一种基于扭簧特性的变刚度关节

摘要

一种基于扭簧特性的变刚度关节，本发明涉及一种变刚度关节，本发明内容是为了解决现有技术中刚度关节的缺陷是不够节能，变刚度性能难以保证，变刚度范围小，以及通过基于杠杆原理的移动支点位置的调节刚度方式中支点在槽内滑动摩擦耗能大和需要零部件多，结构设计不合理的问题，它包括一组扭簧、滑块、滑轨、第一输出盘、第二输出盘、输入盘、输入盘转轴、两个滚子、一组扭簧支架和两个连接件，一组扭簧包括第一扭簧和第二扭簧、一组扭簧支架包括第一扭簧支架和第二扭簧支架；第一输出盘、第二输出盘和输入盘均为圆盘，本发明用于机器人关节领域。

权利要求

1.一种基于扭簧特性的变刚度关节，其特征在于：它包括一组扭簧(1)、滑块(3)、滑轨(4)、第一输出盘(6)、第二输出盘(7)、输入盘(8)、输入盘转轴(10)、两个滚子(2)、一组扭簧支架(5)和两个连接件(9)，一组扭簧(1)包括第一扭簧(11)和第二扭簧(12)、一组扭簧支架(5)包括第一扭簧支架(51)和第二扭簧支架(52)；第一输出盘(6)、第二输出盘(7)和输入盘(8)均为圆盘，第一输出盘(6)和第二输出盘(7)相对设置，第一输出盘(6)和第二输出盘(7)通过两个连接件(9)固定连接，且两个连接件(9)对称设置，输入盘转轴(10)插装在第二输出盘(7)上，输入盘转轴(10)与第二输出盘(7)转动连接，输入盘(8)与输入盘转轴(10)的一端固定，输入盘(8)设置在第一输出盘(6)和第二输出盘(7)之间，第二输出盘(7)和输入盘(8)同轴设置，滑轨(4)安装在第一输出盘(6)侧面上，滑块(3)滑动安装在滑轨(4)上，两个滚子(2)固定安装在滑块(3)上，一组扭簧支架(5)均安装在输入盘(8)上，且一组扭簧支架(5)均设置在第一输出盘(6)和第二输出盘(7)之间，第一扭簧支架(51)和第二扭簧支架(52)分别设置在滑轨(4)的两侧，第一扭簧(11)安装在第一扭簧支架(51)上，第二扭簧(12)安装在第二扭簧支架(52)上，第一扭簧(11)的一端固定在第一扭簧支架(51)上，第一扭簧(11)的另一端与一个滚子(2)的外圆面接触设置，第二扭簧(12)的一端固定在第二扭簧支架(52)上，第二扭簧(12)的另一端与另一个滚子(2)的外圆面接触设置。

2.根据权利要求1所述一种基于扭簧特性的变刚度关节，其特征在于：所述第一扭簧(11)和第二扭簧(12)的结构相同，且第一扭簧(11)和第二扭簧(12)旋向相反，第一扭簧(11)和第二扭簧(12)轴对称设置在滑轨(4)的两侧，所述第一扭簧支架(51)和第二扭簧支架(52)对称设置在滑轨(4)的两侧。

3.根据权利要求1所述一种基于扭簧特性的变刚度关节，其特征在于：所述两个连接件(9)中一个连接件(9)上加工有输出杆件安装接口端(9-1)。

4.根据权利要求1所述一种基于扭簧特性的变刚度关节，其特征在于：所述滑块(3)包括滑块体(3-1)和滑动凸起(3-2)，第一输出盘(6)上加工有两个凸起，滑轨(4)为‘U’形板，滑轨(4)的内壁上加工有两个滑动槽，滑动凸起(3-2)安装在滑块体(3-1)上，滑动凸起(3-

2)设置在‘U’形板内壁的两个滑动槽内。

5.根据权利要求1所述一种基于扭簧特性的变刚度关节，其特征在于：所述第一扭簧支架(51)包括第一固定轴(5-1)和第一固定板(5-2)，第二扭簧支架(52)包括第二定轴和第二固定板，第一固定板(5-2)上加工有弹簧固定孔，第一固定轴(5-1)的一端与第一固定板(5-

