一种变刚度模块及模块化柔性变刚度驱动机构

1.本发明涉及机械臂领域，尤其是涉及一种变刚度模块及模块化柔性变刚度驱动机构。


背景技术：

2.随着技术的不断发展，机器人产业迅速发展，人机协作日益密切，康复机器人等也越来越多的应用于医疗领域与康复护理领域。特别是对于有肢体功能障碍的患者，为了提高其生活自理能力，在康复领域中使用模块化多自由度假肢来进行功能代偿成为常用的手段。另一方面，在进行康复训练时，康复机器人的使用也越来越广泛。康复机器人既要求具备合适的刚度，保证闭环控制的稳定性及良好的控制带宽，以在规定时间内带动患者肢体到达指定位置实现被动训练；还必须具备良好的柔顺性，以在主动训练及抗阻训练阶段跟随患者肢体，并分别给患者肢体施加不同的作用力，以保证康复过程的安全性与舒适性，增强康复训练的效果。


技术实现要素：

3.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种变刚度模块及模块化柔性变刚度驱动机构，在变刚度模块中，刚度电机的输出轴通过传动结构连接至t型丝杠，从而带动弹簧压缩块对弹簧结构进行压缩，使得凸轮发生转动，实现了变刚度特性，结构简单，成本低，适用范围广。
4.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
5.一种变刚度模块，包括基座、刚度电机、传动结构和2个平头轴，以及刚度调节结构和凸轮，所述基座与凸轮通过轴承可转动连接，刚度电机安装在基座上；
6.2个平头轴分别与传动结构连接，1个平头轴连接至刚度电机的输出轴，1个平头轴连接至刚度调节结构；
7.所述刚度调节结构包括t型丝杠、弹簧压缩块、导向支撑架、弹簧结构、连接块和凸轮随动件，导向支撑架安装在基座上，所述t型丝杠通过平头轴与传动结构连接，所述弹簧压缩块的一端螺接在t型丝杠上，弹簧压缩块的另一端与弹簧结构连接，所述弹簧压缩块沿导向支撑架往复滑动，弹簧结构还与连接块连接，所述凸轮随动件安装在连接块上；
8.所述凸轮的内轮廓壁与凸轮随动件啮合，所述凸轮的外轮廓壁与外部负载连接。
9.进一步的，所述变刚度模块还包括相互连接的旋转齿轮和旋转编码器，所述旋转齿轮与凸轮的内轮廓壁啮合，旋转齿轮随凸轮的转动而转动，所述旋转编码器随旋转齿轮的转动而转动，旋转齿轮和旋转编码器安装在基座上。
10.进一步的，所述传动结构为齿轮组，包括相互啮合的主动齿轮和从动齿轮，所述主动齿轮通过平头轴与刚度电机的输出轴连接，所述从动齿轮通过平头轴与t型丝杠连接。
11.更进一步的，所述从动齿轮的数量至少为1个，t型丝杠的数量至少为1个。
12.进一步的，所述t型丝杠上螺接有螺帽，弹簧压缩块的一端与螺帽固定连接。
13.进一步的，所述导向支撑架包括导轨，导轨的形状与弹簧压缩块的形状相配合，弹簧压缩块沿导轨往复滑动。
14.更进一步的，所述导轨上设有限位机构。
15.进一步的，所述弹簧结构包括两个并排的直线弹簧，直线弹簧的一端连接至弹簧压缩块，直线弹簧的另一端连接至连接块，连接块上凸轮随动件的数量至少为1个。
16.一种模块化柔性变刚度驱动机构，包括位置控制模块和变刚度模块，所述位置控制模块包括电机外壳、位置电机、法兰盘和谐波减速器；
17.所述位置电机安装在电机外壳上，法兰盘分别与位置电机的输出轴和谐波减速器连接，所述谐波减速器与变刚度模块的基座连接，法兰盘随位置电机的输出轴的转动而转动，法兰盘的转动带动谐波减速器随之转动，谐波减速器的转动带动变刚度模块随之转动。
18.进一步的，所述电机外壳上还安装有行程开关。
19.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
20.(1)在变刚度模块中，刚度电机的输出轴通过传动结构连接至t型丝杠，从而带动弹簧压缩块对弹簧结构进行压缩，使得凸轮发生转动，实现了变刚度特性，结构简单，成本低，适用范围广。
