一种基于浮动弹簧的刚度连续可调关节的制作方法

本发明涉及一种机器人仿生关节，具体为一种基于浮动弹簧的刚度连续可调关节，该装置可以适用于各种关节型机器人，提高机器人的安全性与对环境的友好度。

技术背景

目前，工业机器人的关节驱动方式大部分为驱动轴直接驱动关节，为较大的刚性连接。这种方式虽然结构简单紧凑、位置精度高、能即时响应，但较大的刚性也会导致一些问题，例如当机械臂受到突发的外力冲击时容易损坏机构，同时在与人协作时也容易存在安全隐患。近些年，一种具有柔顺性的弹性驱动关节在国际上引起广泛研究，变刚度弹性驱动关节能够模拟人类肌肉伸缩功能，在受到冲击时能缓冲碰撞时产生的能量，同时获得生物体一样的触觉，感知外界阻力以便产生反应，从而避免了机器人机构的损坏，提高了与人协作时的安全性。

国内对可变刚度弹性关节的研究较少，经对现有技术文献的检索发现，从现有公开的串联弹性驱动关节看，普遍存在集成度较低、体积较为庞大、结构复杂、通用性较差等问题。北京航空航天大学提出一种基于左右旋丝杠-滑块连杆机构的分布式片弹簧变刚度关节驱动器，专利公开号CN105584551A，该装置通过丝杠、丝杠螺母驱动连杆使得滑块在弹簧片上的接触点发生改变由此改变刚度，这种结构体积极其庞大，单位体积的负载能力较低，几乎没法用在机械臂上，且弹簧片的缓冲角度有限，容易产生疲劳破坏。浙江大学提出一种刚度可调的柔性关节驱动器机构，专利公开号CN104985608A，该装置利用滚轮在上下两个斜曲面盘上滚动引起上下两个斜曲面盘的轴向距离的改变而压缩弹簧得到缓冲，通过调整上下两个斜曲面盘的错开角度来调节刚度，要求调节电机的输出力矩较大，并需要足够强度的自锁功能，该机构平衡位置的输出力矩始终为零，这就导致了低负载时的定位精度较差的问题。该结构留给弹簧安装的位置较为狭小，整个结构虽然紧凑，但外形极不规则，通用性较差。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有机器人关节设计上的不足，提出一种新型可调刚度的机器人柔弹性关节，它基于浮动弹簧设计，具有结构紧凑、负载能力强、缓冲范围广、刚度调节范围广的优点。通过滚子在斜面上的滚动使浮动弹簧的轴向弹力变为输出的轴向力矩，得到缓冲，改变浮动弹簧的预压缩量即改变刚度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于浮动弹簧的刚度连续可调关节，包括主轴驱动电机、谐波减速器、关节外壳、输出法兰，所述主轴驱动电机与所述谐波减速器的输入端驱动连接，所述关节外壳与谐波减速器外壳固定连接，所述关节外壳内设置有浮动弹簧刚度调节装置，所述浮动弹簧刚度调节装置一端与所述谐波减速器输出端相连接，另一端与输出法兰相连接。

进一步地，所述的浮动弹簧刚度调节装置包括连接所述谐波减速器输出端的凸字形输入转动机体、弹簧上支撑盖、滚子保持架、环形凸轮盘、浮动弹簧、调节电机支座、刚度调节电机，所述输入转动机体内侧设置有内螺纹，所述的弹簧上支撑盖外周壁设置有连接所述输入转动机体的内螺纹，所述调节电机支座为具有两种直径外花键的中空阶梯轴，所述刚度调节电机固定设置在所述调节电机支座的空腔内，所述输入转动机体外周壁设置有外花键，所述滚子保持架上部通过内花键与所述输入转动机体外花键相连接，所述凸轮盘通过轴承安装在关节外壳下部，所述凸轮盘的上端面沿周向均匀设置若干斜曲面，所述凸轮盘的中心孔设置有与所述调节电机支座较大直径外花键相配合的内花键，所述滚子保持架下部沿周向均匀设置有若干组通孔，每组通孔设置装有滚子的滚子轴，滚子保持架通过滚子在凸轮盘的斜曲面上滚动，所述滚子保持架底端的中心孔内设置有与所述调节电机支座较小直径外花键相配合的内花键，所述凸轮盘底部通过若干螺纹孔及固定螺丝与主轴输出法兰紧固连接；所述刚度调节电机输出轴与弹簧上支撑盖的中心孔过盈配合形成硬性连接，带动其转动；所述浮动弹簧穿过调节电机支座安装在弹簧上支撑盖和滚子保持架下部之间，两者的弹簧支撑面分别与浮动弹簧上、下端面相互滑动旋转。

