[发明专利]一种基于凸轮机构的一体化主被动变刚度关节

说明书

本发明涉及一种基于凸轮机构的一体化主被动变刚度关节，包括依次连接在一起的关节主被动刚度调节模块、关节动力驱动模块、关节控制反馈模块和机架；关节主被动刚度调节模块包括齿轮、齿条、滚轮架、弹簧、弹簧套杆、凸轮输出盘、滑块和变刚度模块外壳；关节动力驱动模块包括中空力矩电机、谐波减速器和刚度调节电机；关节控制模块包括磁编码器、编码器支架、控制板和控制板安装柱。本发明设计合理，并采用平面盘形凹槽凸轮机构配置弹簧的方式实现关节刚度的主被动调节，采用凸轮机构使得关节更加紧凑，关节动力驱动模块与关节主被动刚度调节模块可拆卸作为单独的模块进行使用，安装使用方便，且通用性较强。

技术领域

本发明属于智能机器人技术领域，尤其是一种基于凸轮机构的一体化主被动变刚度关节。

背景技术

关节作为机械臂和足式机器人的核心零部件，是确保其具备优越运动稳定性与环境适应性的关键。传统的刚性关节采用刚性零部件，其结构简单、安装方便且关节驱动控制较为简单，但是关节刚度是固定的，这就导致机器人在非结构化工作空间或面临复杂地形环境时，机器人的环境适应性欠佳，且工作过程中外界扰动的存在，极易冲击机器人关节甚至对机体内部灵敏元器件造成无法修复的损伤，因此，为满足机器人的柔顺需求进一步提升关节的整体性能，具备刚度可调的关节被提出。

目前，变刚度关节按照刚度调节方式可大致分为两类：第一类，传统刚性关节与柔顺控制方法相结合的方式，但是，由于机械带宽、传感器误差、响应速度等局限性，使得通过柔顺控制方法调节关节刚度的方式刚度实时调整效果不佳，往往是在机器人受到碰撞之后变刚度特性才显现出来，具有一定的滞后性。第二类，从关节机械结构入手，通过在传统刚性关节中添加弹性元件以实现关节刚度可调，并且采用添加额外驱动的方式调节弹性元件实现关节刚度的实时可调。综上所述，现有的变刚度关节大都存在关节尺寸大、刚度调节机构结构复杂、关节刚度动态调节效果不佳且模块化程度低等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于凸轮机构的一体化主被动变刚度关节，通过主动控制关节输出刚度的同时被动缓冲关节外部扰动，以达到关节期望刚度跟随的效果。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于凸轮机构的一体化主被动变刚度关节，包括关节主被动刚度调节模块、关节动力驱动模块、关节控制反馈模块和机架，所述关节主被动刚度调节模块、关节动力驱动模块和关节控制反馈模块采用串联方式安装在一起；

所述关节主被动刚度调节模块包括齿轮、齿条、滚轮架、弹簧、弹簧套杆、弹簧套杆安装盘、凸轮输出盘、滑块和变刚度模块外壳，所述变刚度模块外壳连接于谐波减速器柔轮并与其一同转动，该变刚度模块外壳与凸轮输出盘通过壳体上周向布置的螺纹连接，输出关节整体运动；所述齿轮与齿条相连接构成齿轮齿条机构，该齿轮齿条机构通过键连接方式安装在刚度调节电机输出轴，该刚度调节电机输出轴通过与齿条固联的弹簧挡块对弹簧压缩量进行调节，所述弹簧套杆安装盘中心对称布置的齿条由固联于弹簧套杆安装盘的滚轮架和滚轮轴承支撑沿平行于弹簧压缩方向滑动；所述弹簧通过弹簧套杆支撑于弹簧套杆安装盘上，所述弹簧套杆两端攻有螺纹通过螺母固定于弹簧套杆安装盘上；所述滑块通过与凸轮输出盘上凸轮槽配合对弹簧进行调节；

所述关节动力驱动模块包括中空力矩电机、谐波减速器和刚度调节电机；所述中空力矩电机通过螺栓与电机保护壳连接，该中空力矩电机定子通过定子固定法兰固定连接在电机套筒上，该电机套筒通过关节右端盖固定安装于机架上，同时电机保护壳与驱动端外壳通过螺栓连接固定安装在机架上；所述谐波减速器包括谐波减速器波发生器、谐波减速器刚轮和谐波减速器柔轮，该谐波减速器波发生器通过波发生器法兰固联在定子固定法兰上，该谐波减速器刚轮与电机保护壳连接并与电机转子一同转动，并通过谐波减速器柔轮输出运动；所述刚度调节电机嵌套于电机套筒内并通过刚度电机固定支架固定于法兰上；