一种可变刚度柔顺驱动关节的制作方法

本实用新型公开了一种驱动关节，具体的涉及一种可变刚度柔顺驱动关节。

背景技术：

安全性是未来机器人发展的首要考虑因素。未来机器人的发展趋势应当是与人共享同一生活空间，协同工作。目前，机器人主要采用刚性驱动的方式，如图1。通过关节电机34与臂杆刚性耦合，以尽可能提高系统的刚度来获得准确、快速地响应。然而，当人进入到机器人的任务空间并与之发生接触时，高刚度会对人的安全产生威胁。

技术实现要素：

本实用新型公开了一种关节刚度可变的柔顺机器人关节,该关节通过两个电机驱动,力矩较大的电机作为关节的驱动电机；力矩较小的电机用于改变关节的刚度,关节刚度在一定范围内可调,从而可以适用于不同的接触场合。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种可变刚度柔顺驱动关节，包括关节外壳、关节电机和谐波减速器，所述关节电机的电机轴端部连接谐波减速器的波发生器，作为关节的输入；所述的电机轴上安装有刚度调节机构；所述的谐波减速器的钢轮与一个法兰固定，法兰的外圈通过轴承与关节外壳配合，法兰上开有槽，槽与一个弹性件的一端接触，弹性件的另一端固定，通过刚度调节机构调节所述的弹性件可变形长度，从而实现钢轮与关节的柔性连接，所述的谐波减速器的柔轮作为关节的输出。

进一步的，所述的刚度调节机构包括一个刚度调节电机，所述的刚度调节电机连接一个减速机，所述的减速机的输出端安装一个小齿轮，所述的小齿轮与一个大齿轮啮合，所述的大齿轮套装在一个轴套上，所述的轴套套装在所述电机轴上，且轴套固定不动，所述的大齿轮与一个套装在轴套上的驱动盘固定连接，所述的大齿轮带动驱动盘旋转，在所述的驱动盘的径向面上开有多个滑槽，滑槽的轮廓曲线为等速螺旋线；在每个所述的滑槽内都安装一个轴承，每个轴承与一个滑块配合，每个滑块的另一端与一个导向装置相连；在所述的驱动盘旋转时，带动所述的滑块沿着所述的滑槽移动，所述的滑块与弹簧片滑动接触，实现对弹簧片的变形调节。

进一步的，所述的驱动盘的径向面上开有四个滑槽，且所述的四个滑槽沿驱动盘的圆周方向均匀设置。

进一步的，所述的导向装置为一个花键轴，所述的滑块与所述花键轴上的花键固定连接。

进一步的，所述的花键轴和弹簧片固定在同一个固定块上，所述的固定块固定在所述的轴套上。

进一步的，所述的花键轴一端固定在所述的固定块，另一端卡装在法兰的卡槽内。

本实用新型的工作过程或者工作原理如下：

刚度调节电机驱动减速器转动，减速器通过轴孔配合驱动小直齿轮同步转动，小直齿轮与大直齿轮啮合，大直齿轮通过螺钉与驱动盘固定驱动驱动盘旋转，驱动盘的外圈通过轴承与关节外壳的内圈配合；驱动盘上开有个滑槽，滑槽转动会通过轴承来驱动滑块运动，滑块与滚珠花键套固联，整体可以在花键轴上沿直线滑动，滑块与弹簧片滑动接触，弹簧片的一端通过螺钉与固定块相连，弹簧片的另一端插入法兰外圈的槽上。法兰的外圈通过轴承与关节外壳构成回转连接，法兰盘与谐波减速器的钢轮相连，实现对钢轮与关节的柔性连接。

本实用新型的有益效果如下：

1.该关节通过两个电机(关节电机和刚度调节电机)驱动,力矩较大的电机(关节电机)作为关节的驱动电机；力矩较小的电机(刚度调节电机)用于改变关节的刚度，关节刚度在一定范围内可调,从而可以适用于不同的接触场合。

