一种基于阿基米德螺线弹性体的柔弹性关节的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种对驱动力矩有柔弹性要求的传动装置，尤其应用于医疗康复机器人驱动领域。
【背景技术】
[0002]为了高效、低成本地解决由脑卒中、脑外伤等病因造成的人体上肢中枢神经性运动障碍患者的康复治疗这一社会难题，国内外的很多专家学者都在设计针对上肢康复的装置，并逐步取代传统的医师治疗。
[0003]传统的康复机器人设计中，康复机器人都有一个共同点:机器人各关节的设计主要采用刚性的设计方法，采用电机、减速器等作为机器人关机的驱动单元。这种关节设计缺乏柔弹性单元，较大的冲击不仅使得康复机器人关节容易受到外部冲击而损坏，直接影响了机器人的正常运行，甚至可能对患者造成二次伤害。近些年来，不同学者提出了具有力/力矩传感器的柔性关节设计和串联弹性驱动关节设计等方法，使得机器人可以避免外部冲击对执行关节的影响，并且为机器人与人和环境的交互创造良好的条件。然而，基于力/力矩传感器的柔性关节本身并不具备柔性的特点，抗外部冲击的性能并非最佳，基于串联弹性驱动关节具有良好的抗冲击和力感知性能，但其占空空间大、结构不紧凑，很难设计出空间小，重量轻，结构紧凑和实现正反转的关节。目前，国内能应用于康复机器人上的柔弹性关节还非常少。浙江大学的杨灿军等人设计的基于柔绳传动的外骨骼柔性关节驱动装置专利号CN103315881A能实现柔弹性传动，但是其占用空间的，且要固定在机器人上，不能随着机器人的一起运动，因此其应用范围非常有限。江南大学的章军等人设计的一种可多方向弯曲的柔性关节专利号CN2767081Y只能实现关节的弯曲运动，并不能实现关节的转动，而且其占用空间大，应用于康复机器人上不现实。
[0004]本发明的一种基于阿基米德螺线弹性体的柔弹性关节使得康复机器人关节正反转都具备有柔弹性，传动精确，能够跟随机器人一起运动，控制了关节的大小，使之结构更加紧凑，设计更加灵活，改变了传统康复机器人关节的设计模式。
【发明内容】
[0005]本发明的技术问题为:本发明提供的基于阿基米德螺线弹性体的柔弹性关节使得康复机器人关节正反转都具备有柔弹性，解决了由于外部载荷对康复机器人和人产生的刚性冲击的问题，避免了由于刚性冲击对机器人和人体造成损害的风险。同时，解决了传统机器人关节占用空间大、结构松散等问题。本发明改变了传统机器人关节的模式，适用于升级现在康复机器人和机器臂关节，有助于促进机器人的更新换代。
[0006]本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0007]—种基于阿基米德螺线弹性体的柔弹性关节，包括输入轴1、输出轴9与套筒8，还包括第一单向轴承2、弹性体3，4、第二单向轴承5，所述输入轴I上从左右到右依次固定连接有第一单向轴承2、弹性体3，4、第二单向轴承5、第二单向轴承5，所述第一单向轴承2、弹性体3，4、第二单向轴承5整体装入所述套筒8的内部并与套筒8固定连接，所述输出轴9通过法兰盘10固定在套筒8的端部；驱动单元带动输入轴9转动，通过第一单向轴承2、弹性体3，4与第二单向轴承5整体的协同作用使得输出轴9进行柔性输出。
[0008]进一步地，所述第一单向轴承2、第二单向轴承5与套筒6的内壁过盈配合，所述弹性体3，4通过长销6，7与套筒6的内壁固定连接。
[0009]进一步地，所述输入轴I的一端开有键槽，用于连接电机或者减速器等驱动单元，另一端开有两个相互对称长键槽；所述第一单向轴承2、弹性体3，4与第二单向轴承5的内圈均开有两个对称销槽，该对称的销槽通过键与输入轴I上的长键槽配合。
