一種可變剛度的柔性關節的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及機器人技術，具體為一種可變剛度的柔性關節。
【背景技術】
[0002]關節型機器人依據仿生學原理設計，結構簡單，活動靈活，在各種復雜的環境中工作表現出很強的適應性，已被廣泛應用于工業生產、科研探索、抗震救災等領域。轉動關節是機器人最重要的組成部分，對機器人的正常工作及穩定性、可靠性、精度等有著重要的意義。傳統剛性機器人的關節可在已知環境中運行平穩，但在未知環境或意外情況下，非常容易受到沖擊導致人員或自身損傷，特別是機器人與人類生活越來越密切，要想使機器人在人類日常生活中普及，優先需要解決的就是剛性關節的安全性差，適應能力不強的問題。
[0003]近些年通過仿生學研宄，人們發現自然界動物中的肌肉-肌腱組織具備柔順特性，不僅僅能夠減小骨骼受到的沖擊力，保護本體安全，而且柔性輸出能夠為動物存儲部分能量以運用到下一個動作中，例如，犬科動物在奔跑時肌肉-肌腱能夠存儲35%的機械能用于下一步的運動能量循環中。同時，為適應不同情況，動物能夠調整肌肉-肌腱組織的剛度，提高運動穩定性及能量優化特性。
[0004]根據這一原理，麻省理工學院的一位學者Pratt，首次將串聯彈性驅動器(SeriesElastic Actuator，SEA)應用到步行機器人的驅動中。串聯彈性驅動器將彈性元件串聯在剛性驅動器之后，通過檢測彈性元件的變形來達到力精確輸出的目的。
[0005]現有的基于串聯驅動器的柔性關節，多數還是關注與柔性輸出的實現，且結構復雜，關節柔性變形角度受限，如CN102211622A號專利公開的一種圓筒式的串聯彈性驅動器，結構復雜，且只能產生直線運動，剛度不可調，不利于應用在關節機器人上；又如CN101934525B號專利公開的仿人機器人具有可變剛度柔性關節設計，雖然實現了主動變剛度輸出的目的，但是同樣結構復雜，且驅動依靠柔索，不能適應快速運動及沖擊作用，應用到各種關節型機器人上的廣泛性受到限制。
【實用新型內容】
[0006]針對現有技術的不足，本實用新型擬解決的技術問題是，提供一種可變剛度的柔性關節。該柔性關節不僅能夠實現柔性驅動輸出，減小沖擊、摩擦，延長機器人使用壽命，提高機器人安全性，同時能夠實現關節剛度隨關節柔性變形角度增大而增大，提高機器人魯棒性及運行穩定性，并能通過自身驅動主動調整關節剛度，更好的適應不同外界環境或不同工作任務。
[0007]本實用新型解決所述技術問題的技術方案是:設計一種可變剛度的柔性關節，包含被動變剛度機構和主動柔性驅動機構，其特征在于所述被動變剛度機構主要包括:關節輸出盤、關節第一驅動盤、關節第二驅動盤、第一凸輪組、第二凸輪組、第一凸輪組安裝座、第二凸輪組安裝座、光軸、光軸支撐座、調剛度安裝盤、直線軸承和彈簧，所述關節第一驅動盤與關節第二驅動盤固定連接；所述關節第二驅動盤與關節輸出盤上加工有相同輪廓線的凸輪槽，且該輪廓線可實現關節等效剛度隨關節柔性變形角度而變化，凸輪槽輪廓線關于軸心對稱；所述關節輸出盤通過止推軸承、轉動軸承安裝在第一驅動盤的軸上，能夠相對關節第二驅動軸轉動；
[0008]所述第一凸輪組、第二凸輪組凸輪同時與第二驅動盤、關節輸出盤相接觸，且始終與凸輪槽外輪廓線相接觸；所述第一凸輪組和第二凸輪組分別對應固定在第一凸輪組安裝座和第二凸輪組安裝座上，所述第一凸輪組安裝座和第二凸輪組安裝座分別通過直線軸承固定在光軸上，使凸輪組能夠沿光軸平動；所述光軸通過光軸支撐座固定在調剛度安裝盤上，調剛度安裝盤通過止推軸承與轉動軸承安裝在第一驅動盤軸上，且能夠繞第一驅動盤的軸心轉動；
[0009]所述主動柔性驅動機構主要包括:梯形絲杠、絲杠支撐座、絲杠螺母、絲杠軸承、直流伺服電機、電機安裝座、聯軸器、變剛度調整座、直線軸承和壓縮彈簧，所述直流伺服電機安裝在電機安裝座上，電機安裝座與第一凸輪組安裝座固定；所述梯形絲杠通過絲杠支撐座、絲杠軸承安裝在第一凸輪組安裝座內，直流伺服電機通過聯軸器與梯形絲杠連接，帶動梯形絲杠轉動；所述絲杠螺母固定于變剛度調整座上，變剛度調整座通過兩個直線軸承固定于光軸上，直流伺服電機帶動梯形絲杠轉動，調整變剛度調整座與第一凸輪組安裝座之間的距離；所述壓縮彈簧安裝于變剛度調整座與第二凸輪組安裝座之間。
[0010]與現有技術相比，本實用新型設計的柔性關節具有以下創新點:
[0011]1、可變剛度的柔性關節巧妙地結合了凸輪機構及絲杠螺母機構，可同時實現關節的被動變剛度和主動變剛度；
