本發(fā)明涉及一種機(jī)器人仿生關(guān)節(jié)，具體為一種基于浮動(dòng)彈簧的剛度連續(xù)可調(diào)關(guān)節(jié)，該裝置可以適用于各種關(guān)節(jié)型機(jī)器人，提高機(jī)器人的安全性與對(duì)環(huán)境的友好度。

技術(shù)背景

目前，工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式大部分為驅(qū)動(dòng)軸直接驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，為較大的剛性連接。這種方式雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、位置精度高、能即時(shí)響應(yīng)，但較大的剛性也會(huì)導(dǎo)致一些問(wèn)題，例如當(dāng)機(jī)械臂受到突發(fā)的外力沖擊時(shí)容易損壞機(jī)構(gòu)，同時(shí)在與人協(xié)作時(shí)也容易存在安全隱患。近些年，一種具有柔順性的彈性驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)在國(guó)際上引起廣泛研究，變剛度彈性驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)能夠模擬人類(lèi)肌肉伸縮功能，在受到?jīng)_擊時(shí)能緩沖碰撞時(shí)產(chǎn)生的能量，同時(shí)獲得生物體一樣的觸覺(jué)，感知外界阻力以便產(chǎn)生反應(yīng)，從而避免了機(jī)器人機(jī)構(gòu)的損壞，提高了與人協(xié)作時(shí)的安全性。

國(guó)內(nèi)對(duì)可變剛度彈性關(guān)節(jié)的研究較少，經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，從現(xiàn)有公開(kāi)的串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)看，普遍存在集成度較低、體積較為龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、通用性較差等問(wèn)題。北京航空航天大學(xué)提出一種基于左右旋絲杠-滑塊連桿機(jī)構(gòu)的分布式片彈簧變剛度關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器，專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)CN105584551A，該裝置通過(guò)絲杠、絲杠螺母驅(qū)動(dòng)連桿使得滑塊在彈簧片上的接觸點(diǎn)發(fā)生改變由此改變剛度，這種結(jié)構(gòu)體積極其龐大，單位體積的負(fù)載能力較低，幾乎沒(méi)法用在機(jī)械臂上，且彈簧片的緩沖角度有限，容易產(chǎn)生疲勞破壞。浙江大學(xué)提出一種剛度可調(diào)的柔性關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器機(jī)構(gòu)，專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)CN104985608A，該裝置利用滾輪在上下兩個(gè)斜曲面盤(pán)上滾動(dòng)引起上下兩個(gè)斜曲面盤(pán)的軸向距離的改變而壓縮彈簧得到緩沖，通過(guò)調(diào)整上下兩個(gè)斜曲面盤(pán)的錯(cuò)開(kāi)角度來(lái)調(diào)節(jié)剛度，要求調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出力矩較大，并需要足夠強(qiáng)度的自鎖功能，該機(jī)構(gòu)平衡位置的輸出力矩始終為零，這就導(dǎo)致了低負(fù)載時(shí)的定位精度較差的問(wèn)題。該結(jié)構(gòu)留給彈簧安裝的位置較為狹小，整個(gè)結(jié)構(gòu)雖然緊湊，但外形極不規(guī)則，通用性較差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有機(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)上的不足，提出一種新型可調(diào)剛度的機(jī)器人柔彈性關(guān)節(jié)，它基于浮動(dòng)彈簧設(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、負(fù)載能力強(qiáng)、緩沖范圍廣、剛度調(diào)節(jié)范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)滾子在斜面上的滾動(dòng)使浮動(dòng)彈簧的軸向彈力變?yōu)檩敵龅妮S向力矩，得到緩沖，改變浮動(dòng)彈簧的預(yù)壓縮量即改變剛度。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種基于浮動(dòng)彈簧的剛度連續(xù)可調(diào)關(guān)節(jié)，包括主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)、諧波減速器、關(guān)節(jié)外殼、輸出法蘭，所述主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)與所述諧波減速器的輸入端驅(qū)動(dòng)連接，所述關(guān)節(jié)外殼與諧波減速器外殼固定連接，所述關(guān)節(jié)外殼內(nèi)設(shè)置有浮動(dòng)彈簧剛度調(diào)節(jié)裝置，所述浮動(dòng)彈簧剛度調(diào)節(jié)裝置一端與所述諧波減速器輸出端相連接，另一端與輸出法蘭相連接。

