本發(fā)明涉及機器人技術領域，具體為一種旋轉型變剛度柔性關節(jié)。

背景技術：

近年來，關節(jié)型機器人以其活動靈活，結構簡單，環(huán)境適應性強及工作空間大的特點，已被廣泛應用于抗震救災，醫(yī)療，工業(yè)生產(chǎn)等很多行。轉動關節(jié)是機器人重要組成部分之一，對機器人的運動穩(wěn)定性和精確性等具有重要的意義。傳統(tǒng)機器人關節(jié)采用剛性設計，運動速度、精度也已達到較高水平，但隨著機器人的不斷普及，面對新的任務，剛性關節(jié)已漸漸不能滿足要求：工作在障礙物較多或其他復雜的未知環(huán)境下，剛性機器人容易受到未知碰撞而降低精度或損壞，在與人類肢體直接接觸的助殘、康復、外骨骼機器人上，安全問題是設計過程中必須考慮的重要方面,剛性機器人即使配合各類傳感裝置，安全系數(shù)也不能達到要求。

事實上，大自然中動物與人的運動關節(jié)就表現(xiàn)出了非常出色的運動特性，不僅具有快速響應、大力矩輸出能力，還體現(xiàn)出優(yōu)秀的柔順特性。關節(jié)柔順特性不僅僅保護動物機體組織在外力作用時免受損傷，而且能夠保證精準的力輸出。同時，為適應不同情況，動物能夠調(diào)整肌肉-肌腱組織的剛度，提高運動穩(wěn)定性及能量優(yōu)化特性。參考動物關節(jié)特性，國內(nèi)外研究人員提出了在驅動器與執(zhí)行器間串聯(lián)彈性元件的串聯(lián)彈性驅動器(serieselasticactuator，sea)，并基于此柔性驅動器原理設計出了多種具有柔順特性的機器人關節(jié)結構。

現(xiàn)有的基于串聯(lián)驅動器的柔性關節(jié)多數(shù)依據(jù)特定機器人設計，主要關注柔性輸出的實現(xiàn)，目前普遍存在驅動元件與傳動機構不夠緊湊，柔性關節(jié)結構復雜，通用性差的問題。如cn102211622a號專利公開的一種圓筒式的串聯(lián)彈性驅動器，結構復雜，且只能產(chǎn)生直線運動，限制了關節(jié)的靈活程度，且剛度不可調(diào)，不利于應用在關節(jié)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(jié)設計，雖然實現(xiàn)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(jié)型機器人上的廣泛性受到限制。

wolfs等人(wolfs,hirzingerg.anewvariablestiffnessdesign:matchingrequirementsofthenextrobotgeneration[c]//internationalconferenceonroboticsandautomation.dlr,2008:1741-1746.)通過凸輪機構來實現(xiàn)變剛度，當關節(jié)旋轉時，凸輪滾子在底部凸輪盤內(nèi)的位置發(fā)生變化，致使彈簧的伸縮量發(fā)生變化，力的作用點也發(fā)生變化，實現(xiàn)被動變剛度的調(diào)節(jié)。但其結構也存在一定不足，凸輪沿凸輪槽滑動過程中會有摩擦，造成能量損失，效率低下。凸輪以及凸輪連接處受到的應力比較大，工作壽命短。變剛度特性是由凸輪槽決定的，凸輪槽設計比較復雜，造成其傳動精度很難保證。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明擬解決的技術問題是，提供一種旋轉型變剛度柔性關節(jié)。該柔性關節(jié)不僅能夠實現(xiàn)柔性驅動輸出，又能降低關節(jié)驅動受到的外力沖擊，減少能量消耗，降低控制精度，延長機器人使用壽命，提高機器人安全性。同時能夠實現(xiàn)關節(jié)剛度隨關節(jié)柔性變形角度增大而增大，提高機器人魯棒性及運行穩(wěn)定性，并能通過自身驅動主動調(diào)整關節(jié)剛度，更好的適應不同外界環(huán)境或不同工作任務。

