兰16与中部转盘18固联。六个转轮20分为三组，两个为一组均匀铰接在中部转盘18的侧边，每组的两个转轮20与中部转盘18的旋转平面平行，六个转轮20均可以自由旋转。前凸轮板13的内圈压紧在前凸轮板法兰16上，外圈如图7、图9所示，通过三组凹槽与柔性关节外壳22的内圈周向固定，前凸轮板13可以相对柔性关节外壳22轴向滑动，但两者不能发生相对周向转动。柔性关节外壳22与后编码器座17固联，摆臂35安装在后编码器座17上。因此前凸轮板13转动时将带动摆臂35以及整个调整端运动；摆臂35末端固联有配重36，用于增大摆臂35的转动惯量。
[0038]如图2、图3所示，后凸轮板26的内圈压紧在后凸轮板法兰21上，外圈如图6、图8所示，通过三组凹槽与调整端谐波输出法兰28的内圈周向固定，后凸轮板26可以相对调整端谐波输出法兰28轴向滑动，但两者不能发生相对周向转动。调整端谐波输出法兰28与调整端谐波23输出端联接，后编码器座17与调整端谐波23钢轮联接。因此调整端电机30静止时，后凸轮板26与后编码器座17不会产生周向位移；当调整端电机30工作时，后凸轮板26相对于后编码器座17产生周向位移，进而与前凸轮板13产生相对周向位移。
[0039]矩形压簧37 —端与弹簧轴10末端压紧，另一端与前凸轮板法兰16中部压紧。弹簧轴10根部与后凸轮板法兰21压紧，前凸轮板13、后凸轮板26的内表面斜曲面与安装在中部转盘18侧边的转轮20两边相抵。这样，前凸轮板13与后凸轮板26可以轴向运动，但是合拢时会被转轮20顶住，分开时会挤压矩形压簧37，使其形变产生弹力。
[0040]如图2所示，前编码器12外圈安装在前编码器座9上，内圈与柔性关节外壳22固接，前编码器座9、底座法兰15与前轴承14的外圈固接；柔性关节外壳22的小端与前轴承14的内圈固接。前编码器座9 一端与驱动端谐波法兰7固接，另一端与底座法兰15固接。底座法兰15与底板33通过底座前支架34固接。通过前编码器12测定前凸轮板13与底板33之间的相对转角；后编码器19外圈安装在安装有摆臂35的后编码器座17上，内圈与调整端谐波输出法兰28固接，柔性关节外壳22的大端、后编码器座17与后轴承24的外圈固接；调整端谐波输出法兰28与后轴承24的内圈固接。调整端谐波输出法兰28与后凸轮板26周向固定，因此后编码器19能够测定前凸轮板13与后凸轮板26之间的相对转角。驱动端编码器I能够测定驱动端电机5的转角，调整端编码器31能够测定调整端电机30的转角。
[0041]如图3所示，驱动端电机5工作时，通过驱动端谐波6带动中部转盘18转动。若向右转动，则三个位于右侧的转轮20在图3中相对于前凸轮板13向右运动，挤压前凸轮板13的曲斜面。前凸轮板13跟随向右运动则带动摆臂35转动。若负载端受力，则前凸轮板13将向上运动；矩形弹簧37受到挤压，带动后凸轮板26向上运动，后凸轮板26内表面的曲斜面紧紧顶住三个位于图3中左侧的转轮20无法进一步向上运动；若向左转动，则三个位于左侧的转轮20在图3中相对于后凸轮板26向左运动，挤压后凸轮板26的曲斜面。前凸轮板13跟随向左运动，通过调整端电机30带动后编码器座17以及摆臂35转动。若负载端受力，则后凸轮板26将向下运动；矩形弹簧37受到挤压，带动前凸轮板13向下运动，前凸轮板13内表面的曲斜面紧紧顶住三个位于图3中右侧的转轮20无法进一步向下运动。
[0042]而如图1O所示，由于前凸轮板13、后凸轮板26的斜面曲率不同，当转轮20偏离中心位置时，偏离方向正向的斜面曲率大于偏离方向反向的斜面曲率，因此前凸轮板13与后凸轮板26的轴向距离将增大，挤压矩形压簧37收缩，产生回复力，借此实现柔性关节的功會K。
[0043]当调整端电机30静止时，如图10所示，前凸轮板13与后凸轮板26仅能发生轴向相对运动，此时柔性关节的刚度是确定的；当调整端电机30工作时，前凸轮板13与后凸轮板26之间发生周向位移。若前凸轮板13与后凸轮板26的曲斜面间距接近，则由于转轮20的限位，前凸轮板13与后凸轮板26的轴向间距更远，对矩形压簧37的预紧压力增加，且和前凸轮板13、后凸轮板26的曲斜面间距疏远时对比，此时前凸轮板13与后凸轮板26各自与转轮18相接处点的曲斜面斜率更大，在驱动端电机5带动中部转盘18相对于前凸轮板13转动相同角度的情况下，前凸轮板13与后凸轮板26的轴向距离变化更大，柔性关节的刚度便增大了。通过调整端电机30的工作改变前凸轮板13与后凸轮板26的周向角度，调整改变柔性关节的刚度。
[0044]当前凸轮板13与后凸轮板26转角最小时，两板内侧的曲斜面最高处与转轮20相切，前凸轮板13外部顶住柔性关节外壳22，后凸轮板26外部顶住调整端谐波输出法兰28，此时中部转盘18相对于前凸轮板13与后凸轮板26周向固定，此时关节表现为完全刚性的结构。
【主权项】
