[发明专利]一种基于渐开线页簧的主动变刚度旋转关节

说明书

本发明属于变刚度关节设计相关技术领域，其公开了一种基于渐开线页簧的主动变刚度旋转关节，关节包括：电机驱动模块包括中心轴，上关节底板，上关节联结板；渐开线页簧模块包括页簧固定件以及多个渐开线页簧；多个变刚度压簧滚子模块与中心轴平行设置并均匀设置于两上关节底板之间；直线轴承驱动模块包括变刚度外齿轮、变刚度机构轴承以及多个导杆；中心轴旋转输出模块包括两下关节底板以及下关节联结板，下关节底板表面设有多个贯通的渐开线槽道，变刚度压簧滚子模块的两端分别设于渐开线槽道内。本申请通过渐开线的特有性质设计页簧，可以实现大刚度变化范围、刚度变化控制简单且整体关节体积重量小。

技术领域

本发明属于变刚度关节设计相关技术领域，更具体地，涉及一种基于渐开线页簧的主动变刚度旋转关节。

背景技术

随着国际科学水平的不断提高，在仿人机器人或假肢臂领域中，柔性关节是一个研究热点，其具有缓解冲撞避免损伤、积累能、随时改变力输出特性等游戏。目前的解决方便有：串入弹性元件但弹性元件的刚度不变，即只起到弹性驱动器作用；引入磁流变或电流变的介质进行控制，但其中的液体特性需要研究完全；利用气动肌肉模型，但装置体积过大；利用形状记忆合金，但是不能使得刚度在任何时间随自己的要求进行变化。目前的单自由度旋转关节设计到刚度变化的装置，在主动变刚度领域多采用拮抗式的，其控制难度大，电机体积大，重量大，造成整个关节重量体积大，且刚度变化范围小。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于渐开线页簧的主动变刚度旋转关节，通过渐开线的特有性质设计页簧，可以实现大刚度变化范围、刚度变化控制简单且整体关节体积重量小。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于渐开线页簧的主动变刚度旋转关节，所述关节包括电机驱动模块、渐开线页簧模块、多个变刚度压簧滚子模块、直线轴承驱动模块以及中心轴旋转输出模块，其中：所述电机驱动模块包括中心轴，上关节底板，上关节联结板，其中，所述中心轴的两端通过轴承分别连接一上关节底板，其中一上关节底板上设有电机驱动组件，用于驱动所述中心轴旋转，所述上关节联结板为U形，U形的两边分别连接所述上关节底板；所述渐开线页簧模块包括页簧固定件以及多个渐开线页簧，多个所述渐开线页簧的一端均匀固定于所述页簧固定件，所述页簧固定件套设于固定于所述中心轴；多个所述变刚度压簧滚子模块与所述中心轴平行设置并均匀设置于两上关节底板之间，所述变刚度压簧滚子模块包括压簧滚子固定件以及直线轴承固定件,其中，所述压簧滚子固定件包括两个柱体，所述渐开线页簧穿过两个柱体之间的间隙，用于夹持所述渐开线页簧；所述直线轴承固定件设有中心孔，所述中心孔的轴线与两个所述柱体布置方向平行；所述直线轴承驱动模块包括变刚度外齿轮、变刚度机构轴承以及多个导杆，其中，变刚度外齿轮通过多个直杆与所述变刚度机构轴承连接，所述变刚度机构轴承套设于所述中心轴；所述导杆一端固定于所述变刚度外齿轮，另一端固定于所述变刚度机构轴承；所述导杆上设有直线轴承，所述直线轴承套设固定于所述直线轴承固定件的中心孔内；所述中心轴旋转输出模块包括两下关节底板以及下关节联结板，两下关节底板分别设于所述上关节底板的内表面，所述下关节底板表面设有多个贯通的渐开线槽道，所述变刚度压簧滚子模块的两端分别设于所述渐开线槽道内；其中一下关节底板上设有小齿轮和第二电机，所述小齿轮与所述变刚度外齿轮啮合，所述第二电机用于驱动所述小齿轮；所述下关节联结板为U形，U形的两侧分别连接所述下关节底板。

优选地，所述变刚度压簧滚子模块还包括两微型法兰轴承，两微型法兰轴承分别通过一直杆连接与所述压簧滚子固定件和直线轴承固定件的一端，所述两微型法兰轴承设于所述渐开线槽道内，以在所述渐开线槽道内滑动。

优选地，所述变刚度机构轴承外设有导杆固定座，所述导杆一端固定于所述变刚度外齿轮，另一端固定于所述导杆固定座。

优选地，所述导杆、渐开线页簧以及变刚度压簧滚子模块的数量均为4个。

优选地，4个所述导杆在所述直线轴承驱动模块的布置相互垂直。

优选地，每一所述渐开线页簧的自由端均设有页簧末端固定件。