一种变刚度机器人弹性关节的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种变刚度机器人弹性关节。
【背景技术】
[0002]随着科技的飞速发展，机器人技术在现阶段的应用是非常广泛的，尤其是在工业领域内。目前，随着机器人技术向柔性方面的发展，多台机器人的协同工作，以及机器人与人之间的交互作用等越来越普遍。这种现象的出现，必将对机器人的柔性技术和适应性要求有所提高。这也是现阶段国内外研究的热点。
[0003]从机器人的整个组成结构来看，机器人关节是机器人实现各种运动的关键零部件。现有机器人技术应用较多的主要是刚性关节和弹性关节。针对变刚度机器人关节的应用技术是比较少的。
[0004]变刚度机器人弹性关节能够根据任务要求，实时调节关节刚度，从而提高机器人的适应性。变刚度关节驱动器可能的应用领域包括:提升服务机器人人机交互的安全性；在假肢关节中应用可以有效地抵抗外力的冲击，保护关节免遭破坏。变刚度机器人弹性关节能够有效地提高机器人对环境的适应性并扩大机器人的应用领域，具有广泛的应用前景。
[0005]研究如何提高机器人的适应性的过程中。通常使用被动柔性和主动力控制来提高机器人的适应性。被动柔性难以进行主动控制，应用面较窄。主动力控制对力传感器的精度、采样频率的带宽和控制算法的实时性要求较高；其安全性难以保证，且鲁棒性较低，能量消耗较大。
[0006]国外对变刚度机器人弹性关节的研究比较多，主要集中在实现结构的变刚度，能量效率的优化，以及控制方法的研究。但从国外所设计很多结构来看，其结构还是存在很多问题，如变刚度机器人关节结构复杂，变刚度特性差，控制复杂，能量消耗大，安全性较低等。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是为了克服现有变刚度机器人弹性关节的结构相对复杂，变刚度特性差，控制复杂，能量消耗大，安全性较低，提供一种结构简单，可以实现在机器人关节运动过程中刚度实时可调的机器人变刚度结构。
[0008]本发明的目的是通过下述技术方案来实现的:
一种变刚度机器人弹性关节，由外壳(1)、轴(4)和外圈(2)组成；其特征在于所述轴
(4)设置于外壳⑴的回转中心，并且与外壳⑴之间为固定连接，外壳⑴与外圈⑵之间为转动副连接；所述外圈(2)上安装有径向对称的多个弹簧片(3)，每个弹簧片(3) —端与外圈(2)固联，另一端与轴(4)固联；所述弹簧片(3)中间均安装有一个活动卡爪(5)，活动卡爪(5)随弹簧片(3)对称分布，且与弹簧片(3)之间为滑动连接，活动卡爪(5)底部与齿盘(6)之间为螺旋传动连接；所述齿盘(6)底部设置有端面齿，且端面齿与伞齿(7)之间构成齿轮传动连接；所述轴(4)进一步穿过齿盘(6)的旋转中心，并与齿盘(6)之间为转动副连接；所述伞齿(7)径向穿过外壳(1)，且与外壳(1)之间为转动副连接。
[0009]上述方案中，所述活动卡爪(5)与齿盘(6)之间为螺旋传动，活动卡爪(5)与齿盘
(6)齿形可以为矩形齿，或梯形齿。
[0010]上述方案中，所述活动卡爪(5)在弹簧片(3)上滑动的有效长度决定了弹簧片(3)的刚度可控范围。
[0011]上述方案中，所述活动卡爪(5)与齿盘(6)之间的螺旋传动角优选使其螺旋传动具有自锁功能的角度。
[0012]上述方案中，所述活动卡爪(5)与齿盘(6)之间设置有自锁机构，自锁机构可以使活动卡爪(5)能够保持相对于弹簧片(3)的相对位置不变，从而有效地提高了刚度控制的精度和稳定性。
[0013]上述方案中，所述活动卡爪(5)两端安装有滚子，在活动卡爪(5)沿簧片(3)滑动的过程中，实现变滑动摩擦为滚动摩擦，有效地减小了能量的损失，减小了驱动电机的启动力矩。
[0014]上述方案中，所述弹簧片(3)为多个薄片的叠加结构，力学性能更好。
[0015]本发明所述的变刚度机器人弹性关节实现变刚度的工作原理为:所述外壳(1)固定不动，通过外加电机驱动伞齿(7)转动，当外加电机驱动伞齿(7)沿顺时针方向转动时，会带动齿盘(6)绕轴(4)转动，齿盘￠)的转动会带动齿盘(6)上侧活动齿爪(5)沿径向向远离轴(4)中心一侧移动，且活动卡爪(5)的移动会沿着弹簧片(3)向外侧移动，从而改变外圈(2)与活动卡爪(5)之间弹簧片(3)的有效长度，使弹簧片(3)的有效长度减小，从而使关节的刚度变大。当外加电机驱动伞齿(7)沿逆时针方向转动时，活动卡爪(5)会在齿盘(6)的反向驱动下同时向内侧收缩，使弹簧片(3)的有效长度增大，从而使关节刚度减小。
[0016]本发明的一种变刚度机器人弹性关节可用在各种机器人弹性关节的系统中，特别是用于刚度可调的机器人弹性关节系统中。其特点在于采用活动卡爪与齿盘螺旋传动的方式实现活动卡爪控制弹簧片的有效工作长度，从而实现该弹性关节结构的刚度可调。弹簧片刚度的调节通过外接电机驱动伞齿转动，并通过伞齿实现齿盘的转动，所以通过电机的正反转可以实现齿盘的正反转，从而可以控制弹簧片刚度的变化。
[0017]本发明提出的一种变刚度机器人弹性关节，克服了原有机器人弹性关节的结构相对复杂，控制方式复杂，以及使用场合有限等缺陷。此结构具有结构相对简单，可以实现关节转动两个方向的抗冲击特性，并且控制关节位置与刚相对独立的特点。上述方案中，使用弹簧片，其结构简单，制造加工容易，便于结构自身的更换，且整个结构刚度控制方式相对简单。
【附图说明】
[0018]图1是本发明的示意图。
[0019]图2是本发明的齿盘示意图。
[0020]图3是本发明的活动卡爪示意图。
[0021]图4是本发明的外圈示意图。
[0022]图5是本发明的外壳示意图。
[0023]图6是本发明的轴示意图。
[0024]图7是本发明的伞齿示意图。
[0025]图8是本发明的弹簧片示意图。
[0026]图9是本发明所述6轴工业机器人实施例示意图。
[0027]图10是本发明所述仿生机器人实施例示意图。
[0028]图11是本发明所述人体假肢腿部实施例示意图。
[0029]附图中，各数字的含义为:1:外壳；2:外圈；3:弹貪片；4:轴；5:活动卡爪；6:齿盘；7:伞齿；8:输入端；9:输出端；10:仿生机器人腿部输入端；11:仿生机器人腿部输出端；12:人体假肢大腿；13:人体假肢小腿。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图及实施例进一步详述本发明，但本发明不仅限于所述实施例。
[0031]实施例一本例的一种变刚度机器人弹性关节如图1所示，一种变刚度机器人弹性关节，由外壳
(1)、轴(4)和外圈(2)组成；其特征在于所述轴(4)设置于外壳(I)的回转中心，并且与外壳(I)之