一種基于扭簧特性的變剛度關(guān)節(jié)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種變剛度關(guān)節(jié)，具體涉及一種基于扭簧特性的變剛度關(guān)節(jié)。
【背景技術(shù)】
[0002]變剛度關(guān)節(jié)是一種不同于傳統(tǒng)剛性關(guān)節(jié)的一類剛度可調(diào)的柔性關(guān)節(jié)。由于其自身剛度的可控性，使其能夠適應(yīng)更多不同應(yīng)用環(huán)境的需求。隨著機(jī)器人產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用的發(fā)展，人類生產(chǎn)生活中與機(jī)器人的接觸越來(lái)越頻繁。人機(jī)協(xié)作的安全性問(wèn)題正引起人們的重視。然而從上世紀(jì)70年代至今，世界各地陸續(xù)發(fā)生了多起機(jī)器人傷人事件。這些令人痛惜的事件的發(fā)生，提醒著人們，人機(jī)協(xié)作安全的重要性以及相關(guān)領(lǐng)域研究的迫切性。此外，由于變剛度關(guān)節(jié)的剛度可調(diào)性，使得諸如搬運(yùn)優(yōu)化，隨動(dòng)控制，軌跡跟蹤等問(wèn)題有了更廣闊的研究空間，該領(lǐng)域的研究已成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)領(lǐng)域。針對(duì)變剛度關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，很多研究者已研制了基于不同原理的變剛度關(guān)節(jié)，但其或多或少存在著一些問(wèn)題，例如結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，需要零部件多，質(zhì)量和體積較大，設(shè)計(jì)布局不合理等諸多問(wèn)題。具體地，采用對(duì)抗式彈簧的調(diào)節(jié)剛度方式不夠節(jié)能的問(wèn)題；采用特殊材料原理變剛度性能難以保證的問(wèn)題；采用杠桿原理，通過(guò)移動(dòng)彈簧的位置的調(diào)剛方式變剛度范圍小的問(wèn)題；通過(guò)基于杠桿原理的移動(dòng)支點(diǎn)位置的調(diào)節(jié)剛度方式中支點(diǎn)在槽內(nèi)滑動(dòng)摩擦耗能大和需要零部件多，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理等。經(jīng)檢索，公開(kāi)號(hào)為CN104440936A的中國(guó)發(fā)明專利，該專利公開(kāi)一種可變剛度的機(jī)器人關(guān)節(jié)，其特征是機(jī)器人關(guān)節(jié)包括過(guò)渡端，用于連接精密減速器和輸出端。輸出端由兩部分組成，通過(guò)螺栓連接，中間放有摩擦片，包括兩片副摩擦片和一片主摩擦片，摩擦片具有特殊的紋理，在螺栓施加的預(yù)緊力作用下被壓緊，產(chǎn)生摩擦力。利用摩擦片的摩擦特性進(jìn)行剛度的調(diào)節(jié)。該專利中利用摩擦特性，當(dāng)受到摩擦力大于靜摩擦力閾值時(shí)，摩擦片間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，從而改變剛度。該專利只是實(shí)現(xiàn)了某種情況下剛度值的被動(dòng)改變，從高剛度狀態(tài)到某一剛度值狀態(tài)的跳變，現(xiàn)有技術(shù)中剛度關(guān)節(jié)的缺陷是不夠節(jié)能，變剛度性能難以保證，變剛度范圍小，以及通過(guò)移動(dòng)支點(diǎn)位置的調(diào)節(jié)剛度方式的滑動(dòng)摩擦耗能大和需要零部件多，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本
【發(fā)明內(nèi)容】
是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中剛度關(guān)節(jié)的缺陷是不夠節(jié)能，變剛度性能難以保證，變剛度范圍小，以及通過(guò)基于杠桿原理的移動(dòng)支點(diǎn)位置的調(diào)節(jié)剛度方式中支點(diǎn)在槽內(nèi)滑動(dòng)摩擦耗能大和需要零部件多，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理的問(wèn)題，進(jìn)而提供一種基于扭簧特性的變剛度關(guān)節(jié)。
