[发明专利]一种可变刚度的关节模块

说明书

技术领域

本发明属于机械设计技术领域，是一种既能够实现模块间的轴向快速固定连接，又能够实现周向刚度可调节的柔性连接的模块。

背景技术

目前，机器人产业发展迅速，需求量大、设计周期长。迫切需要开发出一套标准化的、集合常用机器人应用模块的硬件平台，这样有利于降低机器人应用的成本和研发风险。因此机器人模块化的研究成为了重点，特别是机器人模块化的设计。根据机器人常用功能，将其从机构和控制上进行分解，形成多个具有独立功能的功能模块，通过重构，组成应用所需机器人构型。

同样，随着机器人在工业、航天、医疗、服务等各个行业应用越来越广泛，与人交互的机会也越来越多，保障机器人在与环境或人类交互时的安全性成为国内外重点研究目标。传统机器人设计为了保证末端位置操作精确，多为刚性机器人，按照预先规划好的路线进行动作，完成单调而重复的工作。但是，当机器人末端执行器与周围环境发生接触时，再精确的位置控制也会显得不足。如果结合了接触力控制后，就可以放松对位置精度控制的要求。为此，科学家提出了变刚度的设计，同时具有柔性机构的被动安全，又具有控制精度高、应用范围广的特性。能像生物肌肉一样缓冲碰撞，吸收、存储和在此利用能量。保证安全的基础上提高了能量利用率和机器人工作效率。

现有的变刚度设计一般体积、重量太大，负载低，对弹性元件要求太高，不便于控制。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种可变刚度的关节模块，可应用于机器人的关节处，具体采用模块化的设计思路，集成了轴向快速固定连接和周向可变刚度两大功能。

一种可变刚度的关节模块，包括周向旋转部分与刚度调节部分。其中，周向旋转部分包括顶板、顶板连接件、紧定螺母、连接板、深沟球轴承、码盘、顶板连接件；刚度调节部分包括底板、滑轨、滑块、丝杠、丝杠螺母、丝杠轴齿轮、电机齿轮、驱动电机、弹簧片、读头。

所述周向旋转部分中，顶板连接件底端至顶端依次套有推力轴承、连接板、深沟球轴承、码盘，顶板连接件顶端穿过顶板，与紧定螺母相连，使推力轴承、连接板、深沟球轴承、码盘与顶板间轴向相对压紧固定。

所述刚度调节部分中，底板上安装滑轨与驱动电机。滑轨上安装有滑块；丝杠螺母螺纹连接在丝杠上，形成滚珠丝杠副；螺母与滑块固定。丝杠一端安装有丝杠轴齿轮，丝杠轴齿轮与驱动电机输出轴上固定安装的电机齿轮啮合；通过电机驱动滚珠丝杠副运动，实现滑块沿滑轨的移动。上述滑块上安装有两个竖直的轴承安装柱，两个轴承安装柱上均套接有弹簧片传动轴承，两个弹簧片传动轴承间设置弹簧片，使弹簧片两侧面分别与两个弹簧片传动轴承贴合；弹簧片一端相对底板固定，另一端作为自由端通过连接件与周向旋转部分中的顶板固定。底板上还安装有读头。

上述周向旋转部分中，连接板与底板固定；同时，使码盘位于读头的读槽中。

本发明的优点在于：

1、本发明可变刚度的关节模块，将轴向快速连接和周向可变刚度两大功能集成为一体，便于模块化的生产和使用，有利于工业上的应用和推广；

2、本发明可变刚度的关节模块，将可变刚度的概念引入到模块间的连接，实现了模块间连接的柔性可调节，这种连接在工业上的用途十分广泛；

3、本发明可变刚度的关节模块，结构设计紧凑，体积比较小，能满足体积受限情况下的使用需求。

附图说明

图1为本发明可变刚度的关节模块整体结构示意图；

图2为本发明可变刚度的关节模块中周向旋转部分装配爆炸图；

图3为本发明可变刚度的关节模块中刚度调节部分结构示意图；

图4为刚度调节部分中滑块的设计及滑块与弹簧片的配合方式示意图；

图5为本发明可变刚度的关节模块中读头与码盘间安装方式示意图。

图中：

1-周向旋转部分            2-刚度调节部分            101-顶板

102-顶板连接件            103-推力轴承              104-连接板

105-深沟球轴承            106-码盘                  107-紧定螺母

108-环形侧壁              109-缺口                  201-底板

202-滑轨                  203-滑块                  204-丝杠