[发明专利]一种基于凸轮机构的变刚度关节

说明书

本发明提供了一种基于凸轮机构的变刚度关节，包括壳体、输入控制端、变刚度调节组件，输入控制端用于驱动壳体围绕其回转中心转动，其包括关节输入转轴，壳体的前端设置有负载盘，变刚度调节组件用于调节关节的刚度值；刚度调节组件包括花键滑块、滚子、圆柱凸轮、连接法兰、弹簧载盘、楔形滑块、弹簧器；关节输入转轴的外侧表面花键槽，花键滑块与花键槽相配合，滚子固定设在花键滑块上；在圆柱凸轮设有轮廓曲面，滚子与轮廓曲面接触；圆柱凸轮通过连接法兰和壳体连接，弹簧载盘设在圆柱凸轮的前端面和后端面，与滚子接触，楔形滑块滑动设在弹簧载盘上，弹簧器的两端分别设在弹簧载盘和楔形滑块上；本发明整体尺寸小、不存在空回程的问题。

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种基于凸轮机构的变刚度关节。

背景技术

变刚度关节是一种具有自身带有柔顺特性的机器人机构，能够提高机器人与人交互作用时的安全性，扩大机器人与人接触的应用场合。

在变刚度关节的应用中，可以分为主动式和被动式变刚度关节。主动式变刚度关节，往往在关节中增加额外的电机，不仅增加了整体重量，而且增加了控制难度。被动式变刚度关节，通过外部力矩被动调节刚度从而达到所需力矩。被动式变刚度关节，由于其原理简单，使用时更加稳定可靠，可以应用在更多场合。

针对被动式变刚度关节的设计，国内外学者已经研制出了多种不同原理的变刚度关节，有凸轮式、杠杆式等。凸轮式变刚度关节，凸轮与滚子直接接触，可以产生较大力矩，但弹簧的存在增加了整体尺寸。杠杆式变刚度关节，移动支点存在摩擦，且强度需要进一步校核才能使用。

学术论文The DLR FSJ:Energy based design of a variable stiffnessjoint, 2011IEEE International Conference on Robotics and Automation(DLR FSJ:一种基于能量设计的变刚度关节，2011年机器人与自动化国际会议)设计了一种基于凸轮式的变刚度关节，增加一个额外的电机从而主动改变刚度，这是目前较为紧凑的一种基于凸轮机构的变刚度关节。虽然该关节结构紧凑，但一个重要的问题是不能用于中空走线，如果采用中空走线结构，弹簧的尺寸较大，使得整体尺寸变大，或者在有限空间中无法获得满意的弹簧尺寸。此外，如果关节从正转向反转方向转变，会存在一个过渡的空回程。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种基于凸轮机构的变刚度关节，解决现有凸轮机构整体尺寸偏大、存在空回程等问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于凸轮机构的变刚度关节，其包括：壳体、输入控制端、变刚度调节组件；其中，

输入控制端用于驱动壳体围绕其回转中心转动，其包括关节输入转轴，壳体的前端设置有负载盘，变刚度调节组件用于根据负载盘的实际需要调节关节的刚度值；

变刚度调节组件包括花键滑块、滚子、圆柱凸轮、连接法兰、弹簧载盘、楔形滑块、弹簧器；

关节输入转轴的外侧表面设有沿其轴向方向的花键槽，花键滑块与花键槽相配合，滚子固定设置于花键滑块上；

圆柱凸轮设于关节输入转轴的外侧，在圆柱凸轮的前端面和后端面至少部分设有沿其周向延展的轮廓曲面，滚子与轮廓曲面接触，且滚子可以沿着轮廓曲面运动；连接法兰设置于圆柱凸轮的外侧表面，且连接法兰与壳体固定连接；

弹簧载盘设在圆柱凸轮的前端面和后端面，且与滚子接触，以使滚子驱动弹簧载盘沿着关节输入转轴的轴向运动；弹簧载盘上设有沿其径向方向的滑槽，楔形滑块滑动设置于滑槽中，弹簧器的一端转动设在弹簧载盘上，另一端转动设在楔形滑块上；壳体的内侧设置带有斜面的楔形条，斜面与楔形滑块相抵。