本發(fā)明涉及一種關(guān)節(jié)變剛度機(jī)構(gòu)，具體涉及機(jī)器人關(guān)節(jié)用的一種基于幾何特性的變剛度機(jī)構(gòu)，屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

21世紀(jì)以來(lái)，人類同機(jī)器人在各類環(huán)境中的接觸愈發(fā)頻繁，人機(jī)交互的安全性問(wèn)題逐漸進(jìn)入人類視野，特別是傳統(tǒng)剛性機(jī)器人多發(fā)的機(jī)器傷人事件也不停提醒著人們?nèi)藱C(jī)協(xié)作中環(huán)境安全的重要性。柔性關(guān)節(jié)雖然解決了安全性的問(wèn)題，但本身對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)和控制精度的影響使得研究人員展開(kāi)了更為先進(jìn)的柔性關(guān)節(jié)的探索，其中一個(gè)重要的方向就是可變剛度柔性關(guān)節(jié)。可變剛度柔性關(guān)節(jié)是一類新興的，剛度可調(diào)的柔性關(guān)節(jié)，區(qū)別于傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域的剛性機(jī)器人，它可以在保證關(guān)節(jié)控制精度的同時(shí)具備緩解沖擊的能力，因此也有了更為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。

針對(duì)可變剛度柔性關(guān)節(jié)，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)展開(kāi)了研究，并且獲得了大量的實(shí)際應(yīng)用成果，但都或多或少的存在著一些缺陷。如平衡位置變剛度機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)帶寬限制和彈簧調(diào)整能量損耗問(wèn)題；拮抗變剛度機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占用空間大問(wèn)題；結(jié)構(gòu)控制變剛度機(jī)構(gòu)的線性度以及控制復(fù)雜的問(wèn)題以及機(jī)械控制變剛度機(jī)構(gòu)的能量損耗問(wèn)題等等。另一方面，各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如滾珠絲杠、齒輪齒條、曲柄滑塊等也會(huì)給機(jī)構(gòu)帶來(lái)相應(yīng)的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為解決現(xiàn)有變剛度機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、線性度差，以及使用支點(diǎn)移動(dòng)時(shí)和桿件之間存在間隙和摩擦，導(dǎo)致位置精度低的問(wèn)題，進(jìn)而提供一種基于幾何特性的變剛度機(jī)構(gòu)。

本發(fā)明為解決上述問(wèn)題采取的技術(shù)方案是：一種基于幾何特性的變剛度機(jī)構(gòu)包括輸出桿、剛調(diào)內(nèi)齒圈、支點(diǎn)齒輪、支點(diǎn)架、支點(diǎn)桿、中間桿、彈簧、軸套和兩個(gè)滑塊；

所述中間桿的兩端各安裝有一個(gè)所述滑塊，位于兩個(gè)所述滑塊之間的所述中間桿上套裝有彈簧，滑塊和中間桿之間套有軸套，軸套通過(guò)安裝在所述滑塊上的軸承端蓋軸向定位；

剛調(diào)主軸的上端安裝有所述支點(diǎn)齒輪，所述支點(diǎn)齒輪與所述剛調(diào)內(nèi)齒圈嚙合，所述支點(diǎn)齒輪布置在所述支點(diǎn)架的下方且二者可拆卸連接，所述支點(diǎn)桿的一端與所述支點(diǎn)架轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述支點(diǎn)桿的另一端通過(guò)軸承安裝在兩個(gè)所述滑塊中的其中一個(gè)滑塊上，所述輸出桿布置在中間桿的上方，所述輸出桿的一端通過(guò)軸承安裝在兩個(gè)所述滑塊中的另一個(gè)滑塊上，所述輸出桿的另一端安裝有輸出軸，鄰近所述支點(diǎn)桿的另一端的所述中間桿的端部轉(zhuǎn)動(dòng)安裝在所述剛調(diào)內(nèi)齒圈上。

本發(fā)明的有益效果是：一、本發(fā)明創(chuàng)新使用了類曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，改變滑塊相對(duì)位置壓縮彈簧產(chǎn)生不同變形量，實(shí)現(xiàn)輸出剛度的變化。該機(jī)構(gòu)的剛度變化由機(jī)構(gòu)幾何關(guān)系保證，運(yùn)算及仿真證明，該機(jī)構(gòu)在支點(diǎn)齒輪的驅(qū)動(dòng)下，可以產(chǎn)生線性度較高的剛度-偏轉(zhuǎn)角曲線，有效的提升了控制精度。在剛度的穩(wěn)定性方面，當(dāng)剛調(diào)內(nèi)齒圈和支點(diǎn)架同步運(yùn)動(dòng)時(shí)，剛度保持不變，此時(shí)機(jī)構(gòu)即使有竄動(dòng)，也會(huì)在力作用下回到平衡狀態(tài)，保持了剛度的穩(wěn)定。

