器支架、互锁离合器结构、谐波减速器和安装有编码器的关节驱动电机；所述关节支架为一U形结构部件，谐波减速器通过减速器支架与关节支架左端连接，关节驱动电机的输出端通过互锁离合器结构与刚度调节机构连接，关节驱动电机固定在关节支架上，且关节驱动电机与谐波减速器同轴安装；所述减速器支架为一中空圆柱壳体，减速器支架一端设置有用于连接谐波减速器的安装孔，另一端设置有用于连接关节支架左端的螺纹孔，减速器支架上还设置有轴肩；所述互锁离合器结构位于减速器支架的空腔内；