本發(fā)明涉及進(jìn)給系統(tǒng)振動(dòng)控制領(lǐng)域，特別是涉及一種主動(dòng)渦流阻尼裝置及包含該主動(dòng)渦流阻尼裝置的進(jìn)給系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著科技的不斷發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人開始走出工廠的流水線，走進(jìn)人們的日常生活。剛度大、運(yùn)動(dòng)精確高，以及速度快是工業(yè)機(jī)器人的顯著特點(diǎn)，也正是這些特點(diǎn)阻礙了人機(jī)共融的腳步。

人機(jī)共融對(duì)機(jī)器人提出了幾點(diǎn)要求。首先，是機(jī)器人具有柔順性，即能夠?qū)崿F(xiàn)位置速度控制并表現(xiàn)出一定的力的特性，從而使機(jī)器人像人一樣智能地完成任務(wù)。其次，在機(jī)器人與外界環(huán)境交互過程中，如遇到外部力的沖擊，需要吸收外部沖擊的能量以保護(hù)機(jī)器人不收損害。再者，對(duì)于行走的機(jī)器人，如果能夠吸收行走過程中的沖擊能量并適時(shí)釋放，這對(duì)于機(jī)器人節(jié)省能量有巨大的幫助。

機(jī)器人關(guān)節(jié)是一個(gè)機(jī)電一體化裝置，包括關(guān)節(jié)主體與輸出端，關(guān)節(jié)主體連接一段機(jī)械臂，輸出端連接另一段機(jī)械臂或是執(zhí)行件連接輸出動(dòng)力，主要作用是像電機(jī)一樣輸出驅(qū)動(dòng)力(或是驅(qū)動(dòng)力矩)。不同于電機(jī)，機(jī)器人關(guān)節(jié)包含減速機(jī)、位置傳感器、力傳感器、剎車等零部件，以及電路板等電子電路裝置，這些器件使機(jī)器人關(guān)節(jié)更加智能地工作。實(shí)現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)柔順性的方法包括：

(1)單純使用控制算法：就是編制柔順控制算法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)的柔順性。

(2)使用串聯(lián)彈性元件配合控制算法：就是在關(guān)節(jié)傳動(dòng)鏈中加入彈性元件，一般是彈簧，配合控制算法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)的柔順性。其示意圖如圖1，其中，100是關(guān)節(jié)主體，其內(nèi)部包含電機(jī)、軸承、減速機(jī)、傳感器等零部件；200是彈性元件，一般為彈簧；300是輸出端，其與下一段機(jī)械臂或是執(zhí)行件連接輸出動(dòng)力。

(3)關(guān)節(jié)配合變剛度傳導(dǎo)模塊：其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2，其結(jié)構(gòu)同圖1大致相同，不同的是傳導(dǎo)部分不是單一的彈簧，還使用其他機(jī)械機(jī)構(gòu)，構(gòu)成一個(gè)剛度可以變化的傳導(dǎo)模塊201，例如申請(qǐng)?zhí)枮镃N201510762250.3的專利文獻(xiàn)中公開的模塊化變剛度關(guān)節(jié)。

單純使用控制算法的方法雖然可以使柔順控制算法簡(jiǎn)單，但是缺少緩沖外部載荷的功能，在有外部沖擊載荷的情況下不能保護(hù)機(jī)器人。

使用串聯(lián)彈性元件配合控制算法的方法雖然能夠緩沖外部載荷，但是由于內(nèi)部彈簧的剛度是無法發(fā)生變化的，造成整個(gè)關(guān)節(jié)傳遞鏈的帶寬是一定的。

使用圖2所示的關(guān)節(jié)配合變剛度機(jī)構(gòu)的方法，因?yàn)樽儎偠葌鲗?dǎo)機(jī)構(gòu)夾在關(guān)節(jié)主體和輸出端之間，雖然變剛度傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)是模塊化的，可以任意更換不同的變剛度傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)，但是由于更換時(shí)需要拆卸關(guān)節(jié)，所以造成機(jī)器人的裝配精度下降，影響機(jī)器人的性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述技術(shù)現(xiàn)狀，本發(fā)明提供一種可變剛度的傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)，包括力矩輸入端、可變剛度傳導(dǎo)模塊以及力矩輸出軸；