本發(fā)明解決所述技術問題的技術方案是：設計一種旋轉型變剛度柔性關節(jié)，其特征在于該關節(jié)包括驅動盤、端蓋、扭簧、異形齒輪組、標準齒輪組、軸一、軸二、輸出軸、軸端固定架、蝸桿、蝸輪、直流減速電機、聯(lián)軸器、連接板、蝸桿固定塊、卡簧、電機安裝座、固定塊和軸承座；

所述驅動盤與端蓋固定，驅動盤端部直接通過減速器與外部電機連接，作為柔性關節(jié)的輸入；驅動盤內(nèi)部設置有軸承座和軸端固定架，軸承座和驅動盤為一體結構，驅動盤與端蓋通過螺栓連接作為關節(jié)的外殼；軸端固定架的兩端通過固定塊固定在驅動盤上，在端蓋與軸端固定架之間通過深溝球軸承固定輸出軸，輸出軸與外部構件連接；軸一與軸二分別通過深溝球軸承、軸承座固定于驅動盤與端蓋上，軸一、軸二和輸出軸同高度；標準齒輪組安裝在輸出軸與軸二的一側上，兩個標準齒輪相互嚙合傳遞轉速；在軸二的另一側和軸一的同側上固定安裝異形齒輪組，在異形齒輪組的內(nèi)側的軸一上套有扭簧，扭簧一端與異形齒輪組相連接；

所述軸一的另一側通過軸承安裝有蝸輪，蝸輪與軸一之間安裝有卡簧，蝸輪通過連接板與扭簧的另一端相連接；在蝸輪的上方，在驅動盤內(nèi)通過蝸桿固定塊固定蝸桿的一端，蝸桿的另一端通過聯(lián)軸器與直流減速電機的輸出軸連接；所述直流減速電機通過電機安裝座安裝在軸端固定架上。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：

1)本發(fā)明柔性關節(jié)與減速器相連接的法蘭與驅動盤(外殼)做成一體，充當行星架，巧妙地利用了行星輪系的特點，柔性關節(jié)的承載力明顯提高，傳遞的功率范圍變大，提高了關節(jié)的效率和壽命，關節(jié)結構更加緊湊；巧妙地結合了異形齒輪可變傳動比的機構特點及蝸輪蝸桿機構傳動的特點，可以在外界環(huán)境需要時同時實現(xiàn)主動與被動的變剛度調(diào)節(jié)。該關節(jié)結構緊湊，變剛度機構都集中在關節(jié)內(nèi)部，適用于各類關節(jié)型機器人的使用，且在外界環(huán)境工作時受到碰撞、沖擊等情況時能夠起到一定的緩沖作用，避免造成工作人員或機器人本體的損傷。

2)本發(fā)明柔性關節(jié)能夠通過直流減速電機主動調(diào)節(jié)關節(jié)的剛度，使機器人能夠適應不同的外界環(huán)境，增大了機器人的應用范圍，能夠實現(xiàn)驅動力的柔性輸出，異形齒輪又對扭簧的扭力進行放大，減小了整體結構的尺寸，實現(xiàn)了輸出力矩的放大，提高能量的利用。

3)本發(fā)明采用了異形齒輪傳動來實現(xiàn)變剛度，相比于凸輪機構本發(fā)明具有傳遞運動穩(wěn)定，工作可靠，輪齒不易磨損等優(yōu)勢，保證了機構的高精度要求，異形齒輪生命周期長，設計成型后加工相對簡單，成本低，即使出現(xiàn)問題后容易更換，顯著提高了工作效率；而相對于通過凸輪機構來實現(xiàn)變剛度的關節(jié)，需要通過對凸輪槽的設計來實現(xiàn)變剛度特性，但凸輪槽設計計算中存在一定的誤差且隨著機構的使用凸輪槽會出現(xiàn)磨損，精度降低，凸輪槽出現(xiàn)磨損就會報廢，且壽命較短，凸輪槽為關節(jié)的核心部件再生產(chǎn)比較復雜，更換難度也大。

4)本發(fā)明通過蝸輪蝸桿來調(diào)節(jié)關節(jié)的柔性特性，減少了關節(jié)軸向空間，使得關節(jié)內(nèi)部空間更加緊湊，傳動平穩(wěn)，更重要的是，相對于絲杠等其它傳動方式，蝸輪蝸桿具有很好的自鎖性，避免了被動調(diào)剛度過程中扭簧受力使得與蝸輪連接一端出現(xiàn)回彈而影響關節(jié)柔性特性的問題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明旋轉型變剛度柔性關節(jié)一種實施例的立體結構示意圖；

