[发明专利]一种基于气缸的变刚度关节系统

说明书

本发明公开了一种基于气缸的变刚度关节系统。该关节系统包括气缸支承盘(1)、上位气缸(2)、支承盘连接杆(3)、下位气缸(4)、下位线性位移传感器(5)、传动主轴(6)、手臂连接块(7)、齿条支承盘(8)、上位线性位移传感器(9)、上位比例阀(10)、气源(11)、计算机(12)、下位比例阀(13)、上位传感器连接块(14)、上位传感器连接底座(15)、上位齿条(16)、传动齿轮(17)、下位齿条(18)、下位传感器连接底座(19)、下位传感器连接块(20)、下位气缸连接块(21)、下位直线导轨(22)、下位气缸连接底座(23)、上位气缸连接块(24)、上位直线导轨(25)、上位气缸连接底座(26)、电机(27)；本发明的上位气缸及下位气缸可有效解决拮抗式变刚度关节在较高刚度时关节形变范围会受到严重限制的问题。本发明的输出力矩精度高，刚度调控范围广，动态响应性能极佳。

技术领域

本发明涉及一种可变刚度的机器人关节，属于机器人技术领域，具体为机器人部件的结构设计。

背景技术

当前，变刚度机器人关节的机构设计主要分为三类，拮抗型机构、单弹簧型机构和变传动率型机构。拮抗型变刚度关节调整刚度所采用的原理主要为：多个弹性元件并联并互相拉扯以在平衡位置改变关节预载力。拮抗型变刚度关节的主要问题是：关节形变范围会随着系统刚度的升高而变窄。单弹簧型变刚度关节调整刚度所采用的原理主要为：利用结构变化拉扯弹性元件改变关节预载力。单弹簧型变刚度关节的主要问题为：单个弹簧驱动使关节输出力矩偏小，实现变刚度功能的结构尺寸较大。变传动率型变刚度关节调整刚度所采用的原理主要为：利用内部结构的变动来改变弹性元件与外界负载之间的传动率，以改变弹性元件对负载的阻抗力大小。变传动率型变刚度关节的主要问题为：为实现变传动率功能，关节尺寸较大且使用零件较多。

核心参考文献：作者＝{Vanderborght B.,A.,Bicchi A.,et al.},论文题目＝{Variable impedance actuators:A review},期刊名称＝{Robotics andautonomous systems},年份＝{2013},卷＝{61},页码＝{1601-1614},期＝{12}。

发明内容

本发明提出一种基于气缸的变刚度关节系统，具有该结构特征的机器人关节，使用气缸作为弹性元件实现关节的刚度变化，使用电机驱动关节进行运动，且关节刚度可以在零到最大值之间任意连续变化。与关节连接的机械臂可以根据使用需求任意更换。

基于气缸的变刚度关节系统，包括：气缸支承盘、上位气缸、支承盘连接杆、下位气缸、下位线性位移传感器、传动主轴、手臂连接块、齿条支承盘、上位线性位移传感器、上位比例阀、气源、计算机、下位比例阀、上位传感器连接块、上位传感器连接底座、上位齿条、传动齿轮、下位齿条、下位传感器连接底座、下位传感器连接块、下位气缸连接块、下位直线导轨、下位气缸连接底座、上位气缸连接块、上位直线导轨、上位气缸连接底座、电机。

基于气缸的变刚度关节系统，由装有上位气缸及下位气缸且与电机相连的气缸支承盘，装有传动齿轮、上位齿条及下位齿条且与上位气缸及下位气缸相连的齿条支承盘，以及可安装机械手臂且与传动主轴相连的手臂连接块组成，三者之间依次相连。

气缸支承盘的内侧通过轴承与传动主轴相连，并且与同向摆布的上位气缸及下位气缸固定连接。上位气缸及下位气缸经过受计算机控制的上位比例阀及下位比例阀与气源相连，以控制内部的气压来改变关节的刚度。气缸支承盘的外侧通过法兰与电机的主轴固定连接，电机受计算机控制，能够驱动关节转动。