[0012]2、可變剛度的柔性關節體積緊湊，所有主被動變剛度結構集中于關節構型中，易于集成應用于各類關節型機器人中；
[0013]3、可變剛度的柔性關節系統安裝有彈簧，實現了驅動力的柔性輸出，更加安全可靠，防止沖擊、碰撞等意外情況下造成人員或機器人本體損傷；
[0014]4、可變剛度的柔性關節可通過直流伺服電機主動調整關節彈性剛度，使得機器人能夠適應不同的外界環境及工作需求，增大了關節型機器人的應用范圍；
[0015]5、本實用新型設計的柔性關節采用凸輪-凸輪槽機構對彈簧彈力進行放大，減小了彈簧體積，采用絲杠螺母機構對直流伺服電機輸出力矩進行放大，用一個小功率的直流伺服電機，輸出連接絲杠螺母，來調節彈簧壓縮量，減小了直流伺服電機的功率需求。
[0016]本實用新型柔性關節適用各種仿人機器人手臂關節、足式機器人腿部關節等關節型機器人的關鍵部位，為柔性驅動在關節機器人中的應用奠定了基礎，具有很廣泛的應用前景。
【附圖說明】
[0017]圖1為本實用新型可變剛度的柔性關節一種實施例的立體結構示意圖；
[0018]圖2為本實用新型可變剛度的柔性關節一種實施例的柔性輸出實現原理說明圖；其中，
[0019]圖2-1為本實用新型可變剛度的柔性關節靜止狀態結構示意圖；
[0020]圖2-2為本實用新型可變剛度的柔性關節發生柔性變形狀態結構示意圖；
[0021]圖3為本實用新型可變剛度的柔性關節一種實施例的主動柔性驅動機構剖視結構示意圖；
[0022]圖4為本實用新型可變剛度的柔性關節一種實施例的整體剖面結構示意圖。
[0023]其中，
[0024]圖4-1為本實用新型可變剛度的柔性關節一種實施例的階梯剖正面結構示意圖；
[0025]圖4-2為本實用新型可變剛度的柔性關節一種實施例的側面結構示意圖；
[0026]圖5為本實用新型可變剛度的柔性關節一種實施例沿軸線的剖面結構示意圖。
[0027]圖中:1關節輸出盤，11輸出盤凸輪槽，2關節第一驅動盤，21第一驅動盤凸輪槽，3關節第二驅動盤，4關節支撐盤，31第一凸輪組，31’第二凸輪組，32支撐端蓋，33光軸，34光軸支撐座，35直流伺服電機，36絲杠支撐座，37第一凸輪組安裝座，38絲杠螺母，39變剛度調整座，310電機安裝座，311第二凸輪組安裝座，312直線軸承，313調剛度安裝盤，314壓縮彈簧，315聯軸器，316絲杠軸承，317梯形絲杠，41第一止推軸承，42第一轉動軸承，43第二轉動軸承44第二止推軸承。
【具體實施方式】
[0028]下面結合實施例及其附圖進一步敘述本實用新型。但本申請的權利要求保護范圍不限于所述實施例的描述范圍。
[0029]本實用新型設計的一種可變剛度的柔性關節(簡稱柔性關節，參見圖1-5)，包含被動變剛度機構和主動柔性驅動機構，其特征在于所述被動變剛度機構主要包括:關節輸出盤1、關節第一驅動盤2、關節第二驅動盤3、第一凸輪組31、第二凸輪組31’、第一凸輪組安裝座37、第二凸輪組安裝座311、光軸33、光軸支撐座34、調剛度安裝盤313、直線軸承312和壓縮彈簧314，所述關節第一驅動盤2與關節第二驅動盤3固定連接；所述關節第二驅動盤3與關節輸出盤I上加工有相同輪廓線的輸出盤凸輪槽11和第一驅動盤凸輪槽21，且該輪廓線可實現關節等效剛度隨關節柔性變形角度而變化，凸輪槽輪廓線關于軸心對稱；所述關節輸出盤I通過止推軸承41、轉動軸承42安裝在第一驅動盤2的軸上，能夠相對關節第二驅動盤3轉動；
[0030]所述第一凸輪組31、第二凸輪組31’凸輪同時與第二驅動盤3、關節輸出盤I相接觸，且始終與凸輪槽外輪廓線相接觸；所述第一凸輪組31和第二凸輪組31’分別對應固定在第一凸輪組安裝座37和第二凸輪組安裝座311上，所述第一凸輪組安裝座37和第二凸輪組安裝座311分別通過直線軸承312固定在光軸33上，使第一凸輪組31、第二凸輪組31’能夠沿光軸33平動；所述光軸33通過光軸支撐座32固定在調剛度安裝盤313上，調剛度安裝盤313通過止推軸承44與轉動軸承43安裝在第一驅動盤2軸上，且能夠繞第一驅動盤2的軸心轉動；
[0031]所述主動柔性驅動機構主要包括:梯形絲杠317、絲杠支撐座36、絲杠螺母38、絲杠軸承316、直流伺服電機35、電機安裝座310、聯軸器315、變剛度調整座39、直線軸承312和壓縮彈簧314，所述直流伺服電機35安裝在電機安裝座310上，電機安裝座310與第一凸輪組安裝座37固定；所述