2)的一个侧面固定，第一固定轴(5-1)的另一端与输入盘(8)的一个侧面固定，第二固定板上加工有弹簧固定孔，第二定轴的一端与第二固定板的一个侧面固定，第二定轴的另一端与输入盘(8)的一个侧面固定。

6.根据权利要求5所述一种基于扭簧特性的变刚度关节，其特征在于：所述第一扭簧支架(51)的第一固定轴(5-1)上套装有第一扭簧(11)，第一扭簧(11)的一端插装在第一固定板(5-2)的弹簧固定孔内，第二扭簧支架(52)的第二定轴上套装有第二扭簧(12)，第二扭簧(12)的一端插装在第二固定板的弹簧固定孔内。

说明书

一种基于扭簧特性的变刚度关节

技术领域

[0001] 本发明涉及一种变刚度关节，具体涉及一种基于扭簧特性的变刚度关节。

背景技术

[0002] 变刚度关节是一种不同于传统刚性关节的一类刚度可调的柔性关节。由于其自身刚度的可控性，使其能够适应更多不同应用环境的需求。随着机器人产业和应用的发展，人类生产生活中与机器人的接触越来越频繁。人机协作的安全性问题正引起人们的重视。然而从上世纪70年代至今，世界各地陆续发生了多起机器人伤人事件。这些令人痛惜的事件的发生，提醒着人们，人机协作安全的重要性以及相关领域研究的迫切性。此外，由于变刚度关节的刚度可调性，使得诸如搬运优化，随动控制，轨迹跟踪等问题有了更广阔的研究空间，该领域的研究已成为国内外研究热点领域。针对变刚度关节的设计问题，很多研究者已研制了基于不同原理的变刚度关节，但其或多或少存在着一些问题，例如结构过于复杂，需要零部件多，质量和体积较大，设计布局不合理等诸多问题。具体地，采用对抗式弹簧的调节刚度方式不够节能的问题；采用特殊材料原理变刚度性能难以保证的问题；采用杠杆原理，通过移动弹簧的位置的调刚方式变刚度范围小的问题；通过基于杠杆原理的移动支点位置的调节刚度方式中支点在槽内滑动摩擦耗能大和需要零部件多，结构设计不合理等。经检索，公开号为CN104440936A的中国发明专利，该专利公开一种可变刚度的机器人关节，其特征是机器人关节包括过渡端，用于连接精密减速器和输出端。输出端由两部分组成，通过螺栓连接，中间放有摩擦片，包括两片副摩擦片和一片主摩擦片，摩擦片具有特殊的纹理，在螺栓施加的预紧力作用下被压紧，产生摩擦力。利用摩擦片的摩擦特性进行刚度的调节。该专利中利用摩擦特性，当受到摩擦力大于静摩擦力阈值时，摩擦片间产生相对滑动，从而改变刚度。该专利只是实现了某种情况下刚度值的被动改变，从高刚度状态到某一刚度值状态的跳变，现有技术中刚度关节的缺陷是不够节能，变刚度性能难以保证，变刚度范围小，以及通过移动支点位置的调节刚度方式的滑动摩擦耗能大和需要零部件多，结构设计不合理的问题。

发明内容

[0003] 本发明内容是为了解决现有技术中刚度关节的缺陷是不够节能，变刚度性能难以保证，变刚度范围小，以及通过基于杠杆原理的移动支点位置的调节刚度方式中支点在槽内滑动摩擦耗能大和需要零部件多，结构设计不合理的问题，进而提供一种基于扭簧特性的变刚度关节。