二、本發(fā)明采用了基于運(yùn)動(dòng)學(xué)解算法的運(yùn)動(dòng)傳遞方式，通過(guò)固定尺寸比的支點(diǎn)齒輪來(lái)產(chǎn)生變剛度部分所需的直線運(yùn)動(dòng)，該傳動(dòng)方式摒棄了傳統(tǒng)絲杠傳動(dòng)和齒輪齒條傳動(dòng)徑向尺寸大的缺點(diǎn)，自下而上的傳動(dòng)方式也為結(jié)構(gòu)在外殼內(nèi)的高度集成帶來(lái)了便利。這一傳動(dòng)方式解決了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)體積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，布局不合理的缺點(diǎn)，也為后續(xù)電機(jī)的布置帶來(lái)了便利。本發(fā)明輕便緊湊合理。

三、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了剛度從零到較大范圍的近似線性連續(xù)變化，支點(diǎn)處在零位時(shí)，輸出剛度為零，隨著支點(diǎn)位置的偏移，彈簧產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的壓縮，輸出一條近似直線的剛度變化曲線，直至彈簧達(dá)到最大壓縮量，線性度好，此時(shí)關(guān)節(jié)輸出較大剛度。

四、本發(fā)明創(chuàng)新性的加入了雙滑塊結(jié)構(gòu)，滑塊通過(guò)軸套與中間桿相連，支點(diǎn)架與支點(diǎn)桿之間用軸承相連接，解決了傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)中使用支點(diǎn)架和中間桿相互配合的間隙和潤(rùn)滑的問(wèn)題，提升了位置精度。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為實(shí)施例中的中間桿、彈簧和兩個(gè)滑塊配合結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為實(shí)施例中的支點(diǎn)桿、深溝球軸承及軸承蓋布置的位置關(guān)系示意圖；

圖4為實(shí)施例中的支點(diǎn)齒輪和剛調(diào)內(nèi)齒圈獲得直線運(yùn)動(dòng)的解算法示意圖；

圖5為基于實(shí)施例的變剛度關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)輸出剛度計(jì)算的幾何關(guān)系圖；

圖6為應(yīng)用本發(fā)明的變剛度關(guān)節(jié)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖并通過(guò)具體實(shí)施方式來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。

結(jié)合圖1-圖3說(shuō)明，本實(shí)施方式的一種基于幾何特性的變剛度機(jī)構(gòu)包括輸出桿1、剛調(diào)內(nèi)齒圈2、支點(diǎn)齒輪3、支點(diǎn)架4、支點(diǎn)桿7、中間桿10、彈簧11、軸套13和兩個(gè)滑塊12；

所述中間桿10的兩端各安裝有一個(gè)所述滑塊12，位于兩個(gè)所述滑塊12之間的所述中間桿10上套裝有彈簧11，滑塊12和中間桿10之間套有軸套13，軸套13通過(guò)安裝在所述滑塊12上的軸承端蓋14軸向定位；

剛調(diào)主軸20的上端安裝有所述支點(diǎn)齒輪3，所述支點(diǎn)齒輪3與所述剛調(diào)內(nèi)齒圈2嚙合，所述支點(diǎn)齒輪3布置在所述支點(diǎn)架4的下方且二者可拆卸連接，所述支點(diǎn)桿7的一端與所述支點(diǎn)架4轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述支點(diǎn)桿7的另一端通過(guò)軸承安裝在兩個(gè)所述滑塊12中的其中一個(gè)滑塊12上，所述輸出桿1布置在中間桿10的上方，所述輸出桿1的一端通過(guò)軸承安裝在兩個(gè)所述滑塊12中的另一個(gè)滑塊12上，所述輸出桿1的另一端安裝有輸出軸21，鄰近所述支點(diǎn)桿7的另一端的所述中間桿10的端部轉(zhuǎn)動(dòng)安裝在所述剛調(diào)內(nèi)齒圈2上。

