[发明专利]一种基于几何特性的变刚度机构

说明书

一种基于几何特性的变刚度机构，它涉及一种关节变刚度机构，以解决现有变刚度机构结构复杂、线性度差，以及使用支点移动时和杆件之间存在间隙和摩擦，导致位置精度低的问题，它包括输出杆、刚调内齿圈、支点齿轮、支点架、支点杆、中间杆、弹簧、轴套和两个滑块；所述中间杆的两端各安装有一个所述滑块，位于两个所述滑块之间的所述中间杆上套装有弹簧，滑块和中间杆之间套有轴套，轴套通过安装在所述滑块上的轴承端盖轴向定位；所述支点齿轮与所述刚调内齿圈啮合，所述支点齿轮布置在所述支点架的下方且二者可拆卸连接，本发明用于机器人肘关节。

技术领域

本发明涉及一种关节变刚度机构，具体涉及机器人关节用的一种基于几何特性的变刚度机构，属于机器人技术领域。

背景技术

21世纪以来，人类同机器人在各类环境中的接触愈发频繁，人机交互的安全性问题逐渐进入人类视野，特别是传统刚性机器人多发的机器伤人事件也不停提醒着人们人机协作中环境安全的重要性。柔性关节虽然解决了安全性的问题，但本身对系统响应和控制精度的影响使得研究人员展开了更为先进的柔性关节的探索，其中一个重要的方向就是可变刚度柔性关节。可变刚度柔性关节是一类新兴的，刚度可调的柔性关节，区别于传统工业领域的刚性机器人，它可以在保证关节控制精度的同时具备缓解冲击的能力，因此也有了更为广阔的应用领域。

针对可变刚度柔性关节，许多国内外学者已经展开了研究，并且获得了大量的实际应用成果，但都或多或少的存在着一些缺陷。如平衡位置变刚度机构的系统带宽限制和弹簧调整能量损耗问题；拮抗变刚度机构的结构复杂，占用空间大问题；结构控制变刚度机构的线性度以及控制复杂的问题以及机械控制变刚度机构的能量损耗问题等等。另一方面，各种传动机构如滚珠丝杠、齿轮齿条、曲柄滑块等也会给机构带来相应的问题。

发明内容

本发明是为解决现有变刚度机构结构复杂、线性度差，以及使用支点移动时和杆件之间存在间隙和摩擦，导致位置精度低的问题，进而提供一种基于几何特性的变刚度机构。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：一种基于几何特性的变刚度机构包括输出杆、刚调内齿圈、支点齿轮、支点架、支点杆、中间杆、弹簧、轴套和两个滑块；

所述中间杆的两端各安装有一个所述滑块，位于两个所述滑块之间的所述中间杆上套装有弹簧，滑块和中间杆之间套有轴套，轴套通过安装在所述滑块上的轴承端盖轴向定位；

刚调主轴的上端安装有所述支点齿轮，所述支点齿轮与所述刚调内齿圈啮合，所述支点齿轮布置在所述支点架的下方且二者可拆卸连接，所述支点杆的一端与所述支点架转动连接，所述支点杆的另一端通过轴承安装在两个所述滑块中的其中一个滑块上，所述输出杆布置在中间杆的上方，所述输出杆的一端通过轴承安装在两个所述滑块中的另一个滑块上，所述输出杆的另一端安装有输出轴，邻近所述支点杆的另一端的所述中间杆的端部转动安装在所述刚调内齿圈上。

本发明的有益效果是：一、本发明创新使用了类曲柄滑块机构，改变滑块相对位置压缩弹簧产生不同变形量，实现输出刚度的变化。该机构的刚度变化由机构几何关系保证，运算及仿真证明，该机构在支点齿轮的驱动下，可以产生线性度较高的刚度-偏转角曲线，有效的提升了控制精度。在刚度的稳定性方面，当刚调内齿圈和支点架同步运动时，刚度保持不变，此时机构即使有窜动，也会在力作用下回到平衡状态，保持了刚度的稳定。

二、本发明采用了基于运动学解算法的运动传递方式，通过固定尺寸比的支点齿轮来产生变刚度部分所需的直线运动，该传动方式摒弃了传统丝杠传动和齿轮齿条传动径向尺寸大的缺点，自下而上的传动方式也为结构在外壳内的高度集成带来了便利。这一传动方式解决了现有结构体积较大，结构复杂，布局不合理的缺点，也为后续电机的布置带来了便利。本发明轻便紧凑合理。

三、本发明实现了刚度从零到较大范围的近似线性连续变化，支点处在零位时，输出刚度为零，随着支点位置的偏移，弹簧产生对应的压缩，输出一条近似直线的刚度变化曲线，直至弹簧达到最大压缩量，线性度好，此时关节输出较大刚度。