一种适用于机械臂柔性关节的变刚度模块的制作方法

本实用新型涉及机械臂领域，更具体地说是指一种适用于机械臂柔性关节的变刚度模块。

背景技术：

最近几年，轻型协作机械臂在机器人领域得到快速发展，该机械臂的设计理念是人机协作，机器人与人共享工作空间。随着这种人机协作程度的加深，机械臂的工作环境变得复杂多变，随时可能和周围物体发生碰撞，为了减轻碰撞带来的伤害，迫切需要提高机械臂的安全性和柔顺性。传统的工业机械臂为了追求更高的重复精度，连杆之间采用大刚度的关节连接，碰撞产生的破坏力大，不适用于协作机械臂。

目前实现机械臂关节柔顺的方案主要有在减速器输出端和连杆之间增加扭簧等弹性元件，采用气动肌肉驱动，利用电磁效应等。与本发明最相近的实现方案是采用杠杆原理，通过改变杠杆的力臂来调节关节刚度。现有的利用杠杆原理实现刚度变化的实现方案存在关节正转和反转时受力不均匀，且变刚度结构占用空间大,导致关节尺寸较大等问题。因此，有必要设计一种柔性的变刚度关节，提高机械臂的安全性。

技术实现要素：

本实用新型提供的一种适用于机械臂柔性关节的变刚度模块，其目的在于解决现有变刚度关节存在关节正转和反转时受力不均匀，且变刚度结构占用空间大,导致关节尺寸较大等的问题。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种适用于机械臂柔性关节的变刚度模块，包括输入模块和输出模块，所述输入模块包括主动轮、杠杆和弹簧，所述主动轮的上端面可水平转动地枢接有至少一所述杠杆，该杠杆的另一端为朝主动轮旋转中心延伸设置的自由端，且自由端的两侧均装设有另一端与主动轮固定连接的所述弹簧；所述输出模块包括从动轮、连接板和滚子，所述从动轮通过滑动机构在每个杠杆的上方装设有一可沿从动轮径向来回移动的所述连接板；在杠杆的两侧，连接板均装设有与杠杆的侧壁相抵触的所述柱体。

进一步，两所述杠杆呈左右对称地装设于所述主动轮，并且两侧均配设有所述弹簧，所述从动轮在每个杠杆的上方通过一所述滑动机构装设有携带两根柱体的所述连接板，两所述滑动机构之间设有使两所述连接板同时靠近或远离主动轮旋转中心的同步调节机构。

进一步，所述同步调节机构包括齿条、齿轮、同步带、传动轴和带轮，所述从动轮在每个滑动机构的侧旁均设有一所述传动轴，且传动轴的一端延伸至从动轮的上端面并设有所述带轮，另一端延伸至从动轮的下端面并设有所述齿轮，两所述带轮通过所述同步带相互联动，两所述连接板均装设有与齿轮相啮合的所述齿条。

进一步，所述柱体设有至少一与杠杆的侧壁相抵触的滚子。

进一步，所述滑动机构包括直线导轨和滑块，所述直线导轨固设于从动轮的下端面，所述滑块可滑动地设置于直线导轨。

进一步，所述主动轮的上端面设有安装轴，所述杠杆的一端通过安装轴配合轴承可转动地设置于主动轮。

进一步，所述主动轮设有复数个弹簧底座，所述弹簧的一端固设于弹簧底座，另一端朝水平方向延伸设置并与杠杆的侧面相连接。

和现有的技术相比，本实用新型的优点在于：

其一、本实用新型包括输入模块和输出模块，输入模块包括主动轮、杠杆和弹簧，所述主动轮的上端面枢接有至少一杠杆，该杠杆的另一端为朝主动轮旋转中心延伸设置的自由端，且自由端的两侧均装设有另一端与主动轮固定连接的弹簧；输出模块包括从动轮、连接板和滚子，从动轮通过滑动机构在每个杠杆的上方装设有一可来回移动的连接板；在杠杆的两侧，连接板均装设有与杠杆的侧壁相抵触的柱体。在输入模块和输出模块之间增加至少一个杠杆和在杠杆上滑动的滚子，在杠杆一端连接一对互相抵抗的弹簧，依靠弹簧的压缩来平衡外界力矩，达到正转和反转时受力均匀的目的；当滚子沿杠杆移动时会改变滚子给杠杆的压力大小及其力矩大小，从而改变弹簧的变形量，达到调节关节刚度的目的。本实用新型采用模块化的变刚度结构设计方案，将整个设计划分为输入模块和输出模块两部分，具有易更换，方便拆卸和安装等特点。

其二、本实用新型中，两个杠杆呈左右对称地装设于所述主动轮，并且两侧均配设有弹簧，从动轮在每个杠杆的上方通过一滑动机构装设有携带两根柱体的连接板，两个滑动机构之间设有使两个连接板同时靠近或远离主动轮旋转中心的同步调节机构。采用对称分布的杠杆、弹簧及滚子实现变刚度的机构。在输入模块和输出模块之间增加一对对称分布的杠杆和在杠杆上滑动的滚子，在杠杆一端连接一对互相抵抗的弹簧，依靠弹簧的压缩来平衡外界力矩；当滚子沿杠杆移动时会改变滚子给杠杆的压力大小及其力矩大小，从而改变弹簧的变形量，达到调节关节刚度的目的。

