本發(fā)明涉及機器人技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種凸輪結(jié)構(gòu)變剛度彈性關(guān)節(jié)。

背景技術(shù)：
隨著科技的飛速發(fā)展，機器人技術(shù)在現(xiàn)階段的應(yīng)用是非常廣泛的，尤其是在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)。目前，隨著機器人技術(shù)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(shù)和適應(yīng)性要求有所提高。這也是現(xiàn)階段國內(nèi)外研究的熱點。從機器人的整個組成結(jié)構(gòu)來看，機器人關(guān)節(jié)是機器人實現(xiàn)各種運動的關(guān)鍵零部件?，F(xiàn)有機器人技術(shù)應(yīng)用較多的主要是剛性關(guān)節(jié)和彈性關(guān)節(jié)。針對變剛度機器人關(guān)節(jié)的應(yīng)用技術(shù)是比較少的。變剛度機器人彈性關(guān)節(jié)能夠根據(jù)任務(wù)要求，實時調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)剛度，從而提高機器人的適應(yīng)性。變剛度關(guān)節(jié)驅(qū)動器可能的應(yīng)用領(lǐng)域包括：提升服務(wù)機器人人機交互的安全性；在假肢關(guān)節(jié)中應(yīng)用可以有效地抵抗外力的沖擊，保護(hù)關(guān)節(jié)免遭破壞。變剛度機器人彈性關(guān)節(jié)能夠有效地提高機器人對環(huán)境的適應(yīng)性并擴(kuò)大機器人的應(yīng)用領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。研究如何提高機器人的適應(yīng)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(yīng)性。被動柔性難以進(jìn)行主動控制，應(yīng)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。國外對變剛度機器人彈性關(guān)節(jié)的研究比較多，主要集中在實現(xiàn)結(jié)構(gòu)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(shè)計很多結(jié)構(gòu)來看，其結(jié)構(gòu)還是存在很多問題，如變剛度機器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，變剛度特性差，控制復(fù)雜，能量消耗大，安全性較低等。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有變剛度機器人彈性關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，變剛度特性差，控制復(fù)雜，能量消耗大，安全性較低，提供一種結(jié)構(gòu)簡單，可以實現(xiàn)在機器人關(guān)節(jié)運動過程中剛度實時可調(diào)的機器人變剛度結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案來實現(xiàn)的：一種凸輪結(jié)構(gòu)變剛度彈性關(guān)節(jié)，由外殼(1)、軸(5)和外圈(2)組成；其特征在于所述軸(5)設(shè)置于外殼(1)的回轉(zhuǎn)中心，并且與外殼(1)之間為固定連接，外殼(1)與外圈(2)之間為轉(zhuǎn)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)一端與外圈(2)固聯(lián)，另一端穿過彈簧(3)與軸(5)固聯(lián)；所述彈簧(3)一端連接在軸(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(jié)構(gòu)，且凸輪盤(6)與軸(5)之間為轉(zhuǎn)動副連接；所述每個滑動塊(8)上端均設(shè)置有凸輪滾子(9)，凸輪盤(6)與凸輪滾子(9)構(gòu)成凸輪傳動。上述方案中，所述一種凸輪結(jié)構(gòu)變剛度彈性關(guān)節(jié)還包括固定塊(4)結(jié)構(gòu)，固定塊(4)固定連接在軸(5)上，且中間設(shè)置有滑動塊(8)的滑動槽，滑動塊(8)可在滑動槽中相對于固定塊(4)滑動。上述方案中，所述凸輪盤的中心對稱結(jié)構(gòu)具體為：凸輪盤上，對應(yīng)于滑動塊上的凸輪滾子處，設(shè)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。