1.一种刚度可调的柔性关节驱动器机构，其特征在于，包括:驱动端编码器(I)、驱动端编码器法兰(2)、驱动端电机轴(3)、驱动端电机法兰(4)、驱动端电机(5)、驱动端谐波(6)、驱动端谐波法兰(7)、驱动端谐波输出轴(8)、前编码器座(9)、弹簧轴(10)、固接销(11)、前编码器(12)、前凸轮板(13)、前轴承(14)、底座法兰(15)、前凸轮板法兰(16)、后编码器座(17)、中部转盘(18)、后编码器(19)、转轮(20)、后凸轮板法兰(21)、柔性关节外壳(22 )、调整端谐波(23 )、后轴承(24)、调整端电机法兰(25 )、后凸轮板(26 )、调整端电机轴(27),调整端谐波输出法兰(28)、调整端编码器法兰(29)、调整端电机(30)、调整端编码器(31)、底座后支架(32)、底板(33)、底座前支架(34)、摆臂(35)、配重(36)、矩形压簧(37)和调整端谐波法兰(38); 所述驱动端编码器法兰(2)上安装有驱动端编码器(I )，驱动端编码器法兰(2)与内部安装有驱动端电机(5)的驱动端电机法兰(4)固接；驱动端电机法兰(4)与底板(33)通过底座后支架(32)固接；驱动端电机轴(3)前端连接驱动端谐波(6)的输入端，中段与驱动端电机(5)的转子夹紧，后端与驱动端编码器(I)的转子夹紧；驱动端谐波(6)安装在驱动端谐波法兰(7)上，输出端与驱动端谐波输出轴(8)固接； 所述调整端编码器法兰(29)上安装有调整端编码器(31)，调整端编码器法兰(29)与内部安装有调整端电机(30)的调整端电机法兰(25)固接；调整端电机轴(27)前端连接调整端谐波(23)的输入端，中段与调整端电机(30)的转子夹紧，后端与调整端编码器(31)的转子夹紧；调整端谐波(23)安装在调整端谐波法兰(38)上，输出端与调整端谐波输出法兰(28)固接; 所述驱动端谐波输出轴(8)末端固联有固接销(11 )，固接销(11)的另一端穿过前凸轮板法兰(16)与中部转盘(18)固联；六个转轮(20)分为三组，两个为一组均匀铰接在中部转盘(18)的侧边，每组的两个转轮(20)与中部转盘(18)的旋转平面平行，六个转轮(20)均可以自由旋转；前凸轮板(13)的内圈压紧在前凸轮板法兰(16)上，外圈通过三组凹槽与柔性关节外壳(22)的内圈周向固定，前凸轮板(13)可以相对柔性关节外壳(22)轴向滑动，但两者不能发生相对周向转动；柔性关节外壳(22)与后编码器座(17)固联，摆臂(35)安装在后编码器座(17 )上；摆臂(35 )末端固联有配重(36 ); 所述后凸轮板(26)的内圈压紧在后凸轮板法兰(21)上，外圈通过三组凹槽与调整端谐波输出法兰(28)的内圈周向固定，后凸轮板(26)可以相对调整端谐波输出法兰(28)轴向滑动，但两者不能发生相对周向转动；调整端谐波输出法兰(28)与调整端谐波(23)输出端联接，后编码器座(17)与调整端谐波(23)钢轮联接； 所述矩形压簧(37)—端与弹簧轴(10)末端压紧，另一端与前凸轮板法兰(16)中部压紧；弹簧轴(10)根部与后凸轮板法兰(21)压紧，前凸轮板(13)、后凸轮板(26)的内表面斜曲面与安装在中部转盘(18)侧边的转轮(20)两边相抵； 所述前编码器(12)外圈安装在前编码器座(9)上，内圈与柔性关节外壳(22)固接，前编码器座(9)、底座法兰(15)与前轴承(14)的外圈固接；柔性关节外壳(22)的小端与前轴承(14)的内圈固接；前编码器座(9) 一端与驱动端谐波法兰(7)固接，另一端与底座法兰(15)固接；底座法兰(15)与底板(33)通过底座前支架(34)固接；后编码器(19)外圈安装在安装有摆臂(35)的后编码器座(17)上，内圈与调整端谐波输出法兰(28)固接，柔性关节外壳(22)的大端、后编码器座(17)与后轴承(24)的外圈固接；调整端谐波输出法兰(28) 与后轴承(24)的内圈固接；调整端谐波输出法兰(28)与后凸轮板(26)周向固定。
【专利摘要】本实用新型公开了一种刚度可调的柔性关节驱动器机构，该驱动器机构分为驱动端、调整端和柔性关节三部分。其中驱动端为柔性关节运动提供动力，调整端负责改变柔性关节的刚度，柔性关节则起到减缓冲击、调节刚度的作用。附带有驱动电机，能够主动驱动关节运动；采用曲斜面-转轮配合结构的变刚度系统，摩擦阻力小，传动精密；安装有四个绝对式编码器，工作过程中实现有效检测，灵敏度高，故障率低；外壳全封闭，结构紧凑，能够在恶劣的环境下工作；从极大柔性到完全刚性，关节刚度的变化线性可控。
【IPC分类】B25J13/08, B25J17/02
【公开号】CN204725510
【申请号】CN201520434142
【发明人】朱秋国, 赵逸栋, 熊蓉
【申请人】浙江大学
【公开日】2015年10月28日
【申请日】2015年6月23日