一种旋转型变刚度柔性关节的制作方法

本实用新型涉及机器人技术领域，具体为一种旋转型变刚度柔性关节。

背景技术：

近年来，关节型机器人以其活动灵活，结构简单，环境适应性强及工作空间大的特点，已被广泛应用于抗震救灾，医疗，工业生产等很多行。转动关节是机器人重要组成部分之一，对机器人的运动稳定性和精确性等具有重要的意义。传统机器人关节采用刚性设计，运动速度、精度也已达到较高水平，但随着机器人的不断普及，面对新的任务，刚性关节已渐渐不能满足要求：工作在障碍物较多或其他复杂的未知环境下，刚性机器人容易受到未知碰撞而降低精度或损坏，在与人类肢体直接接触的助残、康复、外骨骼机器人上，安全问题是设计过程中必须考虑的重要方面,刚性机器人即使配合各类传感装置，安全系数也不能达到要求。

事实上，大自然中动物与人的运动关节就表现出了非常出色的运动特性，不仅具有快速响应、大力矩输出能力，还体现出优秀的柔顺特性。关节柔顺特性不仅仅保护动物机体组织在外力作用时免受损伤，而且能够保证精准的力输出。同时，为适应不同情况，动物能够调整肌肉-肌腱组织的刚度，提高运动稳定性及能量优化特性。参考动物关节特性，国内外研究人员提出了在驱动器与执行器间串联弹性元件的串联弹性驱动器(series elastic actuator，SEA)，并基于此柔性驱动器原理设计出了多种具有柔顺特性的机器人关节结构。

现有的基于串联驱动器的柔性关节多数依据特定机器人设计，主要关注柔性输出的实现，目前普遍存在驱动元件与传动机构不够紧凑，柔性关节结构复杂，通用性差的问题。如CN102211622A号专利公开的一种圆筒式的串联弹性驱动器，结构复杂，且只能产生直线运动，限制了关节的灵活程度，且刚度不可调，不利于应用在关节机器人上；又如CN101934525B号专利公开的仿人机器人具有可变刚度柔性关节设计，虽然实现了主动变刚度输出的目的，但是同样结构复杂，且驱动依靠柔索，不能适应快速运动及冲击作用，应用到各种关节型机器人上的广泛性受到限制。

WolfS等人(WolfS,Hirzinger G.A new variable stiffness design:Matching requirements of the next robot generation[C]//International Conference on Robotics andAutomation.DLR,2008:1741-1746.)通过凸轮机构来实现变刚度，当关节旋转时，凸轮滚子在底部凸轮盘内的位置发生变化，致使弹簧的伸缩量发生变化，力的作用点也发生变化，实现被动变刚度的调节。但其结构也存在一定不足，凸轮沿凸轮槽滑动过程中会有摩擦，造成能量损失，效率低下。凸轮以及凸轮连接处受到的应力比较大，工作寿命短。变刚度特性是由凸轮槽决定的，凸轮槽设计比较复杂，造成其传动精度很难保证。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种旋转型变刚度柔性关节。该柔性关节不仅能够实现柔性驱动输出，又能降低关节驱动受到的外力冲击，减少能量消耗，降低控制精度，延长机器人使用寿命，提高机器人安全性。同时能够实现关节刚度随关节柔性变形角度增大而增大，提高机器人鲁棒性及运行稳定性，并能通过自身驱动主动调整关节刚度，更好的适应不同外界环境或不同工作任务。

本实用新型解决所述技术问题的技术方案是：设计一种旋转型变刚度柔性关节，其特征在于该关节包括驱动盘、端盖、扭簧、异形齿轮组、标准齿轮组、轴一、轴二、输出轴、轴端固定架、蜗杆、蜗轮、直流减速电机、联轴器、连接板、蜗杆固定块、卡簧、电机安装座、固定块和轴承座；

所述驱动盘与端盖固定，驱动盘端部直接通过减速器与外部电机连接，作为柔性关节的输入；驱动盘内部设置有轴承座和轴端固定架，轴承座和驱动盘为一体结构，驱动盘与端盖通过螺栓连接作为关节的外壳；轴端固定架的两端通过固定块固定在驱动盘上，在端盖与轴端固定架之间通过深沟球轴承固定输出轴，输出轴与外部构件连接；轴一与轴二分别通过深沟球轴承、轴承座固定于驱动盘与端盖上，轴一、轴二和输出轴同高度；标准齿轮组安装在输出轴与轴二的一侧上，两个标准齿轮相互啮合传递转速；在轴二的另一侧和轴一的同侧上固定安装异形齿轮组，在异形齿轮组的内侧的轴一上套有扭簧，扭簧一端与异形齿轮组相连接；