进一步地，所述的刚度调节电机内集成设置有齿轮减速箱。

进一步地，所述的浮动弹簧为矩形弹簧。

进一步地，所述凸轮盘的上端面沿周向均匀设置三个斜曲面，所述滚子保持架下部沿周向均匀设置有三组通孔，每组通孔设置装有滚子的滚子轴。

进一步地，所述三组通孔每组有四个通孔，四个通孔并列安装两个装有滚子的滚子轴。

进一步地，所述滚子轴两端有用于安装轴用弹性挡圈约束滚子轴的轴向运动沟槽。

进一步地，所述输入转动机体的内螺纹及所述的弹簧上支撑盖外周壁的外螺纹均为梯形螺纹。

本发明相比现有技术具有以下优点：

（1）柔性工作状态时的平衡位置滚子与凸轮斜面接触点斜率不为零，所以当弹簧有预压缩时有一个预紧力，当外力矩负载超过这个预紧力时，才能开始缓冲一个角度；解决了平衡位置晃动的问题，提高了低负载时机械臂的位置精度。

（2）全刚度工作时遇到突发情况时调节电机只要工作一小段距离便能迅速进入最大柔性工作状态，关节工作灵敏，极大提高了安全性。

附图说明

图1示出了刚度连续可调关节的总体结构图。

图2示出了刚度连续可调关节的剖视图。

图3示出了刚度连续可调关节的滚子斜曲面示意图。

图4示出了刚度连续可调关节的主要零件爆炸图。

图中：1-主轴驱动电机；2-谐波减速器；3-弹簧上支撑盖；4-输入转动机体；5-关节外壳；6-滚子保持架；7-凸轮盘 ；8-轴承；9-输出法兰 10-浮动弹簧；11-调节电机支座；12-刚度调节电机； 13-滚子； 14-轴用弹性挡圈；15-滚子轴；16-固定螺丝。

具体实现方式

下面通过具体实施例对本发明的目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。

如图1至图4所示，一种基于浮动弹簧的刚度连续可调关节，包括主轴驱动电机1、谐波减速器2、关节外壳5、输出法兰9，所述主轴驱动电机1与所述谐波减速器2的输入端驱动连接，所述关节外壳5与谐波减速器2外壳通过八个固定螺钉16固定连接，所述关节外壳5内设置有浮动弹簧刚度调节装置，所述浮动弹簧刚度调节装置一端与所述谐波减速器2输出端相连接，另一端与输出法兰9相连接。

具体而言，所述的浮动弹簧刚度调节装置包括连接所述谐波减速器2输出端的凸字形输入转动机体4、弹簧上支撑盖3、滚子保持架6、环形凸轮盘7、浮动弹簧10、调节电机支座11、刚度调节电机12，所述输入转动机体4内侧设置有内螺纹，所述的弹簧上支撑盖3外周壁设置有连接所述输入转动机体4的内螺纹，所述调节电机支座11为具有两种直径外花键的中空阶梯轴，所述刚度调节电机12固定设置在所述调节电机支座11的空腔内，所述输入转动机体4外周壁设置有外花键，使得能相互轴向滑动，轴向转动被约束；所述滚子保持架6上部通过内花键与所述输入转动机体4外花键相连接，所述凸轮盘7通过轴承8安装在关节外壳5下部，使其能转动不能轴向运动；所述凸轮盘7的上端面沿周向均匀设置若干斜曲面，所述凸轮盘7的中心孔设置有与所述调节电机支座11较大直径外花键相配合的内花键，所述滚子保持架6下部沿周向均匀设置有若干组通孔，每组通孔设置装有滚子13的滚子轴15，滚子保持架6通过13滚子在凸轮盘7的斜曲面上滚动，所述滚子保持架6底端的中心孔内设置有与所述调节电机支座11较小直径外花键相配合的内花键，所述凸轮盘7底部通过八个螺纹孔及固定螺丝16与主轴输出法兰紧9固连接；所述浮动弹簧10穿过调节电机支座12安装在弹簧上支撑盖3和滚子保持架6下部之间，两者的弹簧支撑面分别与浮动弹簧10上、下端面相互滑动旋转。所述刚度调节电机11输出轴与弹簧上支撑盖3的中心孔过盈配合形成硬性连接，带动其转动，从而能通过旋转运动使弹簧上支撑盖3产生轴向移动， 进而压缩浮动弹簧10。

