[发明专利]一种可变刚度柔性转动关节

摘要

本发明公开了一种可变刚度柔性转动关节，包括用于线性调节关节的输出刚度值大小变化、实现关节从纯刚性到柔性大范围自由转变的刚柔控制组件（1）；用于实现对轻质摇臂（4）平衡位置调节控制的摇臂位置控制组件（2）；用于检测和采集轻质摇臂（4）相对于平衡位置转动的角度信号的角度位移检测组件（3）；刚柔控制组件串联在轻质摇臂和摇臂位置控制组件之间，角度位移检测组件安装在刚柔控制组件与摇臂位置控制组件的结合部以及轻质摇臂上，同时在轻质摇臂末端固定有负载；本发明特别适用于服务类机器人的柔性关节上，以提高人机交互的安全性，具有关节结构紧凑、刚度线性调节容易、刚度变化范围大、能效高等优点。 1

主权项

1.一种可变刚度柔性转动关节，其特征在于，它包括：

用于线性调节关节的刚度值大小变化、实现关节从纯刚性到柔性大范围自由转变的刚柔控制组件（1）；

用于实现对轻质摇臂（4）平衡位置调节控制的摇臂位置控制组件（2）；

用于检测和采集轻质摇臂（4）相对于平衡位置转动角度信号、以便后续对关节刚度进行实时控制的角度位移检测组件（3）；

其中，所述刚柔控制组件（1）与轻质摇臂（4）和摇臂位置控制组件（2）串联，角度位移检测组件（3）安装在刚柔控制组件（1）与摇臂位置控制组件（2）的结合部以及轻质摇臂（4）上，同时在轻质摇臂（4）末端固定有负载（5）；

所述刚柔控制组件（1）包括：旋转壳体（1‑1）、刚度控制电机（1‑2）、联轴器（1‑3）、角接触球轴承（1‑4）、梯形丝杠（1‑5）、刚度调节盘（1‑6）、深沟球轴承（1‑7）、支承限位盘（1‑8）、自润滑轴承（1‑9）、关节定子（1‑10）、第一圆截面细柔性杆（1‑11）、第二圆截面细柔性杆（1‑12）、第一直线光轴导轨（1‑13）及第二直线光轴导轨（1‑14）；

其中，刚度控制电机（1‑2）固定安装在旋转壳体（1‑1）上，刚度控制电机（1‑2）的输出轴通过联轴器（1‑3）与梯形丝杠（1‑5）的输入端连接，梯形丝杠（1‑5）输入端通过角接触球轴承（1‑4）安装在旋转壳体（1‑1）上，支承端通过深沟球轴承（1‑7）径向固定在支承限位盘（1‑8）中心孔上，刚度调节盘（1‑6）中心孔处的内螺纹与梯形丝杠（1‑5）为螺旋配合，刚度调节盘（1‑6）通过直线轴承安装在第一直线光轴导轨及第二直线光轴导轨（1‑13，1‑14）上，第一直线光轴导轨（1‑13）、第二直线光轴导轨（1‑14）一端分别固定在旋转壳体（1‑1）上，另一端分别插入支承限位盘（1‑8）两侧圆孔固定，第一圆截面细柔性杆（1‑11）、第二圆截面细柔性杆（1‑12）分别对称穿过刚度调节盘（1‑6）上的左右两侧细孔，第一圆截面细柔性杆（1‑11）、第二圆截面细柔性杆（1‑12）一端通过螺纹分别固定在旋转壳体（1‑1）上，另一端分别穿过关节定子（1‑10）两侧细孔并伸出一段长度；关节定子（1‑10）通过自润滑轴承（1‑9）固定在旋转壳体（1‑1）内腔，实现低刚度条件下旋转壳体（1‑1）相对关节定子（1‑10）的柔性转动；

所述摇臂位置控制组件（2）包括：关节电机（2‑1）、固定安装盘（2‑2）及谐波减速器（2‑3）；

其中，谐波减速器（2‑3）采用波发生器主动、刚轮固定、柔轮输出形式，关节电机（2‑1）与谐波减速器（2‑3）的刚轮分别固定在固定安装盘（2‑2）两侧，关节电机（2‑1）输出轴穿过固定安装盘（2‑2）中心孔并与谐波减速器（2‑3）的波发生器通过键连接，谐波减速器（2‑3）的柔轮与刚柔控制组件（1）中的关节定子（1‑10）通过螺栓固定；

所述角度位移检测组件（3）包括：同步带（3‑1）、同步带轮（3‑2）及角度位移传感器（3‑3）；

其中，角度位移传感器（3‑3）固定安装在轻质摇臂（4）上，同步带轮（3‑2）固定在角度位移传感器（3‑3）输入轴上，同步带（3‑1）内齿分别与关节定子（1‑10）上的轮齿以及同步带轮（3‑2）轮齿啮合。

2.根据权利要求1所述的一种可变刚度柔性转动关节，其特征在于，所述轻质摇臂（4）与旋转壳体（1‑1）固定连接，轻质摇臂（4）转动轴与旋转壳体（1‑1）中心轴、关节电机（2‑1）输出轴重合。

3.根据权利要求1所述的一种可变刚度柔性转动关节，其特征在于，所述的刚度调节盘（1‑6）上竖直对称分布的两个直线轴承孔用作刚度调节盘（1‑6）随第一直线光轴导轨及第二直线光轴导轨（1‑13，1‑14）平动的导向槽，刚度调节盘（1‑6）上水平对称分布的与第一圆截面细柔性杆（1‑11）、第二圆截面细柔性杆（1‑12）等径的细孔用于防止第一圆截面细柔性杆（1‑11）、第二圆截面细柔性杆（1‑12）在该处发生径向跳动，刚度调节盘（1‑6）中心的孔螺纹与梯形丝杠（1‑5）的螺纹为螺旋配合，用于实现螺旋传动，刚度调节盘（1‑6）可沿第一直线光轴导轨及第二直线光轴导轨（1‑13，1‑14）来回移动，当其接近支承限位盘（1‑8）时，关节输出刚度逐渐增大，当其远离支承限位盘（1‑8）时，关节输出刚度逐渐减小。

4.根据权利要求1所述的一种可变刚度柔性转动关节，其特征在于，所述的支承限位盘（1‑8）上加工有两个对称圆弧形轮槽、用于限制关节定子（1‑10）上带孔凸轮的滑动距离，从而限制旋转壳体（1‑1）相对关节定子（1‑10）的最大偏转角：

限制第一圆截面细柔性杆（1‑11）和第二圆截面细柔性杆（1‑12）的弯曲幅度，以预防外力矩过大时第一圆截面细柔性杆（1‑11）、第二圆截面细柔性杆（1‑12）的塑性变形。

5.根据权利要求1所述的一种可变刚度柔性转动关节，其特征在于，所述的关节定子（1‑10）端面加工有两个带孔凸轮，当旋转壳体（1‑1）与关节定子（1‑10）之间发生相对转动时，所述带孔凸轮可在支承限位盘（1‑8）的轮槽内无间隙滑动，并带孔凸轮上的细通孔与第一圆截面细柔性杆、第二圆截面细柔性杆（1‑11，1‑12）等径，用于限制第一圆截面细柔性杆、第二圆截面细柔性杆（1‑11，1‑12）在凸轮处的径向跳动，关节定子（1‑10）上加工有轮齿，该轮齿可与同步带（3‑1）啮合。

6.根据权利要求1所述的一种可变刚度柔性转动关节，其特征在于，所述的刚度控制电机（1‑2）、关节电机（2‑1）均为旋转电机，旋转电机为步进电机或者伺服电机。