[0004] 本发明为解决上述问题而采用的技术方案是：

[0005] 一种基于扭簧特性的变刚度关节，它包括一组扭簧、滑块、滑轨、第一输出盘、第二输出盘、输入盘、输入盘转轴、两个滚子、一组扭簧支架和两个连接件，一组扭簧包括第一扭簧和第二扭簧、一组扭簧支架包括第一扭簧支架和第二扭簧支架；第一输出盘、第二输出盘和输入盘均为圆盘，第一输出盘和第二输出盘相对设置，第一输出盘和第二输出盘通过两个连接件固定连接，且两个连接件对称设置，输入盘转轴插装在第二输出盘上，输入盘转轴与第二输出盘转动连接，输入盘与输入盘转轴的一端固定，输入盘设置在第一输出盘和第二输出盘之间，第二输出盘和输入盘同轴设置，滑轨安装在第一输出盘侧面上，滑块滑动安装在滑轨上，两个滚子固定安装在滑块上，一组扭簧支架均安装在输入盘上，且一组扭簧支架均设置在第一输出盘和第二输出盘之间，第一扭簧支架和第二扭簧支架分别设置在滑轨的两侧，第一扭簧安装在第一扭簧支架上，第二扭簧安装在第二扭簧支架上，第一扭簧的一端固定在第一扭簧支架上，第一扭簧的另一端与一个滚子的外圆面接触设置，第二扭簧的一端固定在第二扭簧支架上，第二扭簧的另一端与另一个滚子的外圆面接触设置。

[0006] 本发明的有益效果是：

[0007] 1、本发明实现了变刚度关节变刚度原理的创新。所设计独特的变刚度原理，是通过改变扭簧与滚子的作用点，实现关节变刚度。实现了在输入盘和第一输出盘夹角相同的情况下，滑块位置的改变，能够改变扭簧与滚子的作用点，进而实现输入盘作用于第一输出盘上的扭矩大小的改变。该扭矩值与输入盘和第一输出盘夹角的比值即为关节相对于外部而言的输出刚度值，扭矩的改变实现了输出刚度的变化。而在滑块位置不变时，扭簧与滚子的作用点虽然会随着输入盘和第一输出盘转角的改变而有所改变，但其变化量很小，使得装置的输出刚度能够保持稳定，变化很小，具有较好的定刚度性能：

[0008] 2、本发明创新性地实现了变刚度关节装置输出刚度的大范围连续变化。当滚子处于第一输出盘圆心处时，输出刚度很小，接近零刚度；随着滚子远离圆心，输出刚度逐渐增大，而当滚子处于扭簧连线处时，输出很高刚度，接近完全刚性：

[0009] 3、本发明创新性地使用了双滚子，双扭簧结构。每个滚子只有一侧与扭簧臂相切，为滚动摩擦，有效避免现有技术滚子在槽内移动时的滑动摩擦问题，且滚子移动方向与扭簧扭转方向垂直，具有调节刚度耗能低的特点：

[0010] 4、本发明创新性地仅使用扭簧，滚子，滑轨滑块等较少零部件就实现了关节装置的变刚度，具有所需零部件少，结构简单的特点。

附图说明

[0011] 图1是本发明整体结构主视图，图2是本发明结构示意图，图3是滑块3、滑轨4和第一输出盘6的安装机构示意图，图4是本发明一组扭簧1变刚度原理图，图5是本发明一组扭簧1变刚度几何关系图。

具体实施方式

[0012] 具体实施方式一：结合图1-图5说明本实施方式，本实施方式所述一种基于扭簧特性的变刚度关节，它包括一组扭簧1、滑块3、滑轨4、第一输出盘6、第二输出盘7、输入盘8、输入盘转轴10、两个滚子2、一组扭簧支架5和两个连接件9，一组扭簧1包括第一扭簧11和第二扭簧12、一组扭簧支架5包括第一扭簧支架51和第二扭簧支架52；第一输出盘6、第二输出盘7和输入盘8均为圆盘，第一输出盘6和第二输出盘7相对设置，第一输出盘6和第二输出盘7通过两个连接件9固定连接，且两个连接件9对称设置，输入盘转轴10插装在第二输出盘7上，输入盘转轴10与第二输出盘7转动连接，输入盘8与输入盘转轴10的一端固定，输入盘8设置在第一输出盘6和第二输出盘7之间，第二输出盘7和输入盘8同轴设置，滑轨4安装在第一输出盘6侧面上，滑块3滑动安装在滑轨4上，两个滚子2固定安装在滑块3上，一组扭簧支架5均安装在输入盘8上，且一组扭簧支架5均设置在第一输出盘6和第二输出盘7之间，第一扭簧支架51和第二扭簧支架52分别设置在滑轨4的两侧，第一扭簧11安装在第一扭簧支架
51上，第二扭簧12安装在第二扭簧支架52上，第一扭簧11的一端固定在第一扭簧支架51上，第一扭簧11的另一端与一个滚子2的外圆面接触设置，且滚子2的外圆面在第一扭簧11的一端上滚动，第二扭簧12的一端固定在第二扭簧支架52上，第二扭簧12的另一端与另一个滚子2的外圆面接触设置，且滚子2的外圆面在第二扭簧12的一端上滚动。