调节电机支座11外花键与滚子保持架6的内花键相连接，约束其相互转动但能相互轴向滑动，调节电机支座11最下部还有直径较大的外花键能按需与同样有直径较大的凸轮盘7内花键的连接，避免调节电机支座11上部的直径较小的外花键与凸轮盘7的内花键发生干涉。

在本发明的另一实施例中，所述的刚度调节电机12内集成设置有齿轮减速箱，可减少体积、增加集成度。

在本发明的另一实施例中，所述的浮动弹簧10为矩形弹簧，质量高耐用、行程长且占空间小、定位好。

在本发明的另一实施例中，所述凸轮盘7的上端面沿周向均匀设置三个斜曲面，所述滚子保持架6下部沿周向均匀设置有三组通孔，每组通孔设置装有滚子13的滚子轴15。

在本发明的另一实施例中，所述三组通孔每组有四个通孔，四个通孔并列安装两个装有滚子13的滚子轴15。

在本发明的另一实施例中，所述滚子轴15两端有用于安装轴用弹性挡圈14约束15滚子轴的轴向运动沟槽。

在本发明的另一实施例中，所述输入转动机体4的内螺纹及所述的弹簧上支撑盖3外周壁的外螺纹均为梯形螺纹，工艺性好，牙根强度高、耐磨且对中性好。

本发明的具体工作过程包括关节的主运动和关节刚度调整运动。关节的主运动：主轴驱动电机1提供关节主驱动力矩，经过谐波减速器2带动输入转动机体4做正反转运动；弹簧支撑盖3与输入转动机体4连接，关节全刚度工作时，弹簧支撑盖3处于主轴输入的最顶端时，调节电机支座11最下部的外花键与凸轮盘7的内花键连接，此时主轴输入转动机体4、滚子保持架6、调节电机支座11、凸轮盘7、输出法兰9跟随主轴驱动电机1同步转动；

当需要进入柔性工作状态时，刚度调节电机12开始工作带动弹簧上支撑盖3向下螺旋运动，并压缩浮动弹簧10，整个刚度调节电机12和调节电机支座11一起向下运动一小段距离后，调节电机支座11下部直径较大的外花键和凸轮盘7的内花键脱离，主轴输入力矩不再直接传递给输出法兰9，此时由于弹簧上支撑盖3压缩浮动弹簧10，浮动弹簧10下压滚子保持架6，滚子保持架6带动滚子13压紧凸轮盘7的斜曲面，使得滚子保持架6和凸轮盘7跟随主轴驱动电机1同步转动，从而最终将力矩传递给与凸轮盘7紧固连接的输出法兰9。当输出法兰9受到较大冲击负载时，浮动弹簧10下压力通过滚子13在斜面上产生的力矩不能抵抗外力矩，滚子13开始沿着凸轮盘7斜曲面上向上滚动，同时滚子保持架6也向上运动 进一步压缩浮动弹簧10，浮动弹簧10弹力逐渐增大，滚子13受到下压力也随之增大，当这个力与外力相当时，滚子保持架6与凸轮盘7停止相对转动，此时它们之间相互错开一个角度，由此得到缓冲；当这个外力矩太大，由于斜曲面的斜率逐渐增大至垂直，滚子无法进一步滚动，此时该位置的力矩输出趋于无限大，此为最大缓冲角度。当外力矩减小到一定程度时，浮动弹簧10又把滚子13下压到凸轮盘7斜曲面最低点，此时滚子保持架6与凸轮盘7还原到无相对错开角度的初始位置。

关节刚度调整运动：刚度调节电机12转动，带动弹簧上支撑盖3沿着输入转动机体4上下运动，调节浮动弹簧10的压缩量，从而实现了关节的刚度调节。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。