一種雙電機驅(qū)動的機器人變剛度彈性關(guān)節(jié)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種機器人仿生關(guān)節(jié)，具體為一種雙電機驅(qū)動的剛度可調(diào)的機器人彈性關(guān)節(jié)，該裝置可以適用于各種關(guān)節(jié)型機器人，提高機器人的安全性與對環(huán)境的友好度。
【背景技術(shù)】
[0002]長期以來，傳統(tǒng)的機器人關(guān)節(jié)設(shè)計理論認為，對于動力驅(qū)動裝置與關(guān)節(jié)鉸鏈之間的機械連接方式應(yīng)優(yōu)先考慮剛度較大的傳動機構(gòu)。因此，在工業(yè)機器手臂、仿生多足機器人以及康復(fù)醫(yī)療假肢等關(guān)節(jié)機器人的研究中，普遍采用電機輸出軸與關(guān)節(jié)機構(gòu)進行剛性連接的驅(qū)動方案，其優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)簡單、定位精準(zhǔn)、響應(yīng)快速，從而滿足各種操作與應(yīng)用的需求。但這種驅(qū)動方案由于缺乏柔順性使得機器人更容易受到外部沖擊的影響而損壞，甚至對與之協(xié)作的人類造成傷害，同時對于機器人實現(xiàn)自調(diào)整接觸、低能耗運動等目標(biāo)也存在不足和缺憾。變剛度彈性驅(qū)動關(guān)節(jié)能夠使柔性機械臂系統(tǒng)像人類肌肉一樣，遇到?jīng)_擊的時候能夠適當(dāng)?shù)膹澢?，從而緩沖碰撞等產(chǎn)生的能量，同時獲得像生物體一樣的觸覺，感知外界阻力以便產(chǎn)生反應(yīng)，從而達到保護手臂和環(huán)境的作用。另外，像肌肉一樣吸收、存儲、再次利用能量，不僅提高了能量利用率，而且從一定程度上消除機械震蕩，減輕零部件的機械損傷。
[0003]目前，國內(nèi)對彈性關(guān)節(jié)的研究還非常少。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，從現(xiàn)有公開的串聯(lián)彈性驅(qū)動關(guān)節(jié)看，大部分不具有剛度調(diào)節(jié)功能，如江蘇大學(xué)楊啟志等提出一種基于阿基米德螺線彈性體的柔彈性關(guān)節(jié)，專利公開號CN105082170A，其彈性體采用兩片圓形彈簧片，彈簧片上開有阿基米德螺線槽以增加關(guān)節(jié)柔性，該裝置雖然結(jié)構(gòu)緊湊但運動范圍有限且不能進行剛度調(diào)節(jié)。即使目前有極少數(shù)該彈簧片裝置帶有剛度調(diào)節(jié)，也存在集成度較低、較為笨重、通用性較差等問題，如北京理工大學(xué)黃強等人提出的一種可變剛度的機器人關(guān)節(jié)，專利公開號CN104440936A，關(guān)節(jié)上安裝了一片主摩擦片和兩片副摩擦片，在螺栓施加預(yù)緊力作用下產(chǎn)生摩擦力，利用摩擦片的摩擦特性進行剛度調(diào)節(jié)，但是摩擦片屬于消耗品，使用一段時間后就會喪失原有功能需要定期更換，且其只設(shè)兩級剛度調(diào)節(jié)，不能實現(xiàn)線性可調(diào)的剛度特性。更重要的是，目前已公開的剛度可調(diào)柔性關(guān)節(jié)均使用了一個電機負責(zé)驅(qū)動關(guān)節(jié)，另一個電機調(diào)節(jié)剛度，而不負責(zé)驅(qū)動關(guān)節(jié)，如此對于剛度調(diào)節(jié)電機的動力形成了浪費;而如果使用低性能剛度調(diào)節(jié)電機，則又難以保障在遇到碰撞的情況下，關(guān)節(jié)剛度可以及時進行調(diào)整。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有機器人關(guān)節(jié)設(shè)計上的不足，提出一種雙電機驅(qū)動的機器人變剛度彈性關(guān)節(jié)，它能安裝于大多數(shù)采用轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的機器人上。本發(fā)明使用兩個驅(qū)動電機同時驅(qū)動關(guān)節(jié)，同時，兩個電機之間的夾角通過四連桿機構(gòu)調(diào)節(jié)彈簧片的有效長度，改變關(guān)節(jié)剛度，實現(xiàn)彈性緩沖。
[0005]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0006]—種雙電機驅(qū)動的機器人變剛度彈性關(guān)節(jié)，包括位于同一旋轉(zhuǎn)軸線上的輸出軸、柔性傳動機構(gòu)，驅(qū)動端，所述驅(qū)動端包括兩個同軸地驅(qū)動連接于所述柔性傳動機構(gòu)兩端的空心軸驅(qū)動電機，所述的輸出軸與所述柔性傳動機構(gòu)中部固定連接且一端穿過并延伸至空心軸驅(qū)動電機的空心軸外，所述輸出軸在受到不同負載沖擊時通過兩空心軸驅(qū)動電機改變兩個電機之間的轉(zhuǎn)動夾角調(diào)整柔性傳動機構(gòu)驅(qū)動所述輸出軸轉(zhuǎn)動時的力臂長度實現(xiàn)剛度調(diào)整。
