一种内走线变刚度机器人关节模块的制作方法

本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种内走线变刚度机器人关节模块。

背景技术：

随着现代工业技术的高速发展，机器人的应用范围急剧扩展，人机协作日益密切。伴随着人机交互程度的不断深入，机器人的工作环境变得复杂及存在很大的不确定性，随时可能与周围环境中的物体、人发生碰撞，这对机器人的安全性提出了很高的要求。如机器人需根据外部环境与自身负载的变化动态调整关节刚度、机器人关节的主/被动柔性。因此，在协作机器人关节中加入高性能、结构紧凑的变刚度机构从而使机器人具有柔顺性已经成为协作机器人领域一个技术难点。所以急需一批优越的变刚度模块来促进协作机器人的不断向前发展。

与此同时，机器人产业发展迅速，需求量大、设计周期长。因此模块化的设计思想在机器人领域越来越被大家采用，通过对机器人的常用功能从机构和控制上进行分解，形成多个具有独立功能的功能模块，通过重构，组成应用所需机器人构型。从而在一定程度上降低机器人的应用成本、加快研发速度及降低研发风险。

在变刚度方面，国内外研究者已经研制出了很多基于不同原理的变刚度机构。但现有的变刚度设计或多或少存在着一些不足，比如体积、重量较大，或通用性不高，或刚度调节范围小,或无法中空走线等。这样的话就很难应用到结构紧凑、质量需尽可能轻、刚度调节范围大的机器人关节中。

经检索，公开号为cn106914917a的中国发明专利，该专利公开一种紧凑型变刚度旋转柔性关节，其特征在于该柔性关节包括关节驱动盘、关节输出盘、关节被动内盘、第一凸轮、第一被动变刚度调整座、第一组压缩弹簧、光轴、第一变刚度调整座、涡轮丝杠结构、第二变刚度调整座、第二组压缩弹簧、第二被动变刚度调整座、第二凸轮、圆柱齿轮、蜗杆、绝对式编码器、电机和圆弧齿条。该专利利用两对压缩弹簧及凸轮结构实现变刚度，通过凸轮被动改变弹簧的压缩量及电机主动改变弹簧压缩量来改变刚度。但是该专利没有刚度放大结构导致刚度调节范围较小，采用了两对压缩弹簧也使得该变刚度旋转柔性关节的体积较大。与此同时，该关节结构复杂，内部无法中空走线。

因此，现有技术需要进一步改进和完善。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可提高机器人与环境的交互安全性、鲁棒性及运行稳定性的中空走线式机器人关节变刚度模块。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种内走线变刚度机器人关节模块，该关节模块主要包括用于连接电机动力输出端的输入部分、用于连接下一关节模块的输出部分、以及用于调节输入部分与输出部分之间的刚度的刚度调节部分。所述输入部分与输出部分之间设有第一轴承，以承受整个模块的非扭矩载荷并使输入部分与输出部分可相对转动。

具体的，所述输入部分包括基座、以及基座轴承挡圈。所述基座轴承挡圈与基座固接，并与第一轴承的外圈固接在一起。所述基座内还设有用于约束刚度调节部分的导槽。导向滑块及滚柱安装架的导槽。

具体的，所述输出部分包括输出盘、输出盘轴承挡圈、中空走线轴二、中空走线架以及中空走线轴。所述输出盘与输出盘轴承挡圈将第一轴承的内圈固接在一起。在输出盘的中心设有中心孔，通过内六角圆柱头螺栓分别将上部的中空走线架和中空走线轴二连接在一起，下部的半开口中空走线轴与中空走线架固连在一起。

具体的，所述刚度调节部分包括支点微调凸轮、弹簧封板、弹簧安装座、弹簧、滚柱安装架、滚柱、轴用挡圈、凸轮式杠杆、轴套、导向滑块、第二转轴、以及滚子轴承随动器。所述滚子轴承随动器、第二转轴以及导向滑块自上而下依次设置，并整体构成用于调节刚度的刚度调节支点。所述凸轮式杠杆底部设有用于调节刚度调节支点的空腔。所述滚子轴承随动器顶部设置在空腔内，并可在空腔内滑动，且凸轮式杠杆可绕刚度调节支点转动。所述支点微调凸轮位于凸轮式杠杆下方，其一端设有用于调节刚度调节支点位置的滑动开槽。所述第二转轴嵌套在滑动开槽内。所述凸轮式杠杆一端设有凸台，并通过轴套和轴用挡圈与输出盘传动配合。所述凸轮式杠杆的外轮廓为凸轮曲线，其外表面通过滚柱及滚柱安装架作用于弹簧。所述弹簧的一端通过弹簧安装座固接于弹簧封板上，另一端固接在滚柱安装架上。所述滚柱设置在滚柱安装架内，且可相对转动。所述滚柱位于凸轮式杠杆的两侧，通过弹簧的压力使其与凸轮式杠杆的凸轮端抵接，从而使输入部分作用在滚柱上的力在凸轮式杠杆原理的作用下输出到输出部分的输出盘上。