所述的可變剛度傳導(dǎo)模塊包括齒輪A、齒輪B、至少一個(gè)滾子，以及凸輪；齒輪A與齒輪B齒合；凸輪表面連接翅片彈簧；凸輪連接在力矩輸出軸的一端；齒輪B沿軸向套接在凸輪表面，并且齒輪B的套接面與凸輪的曲面形成若干滑槽；滾子放置在所述滑槽內(nèi)；

輸入端的力矩通過齒輪A傳給齒輪B，齒輪B轉(zhuǎn)動(dòng)，壓緊滾子在滑槽內(nèi)滾動(dòng)擠壓翅片彈簧并向翅片彈簧根部方向運(yùn)動(dòng)，力矩通過滾子傳給凸輪，然后傳至力矩輸出軸。

力矩越大，擠壓量越大，滾子就越向翅片彈簧根部運(yùn)動(dòng)，彈簧剛度變大。

為了調(diào)節(jié)滾子在所述滑槽中的初始位置，作為優(yōu)選，所述的可變剛度傳導(dǎo)模塊還包括預(yù)壓電機(jī)，用于產(chǎn)生預(yù)壓力矩，該預(yù)壓力矩通過齒輪A、齒輪B，使?jié)L子在滑槽內(nèi)滾動(dòng)至一定位置，例如，擠壓翅片彈簧至一定剛度。

作為優(yōu)選，所述的凸輪和力矩輸出軸采用花鍵連接。

上述可變剛度的傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)可用于機(jī)器人關(guān)節(jié)，如圖3所示，該機(jī)器人關(guān)節(jié)包括關(guān)節(jié)主體與輸出端；

所述的關(guān)節(jié)主體包括電機(jī)、減速器；

所述的可變剛度的傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)連接中，力矩輸入端與減速器輸出端連接，力矩輸出軸的另一端連接所述的輸出端(如上所述，力矩輸出軸的一端連接凸輪)。

即，由于力矩輸出軸的連接，如圖3所示，可變剛度傳導(dǎo)模塊與輸出端可位于關(guān)節(jié)主體的兩側(cè)，也就是說，可變剛度傳導(dǎo)模塊沒有位于關(guān)節(jié)主體與輸出端之間的限制，這樣的設(shè)計(jì)有利于變剛度模塊的更換等，提高了機(jī)器人的裝配精度。

作為優(yōu)選，所述的減速器為諧波減速器。

作為優(yōu)選，所述的電機(jī)采用空心軸電機(jī)，電機(jī)的定子固定在機(jī)器人關(guān)節(jié)的外殼上，轉(zhuǎn)子固定在空心軸外部，空心軸用軸承支撐。為了進(jìn)行掉電保護(hù)，所述的電機(jī)設(shè)置剎車(制動(dòng)器)，作為一種優(yōu)選，所述剎車放在空心軸內(nèi)部，剎車包括剎車定子和剎車轉(zhuǎn)子兩部分，剎車轉(zhuǎn)子固定在空心軸的內(nèi)部，剎車定子固定在端盤上，端盤和機(jī)器人關(guān)節(jié)的外殼相連，因此剎車定子相對(duì)于外殼是固定的。該剎車采用電磁制動(dòng)，通電時(shí)，剎車轉(zhuǎn)子和剎車定子分離，在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力作用下，剎車轉(zhuǎn)子跟隨空心軸轉(zhuǎn)動(dòng)；斷電時(shí)，剎車定子吸引剎車轉(zhuǎn)子，兩者抱合在一起，將空心軸鎖住，電機(jī)則不能對(duì)外界輸出力矩。這種設(shè)計(jì)起到掉電保護(hù)作用。從徑向看，這種剎車位于電機(jī)的內(nèi)部，即剎車電機(jī)徑向布置，縮短了機(jī)器人關(guān)節(jié)的軸向長(zhǎng)度。

綜上所述，本發(fā)明采用凸輪、滾子、翅片彈簧，以及力矩輸出軸，通過滾子翅片彈簧，實(shí)現(xiàn)了可變剛度的力矩傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)，具有如下有益效果：

(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，彈性原件和凸輪融為一體，降低了可變剛度的力矩傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度。當(dāng)力矩越大，擠壓量越大，滾子就越向翅片彈簧根部移動(dòng)，彈簧剛度變大，從而實(shí)現(xiàn)了力矩傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)的可變剛度。