進(jìn)一步地，所述的浮動(dòng)彈簧剛度調(diào)節(jié)裝置包括連接所述諧波減速器輸出端的凸字形輸入轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)體、彈簧上支撐蓋、滾子保持架、環(huán)形凸輪盤(pán)、浮動(dòng)彈簧、調(diào)節(jié)電機(jī)支座、剛度調(diào)節(jié)電機(jī)，所述輸入轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)體內(nèi)側(cè)設(shè)置有內(nèi)螺紋，所述的彈簧上支撐蓋外周壁設(shè)置有連接所述輸入轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)體的內(nèi)螺紋，所述調(diào)節(jié)電機(jī)支座為具有兩種直徑外花鍵的中空階梯軸，所述剛度調(diào)節(jié)電機(jī)固定設(shè)置在所述調(diào)節(jié)電機(jī)支座的空腔內(nèi)，所述輸入轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)體外周壁設(shè)置有外花鍵，所述滾子保持架上部通過(guò)內(nèi)花鍵與所述輸入轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)體外花鍵相連接，所述凸輪盤(pán)通過(guò)軸承安裝在關(guān)節(jié)外殼下部，所述凸輪盤(pán)的上端面沿周向均勻設(shè)置若干斜曲面，所述凸輪盤(pán)的中心孔設(shè)置有與所述調(diào)節(jié)電機(jī)支座較大直徑外花鍵相配合的內(nèi)花鍵，所述滾子保持架下部沿周向均勻設(shè)置有若干組通孔，每組通孔設(shè)置裝有滾子的滾子軸，滾子保持架通過(guò)滾子在凸輪盤(pán)的斜曲面上滾動(dòng)，所述滾子保持架底端的中心孔內(nèi)設(shè)置有與所述調(diào)節(jié)電機(jī)支座較小直徑外花鍵相配合的內(nèi)花鍵，所述凸輪盤(pán)底部通過(guò)若干螺紋孔及固定螺絲與主軸輸出法蘭緊固連接；所述剛度調(diào)節(jié)電機(jī)輸出軸與彈簧上支撐蓋的中心孔過(guò)盈配合形成硬性連接，帶動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)；所述浮動(dòng)彈簧穿過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)支座安裝在彈簧上支撐蓋和滾子保持架下部之間，兩者的彈簧支撐面分別與浮動(dòng)彈簧上、下端面相互滑動(dòng)旋轉(zhuǎn)。

進(jìn)一步地，所述的剛度調(diào)節(jié)電機(jī)內(nèi)集成設(shè)置有齒輪減速箱。

進(jìn)一步地，所述的浮動(dòng)彈簧為矩形彈簧。

進(jìn)一步地，所述凸輪盤(pán)的上端面沿周向均勻設(shè)置三個(gè)斜曲面，所述滾子保持架下部沿周向均勻設(shè)置有三組通孔，每組通孔設(shè)置裝有滾子的滾子軸。

進(jìn)一步地，所述三組通孔每組有四個(gè)通孔，四個(gè)通孔并列安裝兩個(gè)裝有滾子的滾子軸。

進(jìn)一步地，所述滾子軸兩端有用于安裝軸用彈性擋圈約束滾子軸的軸向運(yùn)動(dòng)溝槽。

進(jìn)一步地，所述輸入轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)體的內(nèi)螺紋及所述的彈簧上支撐蓋外周壁的外螺紋均為梯形螺紋。

本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）柔性工作狀態(tài)時(shí)的平衡位置滾子與凸輪斜面接觸點(diǎn)斜率不為零，所以當(dāng)彈簧有預(yù)壓縮時(shí)有一個(gè)預(yù)緊力，當(dāng)外力矩負(fù)載超過(guò)這個(gè)預(yù)緊力時(shí)，才能開(kāi)始緩沖一個(gè)角度；解決了平衡位置晃動(dòng)的問(wèn)題，提高了低負(fù)載時(shí)機(jī)械臂的位置精度。

（2）全剛度工作時(shí)遇到突發(fā)情況時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)只要工作一小段距離便能迅速進(jìn)入最大柔性工作狀態(tài)，關(guān)節(jié)工作靈敏，極大提高了安全性。

附圖說(shuō)明

圖1示出了剛度連續(xù)可調(diào)關(guān)節(jié)的總體結(jié)構(gòu)圖。

圖2示出了剛度連續(xù)可調(diào)關(guān)節(jié)的剖視圖。

圖3示出了剛度連續(xù)可調(diào)關(guān)節(jié)的滾子斜曲面示意圖。

圖4示出了剛度連續(xù)可調(diào)關(guān)節(jié)的主要零件爆炸圖。

圖中：1-主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)；2-諧波減速器；3-彈簧上支撐蓋；4-輸入轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)體；5-關(guān)節(jié)外殼；6-滾子保持架；7-凸輪盤(pán) ；8-軸承；9-輸出法蘭 10-浮動(dòng)彈簧；11-調(diào)節(jié)電機(jī)支座；12-剛度調(diào)節(jié)電機(jī)； 13-滾子； 14-軸用彈性擋圈；15-滾子軸；16-固定螺絲。

