[发明专利]可变力矩输出装置和机器人

说明书

一种可变力矩输出装置和机器人，可变力矩输出装置包括外壳组件、输出轴、圆柱凸轮、顶杆和弹性件，输出轴穿设于外壳组件并与外壳组件转动连接，圆柱凸轮套设于输出轴并与输出轴周向固定，圆柱凸轮的外周开设有曲线凹槽，顶杆的一端与曲线凹槽的内壁抵接，顶杆的另一端通过弹性件与外壳组件连接；当输出轴带动圆柱凸轮转动时，顶杆沿着内壁相对圆柱凸轮移动，弹性件的弹性势能发生周期性变化，以使输出轴的输出力矩在弹性件的弹性势能增大时减小，在弹性件的弹性势能减小时增大。在输出轴带动圆柱凸轮转动过程中，弹性件能够周期性的形变，以实现在每个角度都可以根据目标力矩与角度的关系曲线对弹性势能进行精确定量地补充和吸收。

技术领域

本发明属于机械工业领域，尤其涉及一种可变力矩输出装置和具有该可变力矩输出装置的机器人。

背景技术

电机都存在一个最佳工作区间，在这个区间内电机的综合性能达到最优。然而在实际使用中电机往往并不能一直在最佳工作区间内工作。这就需要对电机的输出力矩进行一定的补偿和调整，使其在目标功率过低时增加输出功率并将多余的能量以某些方式(例如弹性势能、重力势能)进行储存，而在目标功率过大时释放储存的能量以此来减少电机输出的功率。通过这种方式使电机尽量在最佳工作区间内工作。

对于许多电机的使用场景，电机输出的目标力矩往往遵从较为确定的周期性变化。例如：重力对机器人旋转关节造成的力矩在关节的每个角度都是一个可计算的确定值、动力外骨骼或动力假肢的关节力矩一般随着关节角度变化产生一条较为确定的曲线。这就需要电机产生一个周期变化的力矩。因而造成电机长时间无法在最佳工作区间内工作，以及对峰值力矩的要求过高。进而造成能耗增高，电机选型的重量、体积过大等问题。

现有技术采用的基本都是直接通过弹簧蓄能，其力矩变化单一线性，只能够解决部分重力补偿，不能满足在特定角度下的精确力矩输出。

发明内容

本发明的目的是提供一种可变力矩输出装置和机器人，能够在每个角度都可以根据目标力矩与角度的关系曲线对弹性势能进行精确定量地补充和吸收，输出轴在不同角度的位置分别能精确输出所需的力矩。

为实现本发明的目的，本发明提供了如下的技术方案：

第一方面，本发明提供了一种可变力矩输出装置，可变力矩输出装置包括外壳组件、输出轴、圆柱凸轮、顶杆和弹性件，所述输出轴穿设于所述外壳组件并与所述外壳组件转动连接，所述圆柱凸轮套设于所述输出轴并与所述输出轴周向固定，所述圆柱凸轮的外周开设有曲线凹槽，所述顶杆的一端与所述曲线凹槽的内壁抵接，所述顶杆的另一端通过所述弹性件与所述外壳组件连接；当所述输出轴带动所述圆柱凸轮转动时，所述顶杆沿着所述内壁相对所述圆柱凸轮移动，所述弹性件的弹性势能发生周期性变化，以使所述输出轴的输出力矩在所述弹性件的弹性势能增大时减小，在所述弹性件的弹性势能减小时增大。

一种实施方式中，所述曲线凹槽的内壁包括相对设置的第一侧壁和第二侧壁，所述顶杆的一端与所述第一侧壁和/或所述第二侧壁抵接。

一种实施方式中，所述顶杆包括弯折连接的第一连接部和第二连接部，所述第一连接部远离所述第二连接部的一端与所述内壁抵接，所述第二连接部远离所述第一连接部的一端与所述弹性件连接。

一种实施方式中，所述可变力矩输出装置还包括滚动件，所述滚动件与所述第一连接部连接，所述滚动件与所述内壁滚动抵持。

一种实施方式中，所述外壳组件包括外壳本体和调节件，所述外壳本体开设有调节孔，所述调节件设于所述调节孔并与所述弹性件连接，所述调节件用于调节所述弹性件的变形程度。

一种实施方式中，所述曲线凹槽沿单螺旋线方向或双螺旋线方向延伸。

一种实施方式中，所述曲线凹槽为首尾连接的环形槽。

一种实施方式中，所述可变力矩输出装置还包括电机本体和行星轮结构，所述电机本体通过所述行星轮结构与所述输出轴连接，以驱动所述输出轴转动。