[0007]進一步地，所述的柔性傳動機構(gòu)包括彈性傳力機構(gòu)和剛性調(diào)節(jié)機構(gòu)，所述彈性傳力機構(gòu)同軸地固定于輸出軸上，所述的剛性調(diào)節(jié)機構(gòu)兩端分別連接空心軸驅(qū)動電機，中部與所述彈性傳力機構(gòu)滑動連接。
[0008]進一步地，所述的驅(qū)動端還包括分別設(shè)置于柔性傳動機構(gòu)兩端、用于固定兩個空心軸驅(qū)動電機殼體的固定板。
[0009]進一步地，所述彈性傳力機構(gòu)包括固定在輸出軸上的彈簧座、一端沿輸出軸徑向均勻固定在彈簧座上的若干矩形彈簧片，所述彈簧片長度方向的兩側(cè)面與剛性調(diào)節(jié)機構(gòu)滑動連接。
[0010]進一步地，所述的剛性調(diào)節(jié)機構(gòu)包括同軸設(shè)置的環(huán)形第一傳動板和環(huán)形第二傳動板、位于第一傳動板和第二傳動板之間的若干第一傳動連桿、第二傳動連桿和滑塊機構(gòu)，所述第一傳動板與所述第一空心軸驅(qū)動電機的輸出端相連，所述第二傳動板與所述第二空心軸驅(qū)動電機的輸出端相連;各第一傳動連桿一端沿周向均勾鉸接在第一傳動板邊緣，另一端分別與各個滑塊機構(gòu)上端活動鉸接;各第二傳動連桿一端沿周向均勻鉸接在第二傳動板邊緣，另一端分別與各個滑塊機構(gòu)下端活動鉸接;所述滑塊機構(gòu)中部與所述彈簧片長度方向的兩側(cè)面緊密接觸且可沿所述彈簧片長度方向往復(fù)移動。
[0011]兩臺電機共同協(xié)作，通過兩個電機之間的轉(zhuǎn)動夾角變化，調(diào)整所述柔性傳動機構(gòu)的剛性調(diào)節(jié)機構(gòu)調(diào)節(jié)彈簧片的有效長度，改變關(guān)節(jié)剛度，實現(xiàn)彈性緩沖，即當(dāng)所述第一空心軸驅(qū)動電機與第二空心軸驅(qū)動電機之間的夾角改變時，帶動所述第一傳動板、第二傳動板的夾角改變，進而移動各傳動連桿，進而移動各滑塊機構(gòu)沿彈簧片滑動，調(diào)整彈簧片的有效長度，改變關(guān)節(jié)剛度，實現(xiàn)彈性緩沖。
[0012]進一步地，所述滑塊機構(gòu)包括調(diào)節(jié)滑塊，所述調(diào)節(jié)滑塊的中部貫穿地設(shè)有供所述彈簧片穿過的挖空部，所述挖空部內(nèi)對稱設(shè)置有兩個夾緊并可沿彈簧片長度方向的兩側(cè)面滾動的輥軸。
[0013]進一步地，所述輥軸通過滾動軸承及銷軸安裝于所述彈簧片的挖空部內(nèi)。
[0014]本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點:
[0015]I)采用雙驅(qū)動電機提供動力，共同驅(qū)動柔性關(guān)節(jié)提高工作效率，實時響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)精度高。
[0016]2)兩臺驅(qū)動電機共同協(xié)作，調(diào)節(jié)彈簧片的工作長度，改變關(guān)節(jié)的剛度調(diào)節(jié)實現(xiàn)了從全剛性到極大柔性的調(diào)節(jié)，像肌肉一樣吸收、存儲、再次利用能量，不僅提高了能量利用率，而且從一定程度上消除機械震蕩，減輕零部件的機械損傷，對環(huán)境友好，具有更高安全性。
[0017]3)整個關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)緊湊，簡單輕便，通用性強，應(yīng)用范圍廣泛。
【附圖說明】
[0018]圖1示出了剛度可調(diào)彈性關(guān)節(jié)的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2示出了剛度可調(diào)彈性關(guān)節(jié)的輸出軸結(jié)構(gòu)圖。
[0020]圖3示出了剛度可調(diào)彈性關(guān)節(jié)的柔性傳動機構(gòu)示意圖。
[0021]圖中:I第一固定板，2第二固定板，3第一空心軸驅(qū)動電機，4第二空心軸驅(qū)動電機，5柔性傳動機構(gòu)，6第一傳動板，7第二傳動板，8第一傳動連桿，9第二傳動連桿，10調(diào)節(jié)滑塊，11輸出軸，12彈簧座，13彈簧片。
【具體實施方式】
[0022]下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0023]如圖1至圖3所示，一種雙電機驅(qū)動的機器人變剛度彈性關(guān)節(jié)，包括位于同一旋轉(zhuǎn)軸線上的輸出軸11、柔性傳動機構(gòu)5，驅(qū)動端，所述驅(qū)動端包括兩個同軸地驅(qū)動連接于所述柔性傳動機構(gòu)5兩端的空心軸驅(qū)動電機，