一种基于摆动缸驱动的变刚度串联弹性机器人关节模块的制作方法

本实用新型属于机器人技术领域，具体地说是一种基于摆动缸驱动的变刚度串联弹性机器人关节模块。

背景技术：

从上世纪60年代，机器人技术在工业领域开始得到应用，极大提高了生产效率。随着机器人应用领域不断扩大，逐渐进入贴近民生的服务、医疗、娱乐等行业。因此，传统的依靠预先设计好的流程进行工作的机器人在很多场合已经不能完全胜任工作。近年来，机器人和人协同合作的研究逐渐成为热点，通常机械臂的工作环境往往需要良好的处理机械臂、人体、环境三者之间的关系。在这些特殊要求下，机械臂一般要求质量轻、结构紧凑；同时要具有较好的柔顺性、较高的关节驱动能力(即负载/自重比要求较高)，以及较好的环境交互能力。

在这些实际的应用需求的发展演变中，机器人的关节驱动能力，以及关节的柔性显得尤为重要。传统的刚性机器人关节可以通过一定的控制算法，例如力控制、阻抗控制等，从而在关节层面及运动学末端展现一定的柔性。但由于传感检测、信息处理、控制回路运算等都存在一定的时间延迟、系统惯量、系统带宽等因素，使得软件层面的柔性效果有限。

关节串联弹性驱动技术是在仿生学基础上的关节柔性驱动，分为定刚度串联弹性和变刚度串联弹性。其中，变刚度串联弹性更接近于人体或动物的关节肌肉模型，但其变刚度控制往往机构复杂，目前国内外研究的较少。而固定刚度的串联弹性驱动有较多的研究成果，在步行机器人、康复机器人、机械外骨骼以及医疗辅助器械等领域得到了广泛应用。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种基于摆动缸驱动的变刚度串联弹性机器人关节模块，结构紧凑，驱动力大，且具有变刚度串联弹性的特点。

为了解决上述技术问题，本实用新型采取以下技术方案：

一种基于摆动缸驱动的变刚度串联弹性机器人关节模块，包括关节液压驱动模块和变刚度调节模块；

所述关节液压驱动模块包括机器人基座、摆动式液压缸和柔性联轴器，摆动式液压缸和柔性联轴器装在机器人基座内，摆动式液压缸的活塞轴与柔性联轴器连接；

所述变刚度调节模块包括摆动臂、关节输入转动轴和串联弹性板，关节输入转动轴一端伸入柔性联轴器内安装，关节输入转动轴另一端与串联弹性板安装连接，串联弹性板装在摆动臂内，摆动臂通过第一组轴承与机器人基座安装连接，关节输入转动轴通过第二组轴承装在机器人基座内。

所述摆动臂内还设有电动缸、滑块安装基板和压紧轴承组，压紧轴承组包括装在滑块安装基板上的两对轴承，电动缸包括电机、电动缸体和电动缸伸出轴，串联弹性板从压紧轴承组中穿过，滑块安装基板通过销轴和螺钉与电动缸伸出轴连接，电动缸带动滑块安装基板沿着串联弹性板前后移动。

所述摆动臂的内壁装设有导轨，滑块安装基板活动卡装在该导轨上。

所述摆动臂上设有开口，该开口处通过螺钉装安装有摆动臂盖板，摆动臂末端设有开孔。

所述串联弹性板通过螺钉固定锁紧在关节输入轴顶部。

所述机器人基座顶部通过螺钉锁紧有转动轴端盖，该转动轴压紧着第二轴承组。

所述摆动式液压缸通过固定螺钉固定安装在机器人基座内。

本实用新型具有以下有益效果：

1、整体结构紧凑，所有的驱动设计均置于关节安装在机器人基座内部；变刚度串联弹性模块完全集成于摆动臂的内部，从分利用了机器人关节连杆的内部空间。

2、采用摆动式液压缸，具有较大的关节摆动范围和关节输出扭矩。采用柔性联轴器连接液压缸和关节的输入转动轴，提高摆动液压缸转动稳定性，降低系统的安装精度。

3、利用串联弹性板带动摆动臂转动角度，而串联弹性板被压紧轴承组加紧，且加紧的位置受伸缩电动缸控制。压紧轴承组相对关节转动轴的距离可以实时调节，达到变刚度控制的效果。

附图说明

附图1为本实用新型立体结构示意图；

附图2为本实用新型剖开结构示意图；

附图3为本实用新型为本实用新型去掉摆动臂后的剖面结构示意图；

附图4为本实用新型变刚度调节模块的剖面结构示意图；

附图5为本实用新型摆动臂剖面后的俯视结构示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本实用新型的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述。

