一种绳驱变刚度机构以及变刚度致动器

本发明涉及一种绳驱变刚度机构、以及具有该绳驱变刚度机构的变刚度致动器。

背景技术：

1、近年来，随着人机交互领域的发展和应用，机器人的安全性越来越受到重视。与刚性机器人相比，柔性机器人具有许多优点，如增加安全性、增强抗冲击性、提高能量利用率等。柔性关节执行器作为柔性机器人本体的核心结构部件，不但是使机器人完成各种灵活动作的动力源，也是保证人机交互安全性的可控关键结构点，已被广泛应用于各种机器人应用中。

2、但当柔性关节刚度较低时，纯柔性会导致机器人轨迹跟踪精度较低，信号响应时间较长。在这种情况下，可变刚度关节被提出，以最大限度地发挥柔性单元的优势，并扩大其应用范围。主动变刚度关节是指一个关节使用两个电机驱动，可以实现独立或者分别地调节关节刚度和输出位置，克服了被动变刚度关节刚度不可调节的缺点，这也是真正意义上的“可变刚度柔性”关节。

3、目前主动变刚度关节的结构形式主要有拮抗型、弹簧型、摩擦片型、变传输型和混合型五种，其大多存在结构复杂、体积大、扭矩密度比较低的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种绳驱变刚度机构、以及具有该绳驱变刚度机构的变刚度致动器，其具有高紧凑、扭矩密度大、可重构、调刚电机能任意布置等优点。

2、一方面，本发明提供了一种绳驱变刚度机构，其包括：

3、中空主轴，其中空且两端开口；

4、主动盘，其套在中空主轴上，其前表面上、环绕圆心均布设有n个用于安装连杆的转轴，n≥2；

5、从动盘，其套在所述中空主轴上，其均布有n个径向设置的滑槽，滑槽的两侧壁设有导向槽，滑槽的外端开口；

6、转向滑轮组件，其固定设置在从动盘的前表面上；

7、n个压缩组件，每个压缩组件均设置于对应的滑槽内，每个压缩组件包括弹簧、光轴、内滑块、外滑块、顶盖；内滑块和外滑块上设通孔，弹簧套光轴上，光轴的两端分别插入内滑块的通孔和外滑块的通孔；顶盖设置在外滑块之外，封住滑槽的外端开口；内滑块和外滑块的两侧壁均设有导向块，导向块均嵌入导向槽；内滑块上设有前向转轴，外滑块上设有后向转轴；

8、n个滑轮组，每个滑轮组对应于一个压缩组件、设置于从动盘的前表面上，每个滑轮组包括两个主动滑轮、一个从动滑轮，两个主动滑轮分别位于对应滑槽外端的左右两侧，从动滑轮通过轴承设置于内滑块的前向转轴上；

9、调刚绳-套组件，其包括绳索，该绳索穿过中空主轴，依次绕过转向滑轮组件、以及各个滑轮组；在每个滑轮组内，绳索按照第一主动滑轮、从动滑轮、第二主动滑轮的顺序穿绕；绳索的起始端连接驱动力，末端固定在从动盘上；

10、n个连杆，每个连杆的两端设轴孔，第一端轴孔套在主动盘的转轴上，第二端轴孔套在外滑块的后向转轴上。

11、在本说明书中，按照动力传递的方向，将从动盘的方向定义为“前”，相应地，将主动盘的方向定义为“后”。

12、本发明中，主动滑轮通过绳索带动从动滑轮沿着从动盘的滑槽移动。

13、本发明中，绳索的收紧带动各个滑轮组的从动滑轮沿着滑槽向外滑动，进而压缩各个弹簧，增加各个弹簧的预紧力，提高整体的刚度；相反，绳索放松后，在弹簧弹力的作用下，各个滑轮组的从动滑轮沿着滑槽向内(圆心)滑动，整体的刚度降低。因而，通过绳索的收紧与放松，可以实现机构整体刚度的调节。

14、本发明中，主动盘的转轴通过轴承与连杆的第一端相连，连杆的第二端又通过轴承与外滑块的后向转轴相连，当驱动电机带动主动盘旋转时，主动盘通过连杆将转动转化为直线运动，带动外滑块压缩弹簧，当弹簧压紧到足以带动从动盘及负载旋转时，便实现了位置与扭矩的输出。

15、本发明的绳驱变刚度机构具有可重构功能，压缩组件、滑轮组、连杆的数量可以根据变刚度需要进行重构。本发明的绳驱变刚度机构具有2n个主动滑轮、n个从动滑轮，n个张紧滑轮，n个弹簧，n个连杆，皆沿着从动盘周向均匀布置。n≥2，且为整数n的数量越大，绳驱变刚度机构的变刚度范围越大。

16、本发明中，中空主轴的内部中空且两端开口，形成用于绳索通过的通道。例如，主动盘中央设有多边形通孔，用于与中空主轴固定连接，在这种方案中，驱动电机带动主动盘旋转，主动盘带动中空主轴旋转，而中空主轴空转，没有负载。从动盘通过交叉滚子轴承与中空主轴实现转动副连接，交叉滚子轴承通过定位套筒与轴承端盖实现轴向定位与固定。类似地，主动盘也可以与通过交叉滚子轴承中空主轴实现转动副连接。