結(jié)合圖1和圖6說(shuō)明，中間桿10的主體為柱狀結(jié)構(gòu)，一端加工出平臺(tái)并鉆孔用于組成轉(zhuǎn)動(dòng)副，另一端則依次穿過(guò)一個(gè)滑塊12、彈簧11后由另一個(gè)滑塊12穿出。同時(shí)，為了潤(rùn)滑，滑塊12和中間桿10之間套有軸套13，并分別由滑塊12的軸肩和軸承端蓋14完成兩側(cè)定位，軸承端蓋14通過(guò)緊定螺釘15固定在滑塊12上。中間桿10上套有一深溝球軸承18，安裝在鑲嵌件上9，鑲嵌件9為一柱狀鋼件，下端與所述剛調(diào)內(nèi)齒圈2連接，為加強(qiáng)定位；滑塊12的凸出部12-1套入一個(gè)深溝球軸承18，與支點(diǎn)桿7構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副，深溝球軸承18的定位由鋼絲擋圈19、軸承蓋8和各自軸肩完成，軸承蓋8則用圓柱頭螺釘17固定在支點(diǎn)桿7上。支點(diǎn)桿7與支點(diǎn)架4以上述相同方式構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副，支點(diǎn)架4通過(guò)螺釘安裝在支點(diǎn)齒輪3上。剛調(diào)內(nèi)齒圈2和支點(diǎn)齒輪3為一對(duì)內(nèi)嚙合傳動(dòng)的齒輪，以提高傳動(dòng)效率，所述支點(diǎn)齒輪103與所述剛調(diào)內(nèi)齒圈102的齒數(shù)比為1:2，且支點(diǎn)齒輪103與剛調(diào)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)K連接，剛調(diào)內(nèi)齒圈102與對(duì)應(yīng)的主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)H相連接，實(shí)現(xiàn)支點(diǎn)齒輪103和剛調(diào)內(nèi)齒圈102的聯(lián)動(dòng)，滑塊12與輸出桿1以上述相同方式構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副，完成力矩的輸出。

優(yōu)選地，彈簧11為矩形彈簧。如此設(shè)置，保證了剛度的調(diào)節(jié)。

參見(jiàn)圖1說(shuō)明，為了提高傳動(dòng)效率和使用方便，基于幾何特性的變剛度機(jī)構(gòu)還包括支撐件6，所述支撐件6安裝在所述剛調(diào)齒圈2上，鄰近所述支點(diǎn)桿7的另一端的所述中間桿10的端部轉(zhuǎn)動(dòng)安裝在所述支撐件6上。如此設(shè)置，中間桿11套有一深溝球軸承，安裝在鑲嵌件上9，鑲嵌件9為一柱狀鋼件，下端銑出一段螺紋，擰入支撐件6的螺紋孔中，為加強(qiáng)定位，支撐件6螺紋處鉆一沉孔，同鑲嵌件9中間柱體配合；支撐件6的下端具有伸出兩端的凸臺(tái)，通過(guò)螺釘與剛調(diào)內(nèi)齒圈2固定。

參見(jiàn)圖1和圖2說(shuō)明，為了提高連接的可靠性，滑塊12的外側(cè)壁上加工有凸出部12-1，所述支點(diǎn)桿7的一端通過(guò)深溝球軸承18與所述支點(diǎn)架4連接，所述凸出部12-1上套裝有深溝球軸承18，所述支點(diǎn)桿7的另一端通過(guò)深溝球軸承18與兩個(gè)所述滑塊12中的其中一個(gè)滑塊12連接，所述輸出桿1的一端通過(guò)深溝球軸承18與兩個(gè)所述滑塊12中的另一個(gè)滑塊12連接。如此設(shè)置，雙滑塊及凸出部結(jié)構(gòu)，支點(diǎn)桿7與滑塊12之間則用深溝球軸承18相連接，解決了傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)中使用支點(diǎn)和中間桿配合時(shí)的間隙和潤(rùn)滑的問(wèn)題，提升了位置精度。