21.(2)模块化柔性变刚度驱动机构可用于上下肢康复机器人的变刚度结构中，提高了人机交互的安全性，适用于痉挛、碰撞等情况的发生；可以用于被动助力外骨骼的变刚度结构中，变刚度特性适应不同身高体重的人在不同的运动状态下起到助力效果，减少人体能量代谢；可以用于仿生假肢的变刚度结构中，使其更加贴合真实的肢体。
22.(3)通过弹簧结构，可以在受到外部扭力时降低受到的外部冲击；在导向支撑架上设置了限位机构，能够防止弹簧压缩块过度移动而错位；通过旋转齿轮和旋转编码器可以准确测定凸轮转动的角度。
附图说明
23.图1为模块化柔性变刚度驱动机构的整体结构示意图；
24.图2为变刚度模块的内部结构示意图；
25.图3为变刚度模块的内部结构示意图；
26.图4为变刚度模块的内部结构示意图；
27.图5为模块化柔性变刚度驱动机构的内部结构示意图；
28.图6为变刚度模块的内部结构示意图；
29.图7为变刚度模块的内部结构示意图；
30.附图标记：1、基座，2、刚度电机，3、传动结构，301、主动齿轮，302从动齿轮，4、平头轴，5、刚度调节结构，501、t型丝杠，502、弹簧压缩块，503、导向支撑架，504、弹簧结构，505、连接块，506、凸轮随动件，507、螺帽，6、凸轮，601、内轮廓壁，7、旋转齿轮，8、旋转编码器，9、电机外壳，10、位置电机，11、法兰盘，12、谐波减速器。
具体实施方式
31.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于
下述的实施例。
32.在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件。
33.实施例1：
34.一种变刚度模块，如图1至图7所示，包括基座1、刚度电机2、传动结构3和2个平头轴4，以及刚度调节结构5和凸轮6，基座1与凸轮6通过轴承可转动连接，刚度电机2安装在基座1上；
35.如图2和图3所示，2个平头轴4分别与传动结构3连接，1个平头轴4连接至刚度电机2的输出轴，1个平头轴4连接至刚度调节结构5；
36.本实施例中，传动结构3为齿轮组，包括相互啮合的主动齿轮301和从动齿轮302，主动齿轮301通过平头轴4与刚度电机2的输出轴连接，从动齿轮302通过平头轴4与刚度调节结构5连接。当刚度电机2工作时，刚度电机2的输出轴通过平头轴4带动主动齿轮301转动，主动齿轮301的转动带动与之啮合的从动齿轮302转动，与从动齿轮302相连的平头轴4也随之转动，进而带动刚度调节结构5。在其他实施方式中，传动结构3也可以为多个相互啮合的齿轮、两个或多个通过传送带连接的转动轮等。
37.如图3所示，刚度调节结构5包括t型丝杠501、弹簧压缩块502、导向支撑架503、弹簧结构504、连接块505和凸轮随动件506，导向支撑架503安装在基座1上，t型丝杠501通过平头轴4与传动结构3连接，弹簧压缩块502的一端螺接在t型丝杠501上，弹簧压缩块502的另一端与弹簧结构504连接，弹簧压缩块502沿导向支撑架503往复滑动，弹簧结构504还与连接块505连接，凸轮随动件506安装在连接块505上；
38.凸轮6的内轮廓壁601与凸轮随动件506啮合，凸轮6的外轮廓壁与外部负载连接，本实施例中，凸轮6为椭圆状结构。
39.t型丝杠501与平头轴4连接，在本实施例中，t型丝杠501与刚度电机2的输出轴平行，平头轴4的转动带动t型丝杠501随之转动。由于弹簧压缩块502的一端螺接在t型丝杠501上，且受到导向支撑架503的限位作用，故t型丝杠501的转动使得螺接在其上的弹簧压缩块502沿t型丝杠501的长度方向水平移动。
40.导向支撑架503安装在基座1上，弹簧压缩块502沿导向支撑架503往复滑动，当弹簧压缩块502沿导向支撑架503运动压缩弹簧结构504时，弹簧结构504的力作用到连接块505上，安装在连接块505上的凸轮随动件506与凸轮6的内轮廓壁601啮合，从而使得整个凸轮6开始转动，达到变刚度特性。
