剛度可調的柔性關節驅動器機構的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及機器人技術領域，尤其涉及一種可以主動調節剛度的仿人機器人關節機構的設計。
【背景技術】
[0002]近些年來，隨著工業技術的發展，智能機器人在工業、醫療、服務等領域與人有了更多的接觸。傳統機器人采用電機-減速器-負載線性傳動的剛性關節。剛性關節具有結構簡單、體積緊湊、定位精準等優點，能夠滿足工業生產的要求。但剛性關節不能對外界環境做出及時的被動響應，這使得搭載剛性關節的機器人與環境的兼容性差，能量效率低下且能耗很大，這是機器人發展中需要克服的問題。與剛性關節相比，柔性關節在與外界環境的交互過程中顯得友好很多。
[0003]進一步探索中發現，在運動時人體的關節的韌性并非一成不變。比如腿部落地時，膝關節、踝關節呈現柔軟的特性；而腿部發力后蹬時關節又極剛硬。為了模擬生物關節的這種特性，在串聯彈性驅動關節的基礎上，增加其可變剛度的功能，這便是可變剛度的串聯彈性驅動關節。這種關節不僅能夠實現柔性關節的功能，還能夠根據機器人的運動狀態，無級改變關節的勁度系數，甚至調整到剛性關節。變剛度關節能夠提升機器人對環境的適應性和擴大機器人的應用領域，具有寬廣的應用前景。
[0004]對于可調剛度的柔性關節，其性能優劣決定了機器人能否正常運行。目前，有一部分剛度可調的關節采用有級變剛度的結構。如申請號201410821096.8公開的“一種可變剛度的機器人關節”，在關節中安裝一片主摩擦片和兩片副摩擦片，通過螺栓的預緊產生摩擦力實現柔性驅動。但是摩擦件屬于消耗品，需要定期更換，且不能實現線性可調的剛度特性；有一部分關節采用氣動控制，如中國專利CN87107075A，“一種柔性氣缸及彎曲、扭轉關節”，采用氣動驅動，總體結構較為復雜，難以實現線性操控，對柔性的調節較為困難。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在于針對現有技術的不足，提出一種剛度可調的柔性關節驅動器機構。本發明靈敏度高，剛度調整精確可靠，結構緊湊。該驅動器機構分為驅動端、調整端和柔性關節三部分。其中驅動端為柔性關節運動提供動力，調整端負責改變柔性關節的剛度，柔性關節則起到減緩沖擊、調節剛度的作用。
[0006]為了達到上述目的，本發明采用的技術方案如下:一種剛度可調的柔性關節驅動器機構，包括:驅動端編碼器、驅動端編碼器法蘭、驅動端電機軸、驅動端電機法蘭、驅動端電機、驅動端諧波、驅動端諧波法蘭、驅動端諧波輸出軸、前編碼器座、彈簧軸、固接銷、前編碼器、前凸輪板、前軸承、底座法蘭、前凸輪板法蘭、后編碼器座、中部轉盤、后編碼器、轉輪、后凸輪板法蘭、柔性關節外殼、調整端諧波、后軸承、調整端電機法蘭、后凸輪板、調整端電機軸、調整端諧波輸出法蘭、調整端編碼器法蘭、調整端電機、調整端編碼器、底座后支架、底板、底座前支架、擺臂、配重、矩形壓簧和調整端諧波法蘭。
[0007]所述驅動端編碼器法蘭上安裝有驅動端編碼器，驅動端編碼器法蘭與內部安裝有驅動端電機的驅動端電機法蘭固接；驅動端電機法蘭與底板通過底座后支架固接；驅動端電機軸前端連接驅動端諧波的輸入端，中段與驅動端電機的轉子夾緊，后端與驅動端編碼器的轉子夾緊；驅動端諧波安裝在驅動端諧波法蘭上，輸出端與驅動端諧波輸出軸固接。
[0008]所述調整端編碼器法蘭上安裝有調整端編碼器，調整端編碼器法蘭與內部安裝有調整端電機的調整端電機法蘭固接；調整端電機軸前端連接調整端諧波的輸入端，中段與調整端電機的轉子夾緊，后端與調整端編碼器的轉子夾緊；調整端諧波安裝在調整端諧波法蘭上，輸出端與調整端諧波輸出法蘭固接。
[0009]所述驅動端諧波輸出軸末端固聯有固接銷，固接銷的另一端穿過前凸輪板法蘭與中部轉盤固聯；六個轉輪分為三組，兩個為一組均勻鉸接在中部轉盤的側邊，每組的兩個轉輪與中部轉盤的旋轉平面平行，六個轉輪均可以自由旋轉；前凸輪板的內圈壓緊在前凸輪板法蘭上，外圈通過三組凹槽與柔性關節外殼的內圈周向固定，前凸輪板可以相對柔性關節外殼軸向滑動，但兩者不能發生相對周向轉動；柔性關節外殼與后編碼器座固聯，擺臂安裝在后編碼器座上；擺臂末端固聯有配重。
[0010]所述后凸輪板的內圈壓緊在后凸輪板法蘭上，外圈通過三組凹槽與調整端諧波輸出法蘭的內圈周向固定，后凸輪板可以相對調整端諧波輸出法蘭軸向滑動，但兩者不能發生相對周向轉動；調整端諧波輸出法蘭與調整端諧波輸出端聯接，后編碼器座與調整端諧波鋼輪聯接。
[0011]所述矩形壓簧一端與彈簧軸末端壓緊，另一端與前凸輪板法蘭中部壓緊；彈簧軸根部與后凸輪板法蘭壓緊，前凸輪板、后凸輪板的內表面斜曲面與安裝在中部轉盤側邊的轉輪兩邊相抵。