进一步的，为了方便随时调节关节模块的刚度，本发明所述刚度调节部分还包括用于手动微调刚度的第二轴承、细牙调整螺栓、垫板、调节齿轮、调节齿条、第一转轴、小齿轮、以及扇形齿条。所述垫板固定在机座的底部上。所述小齿轮、第二轴承、调节齿轮相互固定且自上而下设置在第一转轴上，可绕第一转轴转动，所述第一转轴固定在垫板上。所述扇形齿条固定在支点微调凸轮的另一端上，与调节齿轮啮合传动，实现通过调节齿轮驱动支点微调凸轮转动，从而改变刚度调节支点的位置。所述细牙调整螺栓的一端与调节齿条螺纹连接，驱动调节齿条前后移动，另一端延伸至机座上。所述调节齿条与小齿轮啮合传动，实现驱动调节齿轮转动。

作为本发明的优选方案，为了在调节刚度时避免滚子轴承随动器左右移动而影响调节刚度的精度，本发明所述空腔的形状为类椭圆形设计，以限制滚子轴承随动器的左右偏移。

进一步的，为了使滚柱在滚柱安装架内顺畅滑动而不跑出滚柱安装架外，本发明所述滚柱的上端还设有凸台，所述凸台与滚柱安装架卡接，实现防止滚柱在滚柱安装架中轴向移动。

作为本发明的优选方案，为了提高刚度调节的精度，本发明所述滑动开槽为弧形设计，其槽心与支点微调凸轮中心之间的距离从滑动开槽的一端至另一端逐渐减小或增大。

作为本发明的优选方案，所述中空走线架的侧面为c形设计，其上端位于凸轮式杠杆的上方，与中空走线轴二连接，其下端位于凸轮式杠杆的下方，与中空走线轴连接。

本发明变刚度的实现方式采用杠杆原理，通过调节杠杆支点即可实现模块刚度的调节，杠杆支点位置发生改变时，杠杆的力臂比也会在零到无穷大之间变化，导致本模块的刚度值可以在零到无穷大之间变化。输入部分与输出部分之间设有轴承以承受非扭矩载荷并使两者之间可相对转动。当变刚度模块的输出部分受到外部瞬态负载时，负载经过凸轮式杠杆传递到弹簧处被吸收，从而降低外部冲击、实现柔性驱动输出，提高了机器人的鲁棒性及运行稳定性。本发明还具有结构紧凑、成本低的优点，其刚度在指定范围内可实现线性调节，并且可以中空走线，因此可以方便的运用到各种交互式设备中，尤其是柔性机器人关节中。

本发明的工作过程和原理是：实际工作时，本发明所提供的变刚度模块主要应用在机器人关节中，变刚度模块的基座通过螺栓安装在机器人关节的减速器输出端，输出盘通过螺栓与下一关节固定，下一关节的电缆可穿过中空走线架、中空走线轴以及中空走线轴二进行内部走线，当受到外界环境中的干扰或突然将负载加载到机器人上时，负载通过输出盘经凸轮式杠杆后传到弹簧处并将载荷的作用效果变平滑，从而保护机器人不被破坏、提高机器人的运行稳定性等。在变刚度模块起作用时输出部分、凸轮式杠杆会相对于平衡位置发生一定角度的偏转，从而导致一个弹簧压缩量增加，相对的另一个弹簧的压缩量减少，通过弹簧间产生的作用力平衡外界负载。本发明还具有结构简单、操作方便、容易实施的优点。

与现有技术相比，本发明还具有以下优点：

(1)本发明所提供的内走线变刚度机器人关节模块采用了特殊轮廓的支点微调凸轮，使得模块的刚度值在一定范围内与支点微调凸轮的旋转角度成线性关系。

(2)本发明所提供的内走线变刚度机器人关节模块采用凸轮式杠杆与输出盘的两级放大作用，从而只需对抗弹簧提供小的刚度值就可以输出大的刚度值，因此可以极大的减小整个变刚度模块的整体尺寸。

(3)本发明所提供的内走线变刚度机器人关节模块设有的弹簧可以缓存外部施加的载荷，从而可以降低机器人关节的外部冲击、实现柔性驱动输出，同时提高机器人的鲁棒性及运行稳定性。