工作原理

結(jié)合圖4說(shuō)明，支點(diǎn)齒輪3(行星輪)獲得直線運(yùn)動(dòng)的形式，支點(diǎn)齒輪3(行星輪齒輪)運(yùn)動(dòng)時(shí)，我們假設(shè)外側(cè)剛調(diào)內(nèi)齒圈2固定不動(dòng)，其半徑是r₀，支點(diǎn)齒輪3(行星齒輪)半徑為r，節(jié)點(diǎn)A是支點(diǎn)齒輪3(行星齒輪)上的任意一點(diǎn)，設(shè)其初始位置是A₀，此時(shí)支點(diǎn)齒輪3和剛調(diào)內(nèi)齒圈2嚙合(行星輪同齒圈嚙合)；建立坐標(biāo)系XOY，假設(shè)經(jīng)過(guò)t秒A₀運(yùn)動(dòng)到A_t位置，支點(diǎn)齒輪3和剛調(diào)內(nèi)齒圈2嚙合點(diǎn)為B，為支點(diǎn)齒輪3(行星齒輪)的公轉(zhuǎn)角度，支點(diǎn)齒輪3(行星齒輪)的自轉(zhuǎn)角度為β；η為一輔助角度，在圖4中表現(xiàn)為A_tO₁同豎直方向的夾角。

根據(jù)齒輪嚙合原理有

由此可得即α＝βr/r₀

點(diǎn)A在t時(shí)刻的位置A_t的坐標(biāo)X_t,Y_t分別為：

幾何關(guān)系可得：

即

公式回帶得：

選取剛調(diào)內(nèi)齒圈2和支點(diǎn)齒輪3齒數(shù)比為2:1，即r₀＝2r，帶入有：

可知此時(shí)節(jié)點(diǎn)A沿X方向運(yùn)行，結(jié)合圖2分析可知，節(jié)點(diǎn)A的運(yùn)動(dòng)軌跡即為支點(diǎn)架4上與支點(diǎn)桿7連接的凸出支點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，也就是說(shuō)此時(shí)支點(diǎn)架4上凸出支點(diǎn)沿水平方向運(yùn)動(dòng)。

結(jié)合圖5說(shuō)明輸出剛度公式的計(jì)算過(guò)程：

定義：圖5中B點(diǎn)為中間桿10的轉(zhuǎn)動(dòng)中心；O點(diǎn)為輸出桿1的轉(zhuǎn)動(dòng)中心；A點(diǎn)為支點(diǎn)架4上支點(diǎn)的位置；D點(diǎn)和C點(diǎn)分別為圖2中兩個(gè)滑塊12在中間桿10上的位置；L_OC為輸出桿1的旋轉(zhuǎn)臂長(zhǎng)；L_OB為剛調(diào)內(nèi)齒圈2的中心到中間桿10旋轉(zhuǎn)中心的距離；L_BD和L_BC分別為中間桿10的旋轉(zhuǎn)中心到滑塊12左右兩側(cè)凸出部分12-1中心的距離；L_AD為支點(diǎn)架3上的支點(diǎn)到滑塊12左側(cè)凸出部分12-1中心的距離；L_AB則為支點(diǎn)到中間桿10旋轉(zhuǎn)中心的距離；α為輸出桿1的偏轉(zhuǎn)角度，在圖5中表現(xiàn)為OC同OA的夾角；θ為中間桿10的偏轉(zhuǎn)角，在圖5中表現(xiàn)為BC同BO的夾角。F為中間桿10上的彈簧彈力，F(xiàn)n和Ft分別為F在中間桿10垂直和水平方向上的分力；矩形彈簧11原長(zhǎng)為L(zhǎng)₀；矩形彈簧11變形量設(shè)為ΔL；矩形彈簧11彈性系數(shù)為K；輸出桿1的輸出力矩為M；關(guān)節(jié)輸出剛度為K_t。由圖中幾何關(guān)系知：

矩形彈簧11壓縮產(chǎn)生力：

F＝L_OCsin(α-θ)＝L_OBsinθ

F＝K·ΔL＝K(L₀-L_BC+L_BD)