圖2為本發(fā)明旋轉型變剛度柔性關節(jié)的主視圖；

圖3為本發(fā)明旋轉型變剛度柔性關節(jié)的主視圖中a-a剖視圖

圖4為本發(fā)明旋轉型變剛度柔性關節(jié)的俯視圖；

圖5為本發(fā)明旋轉型變剛度柔性關節(jié)的俯視圖中b-b剖視圖；

圖6為本發(fā)明旋轉型變剛度柔性關節(jié)的俯視圖中c-c剖視圖；

圖中：1驅動盤，2蝸桿，3蝸輪，4扭簧，5異形齒輪，6軸端固定架，7軸承座，8軸二，9直流減速電機，10端蓋，11標準齒輪，12輸出軸，13聯(lián)軸器，14連接板，15軸一，16電機安裝座，17卡簧，18固定塊，19蝸桿固定塊。

具體實施方式

下面結合實施例及其附圖進一步敘述本發(fā)明。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。

本發(fā)明旋轉型變剛度柔性關節(jié)(簡稱關節(jié)或柔性關節(jié)，參見圖1-6)包括驅動盤1、端蓋10、扭簧4、異形齒輪組5、標準齒輪組11、軸一15、軸二8、輸出軸12、軸端固定架6、蝸桿2、蝸輪3、直流減速電機9、聯(lián)軸器13、連接板14、蝸桿固定塊19、卡簧17、電機安裝座16、固定塊18和軸承座7；

所述驅動盤1與端蓋10固定，驅動盤1端部直接通過減速器與外部電機連接，作為柔性關節(jié)的輸入；驅動盤1內(nèi)部設置有軸承座7和軸端固定架6，軸承座7和驅動盤1為一體結構，驅動盤1與端蓋10通過螺栓連接作為關節(jié)的外殼；軸端固定架6的兩端通過固定塊18固定在驅動盤1上，在端蓋10與軸端固定架6之間通過深溝球軸承固定輸出軸12，輸出軸12與外部構件連接；軸一15與軸二8分別通過深溝球軸承、軸承座7固定于驅動盤1與端蓋10上，軸一15、軸二8和輸出軸12同高度；標準齒輪組11安裝在輸出軸12與軸二8的一側上，兩個標準齒輪相互嚙合傳遞轉速，輸出軸12作為中心軸，當工作受到外界阻礙時，標準齒輪組11發(fā)生相對轉動，軸二8作為離心軸繞輸出軸12轉動，同時標準齒輪組11帶動軸二8自轉，能量開始遞傳；在軸二8的另一側和軸一15的同側上固定安裝異形齒輪組5，在異形齒輪組5的內(nèi)側的軸一15上套有扭簧4，扭簧4一端與異形齒輪組5相連接，異形齒輪的傳動比是時刻變化的，異形齒輪組5轉動帶動扭簧4壓縮產(chǎn)生柔性力，從而可實現(xiàn)關節(jié)等效剛度隨驅動盤1與輸出軸12相對角度變化而變化；

所述軸一15的另一側通過軸承安裝有蝸輪3，蝸輪與軸一15之間安裝有卡簧17，使蝸輪3能夠相對于軸一轉動，同時不會發(fā)生軸向滑動，蝸輪3通過連接板14與扭簧4的另一端相連接；在蝸輪3的上方，在驅動盤1內(nèi)通過蝸桿固定塊19固定蝸桿2的一端，蝸桿2的另一端通過聯(lián)軸器13與直流減速電機9的輸出軸連接；所述直流減速電機9通過電機安裝座16安裝在軸端固定架6上；直流減速電機9工作驅動蝸桿2轉動，蝸桿2帶動蝸輪3轉動，與蝸輪3相連接的扭簧4一端壓縮，產(chǎn)生壓縮量，通過直流減速電機9主動調(diào)節(jié)扭簧4的壓縮量，主動改變?nèi)嵝躁P節(jié)的剛度，能夠使柔性關節(jié)適應不同的外界環(huán)境及工作需求。