如附图1-5所示，本实用新型揭示了一种基于摆动缸驱动的变刚度串联弹性机器人关节模块，包括关节液压驱动模块和变刚度调节模块，变刚度调节模块由关节液压驱动模块带动转动，实现旋转角度的变化。

所述关节液压驱动模块包括机器人基座1、摆动式液压缸3和柔性联轴器4，摆动式液压缸3和柔性联轴器4装在机器人基座1内，摆动式液压缸3的活塞轴11与柔性联轴器4连接，关节输入转动轴15通过第二组轴承装在机器人基座内，第二组轴承包括上下布置的轴承17和轴承16。摆动式液压缸3通过固定螺钉2固定安装在机器人基座1内，通过采用单叶片摆动式液压缸，具有较大的关节摆动范围和关节输出扭矩。

所述变刚度调节模块包括摆动臂9、关节输入转动轴15和串联弹性板20，关节输入转动轴20一端伸入柔性联轴器4内安装，关节输入转动轴20另一端与串联弹性板20安装连接，串联弹性板20装在摆动臂9内，摆动臂9通过第一组轴承5与机器人基座1安装连接。采用柔性联轴器4连接摆动式液压缸3和关节输入转动轴15，提高摆动液压缸转动稳定性，降低系统的安装精度。串联弹性板的转动，进一步带动摆动式液压缸的旋转。第一组轴承相应的设置有上下两个，更好的对摆动臂起到稳定作用。串联弹性板20具有一定的柔性，在负载作用下产生悬臂梁式的弯曲变形，进而带动摆动臂9摆动。摆动臂9的旋转，和转动轴15的旋转依靠串联弹性板20进行传递。转动轴15的转角和串联弹性板20的挠度共同构成了摆动臂9的转动角度。

为了具有更好的变刚度控制效果，在摆动臂9内还设有电动缸、滑块安装基板28和压紧轴承组300，压紧轴承组300包括装在滑块安装基板28上的两对轴承，电动缸包括电机23、电动缸体24和电动缸伸出轴25，串联弹性板20从压紧轴承组300中穿过，滑块安装基板28通过销轴27和螺钉26与电动缸伸出轴25连接，电动缸带动滑块安装基板28沿着串联弹性板20前后移动。摆动臂9的内壁装设有导轨6，滑块安装基板28活动卡装在该导轨6上。在本实施例中，压紧轴承组300包括两对轴承，分别为对称设置在滑块安装基板28底面的左侧轴承31和右侧轴承30，串联弹性板20从左侧轴承31和右侧轴承30中间穿过并被该左侧轴承31和右侧轴承30压迫挤紧。电动缸带动电动缸伸出轴25做伸缩运动，从而带动滑块安装基板28沿着导轨6来回移动，使得滑块安装基板28改变在串联弹性板20上的位置，改变滑块安装基板相对关节输入转动轴的距离，则关节输入转动轴15和摆动臂9之间的弹性变形角度也随之发生改变，达到变刚度控制的效果。

所述摆动臂9上设有开口9，该开口9处通过螺钉22装安装有摆动臂盖板7，摆动臂9末端设有开孔29，便于与其他部件的安装连接。

所述串联弹性板20通过螺钉固定锁紧在关节输入轴顶部，安装方便，将螺钉从关节输入轴顶部向下锁入。

所述机器人基座1顶部通过螺钉19锁紧有转动轴端盖18，该转动轴端盖18压紧着第二轴承组。第二轴承组也具有上下两个轴承，分别对关节输入转动轴起到稳定作用，利用转动轴端盖起到预紧作用。

另外，摆动式液压缸3的活塞轴输出处还可设置输出端密封14，确保密封效果。

本实用新型中，由摆动式液压缸带动关节输入转动轴旋转，使串联弹性板转动一定角度，进而带动摆动臂转动一定角度。

变刚度调节的计算方法：如图5所示，滑块安装基板28相对关节输入转动轴的距离记为L，关节的负载扭矩为T；关节输入转动轴15的转动角度为θ1，摆动臂9的转动角度为θ2；该系统相当于一个受集中载荷作用的悬臂梁，串联弹性板20的挠度计算方法为：

其中，F为串联弹性板20与轴承30和轴承31之间的力；

E为串联弹性板20的弹性模量；

I为串联弹性板20的截面轴惯性矩。

根据扭矩计算公式FL＝T，在角度差(θ2-θ1)较小时，可得出：

从以上公式可以看出，随着滑块安装基板28相对关节输入转动轴的距离L的调节改变，机器人关节驱动的刚度也随之改变。

需要说明的是，以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。