[发明专利]一种紧凑型模块化变刚度关节

说明书

一种紧凑型模块化变刚度关节，它包括关节外壳、主驱动模块、弹性模块和调刚模块；弹性模块包括变刚度基座、直线弹簧模组和杠杆组件；变刚度基座由主驱动模块的输出端带动转动；变刚度基座上可转动地设置有两个呈轴对称布置的杠杆组件，每个杠杆组件具有一滑槽，直线弹簧模组可滑动地设置在变刚度基座上；调刚模块包括调刚驱动器、锥齿轮副、凸轮盘座、凸轮盘、滑块和第一凸轮轴承随动器；调刚驱动器安装在关节外壳上，凸轮盘座可转动地设置在关节外壳内，两个滑块可滑动地设置在关节外壳内，每个滑块上相对的两侧面分别安装有一个第一凸轮轴承随动器。本发明刚度调节范围大，承载能力大，可以满足不同载荷情况下关节刚度的灵活调整。

技术领域

本发明涉及一种变刚度关节，具体涉及一种紧凑型模块化变刚度关节。属于机器人关 节技术领域。

背景技术

传统工业机器人采用刚性关节设计，具有较高的位置控制精度，但是安全性较差，一 般工作于封闭的环境中。而服务机器人，野外特种操作机器人等机器人系统一般工作在开 放的环境中，不仅需要应对灵活多变的复杂操作任务，还存在人机安全交互、机器人与非 结构化环境交互的要求，因此，传统刚性关节不能很好的满足协作型机器人的操作需求。

现有技术中用丝杠螺母进行关节刚度调节(如公开号CN 111390695A，一种通用型变刚 度关节机械臂关节)，具有摩擦大，调刚系统能耗大的缺点；此外，这种基于弧形面的变刚 度结构，其刚度曲线具有较强的非线性，且无法在平衡位置附近实现大范围的刚度调节。 其刚度值会随着关节载荷的增大而迅速增大，无法实现关节载荷与刚度值的解耦，因此， 刚度特性容易受关节载荷的影响。还有用扭簧调刚，这种方式会存在关节刚度线性度较差、 高回滞和稳定性差的缺陷。

发明内容

本发明是为克服现有技术不足，提供一种紧凑型模块化变刚度关节。该变刚度关节刚 度调节范围大，承载能力大，可以满足不同载荷情况下关节刚度的灵活调整。

本发明的技术方案是：

一种紧凑型模块化变刚度关节包括关节外壳、主驱动模块、弹性模块和调刚模块；

所述弹性模块包括变刚度基座、直线弹簧模组和杠杆组件；

所述主驱动模块设置在关节外壳内且二者可相对转动，所述弹性模块布置在关节外壳 内，变刚度基座由主驱动模块的输出端带动转动；变刚度基座上可转动地设置有两个呈轴 对称布置的杠杆组件，每个杠杆组件具有一滑槽，所述滑槽的一端开口，一端封闭，两个 开口相对设置，每个滑槽的两个外壁分别对应顶靠有一个直线弹簧模组，直线弹簧模组可 滑动地设置在变刚度基座上；所述调刚模块包括调刚驱动器、锥齿轮副、凸轮盘座、凸轮盘、滑块和第一凸轮轴承随动器；所述调刚驱动器安装在关节外壳上，调刚驱动器的输出端连接有锥齿轮副的一个锥齿轮，锥齿轮副的另一个锥齿轮安装在凸轮盘座上，凸轮盘座可转动地设置在关节外壳内，凸轮盘与凸轮盘座固接，两个滑块可滑动地设置在关节外壳内，每个滑块上相对的两侧面分别安装有一个第一凸轮轴承随动器，凸轮盘上具有两个呈中心对称的弧形孔，其中两个第一凸轮轴承随动器分别限位在两个弧形孔内并可相对滑动， 另外两个第一凸轮轴承随动器分别限位在两个滑槽内并可相对滑动。

本发明相比现有技术的有益效果是：

本发明利用二级杠杆放大原理，具有大的调刚范围(理论上可实现0到无穷大的变刚 度范围)。关节刚度与关节载荷解耦，其刚度值受关节载荷的影响小，可以保证不同载荷情况下关节刚度的灵活调整。

调刚模块设计紧凑，具有出力大、调刚响应速度快和调刚能耗低的优点，弹性模块的 杠杆组件成对对称设置，有效提升了关节的承载能力，并可消除关节内部的附加弯矩，提 升了关节的可靠性，直线弹簧模组替代扭簧稳定性好，设置为可滑动，使得关节刚度曲线 具备线性度好、低回滞和稳定性好的优点，

本发明变刚度关节一方面可以满足协作型机械臂安全交互的需求，另一方面还可以根 据不同的操作任务需求，进行实时的刚度调整，可以实现更加广泛的适应性。