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(guān)節(jié)不同剛度的曲線特性。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。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(yù)緊作用，同時在凸輪回旋時，對滑動塊有回復(fù)作用。上述方案中，所述滑動塊(8)內(nèi)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(qū)動電機的起動力矩。上述方案中，更進(jìn)一步，所述滑動塊(8)外側(cè)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。上述方案中，所述彈簧片(7)為多個彈簧薄片的疊加結(jié)構(gòu)，使得變剛度彈性關(guān)節(jié)的力學(xué)性能更好。本發(fā)明所述的一種凸輪結(jié)構(gòu)變剛度彈性關(guān)節(jié)實現(xiàn)變剛度的工作原理為：所述外殼(1)固定不動，通過外加電機驅(qū)動凸輪盤(6)轉(zhuǎn)動，當(dāng)外加電機驅(qū)動凸輪盤(6)沿順時針方向轉(zhuǎn)動時，通過凸輪傳動，在彈簧(3)預(yù)緊力的作用下，滑動塊(8)沿彈簧片(7)同時向軸心一側(cè)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(guān)節(jié)的剛度變小。當(dāng)外加電機驅(qū)動凸輪盤(6)沿逆時針方向轉(zhuǎn)動時，滑動塊(8)會在凸輪盤(6)的反向驅(qū)動下同時向外側(cè)移動，使彈簧片(7)的有效長度減小，從而使關(guān)節(jié)剛度變大。本發(fā)明的一種凸輪結(jié)構(gòu)變剛度彈性關(guān)節(jié)可用在各種機器人彈性關(guān)節(jié)的系統(tǒng)中，特別是用于剛度可調(diào)的機器人彈性關(guān)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(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的剛度可調(diào)。彈簧片剛度的調(diào)節(jié)通過外接電機驅(qū)動凸輪盤，通過電機的正反轉(zhuǎn)，從而可以控制彈簧片剛度的變化。本發(fā)明提出的一種凸輪結(jié)構(gòu)變剛度彈性關(guān)節(jié)，克服了原有機器人彈性關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，控制方式復(fù)雜，以及使用場合有限等缺陷。此結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)相對簡單，可以實現(xiàn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動兩個方向的抗沖擊特性，并且控制關(guān)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(jié)構(gòu)簡單，制造加工容易，便于結(jié)構(gòu)自身的更換，且整個結(jié)構(gòu)剛度控制方式相對簡單。使用凸輪傳動結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)緊湊，傳動傳動效率高，變剛度響應(yīng)快，變剛度過程穩(wěn)定。采用彈簧回復(fù)結(jié)構(gòu)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(guān)節(jié)的剛度特性曲線，以適應(yīng)不同的工作場合。附圖說明圖1是本發(fā)明的示意圖。圖2是本發(fā)明的凸輪盤示意圖。圖3是本發(fā)明的滑動塊示意圖。圖4是本發(fā)明的外圈示意圖。圖5是本發(fā)明的外殼示意圖。圖6是本發(fā)明的軸示意圖。圖7是本發(fā)明的固定塊示意圖。圖8是本發(fā)明的彈簧片示意圖。圖9是本發(fā)明的彈簧示意圖。圖10是本發(fā)明的凸輪滾子示意圖。圖11是本發(fā)明所述6軸工業(yè)機器人實施例示意圖。圖12是本發(fā)明所述仿生機器人實施例示意圖。圖13是本發(fā)明所述人體假肢腿部實施例示意圖。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。具體實施方式下面結(jié)合附圖及實施例進(jìn)一步詳述本發(fā)明，但本發(fā)明不僅限于所述實施例。