專利名稱：彈性驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及的是一種用于微小型仿生機(jī)器人的具有緩沖性能的關(guān)節(jié)。
背景技術(shù)：
隨著時(shí)代的發(fā)展，人類(lèi)對(duì)機(jī)器人的應(yīng)用需求在不斷擴(kuò)大，尤其是太空探索、海底勘察、核能工業(yè)及搶險(xiǎn)救援等領(lǐng)域?qū)C(jī)器人的性能提出了很高的要求。這些環(huán)境通常是非結(jié)構(gòu)化的未知世界，不適合人類(lèi)到達(dá)。因此，要求機(jī)器人具備極強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。以此為出發(fā)點(diǎn)，人們將研究重心投入到仿生領(lǐng)域，希望能夠從自然界的動(dòng)物身上激發(fā)出設(shè)計(jì)靈感，通過(guò)模仿動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)和控制機(jī)理，研發(fā)出智能性高、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)合理的機(jī)器人系統(tǒng)，進(jìn)而能夠替代人類(lèi)在各種危險(xiǎn)、復(fù)雜、難以預(yù)知的環(huán)境下完成作業(yè)任務(wù)。動(dòng)物的各種運(yùn)動(dòng)依靠身體肌肉的伸縮，具有很好的柔性，對(duì)外界環(huán)境有極強(qiáng)的適應(yīng)能力，而傳統(tǒng)的機(jī)器人關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)常采用圓柱齒輪傳動(dòng)、絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)以及蝸輪蝸桿傳動(dòng)、擺線減速器等，這些單一的傳動(dòng)方式雖然能夠?qū)崿F(xiàn)大傳動(dòng)比的要求，但是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)缺乏柔性，當(dāng)機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)環(huán)境中高速行走時(shí)，足端在觸地瞬時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊力，剛性沖擊將加速關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的磨損，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)p壞傳動(dòng)件，從而破壞傳動(dòng)的平穩(wěn)性，降低傳動(dòng)效率，影響機(jī)器人的行走性能。因此，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者逐漸開(kāi)展了彈性驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)技術(shù)的研究。目前，在人體助行技術(shù)研究領(lǐng)域，彈性驅(qū)動(dòng)膝關(guān)節(jié)的研究較為廣泛，常見(jiàn)的彈性驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)主要有一下幾種一是采用蝸輪蝸桿副傳動(dòng)，在蝸輪軸上附加扭簧裝置，從而使轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)具有緩沖效果。但要使轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)具備雙向緩沖能力，必須配置兩個(gè)不同放置形式的扭簧，因此大大增加了關(guān)節(jié)的外形尺寸和整個(gè)機(jī)構(gòu)的質(zhì)量。二是采用大剛度螺旋發(fā)條構(gòu)成的彈性驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。此種驅(qū)動(dòng)方式僅具備單方向的彈性緩沖效果，而且彈性緩沖元件的剛度不可調(diào)整，整個(gè)關(guān)節(jié)的整體尺寸較大。三是采用繩輪式傳動(dòng)，在輪軸上附加扭簧裝置，此種驅(qū)動(dòng)方式不具備自鎖性，并且驅(qū)動(dòng)能力較小，關(guān)節(jié)的外形尺寸較大。四是圓盤(pán)周向均布?jí)夯墒綇椥则?qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，此種方式依靠?jī)?nèi)外圓盤(pán)的相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)壓縮串聯(lián)的彈簧機(jī)構(gòu)，從而起到緩沖效果，此種方式不具備自鎖特性且關(guān)節(jié)尺寸較大，若外界負(fù)載存在振動(dòng)， 關(guān)節(jié)將隨之發(fā)生振動(dòng)，這將嚴(yán)重影響傳動(dòng)的平穩(wěn)性。五是采用擺桿-壓簧式可調(diào)彈性驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，此種驅(qū)動(dòng)方式能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的剛度可調(diào)，但整個(gè)關(guān)節(jié)不具備自鎖特性，整體的機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，安裝維護(hù)困難。