17、本发明中，绳索的起始端连接驱动力，该驱动力可由例如后文所述的调刚电机提供。

18、根据本发明的另一种具体实施方式，每个滑轮组进一步包括一个张紧滑轮设置于从动盘的前表面，且位于两个滑槽的中间。张紧滑轮主要用于绳索的路由传动与张紧。具体而言，主动滑轮和张紧滑轮通过滑轮紧固销安装到从动盘上。

19、根据本发明的另一种具体实施方式，进一步包括转向滑轮组件，该转向滑轮组件固定设置在从动盘的前表面上。

20、根据本发明的另一种具体实施方式，转向滑轮组件包括转向滑轮支架、第一转向滑轮、第二转向滑轮，转向滑轮支架固定安装在从动盘的前表面，第一转向滑轮相对于第二转向滑轮更接近从动盘的圆盘轴线，第二转向滑轮相对于第一转向滑轮更接近从动盘的前表面。转向滑轮组件的作用是使得绳索的路由传动方向由沿从动盘轴向方向改变到沿从动盘周向方向。

21、根据本发明的另一种具体实施方式，进一步包括调刚电机、以及由调刚电机驱动的调刚绳轮，绳索的起始端穿过中空主轴，缠绕到调刚绳轮上。当调刚电机驱动调刚绳轮对绳索进行紧向缠绕时，绳索拉紧，带动从动滑轮移动，从而增加各个弹簧的预紧力及机构整体刚度。

22、根据本发明的另一种具体实施方式，调刚绳-套组件进一步包括套管；套管套在绳索上。套管的作用是保护绳索不被磨损，内部有润滑油可以使绳索传动更顺畅，为绳索提供一个稳定的传动路径，使绳索经过弯曲的路径仍然绷紧。

23、根据本发明的另一种具体实施方式，从动盘上设有绳索固定孔，绳索的末端穿过绳索固定孔实现末端固定。

24、根据本发明的另一种具体实施方式，进一步包括用于测量主动盘与从动盘之间偏转角的测量元件，测量元件包括码盘和磁环；磁环设置于主动盘和从动盘之间，并套在主动盘的转轴之外，码盘设置于主动盘和磁环之间。

25、另一方面，本发明提供了一种变刚度致动器，其包括上述绳驱变刚度机构，以及：驱动电机、电机壳体，电机壳体套在驱动电机之外，驱动电机的中央开孔。驱动电机优选为无框电机、减速器、刹车器、编码器、驱动器的集成，用作位置与扭矩输出动力源。例如，驱动电机通过螺栓固定在中空的电机壳体内部，主动盘固定在驱动电机的输出端。

26、进一步的，调刚绳-套组件包括套管固定架，套管固定架固定安装于电机壳体的后端，套管的前端固定连接套管固定架。

27、进一步的，套管固定架包括第一套管固定架和第二套管固定架，第一套管固定架固定连接电机壳体，第二套管固定架固定连接第一套管固定架。

28、进一步的，绳索调紧之后，可以通过绳索调紧固定组件固定，以实现绳索与从动盘相对位置的固定，进而实现各个弹簧压缩程度的固定，从而实现刚度的固定。

29、例如，中国专利2021102222919专利说明书第0079-0080段、以及附图8提供了一种绳索调紧固定组件，其主要包括：固定套筒，锁紧弹簧，顶盖，顶筒。固定套筒的第一端通过螺纹固定在第二套管固定架上，锁紧弹簧位于固定套筒内，且锁紧弹簧的第二端与固定套筒内容凸缘相抵，顶盖的第一侧面与锁紧弹簧的第二端相抵，以将锁紧弹簧压缩在顶盖与固定套筒的内凸缘之间，顶筒通过螺纹连接在固定套筒的第二端。绳索套管的第一端与顶盖相抵，绳索套管的第二端与调刚电机的第二端相抵。调刚绳索依次插设穿过固定套筒、锁紧弹簧、顶盖、顶筒、绳索套管内部。第一套管固定架与电机壳体固定连接，第二套管固定架固定连接第一套管固定架。当旋拧顶筒时，以使得顶筒背离第二套管固定架方向移动，锁紧弹簧将利用自身的弹力推动顶盖背离第二套管固定架移动，使得弹性套管被压缩，从而产生形变，增大绳索套管与调刚绳索之间的摩擦力，从而起到锁紧调刚绳索的作用。

30、本发明具备以下有益效果：

31、1、结构紧凑，扭矩密度大。调刚模块的厚度不超过40mm，最大直径不超过120mm，非常紧凑，增大了变刚度致动器的扭矩密度。

32、2、可重构。滑轮组、弹簧、及连杆的数量可以根据变刚度需要进行重构。

33、3、调刚电机位置可以任意布置，非常有利于优化设备内部空间，适用于轻型机器人。

34、下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。