(2)將該可變剛度的力矩傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于機(jī)器人關(guān)節(jié)時(shí)，整個(gè)關(guān)節(jié)可以有很大的帶寬，并且在有外部沖擊的時(shí)候能夠吸收外部沖擊能量，保護(hù)機(jī)器人關(guān)節(jié)不被損壞。另外，由于力矩輸出軸的連接，可變剛度傳導(dǎo)模塊與輸出端可位于關(guān)節(jié)主體的兩側(cè)，因此該傳導(dǎo)模塊更換方便，更換該傳導(dǎo)模塊時(shí)無需拆卸關(guān)節(jié)主體，解決了現(xiàn)有力矩傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)位于機(jī)器人關(guān)節(jié)與輸出端時(shí)造成的更換力矩傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)必須拆卸關(guān)節(jié)主體而導(dǎo)致的機(jī)器人的裝配精度下降，影響機(jī)器人的性能的問題。

(3)作為優(yōu)選，設(shè)置剎車用于電機(jī)掉電保護(hù)，并且當(dāng)剎車位于電機(jī)的內(nèi)部，即剎車電機(jī)徑向布置，有利于縮短了機(jī)器人關(guān)節(jié)的軸向長(zhǎng)度。

附圖說明

圖1是串聯(lián)彈性元件配合控制算法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)柔順性的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是關(guān)節(jié)主體配合變剛度傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)柔順性的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明中后置可變剛度模塊的機(jī)器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例1中機(jī)器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的軸向剖面示意圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例1機(jī)器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中可變剛度傳導(dǎo)模塊的徑向剖面示意圖。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明，需要指出的是，以下所述實(shí)施例旨在便于對(duì)本發(fā)明的理解，而對(duì)其不起任何限定作用。

圖1-5中的附圖標(biāo)記為：關(guān)節(jié)主體100，彈性元件200，傳導(dǎo)模塊201，輸出端300，定子1，轉(zhuǎn)子2，諧波減速器3，柔輪4，固定板5，連接件6，可變剛度傳導(dǎo)模塊7，預(yù)壓電機(jī)8，齒輪9，齒輪10，凸輪11，力矩輸出軸12，輸出端13，傳感器14，外殼15，剎車的定子16，傳感器17，滾子18，翅片彈簧19，剎車的轉(zhuǎn)子20，端盤21。

本實(shí)施例中，如圖3所示，機(jī)器人關(guān)節(jié)包括關(guān)節(jié)主體100，位于該關(guān)節(jié)主體一側(cè)的輸出端300，以及位于該關(guān)節(jié)主體另一側(cè)的可變剛度傳導(dǎo)模塊200。即，可變剛度傳導(dǎo)模塊置于關(guān)節(jié)主體與輸出端的一端端部，而非位于關(guān)節(jié)主體與輸出端之間。

如圖2所示，從整體上，15部分是關(guān)節(jié)主體的外殼，其內(nèi)部為關(guān)節(jié)主體結(jié)構(gòu)，7框圖內(nèi)部是可變剛度傳導(dǎo)模塊結(jié)構(gòu)，12是力矩輸出軸，力矩輸出軸連接輸出端13，本實(shí)施例中，輸出端13是力矩傳感器。工作時(shí)，15連接機(jī)器人的一個(gè)臂，輸出端13連接機(jī)器人的另一個(gè)臂。

關(guān)節(jié)主體包括電機(jī)與減速器。電機(jī)采用空心傳動(dòng)軸電機(jī)，包括定子1與動(dòng)子1。減速器是諧波減速器3。定子1和外殼15連接在一起，轉(zhuǎn)子2固定在空心傳動(dòng)軸外部，空心傳動(dòng)軸兩端用軸承連接，軸承和外殼15連接起到支撐作用?？招膫鲃?dòng)軸和諧波減速器3的波發(fā)生器連接，諧波減速器和外殼15連接。柔輪4與固定板5連接?？勺儎偠葌鲗?dǎo)模塊7整體通過連接件6與固定板5連在一起。連接板5用軸承支撐，軸承和外殼15連接在一起。

