[发明专利]一种双态式变刚度柔顺关节及操作方法

说明书

本发明公开了一种双态式变刚度柔顺关节及操作方法，该关节由输入轴、输出外圈和刚度调节机构组成。输入轴置于输出外圈的回转中心，与输入盘固连；输入盘与输出外圈之间安装有两个弹性簧片，每个弹性簧片一端通过轴承与输出外圈相连，另一端与一小锥齿轮轴固连，小锥齿轮轴通过轴承与输入盘相连；刚度调节机构通过刚度调节电机与一大锥齿轮固连；大锥齿轮与两个和弹性簧片固连的小锥齿轮啮合。本发明具有良好的抗冲击能力和柔性动力特性，属主动变刚度柔顺关节，可用于仿生、服务、康复等各类机器人的关节和驱动器。

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种双态式变刚度柔顺关节及操作方法。

背景技术

随着机器人技术的发展，向着柔性方面，多台机器人的协同工作，以及机器人与人之间的交互作用等越来越普遍。机器人从传统领域被应用到其他非工业领域，特别是仿生机器人、服务机器人以及康复机器人的崛起，迫使机器人关节需具有一定的柔顺性，以保证能量利用率的提高以及提高人机交互时的安全保障。

从机器人的整体结构来看，机器人关节是机器人实现各种目标运动的关键零部件。现有机器人技术应用较多的主要是刚性关节和弹性关节。针对变刚度机器人关节的应用技术相对较少。

变刚度柔顺关节利用特殊设计的切换装置，可根据需要实时转换刚度，以提高机器人对环境、任务的适应性。现有的机器人关节主要存在结构相对复杂、控制复杂、能量消耗大、不能主动输出所需刚度等缺点，从而在一定程度上限制了其应用效果与紧凑型设计。经检索，公开号为CN205614699U的发明专利，该专利公开一种双电机驱动的机器人变刚度弹性关节，其特征是两个驱动电机同时驱动关节，通过四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，但两个电机同时驱动必然需要更多的能量输入。更重要的是，目前已公开的刚度可调关节实现的均是刚度连续可调，必然难以保障关节刚度可以及时而准确的调整到所需数值，而实际应用中所需要的更多的仅仅是刚度值的极端快速转换。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双态式变刚度柔顺关节及操作方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种双态式变刚度柔顺关节，包括刚度调节机构、弹性簧片、输入盘和输出外圈；输出外圈为圆环状，输入盘同轴设置在输出外圈的中心处，输入盘与输出外圈的内壁之间设置有若干弹性簧片；刚度调节机构设置在输入盘的中心处，弹性簧片的一端连接刚度调节机构，另一端连接输出外圈的内侧壁；

刚度调节机构包括刚度调节电机、第一锥齿轮和第二锥齿轮；刚度调节电机固定设置在输入盘的中心内部，刚度调节电机的输出端固定连接有第二锥齿轮，每个弹性簧片靠近输入盘的一端均固定设置有第一锥齿轮，每个第一锥齿轮均与第二锥齿轮啮合。

进一步的，输入盘上围绕第二锥齿轮固定设置有若干轴承，轴承内设置有第一锥齿轮轴，第一锥齿轮轴的一端与第一锥齿轮固定连接，另一端与弹性簧片固定连接。

进一步的，输入盘与输出外圈的内壁之间的弹性簧片等间距设置，轴承的个数及位置与弹性簧片相匹配；弹性簧片的个数为2至6个。

进一步的，输出外圈的内侧壁上设置有轴承，弹性簧片靠近输出外圈的一端插在轴承内，此处轴承的个数及位置与弹性簧片相匹配。

进一步的，输入盘上刚度调节机构外侧固定设置有外壳，外壳的中心固定设置有输入轴。

进一步的，第一锥齿轮的直径小于第二锥齿轮的直径。

进一步的，一种双态式变刚度柔顺关节的操作方法，基于上述所述的一种双态式变刚度柔顺关节，包括以下步骤：

步骤1，输出外圈上设置输出臂，输入轴连接驱动电机，当输出臂受到外力作用时，启动刚度调节电机；