(4)本发明所提供的中空走线式机器人关节变刚度模块创新性的使用凸轮式杠杆结构，只需改变杠杆的支点位置就可以改变模块的刚度。因此可以极大地减少了变刚度机构的零件数量，从而做到结构紧凑、质量轻便，刚度调节范围大。

(5)本发明所提供的中空走线式机器人关节变刚度模块采用了模块化的设计方法，从而在一定程度上降低了本发明的应用成本并可快速的应用到其他设备中。如在机器人关节中与传统减速器输出配合作用后就可以实现串联弹性驱动器的功能。

(6)本发明所提供的中空走线式机器人关节变刚度模块通过采用细牙螺栓来调节杠杆的支点，既能保证刚度的微调性同时可以利用细牙螺纹的自锁性保证支点位置的不变性。通过改变支点的位置从而改变阻力臂与主力臂的比值，因此刚度值可以从零到无穷大。

(7)本发明所提供的中空走线式机器人关节变刚度模块输出盘中心设有开心孔，中空走线架和中空走线轴通过螺栓固连，通过两端的中空走线轴和中间的中空走线架，可方便的进行机器人内部中空走线，使结构更加紧凑。

附图说明

图1为本发明所提供的中空走线式机器人关节变刚度模块的整体结构示意图。

图2为本发明所提供的中空走线式机器人关节变刚度模块的内部结构示意图1。

图3为本发明所提供的中空走线式机器人关节变刚度模块的内部结构示意图2；

图4为本发明所提供的中空走线式机器人关节变刚度模块的内部结构示意图3；

图5为本发明所提供的中空走线式机器人关节变刚度模块的内部结构示意图4。

图6为本发明所提供的中空走线式机器人关节变刚度模块的中空走线结构示意图。

图7为本发明所提供的凸轮式杠杆的立体图一。

图8为本发明所提供的凸轮式杠杆的立体图二。

图9为本发明所提供的支点微调凸轮的主视图。

图10为本发明所提供的支点微调凸轮的立体图。

图11为本发明所提供的凸轮式杠杆处的局部示意图一。

图12为本发明所提供的凸轮式杠杆处的局部示意图二。

图13为本发明所提供的凸轮式杠杆处的局部示意图三。

图14为本发明所提供的凸轮式杠杆处的局部示意图四。

上述附图中的标号说明：

1-输入部分，2-输出部分，3-刚度调节部分，4-第一轴承，101-基座，102-基座轴承挡圈，103-内六角圆柱头螺栓，201-输出盘，202-输出盘轴承挡圈，203-中空走线架，204-中空走线轴，205-内六角圆柱头螺栓，206-中空走线轴二，301-第二轴承，302-细牙调整螺栓，303-垫板，304-调节齿轮，305-调节齿条，306-第一转轴，307-小齿轮，308-扇型齿条，309-支点微调凸轮，310-弹簧封板，311-弹簧安装座，312-弹簧，313-滚柱安装架，314-滚柱，315-轴用挡圈，316-凸轮式杠杆，317-轴套，318-导向滑块，319-第二转轴，320-滚子轴承随动器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1至图14所示，本实施例公开了一种内走线变刚度机器人关节模块，该变刚度模块主要包括输入部分1、输出部分2、以及刚度调节部分3。所述输入部分1与输出部分2之间设有第一轴承4，以承受整个模块的非扭矩载荷并使输入部分1与输出部分2可相对转动.所述输入部分1通过刚度调节部分3与输出部分2连接，实现关节模块之间的变刚度调节。

具体的，所述输入部分1包括基座101、以及基座轴承挡圈102，所述基座轴承挡圈102与基座101通过螺栓连接，并与第一轴承4的外圈固接在一起。所述基座101上设有必要的安装孔位及减轻结构。所述基座101内还设有约束导向滑块318及滚柱安装架313的导槽。所述基座轴承挡圈102表面设有限位凸台，用以约束最大旋转角度。

具体的，所述输出部分2包括输出盘201、输出盘轴承挡圈202、中空走线架203以及中空走线轴204。所述输出盘201与输出盘轴承挡圈202通过螺栓将第一轴承4的内圈固接在一起，所述输出盘轴承挡圈202边缘设有限位挡板，用以约束最大旋转角度。在输出盘201的中心设有方便内部走线的中心孔，通过内六角圆柱头螺栓205将中空走线架203和中空走线轴二206连接在一起，下部的半开口中空走线轴204通过内六角圆柱头螺栓与中空走线架203固连。