上述的標準齒輪組11、異形齒輪組5與扭簧4、軸一15、軸二8和輸出軸12相互作用構成被動變剛度機構；直流減速電機9、聯(lián)軸器13、蝸桿2、蝸輪3與扭簧4、軸一15相互作用構成主動柔性驅動機構。

本發(fā)明的進一步特征在于所述異形齒輪組5的傳動比變化為1:4至4:1。

本發(fā)明中標準齒輪組由兩個相互嚙合的標準齒輪構成，其傳動比是定值，異形齒輪組由兩個相互嚙合的異形齒輪構成，其傳動比是時刻變化的，根據(jù)所需的傳動比變化范圍來設計加工異形齒輪的外形。驅動盤1與輸出軸12的相對旋轉角度為θ，如果旋轉角度θ增加一度，扭簧4壓縮量變化為一個常數(shù)，則是定剛度；本申請采用異形齒輪形式，隨著旋轉角度θ的增大，扭簧4壓縮量增大速度變快，為彈性剛度，即實現(xiàn)了扭簧4的柔性變形越大，關節(jié)等效剛度越大的變化規(guī)律。

本發(fā)明旋轉型變剛度柔性關節(jié)能夠產(chǎn)生柔性力主要依據(jù)了異形齒輪和行星齒輪系的工作原理。異形齒輪組5(參見圖6)外部采用非標輪齒，關節(jié)能夠傳動可變傳動比，異形齒輪組5又與扭簧4一端固定，異形齒輪組5旋轉壓縮扭簧4。具體為隨著異形齒輪組5的轉動，其傳動比越來越大，帶動扭簧4的壓縮量增大速度變快，使驅動盤1與輸出軸12相對旋轉角度增量與扭簧4的壓縮量比值呈逐漸減小的趨勢。驅動盤1、輸出軸12、軸二8、標準齒輪組11相當于一組行星輪系。驅動盤1為行星架，固定于軸二8上的標準齒輪為行星輪，輸出軸12上的標準齒輪為中心輪，輸出軸12為中心軸，軸二8為離心軸。當受到外界阻力時，輸出軸12暫時靜止，固定在輸出軸12上的標準齒輪靜止；此時外部電機通過減速器驅動驅動盤1相對于輸出軸12發(fā)生相對轉動，驅動盤1帶動軸二8作為離心軸繞輸出軸12公轉，軸二8上的標準齒輪作為行星輪繞輸出軸12上的標準齒輪公轉。軸二8上的標準齒輪同時自轉，帶動軸二8自轉，軸二8上的異形齒輪發(fā)生轉動，一級一級傳動至扭簧4。

綜上柔性關節(jié)實現(xiàn)柔性輸出的整個工作原理及過程為：外部電機通過減速器驅動柔性關節(jié)，當受到外界阻力或干擾時，輸出軸12暫時靜止，固定于輸出軸12上的標準齒輪靜止。驅動盤1帶動軸二8繞輸出軸12轉動，同時軸二8上的標準齒輪繞輸出軸12上的標準齒輪公轉。由于固定在軸二8上的標準齒輪和輸出軸12上的標準齒輪相嚙合，使軸二8上的標準齒輪公轉的同時自轉，帶動軸二8自轉，軸二8上的異形齒輪發(fā)生轉動，一級一級往下傳動。與軸二8上的異形齒輪相嚙合的軸一上的異形齒輪轉動，扭簧4壓縮產(chǎn)生柔性力。

實施例1

本實施例旋轉型變剛度柔性關節(jié)包括驅動盤1、端蓋10、扭簧4、異形齒輪組5、標準齒輪組11、軸一15、軸二8、輸出軸12、軸端固定架6、蝸桿2、蝸輪3、直流減速電機9、聯(lián)軸器13、連接板14、蝸桿固定塊19、卡簧17、電機安裝座16、固定塊18和軸承座7；