所述轴一的另一侧通过轴承安装有蜗轮，蜗轮与轴一之间安装有卡簧，蜗轮通过连接板与扭簧的另一端相连接；在蜗轮的上方，在驱动盘内通过蜗杆固定块固定蜗杆的一端，蜗杆的另一端通过联轴器与直流减速电机的输出轴连接；所述直流减速电机通过电机安装座安装在轴端固定架上。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1)本实用新型柔性关节与减速器相连接的法兰与驱动盘(外壳)做成一体，充当行星架，巧妙地利用了行星轮系的特点，柔性关节的承载力明显提高，传递的功率范围变大，提高了关节的效率和寿命，关节结构更加紧凑；巧妙地结合了异形齿轮可变传动比的机构特点及蜗轮蜗杆机构传动的特点，可以在外界环境需要时同时实现主动与被动的变刚度调节。该关节结构紧凑，变刚度机构都集中在关节内部，适用于各类关节型机器人的使用，且在外界环境工作时受到碰撞、冲击等情况时能够起到一定的缓冲作用，避免造成工作人员或机器人本体的损伤。

2)本实用新型柔性关节能够通过直流减速电机主动调节关节的刚度，使机器人能够适应不同的外界环境，增大了机器人的应用范围，能够实现驱动力的柔性输出，异形齿轮又对扭簧的扭力进行放大，减小了整体结构的尺寸，实现了输出力矩的放大，提高能量的利用。

3)本实用新型采用了异形齿轮传动来实现变刚度，相比于凸轮机构本实用新型具有传递运动稳定，工作可靠，轮齿不易磨损等优势，保证了机构的高精度要求，异形齿轮生命周期长，设计成型后加工相对简单，成本低，即使出现问题后容易更换，显著提高了工作效率；而相对于通过凸轮机构来实现变刚度的关节，需要通过对凸轮槽的设计来实现变刚度特性，但凸轮槽设计计算中存在一定的误差且随着机构的使用凸轮槽会出现磨损，精度降低，凸轮槽出现磨损就会报废，且寿命较短，凸轮槽为关节的核心部件再生产比较复杂，更换难度也大。

4)本实用新型通过蜗轮蜗杆来调节关节的柔性特性，减少了关节轴向空间，使得关节内部空间更加紧凑，传动平稳，更重要的是，相对于丝杠等其它传动方式，蜗轮蜗杆具有很好的自锁性，避免了被动调刚度过程中扭簧受力使得与蜗轮连接一端出现回弹而影响关节柔性特性的问题。

附图说明

图1为本实用新型旋转型变刚度柔性关节一种实施例的立体结构示意图；

图2为本实用新型旋转型变刚度柔性关节的主视图；

图3为本实用新型旋转型变刚度柔性关节的主视图中A-A剖视图

图4为本实用新型旋转型变刚度柔性关节的俯视图；

图5为本实用新型旋转型变刚度柔性关节的俯视图中B-B剖视图；

图6为本实用新型旋转型变刚度柔性关节的俯视图中C-C剖视图；

图中：1驱动盘，2蜗杆，3蜗轮，4扭簧，5异形齿轮，6轴端固定架，7轴承座，8轴二，9直流减速电机，10端盖，11标准齿轮，12输出轴，13联轴器，14连接板，15轴一，16电机安装座，17卡簧，18固定块，19蜗杆固定块。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图进一步叙述本实用新型。但本申请的权利要求保护范围不限于所述实施例的描述范围。

本实用新型旋转型变刚度柔性关节(简称关节或柔性关节，参见图1-6)包括驱动盘1、端盖10、扭簧4、异形齿轮组5、标准齿轮组11、轴一15、轴二8、输出轴12、轴端固定架6、蜗杆2、蜗轮3、直流减速电机9、联轴器13、连接板14、蜗杆固定块19、卡簧17、电机安装座16、固定块18和轴承座7；