其中L_BC由正弦定理求得：

L_BC＝L_OCsinα/sinθ

L_BD滿足余弦定理：

偏轉(zhuǎn)角α-θ和θ關(guān)系由正弦定理求得：

sin(α-θ)＝L_OBsinθ/L_OC

輸出桿1的輸出力矩和剛度：

M＝K·(L₀-L_BC+L_BD)·sin(α-θ)·L_OC；K_t＝M/θ

如圖2說(shuō)明，本發(fā)明工作時(shí)矩形彈簧11的兩端分別與左側(cè)布置的滑塊12的右側(cè)端面和右側(cè)布置的滑塊12的左側(cè)端面接觸，首先對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行說(shuō)明。初始無(wú)輸入無(wú)負(fù)載的平衡狀態(tài)下，機(jī)構(gòu)不受力，中間桿10無(wú)偏轉(zhuǎn)，矩形彈簧11維持在原長(zhǎng)，輸出力矩為零。輸入和負(fù)載作用后，輸出桿1偏轉(zhuǎn)，帶動(dòng)中間桿10偏轉(zhuǎn)，矩形彈簧11壓縮，用以平衡力矩，機(jī)構(gòu)進(jìn)入一個(gè)新的平衡狀態(tài)，此時(shí)輸出桿1以固定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，輸出力矩。若此時(shí)撤掉負(fù)載和輸入，則機(jī)構(gòu)會(huì)在力的作用下回到初始平衡狀態(tài)。

所述變剛度機(jī)構(gòu)按照運(yùn)動(dòng)方式的不同，具體可分為兩種內(nèi)容。一種是機(jī)構(gòu)平衡位置的改變，另一種是剛度調(diào)節(jié)。如圖6說(shuō)明，對(duì)于變剛度機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，剛調(diào)內(nèi)齒圈2和支點(diǎn)齒輪3分別由兩個(gè)傳動(dòng)部分控制，他們的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)決定了支點(diǎn)架4上支點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，使得兩個(gè)滑塊12產(chǎn)生不同的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而改變矩形彈簧11的壓縮量。

單純的機(jī)構(gòu)平衡位置改變是指機(jī)構(gòu)雖然轉(zhuǎn)動(dòng)，但彈簧的形變量不發(fā)生變化的狀態(tài)。剛調(diào)內(nèi)齒圈2和支點(diǎn)齒輪3通過(guò)一定的控制策略實(shí)現(xiàn)同步旋轉(zhuǎn)，也使得上部的中間桿10，支點(diǎn)桿8，滑塊12同步旋轉(zhuǎn)，在將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞至輸出桿1的同時(shí)，彈簧11壓縮量不變，因而輸出剛度不變化，機(jī)構(gòu)只有平衡位置改變。

單純的剛度調(diào)節(jié)是指剛調(diào)內(nèi)齒圈2不轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)機(jī)構(gòu)的主運(yùn)動(dòng)停止，支點(diǎn)齒輪3沿著剛調(diào)內(nèi)齒圈2嚙合，上述運(yùn)動(dòng)學(xué)分析已經(jīng)表明，此時(shí)支點(diǎn)架4上的支點(diǎn)沿著直線運(yùn)動(dòng)，拉動(dòng)左側(cè)布置的滑塊12向右運(yùn)動(dòng)，改變彈簧11形變量，達(dá)到調(diào)節(jié)剛度的目的。結(jié)合圖5說(shuō)明剛度調(diào)節(jié)的原理，假設(shè)某一時(shí)刻后，負(fù)載轉(zhuǎn)矩可變，且在任何時(shí)刻都同輸出轉(zhuǎn)矩相同，此時(shí)機(jī)構(gòu)保持某一時(shí)刻平衡狀態(tài)不變，那么輸出桿1偏轉(zhuǎn)角不變，由于彈簧11壓縮量變化，對(duì)應(yīng)圖5中彈簧彈力F大小變化，而其他條件不變，可知輸出力矩M產(chǎn)生變化，對(duì)應(yīng)的機(jī)構(gòu)剛度M/θ產(chǎn)生變化，剛度調(diào)節(jié)完成。需要說(shuō)明的是，機(jī)構(gòu)剛度變化和輸出力矩的大小沒(méi)有直接關(guān)系，而且在機(jī)構(gòu)實(shí)際運(yùn)行中也不會(huì)出現(xiàn)支點(diǎn)變化而平衡狀態(tài)不變的情況，此處是為了便于說(shuō)明才做出上述假設(shè)。

實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，本發(fā)明的機(jī)構(gòu)剛度調(diào)節(jié)過(guò)程和平衡位置改變的過(guò)程是可以混合的，即剛度調(diào)節(jié)過(guò)程中若主運(yùn)動(dòng)不停止，則機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)仍在繼續(xù)，這也是本發(fā)明的最終目的。

本發(fā)明已以較佳實(shí)施案例揭示如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可以利用上述揭示的結(jié)構(gòu)及技術(shù)內(nèi)容做出些許的更動(dòng)或修飾為等同變化的等效實(shí)施案例，但是凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施案例所做的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬本發(fā)明技術(shù)方案范圍。