所述驅動盤1與端蓋10固定，驅動盤1端部直接通過減速器與外部電機連接，作為柔性關節(jié)的輸入；驅動盤1內(nèi)部設置有軸承座7和軸端固定架6，軸承座7和驅動盤1為一體結構，驅動盤1與端蓋10通過螺栓連接作為關節(jié)的外殼；軸端固定架6的兩端通過固定塊18固定在驅動盤1上，在端蓋10與軸端固定架6之間通過深溝球軸承固定輸出軸12，輸出軸12與外部構件連接；軸一15與軸二8分別通過深溝球軸承、軸承座7固定于驅動盤1與端蓋10上，軸一15、軸二8和輸出軸12同高度；標準齒輪組11安裝在輸出軸12與軸二8的一側上，兩個標準齒輪相互嚙合傳遞轉速，輸出軸12作為中心軸，當工作受到外界阻礙時，標準齒輪組11發(fā)生相對轉動，軸二8作為離心軸繞輸出軸12轉動，同時標準齒輪組11帶動軸二8自轉，能量開始遞傳；在軸二8的另一側和軸一15的同側上固定安裝異形齒輪組5，在異形齒輪組5的內(nèi)側的軸一15上套有扭簧4，扭簧4一端與異形齒輪組5相連接，異形齒輪的傳動比是時刻變化的，異形齒輪組5轉動帶動扭簧4壓縮產(chǎn)生柔性力，從而可實現(xiàn)關節(jié)等效剛度隨驅動盤1與輸出軸12相對角度變化而變化；

所述軸一15的另一側通過軸承安裝有蝸輪3，蝸輪與軸一15之間安裝有卡簧17，使蝸輪3能夠相對于軸一轉動，同時不會發(fā)生軸向滑動，蝸輪3通過連接板14與扭簧4的另一端相連接；在蝸輪3的上方，在驅動盤1內(nèi)通過蝸桿固定塊19固定蝸桿2的一端，蝸桿2的另一端通過聯(lián)軸器13與直流減速電機9的輸出軸連接；所述直流減速電機9通過電機安裝座16安裝在軸端固定架6上；直流減速電機9工作驅動蝸桿2轉動，蝸桿2帶動蝸輪3轉動，與蝸輪3相連接的扭簧4一端壓縮，產(chǎn)生壓縮量，通過直流減速電機9主動調(diào)節(jié)扭簧4的壓縮量，主動改變?nèi)嵝躁P節(jié)的剛度，能夠使柔性關節(jié)適應不同的外界環(huán)境及工作需求。

本實施例柔性關節(jié)中異形齒輪組的傳動比變化為1:4至4:1，標準齒輪組的傳動比為1:1，標準齒輪的參數(shù)為15×1(齒數(shù)×模數(shù))，蝸輪26×1.25(齒數(shù)×模數(shù))，蝸桿2×1.25(蝸桿頭數(shù)×模數(shù))；扭簧外徑20mm、內(nèi)徑14mm，繞5圈，扭簧安裝預壓縮量5°：驅動盤1的直徑為168mm，驅動盤和端蓋高度和為53mm，所述直流減速電機9為主動調(diào)剛度電機為大齒輪比1:1000直流大扭矩n20減速電機，電壓12v，最高轉速40r/min，空載電流80ma，堵死力矩12kg·cm，堵死電流0.7a。

本實施例柔性關節(jié)連接的外部電機選配交流伺服電機400w，最大輸出扭矩為1.27n·m，選配1:00諧波減速器，減速器輸出法蘭直接與驅動盤法蘭連接，減速器輸入通過同步帶與交流伺服電機連接；其中交流伺服電機2kg，諧波減速器1.5kg；

本實施例柔性關節(jié)的柔性變形最大角度為60°，關節(jié)最大彈性輸出為80n·m。

安裝本實施例柔性關節(jié)作為膝關節(jié)或髖關節(jié)的機器人，一條腿質量為13kg左右，機器人本體質量為25kg；當關節(jié)輸出最大扭矩時，能夠保證四足機器人以對角步態(tài)行進。

本發(fā)明柔性關節(jié)可應用于仿生四足機器人的膝關節(jié)或髖關節(jié)中，可大幅提高膝關節(jié)或髖關節(jié)的性能，能更好地適應不同路面的行走。

本發(fā)明未述及之處適用于現(xiàn)有技術。