鑒于以上的分析，目前存在的彈性驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的體積都較大，不適合微小型機(jī)器人的應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比大、具有自鎖性、具有緩沖性能，并且對(duì)零部件的加工安裝精度要求較低的彈性驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本實(shí)用新型彈性驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，其特征是包括電機(jī)架、箱體、輸出架、U型槽擋塊、編碼器、直流電機(jī)、減速箱、花鍵軸、彈簧、蝸輪、蝸桿，箱體與電機(jī)架固連，輸出架通過(guò)U 型槽擋塊安裝在箱體上，編碼器、直流電機(jī)、減速箱依次安裝在電機(jī)架里，花鍵軸安裝在箱體里，減速箱的輸出軸與花鍵軸連接，彈簧包括第一彈簧和第二彈簧，第一彈簧、蝸桿、第二彈簧依次套在花鍵軸上，蝸輪安裝在箱體上與蝸桿配合，蝸輪兩端的扁平軸端與U型槽擋塊相配合。本實(shí)用新型還可以包括1、蝸桿的內(nèi)孔為內(nèi)花鍵形式，蝸桿可隨花鍵軸轉(zhuǎn)動(dòng)或沿花鍵軸軸向移動(dòng)。2、第一彈簧和第二彈簧為壓簧。3、還包括調(diào)節(jié)端蓋和調(diào)整墊片，調(diào)節(jié)端蓋和調(diào)整墊片安裝在箱體上、并位于箱體的前端。4、所述的花鍵軸上安裝彈簧頂套，彈簧頂套接觸第二彈簧并對(duì)第一彈簧、蝸桿、第二彈簧進(jìn)行軸向限位。本實(shí)用新型的優(yōu)勢(shì)在于本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了小體積、大傳動(dòng)比、可自鎖、抗沖擊、 輸出角度大、通用性強(qiáng)、安裝維護(hù)方便等性能，在微小型仿生機(jī)器人領(lǐng)域有很廣闊的應(yīng)用前景，尤其是對(duì)機(jī)器人外形尺寸要求高，傳動(dòng)比要求大，且存在剛性沖擊的場(chǎng)合。

圖1為本實(shí)用新型的主視圖；圖2為本實(shí)用新型的俯視圖；圖3為本實(shí)用新型的立體圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖舉例對(duì)本實(shí)用新型做更詳細(xì)地描述結(jié)合圖1至圖3，本實(shí)用新型的彈性驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的主要由以下幾部分組成端蓋螺釘1、調(diào)節(jié)端蓋2、調(diào)整墊片3、角接觸球軸承4、彈簧頂套5、偏心孔銅套6、蝸輪7、深溝球軸承8、內(nèi)六角螺栓9、螺母10、沉頭螺釘11、編碼器12、直流電機(jī)13、電機(jī)架14、減速箱15、 圓柱銷(xiāo)16、花鍵軸17、第一彈簧18、緊定螺釘19、蝸桿20、第二彈簧21、箱體22、輸出架23、 內(nèi)六角螺栓24、U型槽擋塊25、螺母26。本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
如下箱體22與電機(jī)架14之間通過(guò)四個(gè)內(nèi)六角螺栓 9連接，它們共同構(gòu)成了整個(gè)關(guān)節(jié)的支撐框架。直流電機(jī)13和減速箱15作為整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的動(dòng)力源，直流電機(jī)13末端的編碼器12用于檢測(cè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)速和位置。減速箱15與電機(jī)架 14之間通過(guò)三個(gè)沉頭螺釘11固結(jié)，減速箱15的輸出軸與花鍵軸17之間通過(guò)圓柱銷(xiāo)16連接，第一彈簧18、蝸桿20與第二彈簧21依次套在花鍵軸17上，由彈簧頂套5進(jìn)行軸向限位。彈簧頂套5的外圓柱面與角接觸球軸承4的內(nèi)孔相配合，角接觸球軸承4安放在調(diào)節(jié)端蓋2內(nèi)，調(diào)節(jié)端蓋2和調(diào)整墊片3由三個(gè)端蓋螺釘1固定在箱體22上。蝸輪7通過(guò)成對(duì)的深溝球軸承8和偏心孔銅套6安裝在箱體22上。偏心孔銅套6與箱體22通過(guò)兩個(gè)緊定螺釘18連接。蝸輪7兩端的扁平軸端與輸出架23的U型槽相配合，通過(guò)內(nèi)六角螺栓M和 U型槽擋塊25將蝸輪7與輸出架23固連在一起。直流電機(jī)13的輸出扭矩依次經(jīng)過(guò)減速箱15、花鍵軸17、蝸桿20、蝸輪7傳遞到輸出架23，從而驅(qū)動(dòng)與輸出架23相連接的部件運(yùn)動(dòng)，在輸出架23轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，若突然附加一個(gè)反作用力矩，由于蝸輪蝸桿副的自鎖作用，反作用力矩將迫使蝸桿20沿花鍵軸軸向運(yùn)動(dòng)，壓縮第一彈簧18或者第二彈簧21，此時(shí)，附加反作用力矩的部分能量將轉(zhuǎn)化為彈簧的變形能，從而使轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)顯現(xiàn)出緩沖性能。同時(shí)，改變調(diào)整墊片3的厚度可間接地調(diào)整彈簧的預(yù)緊力，進(jìn)而改變整個(gè)系統(tǒng)的剛度，以適應(yīng)不同的緩沖需求。偏心孔銅套6的外圓周均布M個(gè)定位孔，同步調(diào)整兩個(gè)偏心孔銅套6相對(duì)于箱體 22內(nèi)孔的周向位置，即可間接地調(diào)節(jié)蝸輪7與蝸桿20的中心距，調(diào)節(jié)到合適的中心距后使用緊定螺釘19將偏心孔銅套6固定。從而可以消除由于加工誤差造成的安裝間隙，保證了傳動(dòng)的平穩(wěn)性。