[发明专利]一种对称式压缩弹簧的变刚度关节

说明书

本发明提供了一种对称式压缩弹簧的变刚度关节，属于仿生机器人领域，包括基座、关节连杆、位置电机、刚度电机和刚度调节模块，其中刚度调节模块由滚子以及设置在两侧的凸轮盘和弹簧组成的对称结构构成，滚子连接在滚子保持架上，位置电机固定在基座上，其输出端与滚子保持架连接，刚度调节模块安置在基座上，关节连杆与一块凸轮盘固连，刚度电机与关节连杆固连，其输出端与另一块凸轮盘连接。本发明采用由滚子和位于两侧对称设置的凸轮盘以及弹簧组成的变刚度关节结构，结构简单可靠、体积小、正向和反向驱动均能获得相同的柔性效果，并且具有输出力矩大以及刚度调节范围宽的优势，可作为模块化设计应用于多种不同场合。

技术领域

本发明属于仿生机器人领域，具体涉及一种对称压缩弹簧式变刚度关节。

背景技术

柔性机器人是一种具有类人肌肉特性刚度可变的机器人，柔性机器人通过关节获得柔性，其中由位置电机驱动关节活动、由刚度电机调节关节刚度大小；变刚度关节的好坏直接影响柔性机器人的性能。

公开号为CN105328711A的中国发明专利，公开了一种模块化的变刚度关节，其采用了扭簧作为弹性元件，同时使用滑轮机构和绳驱动减少驱动部件的占用空间，具有体积小，集成度高等优点，适用于外骨骼关节等应用，但是因为受限于扭簧特性，导致调节刚度范围窄以及输出扭矩低。公开号为CN105108771A的中国发明专利，公开了一种可变刚度机器人关节结构，其基于变杠杆原理设计刚度调节机构，采用了片弹簧作为弹性元件，通过改变杠杆支点实现刚度调节，刚度调节范围宽，但是存在能量利用效率低，且执行机构复杂导致集成度低以及控制难度高等问题。因此需要研制一种刚度调节范围宽、能量密度高的变刚度关节。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于曲面凸轮的对称压缩弹簧式变刚度关节，具有宽调节范围、高能量密度，适配于各种不同性能要求的柔性机器人，有利于模块化设计。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种对称式压缩弹簧的变刚度关节，包括基座、关节连杆、位置电机、刚度电机和刚度调节模块；关节连杆通过刚度调节模块与基座活动连接，位置电机固定在基座上，刚度电机与关节连杆固连；

所述刚度调节模块为对称结构，包括滚子、滚子保持架、凸轮盘和弹簧，相邻两个滚子组成一对滚子对，多个滚子对沿圆周方向均匀连接在滚子保持架外圈，凸轮盘设置在滚子两侧，凸轮盘内端面等间距的设有多处弧形凸起，两块凸轮盘相叠合形成多个滚动槽，多个滚子对分别位于多个滚动槽中，两侧的凸轮盘朝外的端面均连接有弹簧；

所述刚度调节模块通过轴承安置在基座上，位置电机的输出端与滚子保持架连接，关节连杆与靠近基座的一块凸轮盘固连，刚度电机的输出端与另一块凸轮盘连接。

进一步地，所述滚动槽侧边曲线为指数曲线，且指数曲线的表达式为：

其中a为指数函数的底数，ρ_char为形状参数，为指定的变形量。

进一步地，所述指数曲线通过如下优化方程确定其参数：

其中δS是关节的压缩量，Nd为指定离散化点数量。

进一步地，所述弹簧为压缩弹簧，且为碟形弹簧。

进一步地，所述弹簧的弹性系数可变。

进一步地，所述凸轮盘之间设有限位挡块。

进一步地，所述滚子数量为三对。

进一步地，每对滚子之间夹角为15°。

本发明的有益效果为：