所述驱动盘1与端盖10固定，驱动盘1端部直接通过减速器与外部电机连接，作为柔性关节的输入；驱动盘1内部设置有轴承座7和轴端固定架6，轴承座7和驱动盘1为一体结构，驱动盘1与端盖10通过螺栓连接作为关节的外壳；轴端固定架6的两端通过固定块18固定在驱动盘1上，在端盖10与轴端固定架6之间通过深沟球轴承固定输出轴12，输出轴12与外部构件连接；轴一15与轴二8分别通过深沟球轴承、轴承座7固定于驱动盘1与端盖10上，轴一15、轴二8和输出轴12同高度；标准齿轮组11安装在输出轴12与轴二8的一侧上，两个标准齿轮相互啮合传递转速，输出轴12作为中心轴，当工作受到外界阻碍时，标准齿轮组11发生相对转动，轴二8作为离心轴绕输出轴12转动，同时标准齿轮组11带动轴二8自转，能量开始递传；在轴二8的另一侧和轴一15的同侧上固定安装异形齿轮组5，在异形齿轮组5的内侧的轴一15上套有扭簧4，扭簧4一端与异形齿轮组5相连接，异形齿轮的传动比是时刻变化的，异形齿轮组5转动带动扭簧4压缩产生柔性力，从而可实现关节等效刚度随驱动盘1与输出轴12相对角度变化而变化；

所述轴一15的另一侧通过轴承安装有蜗轮3，蜗轮与轴一15之间安装有卡簧17，使蜗轮3能够相对于轴一转动，同时不会发生轴向滑动，蜗轮3通过连接板14与扭簧4的另一端相连接；在蜗轮3的上方，在驱动盘1内通过蜗杆固定块19固定蜗杆2的一端，蜗杆2的另一端通过联轴器13与直流减速电机9的输出轴连接；所述直流减速电机9通过电机安装座16安装在轴端固定架6上；直流减速电机9工作驱动蜗杆2转动，蜗杆2带动蜗轮3转动，与蜗轮3相连接的扭簧4一端压缩，产生压缩量，通过直流减速电机9主动调节扭簧4的压缩量，主动改变柔性关节的刚度，能够使柔性关节适应不同的外界环境及工作需求。

上述的标准齿轮组11、异形齿轮组5与扭簧4、轴一15、轴二8和输出轴12相互作用构成被动变刚度机构；直流减速电机9、联轴器13、蜗杆2、蜗轮3与扭簧4、轴一15相互作用构成主动柔性驱动机构。

本实用新型的进一步特征在于所述异形齿轮组5的传动比变化为1:4至4:1。

本实用新型中标准齿轮组由两个相互啮合的标准齿轮构成，其传动比是定值，异形齿轮组由两个相互啮合的异形齿轮构成，其传动比是时刻变化的，根据所需的传动比变化范围来设计加工异形齿轮的外形。驱动盘1与输出轴12的相对旋转角度为θ，如果旋转角度θ增加一度，扭簧4压缩量变化为一个常数，则是定刚度；本申请采用异形齿轮形式，随着旋转角度θ的增大，扭簧4压缩量增大速度变快，为弹性刚度，即实现了扭簧4的柔性变形越大，关节等效刚度越大的变化规律。

本实用新型旋转型变刚度柔性关节能够产生柔性力主要依据了异形齿轮和行星齿轮系的工作原理。异形齿轮组5(参见图6)外部采用非标轮齿，关节能够传动可变传动比，异形齿轮组5又与扭簧4一端固定，异形齿轮组5旋转压缩扭簧4。具体为随着异形齿轮组5的转动，其传动比越来越大，带动扭簧4的压缩量增大速度变快，使驱动盘1与输出轴12相对旋转角度增量与扭簧4的压缩量比值呈逐渐减小的趋势。驱动盘1、输出轴12、轴二8、标准齿轮组11相当于一组行星轮系。驱动盘1为行星架，固定于轴二8上的标准齿轮为行星轮，输出轴12上的标准齿轮为中心轮，输出轴12为中心轴，轴二8为离心轴。当受到外界阻力时，输出轴12暂时静止，固定在输出轴12上的标准齿轮静止；此时外部电机通过减速器驱动驱动盘1相对于输出轴12发生相对转动，驱动盘1带动轴二8作为离心轴绕输出轴12公转，轴二8上的标准齿轮作为行星轮绕输出轴12上的标准齿轮公转。轴二8上的标准齿轮同时自转，带动轴二8自转，轴二8上的异形齿轮发生转动，一级一级传动至扭簧4。