本實(shí)用新型采用蝸輪蝸桿副作為核心的傳動(dòng)部件。在傳動(dòng)過(guò)程中，蝸桿既可以隨花鍵軸轉(zhuǎn)動(dòng)又可以沿花鍵軸的軸向移動(dòng)，由于蝸輪蝸桿傳動(dòng)的自鎖特性，在關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，輸出架的反作用力距將轉(zhuǎn)化為沿著蝸桿的軸向反作用力，反作用將致使彈簧變形，不同方向的反作用力矩致使不同的彈簧壓縮，從而使驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)具備了雙向緩沖的性能；同步改變偏心孔銅套的周向位置即可以間接地調(diào)節(jié)蝸輪與蝸桿的中心距，從而可以減低了整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的加工安裝精度。
權(quán)利要求1.彈性驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，其特征是包括電機(jī)架、箱體、輸出架、U型槽擋塊、編碼器、直流電機(jī)、減速箱、花鍵軸、彈簧、蝸輪、蝸桿，箱體與電機(jī)架固連，輸出架通過(guò)U型槽擋塊安裝在箱體上，編碼器、直流電機(jī)、減速箱依次安裝在電機(jī)架里，花鍵軸安裝在箱體里，減速箱的輸出軸與花鍵軸連接，彈簧包括第一彈簧和第二彈簧，第一彈簧、蝸桿、第二彈簧依次套在花鍵軸上，蝸輪安裝在箱體上與蝸桿配合，蝸輪兩端的扁平軸端與U型槽擋塊相配合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，其特征是蝸桿的內(nèi)孔為內(nèi)花鍵形式，蝸桿可隨花鍵軸轉(zhuǎn)動(dòng)或沿花鍵軸軸向移動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的彈性驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，其特征是第一彈簧和第二彈簧為壓簧。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的彈性驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，其特征是還包括調(diào)節(jié)端蓋和調(diào)整墊片，調(diào)節(jié)端蓋和調(diào)整墊片安裝在箱體上、并位于箱體的前端。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的彈性驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，其特征是還包括調(diào)節(jié)端蓋和調(diào)整墊片， 調(diào)節(jié)端蓋和調(diào)整墊片安裝在箱體上、并位于箱體的前端。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的彈性驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，其特征是所述的花鍵軸上安裝彈簧頂套，彈簧頂套接觸第二彈簧并對(duì)第一彈簧、蝸桿、第二彈簧進(jìn)行軸向限位。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的彈性驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，其特征是所述的花鍵軸上安裝彈簧頂套，彈簧頂套接觸第二彈簧并對(duì)第一彈簧、蝸桿、第二彈簧進(jìn)行軸向限位。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的彈性驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，其特征是所述的花鍵軸上安裝彈簧頂套，彈簧頂套接觸第二彈簧并對(duì)第一彈簧、蝸桿、第二彈簧進(jìn)行軸向限位。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的彈性驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，其特征是所述的花鍵軸上安裝彈簧頂套，彈簧頂套接觸第二彈簧并對(duì)第一彈簧、蝸桿、第二彈簧進(jìn)行軸向限位。
專利摘要本實(shí)用新型的目的在于提供彈性驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，包括電機(jī)架、箱體、輸出架、U型槽擋塊、編碼器、直流電機(jī)、減速箱、花鍵軸、彈簧、蝸輪、蝸桿，箱體與電機(jī)架固連，輸出架通過(guò)U型槽擋塊安裝在箱體上，編碼器、直流電機(jī)、減速箱依次安裝在電機(jī)架里，花鍵軸安裝在箱體里，減速箱的輸出軸與花鍵軸連接，彈簧包括第一彈簧和第二彈簧，第一彈簧、蝸桿、第二彈簧依次套在花鍵軸上，蝸輪安裝在箱體上與蝸桿配合，蝸輪兩端的扁平軸端與U型槽擋塊相配合。本實(shí)用新型小體積、大傳動(dòng)比、可自鎖、抗沖擊、輸出角度大、通用性強(qiáng)、安裝維護(hù)方便，在微小型仿生機(jī)器人領(lǐng)域有很廣闊的應(yīng)用前景，尤其是對(duì)機(jī)器人外形尺寸要求高，傳動(dòng)比要求大，且存在剛性沖擊的場(chǎng)合。
文檔編號(hào)B25J17/00GK202097742SQ20112014811
公開(kāi)日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2011年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月11日
發(fā)明者卿智忠, 常冬艷, 王海龍, 王立權(quán), 許俊偉, 陳東良 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)