41.另一方面，当外部扭力转动凸轮6时，凸轮6发生转动，从而通过凸轮随动件506将力作用到弹簧结构504，弹簧结构504被压缩，此时刚度特性为最大值。
42.本实施例中，从动齿轮302的数量为1个，t型丝杠501的数量为1个；弹簧结构504包括两个并排的直线弹簧，直线弹簧的一端连接至弹簧压缩块502，直线弹簧的另一端连接至连接块505，连接块505上凸轮随动件506的数量为2个，结构简单，变刚度效果好，在其他实施方式中，也可以改变凸轮随动件506的数量。
43.在其他实施方式中，也可以增加从动齿轮302的数量，如在主动齿轮301两侧分别设置一个从动齿轮302，使用2个t型丝杠501，t型丝杠501均与弹簧结构504连接；或者在主
动齿轮301的一侧设置多个相互啮合的从动齿轮302等。
44.如图7所示，弹簧压缩块502的一端螺接在t型丝杠501上，本实施例中的实现方式为；在t型丝杠501上螺接有螺帽507，弹簧压缩块502的一端再与螺帽507固定连接。
45.如图4和图6所示，变刚度模块还包括相互连接的旋转齿轮7和旋转编码器8，旋转齿轮7与凸轮6的内轮廓壁601啮合，旋转齿轮7随凸轮6的转动而转动，旋转编码器8随旋转齿轮7的转动而转动，旋转齿轮7和旋转编码器8安装在基座1上。旋转编码器8用于检测转动的角度。
46.为了更好的使弹簧压缩块502沿导向支撑架503往复滑动，本实施例中，导向支撑架503包括导轨，导轨的形状与弹簧压缩块502的形状相配合，弹簧压缩块502沿导轨往复滑动。导轨上设有限位机构，可以防止变刚度模块受到外部扭力时，弹簧结构504的作用力使得弹簧压缩块502过度移动。
47.一种模块化柔性变刚度驱动机构，如图1和图5所示，包括位置控制模块和变刚度模块，位置控制模块包括电机外壳9、位置电机10、法兰盘11和谐波减速器12；位置电机10安装在电机外壳9上，法兰盘11分别与位置电机10的输出轴和谐波减速器12连接，谐波减速器12与变刚度模块的基座1连接，法兰盘11随位置电机10的输出轴的转动而转动，法兰盘11的转动带动谐波减速器12随之转动，谐波减速器12的转动带动变刚度模块随之转动。
48.在使用时，模块化柔性变刚度驱动机构用于上下肢康复设备、外骨骼以及假肢中，位置控制模块在关节输入端，变刚度模块在关节输出端，位置控制模块的电机外壳9上安装有行程开关，可以测得关节输入端与模块化柔性变刚度驱动机构的机械零位。变刚度模块，起仿人体肌肉拮抗变阻抗作用，能够在抗阻训练阶段跟随患者肢体，通过调节弹簧结构504的压缩量改变整个变刚度模块的刚度特性，并分别给患者肢体施加不同的作用力增以强康复效果；位置电机10控制康复设备跟随指令做轨迹运动。
49.位置控制模块通过谐波减速器12与变刚度模块连接，位置电机10控制关节输入端实现转动。在变刚度模块中，刚度电机2的转动经传动结构3和平头轴4传递至t型丝杠501上，t型丝杠501转动。由于导向支撑架503是固定件，螺帽507带动弹簧压缩块502向前推进，从而压缩弹簧结构504，以达到变刚度特性。当外界关节输出端受到扭力的时候，扭力先作用与凸轮6的外轮廓壁上，凸轮6发生相对转动，凸轮6的内轮廓壁601再次压缩簧结构504，此时刚度特性为最大值。
50.模块化柔性变刚度驱动机构可用于多种结构中，如可以用于上下肢康复机器人的变刚度结构中，提高了人机交互的安全性，适用于痉挛、碰撞等情况的发生；可以用于被动助力外骨骼的变刚度结构中，变刚度特性适应不同身高体重的人在不同的运动状态下起到助力效果，减少人体能量代谢；可以用于仿生假肢的变刚度结构中，使其更加贴合真实的肢体。
51.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。