[实用新型]一种旋转型变刚度柔性关节

说明书

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，具体为一种旋转型变刚度柔性关节。

背景技术

近年来，关节型机器人以其活动灵活，结构简单，环境适应性强及工作空间大的特点，已被广泛应用于抗震救灾，医疗，工业生产等很多行。转动关节是机器人重要组成部分之一，对机器人的运动稳定性和精确性等具有重要的意义。传统机器人关节采用刚性设计，运动速度、精度也已达到较高水平，但随着机器人的不断普及，面对新的任务，刚性关节已渐渐不能满足要求：工作在障碍物较多或其他复杂的未知环境下，刚性机器人容易受到未知碰撞而降低精度或损坏，在与人类肢体直接接触的助残、康复、外骨骼机器人上，安全问题是设计过程中必须考虑的重要方面,刚性机器人即使配合各类传感装置，安全系数也不能达到要求。

事实上，大自然中动物与人的运动关节就表现出了非常出色的运动特性，不仅具有快速响应、大力矩输出能力，还体现出优秀的柔顺特性。关节柔顺特性不仅仅保护动物机体组织在外力作用时免受损伤，而且能够保证精准的力输出。同时，为适应不同情况，动物能够调整肌肉-肌腱组织的刚度，提高运动稳定性及能量优化特性。参考动物关节特性，国内外研究人员提出了在驱动器与执行器间串联弹性元件的串联弹性驱动器(series elastic actuator，SEA)，并基于此柔性驱动器原理设计出了多种具有柔顺特性的机器人关节结构。

现有的基于串联驱动器的柔性关节多数依据特定机器人设计，主要关注柔性输出的实现，目前普遍存在驱动元件与传动机构不够紧凑，柔性关节结构复杂，通用性差的问题。如CN102211622A号专利公开的一种圆筒式的串联弹性驱动器，结构复杂，且只能产生直线运动，限制了关节的灵活程度，且刚度不可调，不利于应用在关节机器人上；又如CN101934525B号专利公开的仿人机器人具有可变刚度柔性关节设计，虽然实现了主动变刚度输出的目的，但是同样结构复杂，且驱动依靠柔索，不能适应快速运动及冲击作用，应用到各种关节型机器人上的广泛性受到限制。

WolfS等人(WolfS,Hirzinger G.A new variable stiffness design:Matching requirements of the next robot generation[C]//International Conference on Robotics andAutomation.DLR,2008:1741-1746.)通过凸轮机构来实现变刚度，当关节旋转时，凸轮滚子在底部凸轮盘内的位置发生变化，致使弹簧的伸缩量发生变化，力的作用点也发生变化，实现被动变刚度的调节。但其结构也存在一定不足，凸轮沿凸轮槽滑动过程中会有摩擦，造成能量损失，效率低下。凸轮以及凸轮连接处受到的应力比较大，工作寿命短。变刚度特性是由凸轮槽决定的，凸轮槽设计比较复杂，造成其传动精度很难保证。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种旋转型变刚度柔性关节。该柔性关节不仅能够实现柔性驱动输出，又能降低关节驱动受到的外力冲击，减少能量消耗，降低控制精度，延长机器人使用寿命，提高机器人安全性。同时能够实现关节刚度随关节柔性变形角度增大而增大，提高机器人鲁棒性及运行稳定性，并能通过自身驱动主动调整关节刚度，更好的适应不同外界环境或不同工作任务。

本实用新型解决所述技术问题的技术方案是：设计一种旋转型变刚度柔性关节，其特征在于该关节包括驱动盘、端盖、扭簧、异形齿轮组、标准齿轮组、轴一、轴二、输出轴、轴端固定架、蜗杆、蜗轮、直流减速电机、联轴器、连接板、蜗杆固定块、卡簧、电机安装座、固定块和轴承座；

所述驱动盘与端盖固定，驱动盘端部直接通过减速器与外部电机连接，作为柔性关节的输入；驱动盘内部设置有轴承座和轴端固定架，轴承座和驱动盘为一体结构，驱动盘与端盖通过螺栓连接作为关节的外壳；轴端固定架的两端通过固定块固定在驱动盘上，在端盖与轴端固定架之间通过深沟球轴承固定输出轴，输出轴与外部构件连接；轴一与轴二分别通过深沟球轴承、轴承座固定于驱动盘与端盖上，轴一、轴二和输出轴同高度；标准齿轮组安装在输出轴与轴二的一侧上，两个标准齿轮相互啮合传递转速；在轴二的另一侧和轴一的同侧上固定安装异形齿轮组，在异形齿轮组的内侧的轴一上套有扭簧，扭簧一端与异形齿轮组相连接；