[0010]进一步地，所述第一单向轴承2、弹性体3，4与第二单向轴承5的外圈均开有两个对称销槽，其与内圈的销槽位于同一径向位置，套筒8的内壁也开有两个互相对称的长销槽，弹性体3，4外圈的销槽与套筒8内壁的销槽通过长销6，7键连接，从而实现了弹性体3，4与套筒8的固定连接。
[0011]进一步地，所述第一单向轴承2与第二单向轴承5为反向安装设置。
[0012]进一步地，所述弹性体3，4的数量为两个，并且其由弹簧钢等弹性材料制作而成。
[0013]进一步地，所述弹性体3，4的端面开有两条互成180度的阿基米德螺线槽11。
[0014]进一步地，所述输出轴9与法兰盘10焊接固定，所述套筒8与输出轴9所连接一端的端面上设有若干螺纹孔，所述法兰盘10通过螺钉固定连接在所述套筒8上。
[0015]本发明的有益效果为:(I)本发明的输入轴由电机、减速器等驱动单元作为动力输入，在克服以及单向轴承与弹性体的阻力后，输出轴能够进行柔性输出；(2)本发明的弹性关节正反转都具备有柔弹性，传动精确，能够跟随机器人一起运动，关节的尺寸可变，结构更加紧凑。
【附图说明】
[0016]图1为本发明的结构示意图。
[0017]图2为本发明内部结构分解示意图。
[0018]图3为本发明输入轴的主视图。
[0019]图4为本发明弹性体的主视图。
[0020]图5为本发明单向轴承的轴向视图。
[0021]图6为本发明输出轴的角速度输出曲线图。
[0022]图中:I输入轴，2第一单向轴承，3弹性体一，4弹性体二，5第二单向轴承，6长销一，7长销二，8套筒，9输出轴，10法兰盘，11阿基米德螺线槽
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
[0024]实施例一:
[0025]如图1-2所示，本发明所涉及的一种基于阿基米德螺线弹性体的柔弹性关节包括输入轴1、第一单向轴承2、弹性体一 3、弹性体二 4、第二单向轴承5、长销一 6、长销二 7、套筒8、输出轴9和法兰盘10。
[0026]如图3所示，输入轴I的一端开有键槽，用于连接电机或者减速器等驱动单元，另一端开有两个对称的长键槽，用于连接第一单向轴承2、弹性体一 3、弹性体二 4和第二单向轴承5，位移长键槽左右两侧各开有一槽，用于卡簧的定位。
[0027]如图4所示，弹性体一 3和弹性体二 4是由弹簧钢等弹性材料制作而成，内孔壁上开有两个键槽，用于和输入轴I上的两个长键槽连接，外圆柱壁上开有两个销槽，用于和套筒8上所开销槽连接。弹性体上开有两条互成180度的阿基米德螺线槽，以便于弹性体更加轻松地扭曲变形。
[0028]如图5所示，第一单向轴承2和第二单向轴承5内圈开有两个键槽通过键和输入轴I上的两个长键槽连接，外圈与套筒8过盈配合，外圈上开有两个槽，便于长销从中通过。第一单向轴承2和第二单向轴承5安装方向相反，单向轴承正向无阻力转动，反向转动时需克服一定的阻力后才能转动，因此输入轴不论正转还是反转都需克服一个单向轴承的阻力才能转动。
[0029]套筒8内壁上开有两个销槽，用于和弹性体一 3、弹性体二 4上所开销槽连接，套筒8底面有若干螺纹通孔，用于和法兰盘10上通孔螺钉连接。输出轴9上开有键槽，用于和齿轮等传动元件的连接。法兰盘10上开有若干通孔，用于和套筒8底面上若干通孔螺栓连接，它与输出轴9焊接固定连接。
[0030]实施例二:
[0031]试验采用电机作为本发明的柔性关节的动力输入端，在输出轴9上安装角速度传感器，然后开启电机，采集角速度数据，将采集到的数据整理可以得到图6。由图6可得，电机通电后输出轴没有立即转动，而是经过大约0.2s的时间才开始缓慢转动，经过大致1.2s速度才趋于稳定，试验结果显示本发明的一种基于阿基米德螺线弹性体的柔弹性关节具备良好的柔性输出。