具體實(shí)現(xiàn)方式

下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的目的作進(jìn)一步詳細(xì)地描述，實(shí)施例不能在此一一贅述，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不因此限定于以下實(shí)施例。

如圖1至圖4所示，一種基于浮動(dòng)彈簧的剛度連續(xù)可調(diào)關(guān)節(jié)，包括主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)1、諧波減速器2、關(guān)節(jié)外殼5、輸出法蘭9，所述主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)1與所述諧波減速器2的輸入端驅(qū)動(dòng)連接，所述關(guān)節(jié)外殼5與諧波減速器2外殼通過(guò)八個(gè)固定螺釘16固定連接，所述關(guān)節(jié)外殼5內(nèi)設(shè)置有浮動(dòng)彈簧剛度調(diào)節(jié)裝置，所述浮動(dòng)彈簧剛度調(diào)節(jié)裝置一端與所述諧波減速器2輸出端相連接，另一端與輸出法蘭9相連接。

具體而言，所述的浮動(dòng)彈簧剛度調(diào)節(jié)裝置包括連接所述諧波減速器2輸出端的凸字形輸入轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)體4、彈簧上支撐蓋3、滾子保持架6、環(huán)形凸輪盤(pán)7、浮動(dòng)彈簧10、調(diào)節(jié)電機(jī)支座11、剛度調(diào)節(jié)電機(jī)12，所述輸入轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)體4內(nèi)側(cè)設(shè)置有內(nèi)螺紋，所述的彈簧上支撐蓋3外周壁設(shè)置有連接所述輸入轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)體4的內(nèi)螺紋，所述調(diào)節(jié)電機(jī)支座11為具有兩種直徑外花鍵的中空階梯軸，所述剛度調(diào)節(jié)電機(jī)12固定設(shè)置在所述調(diào)節(jié)電機(jī)支座11的空腔內(nèi)，所述輸入轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)體4外周壁設(shè)置有外花鍵，使得能相互軸向滑動(dòng)，軸向轉(zhuǎn)動(dòng)被約束；所述滾子保持架6上部通過(guò)內(nèi)花鍵與所述輸入轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)體4外花鍵相連接，所述凸輪盤(pán)7通過(guò)軸承8安裝在關(guān)節(jié)外殼5下部，使其能轉(zhuǎn)動(dòng)不能軸向運(yùn)動(dòng)；所述凸輪盤(pán)7的上端面沿周向均勻設(shè)置若干斜曲面，所述凸輪盤(pán)7的中心孔設(shè)置有與所述調(diào)節(jié)電機(jī)支座11較大直徑外花鍵相配合的內(nèi)花鍵，所述滾子保持架6下部沿周向均勻設(shè)置有若干組通孔，每組通孔設(shè)置裝有滾子13的滾子軸15，滾子保持架6通過(guò)13滾子在凸輪盤(pán)7的斜曲面上滾動(dòng)，所述滾子保持架6底端的中心孔內(nèi)設(shè)置有與所述調(diào)節(jié)電機(jī)支座11較小直徑外花鍵相配合的內(nèi)花鍵，所述凸輪盤(pán)7底部通過(guò)八個(gè)螺紋孔及固定螺絲16與主軸輸出法蘭緊9固連接；所述浮動(dòng)彈簧10穿過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)支座12安裝在彈簧上支撐蓋3和滾子保持架6下部之間，兩者的彈簧支撐面分別與浮動(dòng)彈簧10上、下端面相互滑動(dòng)旋轉(zhuǎn)。所述剛度調(diào)節(jié)電機(jī)11輸出軸與彈簧上支撐蓋3的中心孔過(guò)盈配合形成硬性連接，帶動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)，從而能通過(guò)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使彈簧上支撐蓋3產(chǎn)生軸向移動(dòng)， 進(jìn)而壓縮浮動(dòng)彈簧10。

調(diào)節(jié)電機(jī)支座11外花鍵與滾子保持架6的內(nèi)花鍵相連接，約束其相互轉(zhuǎn)動(dòng)但能相互軸向滑動(dòng)，調(diào)節(jié)電機(jī)支座11最下部還有直徑較大的外花鍵能按需與同樣有直徑較大的凸輪盤(pán)7內(nèi)花鍵的連接，避免調(diào)節(jié)電機(jī)支座11上部的直徑較小的外花鍵與凸輪盤(pán)7的內(nèi)花鍵發(fā)生干涉。

在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，所述的剛度調(diào)節(jié)電機(jī)12內(nèi)集成設(shè)置有齒輪減速箱，可減少體積、增加集成度。

在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，所述的浮動(dòng)彈簧10為矩形彈簧，質(zhì)量高耐用、行程長(zhǎng)且占空間小、定位好。