2.可变刚度柔性关节应用于假肢和服务机器人等可以提高机器人的接触安全性以及对未知环境的动态适应性。此外，应用于工业机器人时其柔顺特性除了能够降低意外伤害，也能够完成轴孔配合等刚性机器人难以实现的操作,例如发动机活塞与汽缸壁之间的无划伤装配问题，从而能够拓展工业机器人的应用。

附图说明

图1现有技术中的刚性关节结构图；

图2本实用新型的整体结构原理图；

图3本实用新型的内部结构图；

图4、图5、图6、图7、图8为驱动盘的结构图；

图9、图10、图11、图12为法兰盘的结构图；

图13、图14为滑块的结构图；

图中：1关节电机端盖 2电机外壳，3关节外壳,4行星减速器，5小直齿轮，6大直齿轮，7驱动盘，8螺钉，9弹簧片，10固定块，11花键轴，12滚珠花键套，13滚珠花键 14螺钉，15法兰，16钢轮，17波发生器,18轴承，19轴承，20轴承，21滑块，22轴承，23螺钉，24谐波减速器柔轮，25固定轴，26螺钉，27刚度调节电机，28关节电机转子，29关节电机定子，30螺钉，31电机轴，32螺钉，33轴承，34关节电机，35谐波减速器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细说明:

如图2所示，本实用新型通过非线性弹性元件连接电机与传动端，当碰撞发生时人体受到的冲击首先来自于传动端的惯量，而来自于电机惯量的冲击被延迟，从而大幅降低对人体的伤害；另一方面这种弹性也能够保护机器人关节，因为弹性的存在给予电机更多的时间减速。

具体的，如图3-图14所示，本实用新型中的变刚度关节主要包括三部分：关节电机驱动，刚度调节机构以及谐波减速输出。该关节不同于一般刚性关节的结构方式，通过在电机外壳2与谐波减速器的钢轮16之间增加一套刚度调节机构，将刚性驱动变为柔性驱动。

关节的电机驱动及谐波减速输出实施方案：

关节电机34包括电机外壳2、电机定子29、电机转子28和电机轴31，电机定子29与电机外壳2通过紧钉螺钉固定，关节电机转子28带动电机轴31转动，电机轴31通过紧钉螺钉32与波发生器17固定，作为关节的输入；

谐波减速器35包括波发生器7、谐波减速器钢轮16和谐波减速器的柔轮24；谐波减速器钢轮16通过螺钉23与法兰15固定，法兰15的外圈通过轴承20与关节外壳3配合，法兰15上开有槽，槽与弹簧片9的一端接触，弹簧片9的另一端固定，从而实现钢轮与关节的柔性连接，弹簧片9的可变形长度通过刚度调节机构实现。谐波减速器柔轮24作为关节的输出。关节外壳3与电机外壳2通过均布的螺钉30固联。

刚度调节功能实施方案：

刚度调节电机27驱动行星减速器4转动，行星减速器4通过轴孔配合驱动小直齿轮5同步转动，小直齿轮5与大直齿轮6啮合，大直齿轮6通过螺钉8与驱动盘7固定，并通过轴承33套在固定轴25上回转，其中，固定轴25通过螺钉26固定在电机外壳2上。驱动盘7的外圈通过轴承19与关节外壳3的内圈配合。驱动盘7上开有4个滑槽，滑槽的轮廓曲线为等速螺旋线。

滑槽转动会通过轴承22来驱动滑块21运动，滑块21与滚珠花键套12固联，滚珠花键套12与滚珠花键13通过螺钉14相连，整体可以在花键轴11上沿直线滑动，花键轴11的一端通过螺纹与固定块10相连，固定块10通过键连接固定在固定轴25上。

滑块21与弹簧片9滑动接触，弹簧片9的一端通过螺钉与固定块10相连。弹簧片9的另一端插入法兰15外圈的槽上。法兰15的外圈通过轴承18，20与关节外壳3构成回转连接。

可变刚度柔性关节应用于假肢和服务机器人等可以提高机器人的接触安全性以及对未知环境的动态适应性。此外，应用于工业机器人时其柔顺特性除了能够降低意外伤害，也能够完成轴孔配合等刚性机器人难以实现的操作,例如发动机活塞与汽缸壁之间的无划伤装配问题，从而能够拓展工业机器人的应用。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。