[0032]所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种基于阿基米德螺线弹性体的柔弹性关节，包括输入轴(1)、输出轴(9)与套筒(8)，其特征在于，还包括第一单向轴承(2)、弹性体(3，4)、第二单向轴承(5)，所述输入轴(I)上从左右到右依次固定连接有第一单向轴承(2)、弹性体(3，4)、第二单向轴承(5)、第二单向轴承(5)，所述第一单向轴承(2)、弹性体(3，4)、第二单向轴承(5)整体装入所述套筒(8)的内部并与套筒(8)固定连接，所述输出轴(9)通过法兰盘(10)固定在套筒(8)的端部；驱动单元带动输入轴(9)转动，通过第一单向轴承(2)、弹性体(3，4)与第二单向轴承(5)整体的协同作用使得输出轴(9)进行柔性输出。2.如权利要求1所述的一种基于阿基米德螺线弹性体的柔弹性关节，其特征在于，所述第一单向轴承(2)、第二单向轴承(5)与套筒(6)的内壁过盈配合，所述弹性体(3，4)通过长销(6，7)与套筒(6)的内壁固定连接。3.如权利要求1所述的一种基于阿基米德螺线弹性体的柔弹性关节，其特征在于，所述输入轴(I)的一端开有键槽，用于连接电机或者减速器等驱动单元，另一端开有两个相互对称长键槽；所述第一单向轴承(2)、弹性体(3，4)与第二单向轴承(5)的内圈均开有两个对称销槽，该对称的销槽通过键与输入轴(I)上的长键槽配合。4.如权利要求2所述的一种基于阿基米德螺线弹性体的柔弹性关节，其特征在于，所述第一单向轴承(2)、弹性体(3，4)与第二单向轴承(5)的外圈均开有两个对称销槽，其与内圈的销槽位于同一径向位置，套筒(8)的内壁也开有两个互相对称的长销槽，弹性体(3,4)外圈的销槽与套筒(8)内壁的销槽通过长销(6，7)键连接，从而实现了弹性体(3，4)与套筒(8)的固定连接。5.如权利要求2所述的一种基于阿基米德螺线弹性体的柔弹性关节，其特征在于，所述第一单向轴承(2)与第二单向轴承(5)为反向安装设置。6.如权利要求1所述的一种基于阿基米德螺线弹性体的柔弹性关节，其特征在于，所述弹性体(3，4)的数量为两个，并且其由弹簧钢等弹性材料制作而成。7.如权利要求6所述的一种基于阿基米德螺线弹性体的柔弹性关节，其特征在于，所述弹性体(3，4)的端面开有两条互成180度的阿基米德螺线槽(11)。8.如权利要求1-7中任一项所述的一种基于阿基米德螺线弹性体的柔弹性关节，其特征在于，所述输出轴(9)与法兰盘(10)焊接固定，所述套筒(8)与输出轴(9)所连接一端的端面上设有若干螺纹孔，所述法兰盘(10)通过螺钉固定连接在所述套筒(8)上。
【专利摘要】本发明涉及一种基于阿基米德螺线弹性体的柔弹性关节，包括输入轴、第一单向轴承、弹性体、第二单向轴承、长销、套筒、输出轴和法兰盘。应用至康复机器人关节中，使得康复机器人关节正反转都具备有柔弹性，解决了由于外部载荷对康复机器人和人产生的刚性冲击的问题，避免了由于刚性冲击对机器人和人体造成损害的风险。同时，解决了传统机器人关节占用空间大、结构松散等问题。本发明改变了传统机器人关节的模式，适用于升级现在康复机器人和机器臂关节，有助于促进机器人的更新换代。
【IPC分类】B25J17/00
【公开号】CN105082170
【申请号】CN201510471447
【发明人】杨启志, 汪志焕, 宋俊朋, 赵金海, 卢青, 马新坡
【申请人】江苏大学
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2015年8月5日