在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，所述凸輪盤(pán)7的上端面沿周向均勻設(shè)置三個(gè)斜曲面，所述滾子保持架6下部沿周向均勻設(shè)置有三組通孔，每組通孔設(shè)置裝有滾子13的滾子軸15。

在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，所述三組通孔每組有四個(gè)通孔，四個(gè)通孔并列安裝兩個(gè)裝有滾子13的滾子軸15。

在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，所述滾子軸15兩端有用于安裝軸用彈性擋圈14約束15滾子軸的軸向運(yùn)動(dòng)溝槽。

在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，所述輸入轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)體4的內(nèi)螺紋及所述的彈簧上支撐蓋3外周壁的外螺紋均為梯形螺紋，工藝性好，牙根強(qiáng)度高、耐磨且對(duì)中性好。

本發(fā)明的具體工作過(guò)程包括關(guān)節(jié)的主運(yùn)動(dòng)和關(guān)節(jié)剛度調(diào)整運(yùn)動(dòng)。關(guān)節(jié)的主運(yùn)動(dòng)：主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)1提供關(guān)節(jié)主驅(qū)動(dòng)力矩，經(jīng)過(guò)諧波減速器2帶動(dòng)輸入轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)體4做正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；彈簧支撐蓋3與輸入轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)體4連接，關(guān)節(jié)全剛度工作時(shí)，彈簧支撐蓋3處于主軸輸入的最頂端時(shí)，調(diào)節(jié)電機(jī)支座11最下部的外花鍵與凸輪盤(pán)7的內(nèi)花鍵連接，此時(shí)主軸輸入轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)體4、滾子保持架6、調(diào)節(jié)電機(jī)支座11、凸輪盤(pán)7、輸出法蘭9跟隨主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)1同步轉(zhuǎn)動(dòng)；

當(dāng)需要進(jìn)入柔性工作狀態(tài)時(shí)，剛度調(diào)節(jié)電機(jī)12開(kāi)始工作帶動(dòng)彈簧上支撐蓋3向下螺旋運(yùn)動(dòng)，并壓縮浮動(dòng)彈簧10，整個(gè)剛度調(diào)節(jié)電機(jī)12和調(diào)節(jié)電機(jī)支座11一起向下運(yùn)動(dòng)一小段距離后，調(diào)節(jié)電機(jī)支座11下部直徑較大的外花鍵和凸輪盤(pán)7的內(nèi)花鍵脫離，主軸輸入力矩不再直接傳遞給輸出法蘭9，此時(shí)由于彈簧上支撐蓋3壓縮浮動(dòng)彈簧10，浮動(dòng)彈簧10下壓滾子保持架6，滾子保持架6帶動(dòng)滾子13壓緊凸輪盤(pán)7的斜曲面，使得滾子保持架6和凸輪盤(pán)7跟隨主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)1同步轉(zhuǎn)動(dòng)，從而最終將力矩傳遞給與凸輪盤(pán)7緊固連接的輸出法蘭9。當(dāng)輸出法蘭9受到較大沖擊負(fù)載時(shí)，浮動(dòng)彈簧10下壓力通過(guò)滾子13在斜面上產(chǎn)生的力矩不能抵抗外力矩，滾子13開(kāi)始沿著凸輪盤(pán)7斜曲面上向上滾動(dòng)，同時(shí)滾子保持架6也向上運(yùn)動(dòng) 進(jìn)一步壓縮浮動(dòng)彈簧10，浮動(dòng)彈簧10彈力逐漸增大，滾子13受到下壓力也隨之增大，當(dāng)這個(gè)力與外力相當(dāng)時(shí)，滾子保持架6與凸輪盤(pán)7停止相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)它們之間相互錯(cuò)開(kāi)一個(gè)角度，由此得到緩沖；當(dāng)這個(gè)外力矩太大，由于斜曲面的斜率逐漸增大至垂直，滾子無(wú)法進(jìn)一步滾動(dòng)，此時(shí)該位置的力矩輸出趨于無(wú)限大，此為最大緩沖角度。當(dāng)外力矩減小到一定程度時(shí)，浮動(dòng)彈簧10又把滾子13下壓到凸輪盤(pán)7斜曲面最低點(diǎn)，此時(shí)滾子保持架6與凸輪盤(pán)7還原到無(wú)相對(duì)錯(cuò)開(kāi)角度的初始位置。

關(guān)節(jié)剛度調(diào)整運(yùn)動(dòng)：剛度調(diào)節(jié)電機(jī)12轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)彈簧上支撐蓋3沿著輸入轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)體4上下運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)浮動(dòng)彈簧10的壓縮量，從而實(shí)現(xiàn)了關(guān)節(jié)的剛度調(diào)節(jié)。

本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。