[0012]所述前編碼器外圈安裝在前編碼器座上，內圈與柔性關節外殼固接，前編碼器座、底座法蘭與前軸承的外圈固接；柔性關節外殼的小端與前軸承的內圈固接；前編碼器座一端與驅動端諧波法蘭固接，另一端與底座法蘭固接；底座法蘭與底板通過底座前支架固接；后編碼器外圈安裝在安裝有擺臂的后編碼器座上，內圈與調整端諧波輸出法蘭固接，柔性關節外殼的大端、后編碼器座與后軸承的外圈固接；調整端諧波輸出法蘭與后軸承的內圈固接；調整端諧波輸出法蘭與后凸輪板周向固定。
[0013]本發明與【背景技術】相比，具有的有益效果是:
1、附帶有驅動電機，能夠主動驅動關節運動；
2、采用曲斜面-轉輪配合結構的變剛度系統，摩擦阻力小，傳動精密；
3、外殼全封閉，結構緊湊，能夠在惡劣的環境下工作；
4、安裝有四個絕對式編碼器，工作過程中實現有效檢測，靈敏度高，故障率低。
[0014]5、從極大柔性到完全剛性，關節剛度的變化線性可控。
【附圖說明】
[0015]圖1是一種剛度可調的柔性關節驅動器機構的安裝立體圖；
圖2是一種剛度可調的柔性關節驅動器機構的總體剖視圖；
圖3是一種剛度可調的柔性關節驅動器機構的柔性關節部分平面裝配圖；
圖4是一種剛度可調的柔性關節驅動器機構的柔性關節部分剖視圖； 圖5是一種剛度可調的柔性關節驅動器機構的柔性關節部分立體圖；
圖6是一種剛度可調的柔性關節驅動器機構的調整端接口立體圖；
圖7是一種剛度可調的柔性關節驅動器機構的驅動端接口立體圖；
圖8是一種剛度可調的柔性關節驅動器機構下凸輪板與調整端接口裝配圖；
圖9是一種剛度可調的柔性關節驅動器機構上凸輪板與驅動端接口裝配圖；
圖10是一種剛度可調的柔性關節驅動器機構在低剛度時靜止狀態下示意圖；
圖11是一種剛度可調的柔性關節驅動器機構在低剛度時扭轉狀態下示意圖；
圖12是一種剛度可調的柔性關節驅動器機構在高剛度時靜止狀態下示意圖；
圖13是一種剛度可調的柔性關節驅動器機構在高剛度時扭轉狀態下示意圖；
圖中，驅動端編碼器1、驅動端編碼器法蘭2、驅動端電機軸3、驅動端電機法蘭4、驅動端電機5、驅動端諧波6、驅動端諧波法蘭7、驅動端諧波輸出軸8、前編碼器座9、彈簧軸10、固接銷11、前編碼器12、前凸輪板13、前軸承14、底座法蘭15、前凸輪板法蘭16、后編碼器座17、中部轉盤18、后編碼器19、轉輪20、后凸輪板法蘭21、柔性關節外殼22、調整端諧波23、后軸承24、調整端電機法蘭25、后凸輪板26、調整端電機軸27、調整端諧波輸出法蘭28、調整端編碼器法蘭29、調整端電機30、調整端編碼器31、底座后支架32、底板33、底座前支架34、擺臂35、配重36、矩形壓簧37、調整端諧波法蘭38。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
[0017]如圖1-圖2所示，本發明一種剛度可調的柔性關節驅動器機構，包括:驅動端編碼器1、驅動端編碼器法蘭2、驅動端電機軸3、驅動端電機法蘭4、驅動端電機5、驅動端諧波6、驅動端諧波法蘭7、驅動端諧波輸出軸8、前編碼器座9、彈簧軸10、固接銷11、前編碼器12、前凸輪板13、前軸承14、底座法蘭15、前凸輪板法蘭16、后編碼器座17、中部轉盤18、后編碼器19、轉輪20、后凸輪板法蘭21、柔性關節外殼22、調整端諧波23、后軸承24、調整端電機法蘭25、后凸輪板26、調整端電機軸27、調整端諧波輸出法蘭28、調整端編碼器法蘭29、調整端電機30、調整端編碼器31、底座后支架32、底板33、底座前支架34、擺臂35、配重36、矩形壓簧37和調整端諧波法蘭38。
[0018]如圖2、圖7所示，驅動端編碼器法蘭2上安裝有驅動端編碼器1，驅動端編碼器法蘭2與內部安裝有驅動端電機5的驅動端電機法蘭4固接；驅動端電機法蘭4與底板33通過底座后支架32固接；驅動端電機軸3前端連接驅動端諧波6的輸入端，中段與驅動端電機5的轉子夾緊，后端與驅動端編碼器I的轉子夾緊。驅動端諧波6安裝在驅動端諧波法蘭7上，輸出端與驅動端諧波輸出軸8固接。
[0019]如圖2、圖6所示，調整端編碼器法蘭29上安裝有調整端編碼器31，調整端編碼器法蘭29與內部安裝有調整端電機30的調整端電機法蘭25固接。調整端電機軸27前端連接調整端諧波23的輸入端，中段與調整端電機30的轉子夾緊，后端與調整端編碼器31的轉子夾緊。調整端諧波23安裝在調整端諧波法蘭38上，輸出端與調整端諧波輸出法蘭28固接。
[0020]如圖2、圖3所示，驅動端諧波輸出軸8末端固聯有固接銷11，固接銷11的另一端穿過前凸輪板法蘭16與中部轉盤18固聯。六個轉輪20分為三組，兩個為一組均勻鉸接在中部轉盤18的側邊，每組的兩個轉