實施例一一種凸輪結(jié)構(gòu)變剛度彈性關(guān)節(jié)，由外殼(1)、軸(5)和外圈(2)組成；其特征在于所述軸(5)設(shè)置于外殼(1)的回轉(zhuǎn)中心，并且與外殼(1)之間為固定連接，外殼(1)與外圈(2)之間為轉(zhuǎn)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)一端與外圈(2)固聯(lián)，另一端穿過彈簧(3)與軸(5)固聯(lián)；所述彈簧(3)一端連接在軸(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(jié)構(gòu)，且凸輪盤(6)與軸(5)之間為轉(zhuǎn)動副連接；所述每個滑動塊(8)上端均設(shè)置有凸輪滾子(9)，凸輪盤(6)與凸輪滾子(9)構(gòu)成凸輪傳動。本實施例中，所述凸輪盤(6)與滑動塊(8)之間為凸輪傳動，凸輪盤(6)的輪廓形狀決定了關(guān)節(jié)變剛度的曲線特性。本例的一種凸輪結(jié)構(gòu)變剛度彈性關(guān)節(jié)的變剛度過程為：所述外殼(1)固定不動，通過外加電機驅(qū)動凸輪盤(6)轉(zhuǎn)動，當(dāng)外加電機驅(qū)動凸輪盤(6)沿順時針方向轉(zhuǎn)動時，在彈簧(3)預(yù)緊力的作用下，滑動塊(8)沿彈簧片(7)同時向軸心一側(cè)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(guān)節(jié)的剛度變小。當(dāng)外加電機驅(qū)動凸輪盤(6)沿逆時針方向轉(zhuǎn)動時，滑動塊(8)會在凸輪盤(6)的反向驅(qū)動下同時向外側(cè)移動，使彈簧片(7)的有效長度減小，從而使關(guān)節(jié)剛度變大。如圖11所示，本例的一種凸輪結(jié)構(gòu)變剛度彈性關(guān)節(jié)安裝在6軸工業(yè)機器人末端，輸入端8與彈性關(guān)節(jié)的外殼1固定連接，外圈2與輸出端11固定連接。在應(yīng)用過程中，預(yù)先根據(jù)工況信息設(shè)置好本彈性關(guān)節(jié)的剛度特性，當(dāng)電機帶動輸入端8轉(zhuǎn)動時，外負(fù)載會對輸出端11產(chǎn)生沖擊，本例的彈性關(guān)節(jié)會通過彈簧片7的彈性作用產(chǎn)生緩沖作用，使得外圈2與外殼1之間具有彈性作用，有效地保護(hù)了工業(yè)機器人關(guān)節(jié)，提高其使用壽命。實施例二如圖12所示，本例的一種凸輪結(jié)構(gòu)變剛度彈性關(guān)節(jié)安裝在六足仿生機器人的腿部關(guān)節(jié)處，仿生機器人腿部輸入端12與彈性關(guān)節(jié)的外殼1固定連接，外圈2與仿生機器人腿部輸出端13固定連接。在應(yīng)用過程中，預(yù)先根據(jù)工況信息設(shè)置好本彈性關(guān)節(jié)的剛度特性，在仿生機器人行走的過程中，電機帶動仿生機器人腿部輸入端12轉(zhuǎn)動時，外負(fù)載會對仿生機器人腿部輸出端13產(chǎn)生沖擊，本例的彈性關(guān)節(jié)會通過彈簧片7的彈性作用產(chǎn)生緩沖作用，使得外圈2與外殼1之間具有彈性作用，有效地保護(hù)了仿生機器人腿部關(guān)節(jié)，提高其使用壽命。實施例三如圖13所示，本例的一種凸輪結(jié)構(gòu)變剛度彈性關(guān)節(jié)安裝在人體假肢腿部關(guān)節(jié)處，人體假肢大腿到小腿之間的關(guān)節(jié)處安裝有彈性關(guān)節(jié)，驅(qū)動小腿的輸入端與彈性關(guān)節(jié)的外殼1固定連接，外圈2與假肢小腿15固定連接，在應(yīng)用過程中，預(yù)先根據(jù)工況信息設(shè)置好本彈性關(guān)節(jié)的剛度特性，在假肢行走的過程中，電機帶動假肢小腿15輸入端轉(zhuǎn)動時，外負(fù)載會對假肢小腿15產(chǎn)生沖擊，本例的彈性關(guān)節(jié)會通過彈簧片7的彈性作用產(chǎn)生緩沖作用，使得外圈2與外殼1之間具有彈性作用，有效地保護(hù)了假肢腿部關(guān)節(jié)，提高其使用壽命。實施例四本例的一種凸輪結(jié)構(gòu)變剛度彈性關(guān)節(jié)滑動塊8內(nèi)槽與外側(cè)兩端均安裝有滾子，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(qū)動電機的起動力矩，其余同實施例一。實施例五本例的一種凸輪結(jié)構(gòu)變剛度彈性關(guān)節(jié)彈簧片7如圖8所示，彈簧片的材料是常用的彈簧鋼材料，其余同實施例四。實施例六本例的一種凸輪結(jié)構(gòu)變剛度彈性關(guān)節(jié)彈簧片7如圖8所示，彈簧片是多個薄片的疊加形式，其余同實施例五。實施例七本例的一種凸輪結(jié)構(gòu)變剛度彈性關(guān)節(jié)彈簧片7如圖8所示，彈簧片的截面形狀是可變的，其余同實施例五。彈簧片7的截面形狀的設(shè)計，影響其剛度特性，可以根據(jù)機器人彈性關(guān)節(jié)的適用場合來設(shè)計彈簧片截面形狀，以滿足彈性關(guān)節(jié)所需剛度特性曲線，使彈性關(guān)節(jié)適應(yīng)不同的工作環(huán)境，延長其使用壽命，提高其使用性能。