其三、本实用新型中，同步调节机构包括齿条、齿轮、同步带、传动轴和带轮。同步调节机构是使两个滑块产生联动的机构。本发明采用一对对称的杠杆及在杠杆上滑动的滚子调节关节刚度，为了保证滚子的运动能够对称，采用对称分布的同步调节机构实现两个滚子的同步移动，保证两个滚子时刻保持对称分布。

附图说明

图1为本实用新型的立体结构示意图。

图2为本实用新型中，输入模块的结构示意图。

图3为本实用新型中，输出模块的倒置结构示意图。

具体实施方式

下面参照附图说明本实用新型的具体实施方式。为了全面理解本实用新型，下面描述到许多细节，但对于本领域技术人员来说，无需这些细节也可实现本实用新型。

参照图1、图2和图3，一种适用于机械臂柔性关节的变刚度模块，包括输入模块1和输出模块2。

参照图1和图2，输入模块1包括主动轮11、杠杆12和弹簧13。主动轮11的上端面可水平转动地枢接有至少一杠杆12，该杠杆12的另一端为朝主动轮旋转中心延伸设置的自由端，且自由端的两侧均装设有另一端与主动轮11固定连接的弹簧13。具体地，主动轮11的上端面设有安装轴111，杠杆12的一端通过安装轴111配合轴承112可转动地设置于主动轮11。主动轮11设有复数个弹簧底座131，弹簧13的一端固设于弹簧底座131，另一端朝水平方向延伸设置并与杠杆的侧面相连接。

参照图1、图2和图3，输出模块2包括从动轮21、连接板23和滚子24。从动轮21通过滑动机构在每个杠杆12的上方装设有一可沿从动轮径向来回移动的连接板23。具体地，滑动机构包括直线导轨221和滑块23，直线导轨221固设于从动轮21的下端面，滑块23则可滑动地设置于直线导轨221。

参照图1、图2和图3，在杠杆12的两侧，连接板23均装设有与杠杆12的侧壁相抵触的柱体231。作为优选方案：柱体231设有至少一与杠杆12的侧壁相抵触的滚子241，以避免柱体231和杠杆12相互摩擦，增加该变刚度模块的平顺性。

参照图1、图2和图3，输入模块1中，杠杆12可以是一根、两根或者三根，甚至更多，杠杆12的数量根据实际需要进行设置，并且输出模块2中，在每个杠杆12上方配设有一可来回移动且携带两根柱体24的连接板23。作为优选方案：两根杠杆12呈左右对称地枢接于主动轮11，并且两侧均配设有弹簧13。从动轮21在每个杠杆12的上方通过一上述滑动机构装设有携带两根柱体24的连接板23。并且两上述滑动机构之间设有使两个连接板23同时靠近或远离主动轮旋转中心的同步调节机构。相比于单根杠杆12，两根呈对称分布或者两根以上呈均匀分布的杠杆12的设置方式中，各柱体231受到的和力可以互相抵消，只留下力矩。

参照图1、图2和图3，具体的，上述同步调节机构包括齿条251、齿轮252、同步带255、传动轴253和带轮254。从动轮21在每个上述滑动机构的侧旁均设有一传动轴253，且传动轴253的一端延伸至从动轮21的上端面并设有带轮254，另一端延伸至从动轮253的下端面并设有齿轮252，两个带轮254通过同步带255相互联动，两个连接板23均装设有与齿轮252相啮合的齿条254。作为优选方案：两个上述滑动机构公用一个导轨221，该导轨221配设有两个滑块222。导轨221的两侧分别设有一个传动轴253。

刚度调节原理：

参照图1、图2和图3，当关节不受外界力矩时，主动轮11和从动轮21之间没有力矩作用，不会产生相对偏转；当关节受到外界力矩作用时，主动轮11与从动轮21之间有力矩的作用，导致发生相对偏转，偏转角度的大小受到杠杆12转动的影响。假设从动轮11的输出力矩一定，当滚子241距离杠杆12的枢接端较近时，滚子241对杠杆12的压力较小，压力的力臂也较小，平衡该力矩需要的弹簧变形量就小，主动轮11和从动轮21之间的偏转角较小，此时关节的刚度较大。另一方面，当滚子241距离弹簧端较近时（通过上述同步调节机构来调整滚子241的位置），滚子241对杠杆12的压力变大，压力的力臂也变大，会产生较大的力矩，平衡该力矩需要的弹簧变形量变大,此时关节的刚度变小。

综上可见，（1）本实用新型设计了杠杆、滚子和弹簧对称分布的变刚度模块，通过调节杠杆的力臂来改变关节的刚度，增加关节的柔顺性，关节正转和反转时受力均匀，且能够实现的刚度调节范围大。（2）本实用新型利用上述同步调节机构配合实现两个滑块的联动，占用空间小，变刚度模块尺寸小。

上述仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本实用新型进行非实质性的改动，均应属于侵犯本实用新型保护范围的行为。