[0013] 具体实施方式二：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种基于扭簧特性的变刚度关节，所述第一扭簧11和第二扭簧12的结构相同，且第一扭簧11和第二扭簧12旋向相反，第一扭簧11和第二扭簧12轴对称设置在滑轨4的两侧，所述第一扭簧支架51和第二扭簧支架52对称设置在滑轨4的两侧，其它与具体实施方式一相同。

[0014] 具体实施方式三：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种基于扭簧特性的变刚度关节，所述两个连接件9中一个连接件9上加工有输出杆件安装接口端9-1，其它与具体实施方式一相同。

[0015] 具体实施方式四：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式所述一种基于扭簧特性的变刚度关节，所述滑块3包括滑块体3-1和滑动凸起3-2，第一输出盘6上加工有两个凸起，滑轨4为‘U’形板，滑轨4的内壁上加工有两个滑动槽，滑动凸起3-2安装在滑块体3-1上，滑动凸起3-2设置在‘U’形板内壁的两个滑动槽内。滑动凸起3-2在‘U’形板的两个滑动槽内滑动，其它与具体实施方式一相同。

[0016] 具体实施方式五：结合图1-图2说明本实施方式，本实施方式所述一种基于扭簧特性的变刚度关节，所述第一扭簧支架51包括第一固定轴5-1和第一固定板5-2，第二扭簧支架52包括第二定轴和第二固定板，第一固定板5-2上加工有弹簧固定孔，第一固定轴5-1的一端与第一固定板5-2的一个侧面固定，第一固定轴5-1的另一端与输入盘8的一个侧面固定，第二固定板上加工有弹簧固定孔，第二定轴的一端与第二固定板的一个侧面固定，第二定轴的另一端与输入盘8的一个侧面固定，其它与具体实施方式一相同。

[0017] 具体实施方式六：结合图1-图2说明本实施方式，本实施方式所述一种基于扭簧特性的变刚度关节，所述第一扭簧支架51的第一固定轴5-1上套装有第一扭簧11，第一扭簧11的一端插装在第一固定板5-2的弹簧固定孔内，第二扭簧支架52的第二定轴上套装有第二扭簧12，第二扭簧12的一端插装在第二固定板的弹簧固定孔内，其它与具体实施方式五相同。

[0018] 具体实施方式七：结合图3和图4说明本实施方式，图3中的一组扭簧1的簧体，第一输出盘6和两个滚子2在图4中用圆形图案替代。本实施方式所述一种基于扭簧特性的变刚度关节，本实施方式中一组扭簧1从虚线表示的初始位置转动到实线位置，而滚子2仍处于虚线位置时，一组扭簧1的扭转角发生改变，其通过滚子2作用于所述第一输出盘6上的扭矩也相应发生改变，第一输出盘6在该扭矩作用下发生转动。但由于输出刚度值定义为扭矩值与偏差角的比值，故关节输出刚度变化不大。即输入盘8通过一组扭簧1与滚子2的作用，带动输出盘8转动，实现关节转动。当一组扭簧1处于实线位置，即输入盘8与第一输出盘6相对转角一定，而滚子2从虚线位置移动到实线位置时，一组扭簧1的扭转角也发生改变，其通过所述滚子2作用于所述第一输出盘6上的扭矩也发生改变。根据关节输出刚度的定义，关节输出刚度发生改变。即滚子2的径向位置移动实现关节刚度调节。其它与具体实施方式一相同。

