一種凸輪結構變剛度彈性關節(jié)的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及機器人技術領域，具體涉及一種凸輪結構變剛度彈性關節(jié)。
【背景技術】
[0002]隨著科技的飛速發(fā)展，機器人技術在現(xiàn)階段的應用是非常廣泛的，尤其是在工業(yè)領域內。目前，隨著機器人技術向柔性方面的發(fā)展，多臺機器人的協(xié)同工作，以及機器人與人之間的交互作用等越來越普遍。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，必將對機器人的柔性技術和適應性要求有所提高。這也是現(xiàn)階段國內外研究的熱點。
[0003]從機器人的整個組成結構來看，機器人關節(jié)是機器人實現(xiàn)各種運動的關鍵零部件?，F(xiàn)有機器人技術應用較多的主要是剛性關節(jié)和彈性關節(jié)。針對變剛度機器人關節(jié)的應用技術是比較少的。
[0004]變剛度機器人彈性關節(jié)能夠根據(jù)任務要求，實時調節(jié)關節(jié)剛度，從而提高機器人的適應性。變剛度關節(jié)驅動器可能的應用領域包括:提升服務機器人人機交互的安全性；在假肢關節(jié)中應用可以有效地抵抗外力的沖擊，保護關節(jié)免遭破壞。變剛度機器人彈性關節(jié)能夠有效地提高機器人對環(huán)境的適應性并擴大機器人的應用領域，具有廣泛的應用前景。
[0005]研究如何提高機器人的適應性的過程中。通常使用被動柔性和主動力控制來提高機器人的適應性。被動柔性難以進行主動控制，應用面較窄。主動力控制對力傳感器的精度、采樣頻率的帶寬和控制算法的實時性要求較高；其安全性難以保證，且魯棒性較低，能量消耗較大。
[0006]國外對變剛度機器人彈性關節(jié)的研究比較多，主要集中在實現(xiàn)結構的變剛度，能量效率的優(yōu)化，以及控制方法的研究。但從國外所設計很多結構來看，其結構還是存在很多問題，如變剛度機器人關節(jié)結構復雜，變剛度特性差，控制復雜，能量消耗大，安全性較低等。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有變剛度機器人彈性關節(jié)的結構相對復雜，變剛度特性差，控制復雜，能量消耗大，安全性較低，提供一種結構簡單，可以實現(xiàn)在機器人關節(jié)運動過程中剛度實時可調的機器人變剛度結構。
[0008]本發(fā)明的目的是通過下述技術方案來實現(xiàn)的:
一種凸輪結構變剛度彈性關節(jié)，由外殼(1)、軸(5)和外圈(2)組成；其特征在于所述軸
(5)設置于外殼(I)的回轉中心，并且與外殼(I)之間為固定連接，外殼(I)與外圈(2)之間為轉動副連接；所述外圈(2)上徑向安裝有對稱的多個彈簧片(7)，每個彈簧片(7) —端與外圈(2)固聯(lián)，另一端穿過彈簧(3)與軸(5)固聯(lián)；所述彈簧(3)—端連接在軸(5)上，另一端連接在滑動塊(8)上；所述滑動塊(8)安裝在彈簧片(7)中間部位，隨彈簧片(7)對稱分布，且與彈簧片(7)之間為滑動連接；所述軸(5)上安裝有凸輪盤(6)，凸輪盤(6)為中心對稱結構，且凸輪盤(6)與軸(5)之間為轉動副連接；所述每個滑動塊(8)上端均設置有凸輪滾子(9)，凸輪盤(6)與凸輪滾子(9)構成凸輪傳動。
[0009]上述方案中，所述一種凸輪結構變剛度彈性關節(jié)還包括固定塊(4)結構，固定塊
(4)固定連接在軸(5)上，且中間設置有滑塊(8)的滑動槽，滑塊(8)可在滑動槽中相對于固定塊(4)滑動。
[0010]上述方案中，所述凸輪盤的中心對稱結構具體為:凸輪盤上，對應于滑動塊上的凸輪滾子處，設置有凸輪行程輪廓，多個凸輪行程輪廓以凸輪盤中心對稱分布。
[0011]上述方案中，所述凸輪盤(6)與滑動塊(8)上的凸輪滾子(9)之間為凸輪傳動，凸輪盤(6)的行程輪廓為多項式曲線輪廓、正弦曲線輪廓、余弦曲線輪廓、螺旋線輪廓等，不同的行程輪廓決定了彈性關節(jié)不同剛度的曲線特性。