综上柔性关节实现柔性输出的整个工作原理及过程为：外部电机通过减速器驱动柔性关节，当受到外界阻力或干扰时，输出轴12暂时静止，固定于输出轴12上的标准齿轮静止。驱动盘1带动轴二8绕输出轴12转动，同时轴二8上的标准齿轮绕输出轴12上的标准齿轮公转。由于固定在轴二8上的标准齿轮和输出轴12上的标准齿轮相啮合，使轴二8上的标准齿轮公转的同时自转，带动轴二8自转，轴二8上的异形齿轮发生转动，一级一级往下传动。与轴二8上的异形齿轮相啮合的轴一上的异形齿轮转动，扭簧4压缩产生柔性力。

实施例1

本实施例旋转型变刚度柔性关节包括驱动盘1、端盖10、扭簧4、异形齿轮组5、标准齿轮组11、轴一15、轴二8、输出轴12、轴端固定架6、蜗杆2、蜗轮3、直流减速电机9、联轴器13、连接板14、蜗杆固定块19、卡簧17、电机安装座16、固定块18和轴承座7；

所述驱动盘1与端盖10固定，驱动盘1端部直接通过减速器与外部电机连接，作为柔性关节的输入；驱动盘1内部设置有轴承座7和轴端固定架6，轴承座7和驱动盘1为一体结构，驱动盘1与端盖10通过螺栓连接作为关节的外壳；轴端固定架6的两端通过固定块18固定在驱动盘1上，在端盖10与轴端固定架6之间通过深沟球轴承固定输出轴12，输出轴12与外部构件连接；轴一15与轴二8分别通过深沟球轴承、轴承座7固定于驱动盘1与端盖10上，轴一15、轴二8和输出轴12同高度；标准齿轮组11安装在输出轴12与轴二8的一侧上，两个标准齿轮相互啮合传递转速，输出轴12作为中心轴，当工作受到外界阻碍时，标准齿轮组11发生相对转动，轴二8作为离心轴绕输出轴12转动，同时标准齿轮组11带动轴二8自转，能量开始递传；在轴二8的另一侧和轴一15的同侧上固定安装异形齿轮组5，在异形齿轮组5的内侧的轴一15上套有扭簧4，扭簧4一端与异形齿轮组5相连接，异形齿轮的传动比是时刻变化的，异形齿轮组5转动带动扭簧4压缩产生柔性力，从而可实现关节等效刚度随驱动盘1与输出轴12相对角度变化而变化；

所述轴一15的另一侧通过轴承安装有蜗轮3，蜗轮与轴一15之间安装有卡簧17，使蜗轮3能够相对于轴一转动，同时不会发生轴向滑动，蜗轮3通过连接板14与扭簧4的另一端相连接；在蜗轮3的上方，在驱动盘1内通过蜗杆固定块19固定蜗杆2的一端，蜗杆2的另一端通过联轴器13与直流减速电机9的输出轴连接；所述直流减速电机9通过电机安装座16安装在轴端固定架6上；直流减速电机9工作驱动蜗杆2转动，蜗杆2带动蜗轮3转动，与蜗轮3相连接的扭簧4一端压缩，产生压缩量，通过直流减速电机9主动调节扭簧4的压缩量，主动改变柔性关节的刚度，能够使柔性关节适应不同的外界环境及工作需求。

本实施例柔性关节中异形齿轮组的传动比变化为1:4至4:1，标准齿轮组的传动比为1:1，标准齿轮的参数为15×1(齿数×模数)，蜗轮26×1.25(齿数×模数)，蜗杆2×1.25(蜗杆头数×模数)；扭簧外径20mm、内径14mm，绕5圈，扭簧安装预压缩量5°：驱动盘1的直径为168mm，驱动盘和端盖高度和为53mm，所述直流减速电机9为主动调刚度电机为大齿轮比1:1000直流大扭矩N20减速电机，电压12V，最高转速40r/min，空载电流80mA，堵死力矩12kg·cm，堵死电流0.7A。

本实施例柔性关节连接的外部电机选配交流伺服电机400W，最大输出扭矩为1.27N·m，选配1:00谐波减速器，减速器输出法兰直接与驱动盘法兰连接，减速器输入通过同步带与交流伺服电机连接；其中交流伺服电机2kg，谐波减速器1.5kg；

本实施例柔性关节的柔性变形最大角度为60°，关节最大弹性输出为80N·m。

安装本实施例柔性关节作为膝关节或髋关节的机器人，一条腿质量为13kg左右，机器人本体质量为25kg；当关节输出最大扭矩时，能够保证四足机器人以对角步态行进。

本实用新型柔性关节可应用于仿生四足机器人的膝关节或髋关节中，可大幅提高膝关节或髋关节的性能，能更好地适应不同路面的行走。

本实用新型未述及之处适用于现有技术。