具体的，所述刚度调节部分3包括第二轴承301、细牙调整螺栓302、垫板303、调节齿轮304、调节齿条305、第一转轴306、小齿轮307、扇形齿条308、支点微调凸轮309、弹簧封板310、弹簧安装座311、弹簧312、滚柱安装架313、滚柱314、轴用挡圈315、凸轮式杠杆316、轴套317、导向滑块318、第二转轴319、滚子轴承随动器320等。其中，滚子轴承随动器320、第二转轴319以及导向滑块318整体构成刚度调节支点，所述凸轮式杠杆316可绕刚度调节支点自由转动，并且凸轮式杠杆316一端设有凸台并通过轴套、轴用挡圈315与输出盘201传动配合，凸轮式杠杆316的外轮廓为凸轮曲线，作为从动件的滚柱314在弹簧312的预紧力下，与凸轮式杠杆316的外圈贴合，所述滚柱314安装于滚柱安装架313内，并可相对转动，滚柱314的上端设置有限位凸台，可防止滚柱314的轴向运动，滚柱安装架313的下端，被限制在弹簧安装座311的导槽内，弹簧312一端安装在弹簧安装座311内，由弹簧封板310承受弹力，另一端安装与滚柱安装架313上。

具体的，细牙调整螺栓302、垫板303、第二轴承301、调节齿轮304、调节齿条305、第一转轴306、小齿轮307、扇形齿条308、支点微调凸轮309构成手动调节刚度支点机构，所述刚度调节支点可通过细牙调整螺栓302经由一系列传动的手动调节刚度支点机构进行调整。

所述导向滑块318设置在基座101导槽内并与导槽配合，所述滚子轴承随动器320设置在凸轮式杠杆316凹槽内，并与凹槽配合。所述导向滑块318的中部通过螺纹孔与第二转轴319连接。

所述支点微调凸轮309与输入部分1、输入部分2同心配合并固定于轴承内圈，轴承外圈安装于基座101上。

作为本发明的优选方案，本发明两个所述弹簧312在同一轴线上相对布置并在初始位置时弹簧312具有相同的压缩量。

作为本发明的优选方案，本发明所述由滚子轴承随动器320、第二转轴319以及导向滑块318整体构成刚度调节支点的位置可通过手动的形式进行调节，通过调节细牙螺栓302可快速的调节支点的位置。

具体的调整如下：通过调节细牙调整螺栓302，带动调节齿条305移动，小齿轮307与调节齿条305啮合传动，小齿轮307与调节齿轮304通过第一转轴306同向转动，调节齿轮304与扇形齿条308啮合，扇形齿条308与支点微调凸轮309通过螺钉固连，带动支点微调凸轮309旋转，支点微调凸轮309设置有变径槽口，第二转轴319穿过槽口，与导向滑块318相连，导向滑块318由于支点微调凸轮309的旋转而在基座101的凹槽内运动，因而改变支点的位置。

为了保护变刚度模块，因为弹簧312的压缩距离一定，因此输出盘201的最大偏转角度存在限制，具体为基座轴承挡圈102表面设置有限位凸台，输出盘轴承挡圈202边缘设有限位挡板，限位挡板接触限位凸台，即达到最大偏转角度。

本发明的工作过程和原理是：实际工作时，本发明所提供的变刚度模块主要应用在机器人关节中，变刚度模块的基座101通过螺栓安装在机器人关节的减速器输出端，输出盘201通过螺栓与下一关节固定，下一关节的电缆可穿过中空走线架203和中空走线轴204进行内部走线，当受到外界环境中的干扰或突然将负载加载到机器人上时，负载通过输出盘201经凸轮式杠杆316后传到弹簧312处并将载荷的作用效果变平滑，从而保护机器人不被破坏、提高机器人的运行稳定性等。在变刚度模块起作用时输出部分2、凸轮式杠杆316会相对于平衡位置发生一定角度的偏转，从而导致其中一个弹簧312压缩量增加，相对的另一个弹簧312的压缩量减少，通过弹簧312间产生的作用力平衡外界负载。本发明还具有结构简单、操作方便、容易实施的优点。

需要进一步说明的是，在本实施例的技术方案中，当需要调节机器人刚度时可以通过旋转细牙螺栓302，将导向滑块318快速的调节到合适的位置，从而使模块刚度达到自己所需值。

在设计时，需注意的是，压簧的数量不应局限于实施例中的两根，其他数量也是可行的，考虑到尽可能使结构紧凑，实施例中的两根压簧是比较合适的，如果需要增大负载，可以考虑增加压簧的条数；在刚度调节方式中，实施例中同样考虑到尽可能使结构紧凑采用的是手动形式，在尺寸要求不是很高时完全可以采用电动的形式进行刚度的调节。

需要说明的是，图1至图6所示的实施例只是本发明所介绍的一个优选实施例，本领域技术人员在此基础上，完全可以设计出更多的实施例。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽范围。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。