[发明专利]关节输出刚度可变的柔性平移关节

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种机器人领域的技术，具体是一种关节输出刚度可变的柔性平移关节。

背景技术

当前，机器人正越来越广泛的应用于工业生产，并逐步向人们的日常生活普及。传统机器人一般为刚性机器人，从而保证设备能够进行精确的运动定位及轨迹追踪。然而，对于需要人-机交互的机械设备，如可穿戴机器人、康复机器人以及人造假肢，为缓和机器人发生碰撞时产生的冲击，保护人及设备的安全，往往需要机器人关节刚度具有一定的柔性。另一方面，某些精密加工工艺可能会对加工过程中的支撑或切削刚度具有特殊的要求。例如镜像铣削薄板时，为保证铣削量均匀，需尽量保证薄板的支撑刚度近恒，这就要求机械的末端刚度在运动过程中具有一定的可调性。因此，在近年来，刚度可变关节得到了越来越多的研究关注。

经过对现有技术的检索发现，当前主要的变刚度关节设计多为转动关节。对于需要实现平移运动的情况，还要另外安装转动-平动的转换装置，从而使机械系统的结构更加复杂，极大地增大了关节的整体体积和重量，不便于关节的应用。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种关节输出刚度可变的柔性平移关节，具有机械结构紧凑、质量轻便、实施成本低等特点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：刚度调节机构、设置于刚度调节机构上的简支梁弹簧机构以及位于简支梁弹簧机构顶端的关节输出轴，其中：关节输出轴通过触脚与简支梁弹簧机构的弹簧片相连，简支梁弹簧机构与刚度调节机构通过齿轮啮合，并接受来自刚度调节机构的扭矩从而调节弹簧片的跨度，实现输出刚度的改变。

所述的简支梁弹簧机构包括：导轨、曲柄齿轮以及设置于导轨上且对称布置于曲柄齿轮两侧的一对滑块，其中：每个滑块顶部均设有两对辊轮，并通过辊轮将弹簧片紧密夹持，使弹簧片近似为简支梁；滑块底部与曲柄齿轮通过连杆连接，构成双曲柄滑块机构。

当曲柄齿轮转动时，将带动一对滑块沿导轨相向或背向运动，使弹簧片的跨度相应的发生缩短或增长，从而改变其挠曲刚度，实现对关节输出刚度的调节。

所述的刚度调节机构包括：底座、位于底座上的支板以及设置于支板上且依次相连的扭矩输出齿轮、减速机构和调节电机，其中：减速机构设置于支板内孔中并与电机输出齿轮相连，从而通过传动轴，驱使设置于传动轴另一端的扭矩输出齿轮对外输出扭矩。

所述的减速机构包括：传动轴、滚珠轴承以及减速齿轮。

所述的关节输出轴包括：依次相连的方轴、连接体和触脚，其中：方轴和触脚分别设置于连接体的两端，且每个触脚正对一个固支梁弹簧机构。

所述的简支梁弹簧机构优选为三个，且彼此以夹角60°的方式中心对称布置于刚度调节结构的支板上。

所述的关节输出轴的触脚分别与每个简支梁弹簧机构的弹簧片中心相接触。

技术效果

与现有技术相比，本发明根据简支梁挠曲刚度与其跨度间的对应关系，通过齿轮传动控制双曲柄滑块机构改变简支弹簧片的跨度，设计出一种输出刚度可调的平移关节。当弹簧片的跨度为零时，理论上关节处于绝对刚性模式；而当跨度达到最大，关节处于柔性模式。相比传统变刚度设计一般为转动关节，为实现平移运动还需额外加装运动转换装置；本发明具有刚度调节范围大、关节体积小、结构紧凑、质量轻便等突出优点，便于推广应用。将本关节设置于类似于康复机器人的人-机交互机器设备上，可以吸收冲击，保护人及机器设备的安全，并能通过势能与动能的转换提高能量的利用效率。与一般串联机械臂或并联机床(如：Stewart，Tricept)结合，可调节设备末端的支撑刚度或切削刚度，提高加工精度。

附图说明

图1为本发明变刚度平移关节的立体结构示意图(外壳半剖)；

图2为本发明简支梁弹簧机构立体结构示意图；

图3为本发明简支梁弹簧机构三视图；

图中：a为正视图，b为侧视图，c为俯视图；

图4为本发明变刚度平移关节俯视图(去外壳)；

图5为本发明刚度调节机构立体结构示意图；

图6为本发明刚度调节机构三视图；

图中：a为正视图，b为A-A剖面示意图，c为B-B剖面示意图；

图7为本发明关节输出轴立体结构图。