如圖4與5所示，可變剛度傳導(dǎo)模塊7包括齒輪9、齒輪10、滾子18，以及凸輪11。齒輪9與齒輪10齒合。凸輪11由彈性材料制成，并且凸輪11表面連接翅片彈簧。力矩輸出軸12的一端通過花鍵連接到凸輪11，另一端通過螺栓連接輸出端13。齒輪10沿軸向套接在凸輪11表面，并且齒輪10的套接面與凸輪的曲面形成若干滑槽，滾子放置在該滑槽內(nèi)。

傳動(dòng)過程中，轉(zhuǎn)子2相對(duì)于定子1運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生力矩，空心傳動(dòng)軸將力矩傳到諧波減速器3，柔輪4輸出力矩，通過連接板5將力矩傳送到可變剛度傳導(dǎo)模塊7中?？勺儎偠葌鲗?dǎo)模塊7中的該輸入力矩通過齒輪A傳給齒輪B，齒輪B轉(zhuǎn)動(dòng)壓緊滾子18，滾子18在滑槽內(nèi)滾動(dòng)，從而擠壓翅片彈簧19，力矩通過滾子18傳給凸輪11，然后傳至力矩輸出軸12，通過力矩輸出軸12傳遞至輸出端13。力矩越大，擠壓量越大，滾子18就越向翅片彈簧根部移動(dòng)，彈簧剛度變大，從而實(shí)現(xiàn)剛度可變傳導(dǎo)。

本實(shí)施例中，如圖4所示，包括四個(gè)滾子18，每個(gè)滾子擠壓一個(gè)翅片彈簧19。如圖4所示，由于滾子被壓緊滾動(dòng)是雙向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)向一個(gè)方向滾動(dòng)時(shí)，其中兩個(gè)滾子向其對(duì)應(yīng)的翅片彈簧根部移動(dòng)，當(dāng)向另一個(gè)方向滾動(dòng)時(shí)，另外兩個(gè)滾子向其對(duì)應(yīng)的翅片彈簧根部移動(dòng)。

可變剛度傳導(dǎo)模塊中還包括預(yù)壓電機(jī)8，其通過多個(gè)齒輪將動(dòng)力力矩傳送給齒輪10，調(diào)滾子18和凸輪11的相對(duì)位置，從而能夠?qū)崿F(xiàn)剛度調(diào)控，使整個(gè)關(guān)節(jié)可以有很大的帶寬，并且在有外部沖擊的時(shí)候能夠吸收外部沖擊能量，保護(hù)機(jī)器人關(guān)節(jié)不被損壞。

傳感器14的外殼固定在外殼15上，內(nèi)圈固定在空心傳動(dòng)軸上，用于測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速。傳感器17用于測(cè)量輸出端的轉(zhuǎn)速，其內(nèi)圈通過連接件連接到外殼上，外圈通過連接件連到輸出端的力矩傳感器上，力矩傳感器通過軸承連接到外殼上。

剎車設(shè)置在電機(jī)內(nèi)部，其中剎車包括剎車定子16和剎車轉(zhuǎn)子20兩部分，剎車轉(zhuǎn)子20固定在空心傳動(dòng)軸的內(nèi)部，剎車定子16固定在端盤21上，端盤21和機(jī)器人關(guān)節(jié)的外殼15相連，所以剎車定子16是相對(duì)于外殼15固定的。剎車采用電磁制動(dòng)，通電時(shí)，剎車轉(zhuǎn)子20和剎車定子16分離，在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力作用下，剎車轉(zhuǎn)子20跟隨空心傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；斷電時(shí)，剎車定子16吸引剎車轉(zhuǎn)子20，兩者抱合在一起，將空心傳動(dòng)軸鎖住，電機(jī)則不能對(duì)外界輸出力矩，這種設(shè)計(jì)起到掉電保護(hù)作用。

本實(shí)施中，由于可變剛度傳導(dǎo)模塊7位于關(guān)節(jié)主體的后邊，因此只要滿足固定板5和力矩輸出軸12上的連接方式和連接尺寸就可以重新設(shè)計(jì)新的可變剛度傳導(dǎo)模塊，直接連接到關(guān)節(jié)的后邊而不用將整個(gè)關(guān)節(jié)從機(jī)械臂上拆下，這個(gè)過程不影響機(jī)械臂和關(guān)節(jié)的裝配精度，并且促進(jìn)新的可變剛度傳導(dǎo)模塊的產(chǎn)生，意義重大。

以上所述的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則范圍內(nèi)所做的任何修改、補(bǔ)充或類似方式替代等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。