[0012]上述方案中，所述滑動塊(8 )在彈簧片(7 )上滑動的有效長度決定了彈簧片(7 )的剛度可控范圍。
[0013]上述方案中，所述彈簧(3 )為拉彈簧，對于凸輪盤(6 )與滑動塊(8 )上凸輪滾子(9 )之間的凸輪傳動具有預緊作用，同時在凸輪回旋時，對滑動塊有回復作用。
[0014]上述方案中，所述滑動塊(8)內槽兩端安裝有滾子，在滑動塊(8)沿彈簧片(7)滑動的過程中，實現(xiàn)變滑動摩擦為滾動摩擦，有效地減小了能量的損失，減小了驅動電機的起動力矩。
[0015]上述方案中，更進一步，所述滑動塊(8)外側兩端也安裝有滾子，在滑動塊(8)沿固定塊(4 )上的滑動槽滑動的過程中，實現(xiàn)變滑動摩擦為滾動摩擦。
[0016]上述方案中，所述彈簧片(7)為多個彈簧薄片的疊加結構，使得變剛度彈性關節(jié)的力學性能更好。
[0017]本發(fā)明所述的變剛度機器人彈性關節(jié)實現(xiàn)變剛度的工作原理為:所述外殼(I)固定不動，通過外加電機驅動凸輪盤(6)轉動，當外加電機驅動凸輪盤(6)沿順時針方向轉動時，通過凸輪傳動，在彈簧(3)預緊力的作用下，滑動塊(8)沿彈簧片(7)同時向軸心一側移動，從而改變外圈(2)與滑動塊(8)之間彈簧片(7)的有效長度，使彈簧片(7)的有效長度變大，從而使關節(jié)的剛度變小。當外加電機驅動凸輪盤(6 )沿逆時針方向轉動時，滑動塊
(8)會在凸輪盤(6)的反向驅動下同時向外側移動，使彈簧片(7)的有效長度減小，從而使關節(jié)剛度變大。
[0018]本發(fā)明的一種凸輪結構變剛度彈性關節(jié)可用在各種機器人彈性關節(jié)的系統(tǒng)中，特別是用于剛度可調的機器人彈性關節(jié)系統(tǒng)中。其特點在于采用凸輪盤與滑動塊上凸輪滾子之間凸輪傳動的方式實現(xiàn)滑動塊沿彈簧片的相對移動，控制彈簧片的有效工作長度，從而實現(xiàn)該彈性關節(jié)結構的剛度可調。彈簧片剛度的調節(jié)通過外接電機驅動凸輪盤，通過電機的正反轉，從而可以控制彈簧片剛度的變化。
[0019]本發(fā)明提出的一種變剛度機器人彈性關節(jié)，克服了原有機器人彈性關節(jié)的結構相對復雜，控制方式復雜，以及使用場合有限等缺陷。此結構具有結構相對簡單，可以實現(xiàn)關節(jié)轉動兩個方向的抗沖擊特性，并且控制關節(jié)位置與剛相對獨立的特點。上述方案中，使用彈簧片，其結構簡單，制造加工容易，便于結構自身的更換，且整個結構剛度控制方式相對簡單。使用凸輪傳動結構，其結構緊湊，傳動傳動效率高，變剛度響應快，變剛度過程穩(wěn)定。采用彈簧回復結構使得變剛度過程連續(xù)可靠。通過改變凸輪盤形成輪廓，可以改變彈性關節(jié)的剛度特性曲線，以適應不同的工作場合。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明的示意圖。
[0021]圖2是本發(fā)明的凸輪盤示意圖。
[0022]圖3是本發(fā)明的滑動塊示意圖。
[0023]圖4是本發(fā)明的外圈示意圖。
[0024]圖5是本發(fā)明的外殼示意圖。
[0025]圖6是本發(fā)明的軸示意圖。
[0026]圖7是本發(fā)明的固定塊示意圖。
[0027]圖8是本發(fā)明的彈簧片示意圖。
[0028]圖9是本發(fā)明的彈簧示意圖。
[0029]圖10是本發(fā)明的凸輪滾子示意圖。
[0030]圖11是本發(fā)明所述6軸工業(yè)機器人實施例示意圖。
[0031]圖12是本發(fā)明所述仿生機器人實施例示意圖。
[0032]圖13是本發(fā)明所述人體假肢腿部實施例示意圖。
[0033]附圖中，各數(shù)字的含義為:1:外殼；2:外圈；3:彈簧；4:固定塊；5:軸；6:凸輪盤；7:彈簧片；8:滑動塊；9:凸輪滾子；10:輸入端；11:輸出端；12:仿生機器人腿部輸入端；13:仿生機器人腿部輸出端；14:人體假肢大腿；15:人體假肢小腿。
【具體實施方式】
[0034]下面結合附圖及實施例進一步詳述本發(fā)明，但本發(fā)明不僅限于所述實施例。
[0035]實施例一一種凸輪結構變剛度彈性關