[0019] 具体实施方式八：结合图5说明本实施方式，本实施方式所述一种基于扭簧特性的变刚度关节，本实施例使用时，变刚度原理通过如下几何关系表示:

[0020] 一组扭簧1产生力矩：

[0021] T1＝K·(q1-q0),T2＝K·(q2+q0)

[0022] 一组扭簧1作用在所述滚子2上的力：

[0023] F1＝T1/((r2+r3)/k1)

[0024] F2＝T2/((r2+r3)/k2)

[0025] 一组扭簧1作用在第一输出盘6上的扭矩:

[0026] T11＝F1·(h·cos(θ)+r1·sin(θ))

[0027] T12＝F2·(h·cos(θ)-r1·sin(θ))

[0028] 第一输出盘6受到输入盘8的作用扭矩T0和关节输出刚度K0：

[0029] T0＝T11+T12,K0＝T0/θ

[0030] 其中，K为一组扭簧1的刚度，q1为第一扭簧11的扭转角变化量，q2为第二扭簧12的扭转角变化量，可通过几何关系解得；而q0为一组扭簧1的预压角度；r1为两个滚子2圆心距离的一半，r2为滚子2的半径，r3为第一扭簧11簧体半径，第一扭簧11簧体半径和第二扭簧12簧体半径的相等；h为两个滚子2圆心连线偏离第一输出盘6圆心的距离；k1为第一扭簧11簧体与滚子2的圆心连线与两圆内公切线的夹角正切值，k2为第二扭簧12簧体与滚子2的圆心连线与两圆内公切线的夹角正切值，可由几何关系解得；θ为所述输入盘8与所述第一输出盘6的相对转角。其它与具体实施方式七相同。

[0031] 工作原理

[0032] 本发明工作时第一扭簧11的一端与第二扭簧12的一端平行，且第一扭簧11和第二扭簧12始终与滚子2有压力接触，具体过程可分为两个部分，一个是关节转动，一个是刚度调节。其中，单纯的关节转动，即假设滚子2的径向位置不变，关节通过外部机构带动输入盘转轴10带动输入盘8转动，输入盘8同时带动第一扭簧11、第二扭簧12、第一扭簧支架51和第二扭簧支架52转动，通过第一扭簧11与滚子2的外圆面接触，第二扭簧12与滚子2的的外圆面接触，传递到滚子2上，进而作用到第一输出盘6上，引起第一输出盘6的转动，完成扭矩从输入盘8到第一输出盘6的传递，由于第一输出盘6和第二输出盘7通过两个连接件9固定，所以第一输出盘6和第二输出盘7同时转动，达到关节转动的目的。

[0033] 单纯的刚度调节，即输入盘8不转动，外部作用于第一输出盘6和第二输出盘7上一定扭矩，引起输入盘8与第一输出盘6产生相对转角。此时，关节通过外部机构带动滑块3在滑轨4上移动，改变第一扭簧11与滚子2的外圆面接触点和第二扭簧12与滚子2的外圆面接触点的位置，进而改变滚子2与扭簧1的作用传递关系，实现输入盘8与第一输出盘6的相对转角的变化，又由于输出刚度表现为外部扭矩值与所引起输入盘8与第一输出盘6的相对转角大小的比值，因此外部扭矩值一定的情况下，输入盘8与第一输出盘6的相对转角发生变化即可视为关节输出刚度发生了改变。达到刚度调节的目的。值得注意的是，关节输出刚度是关节的一个性质，并不与外部扭矩值大小有关，此处为方便说明才假设关节受一定外部扭矩的作用。

[0034] 本发明中关节转动和刚度调节两个过程是能够同时进行的，并不冲突。在关节转动的同时实现关节刚度的调节是本发明的最终目的。