[0004]本發(fā)明為解決上述問(wèn)題而采用的技術(shù)方案是:
[0005]—種基于扭簧特性的變剛度關(guān)節(jié)，它包括一組扭簧、滑塊、滑軌、第一輸出盤(pán)、第二輸出盤(pán)、輸入盤(pán)、輸入盤(pán)轉(zhuǎn)軸、兩個(gè)滾子、一組扭簧支架和兩個(gè)連接件，一組扭簧包括第一扭簧和第二扭簧、一組扭簧支架包括第一扭簧支架和第二扭簧支架；第一輸出盤(pán)、第二輸出盤(pán)和輸入盤(pán)均為圓盤(pán)，第一輸出盤(pán)和第二輸出盤(pán)相對(duì)設(shè)置，第一輸出盤(pán)和第二輸出盤(pán)通過(guò)兩個(gè)連接件固定連接，且兩個(gè)連接件對(duì)稱設(shè)置，輸入盤(pán)轉(zhuǎn)軸插裝在第二輸出盤(pán)上，輸入盤(pán)轉(zhuǎn)軸與第二輸出盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)連接，輸入盤(pán)與輸入盤(pán)轉(zhuǎn)軸的一端固定，輸入盤(pán)設(shè)置在第一輸出盤(pán)和第二輸出盤(pán)之間，第二輸出盤(pán)和輸入盤(pán)同軸設(shè)置，滑軌安裝在第一輸出盤(pán)側(cè)面上，滑塊滑動(dòng)安裝在滑軌上，兩個(gè)滾子固定安裝在滑塊上，一組扭簧支架均安裝在輸入盤(pán)上，且一組扭簧支架均設(shè)置在第一輸出盤(pán)和第二輸出盤(pán)之間，第一扭簧支架和第二扭簧支架分別設(shè)置在滑軌的兩側(cè)，第一扭簧安裝在第一扭簧支架上，第二扭簧安裝在第二扭簧支架上，第一扭簧的一端固定在第一扭簧支架上，第一扭簧的另一端與一個(gè)滾子的外圓面接觸設(shè)置，第二扭簧的一端固定在第二扭簧支架上，第二扭簧的另一端與另一個(gè)滾子的外圓面接觸設(shè)置。
[0006]本發(fā)明的有益效果是:
[0007]1、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了變剛度關(guān)節(jié)變剛度原理的創(chuàng)新。所設(shè)計(jì)獨(dú)特的變剛度原理，是通過(guò)改變扭簧與滾子的作用點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)變剛度。實(shí)現(xiàn)了在輸入盤(pán)和第一輸出盤(pán)夾角相同的情況下，滑塊位置的改變，能夠改變扭簧與滾子的作用點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸入盤(pán)作用于第一輸出盤(pán)上的扭矩大小的改變。該扭矩值與輸入盤(pán)和第一輸出盤(pán)夾角的比值即為關(guān)節(jié)相對(duì)于外部而言的輸出剛度值，扭矩的改變實(shí)現(xiàn)了輸出剛度的變化。而在滑塊位置不變時(shí)，扭簧與滾子的作用點(diǎn)雖然會(huì)隨著輸入盤(pán)和第一輸出盤(pán)轉(zhuǎn)角的改變而有所改變，但其變化量很小，使得裝置的輸出剛度能夠保持穩(wěn)定，變化很小，具有較好的定剛度性能:
[0008]2、本發(fā)明創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了變剛度關(guān)節(jié)裝置輸出剛度的大范圍連續(xù)變化。當(dāng)滾子處于第一輸出盤(pán)圓心處時(shí)，輸出剛度很小，接近零剛度；隨著滾子遠(yuǎn)離圓心，輸出剛度逐漸增大，而當(dāng)滾子處于扭簧連線處時(shí)，輸出很高剛度，接近完全剛性:
[0009]3、本發(fā)明創(chuàng)新性地使用了雙滾子，雙扭簧結(jié)構(gòu)。每個(gè)滾子只有一側(cè)與扭簧臂相切，為滾動(dòng)摩擦，有效避免現(xiàn)有技術(shù)滾子在槽內(nèi)移動(dòng)時(shí)的滑動(dòng)摩擦問(wèn)題，且滾子移動(dòng)方向與扭簧扭轉(zhuǎn)方向垂直，具有調(diào)節(jié)剛度耗能低的特點(diǎn):
[0010]4、本發(fā)明創(chuàng)新性地僅使用扭簧，滾子，滑軌滑塊等較少零部件就實(shí)現(xiàn)了關(guān)節(jié)裝置的變剛度，具有所需零部件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)主視圖，圖2是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是滑塊3、滑軌4和第一輸出盤(pán)6的安裝機(jī)構(gòu)示意圖，圖4是本發(fā)明一組扭簧1變剛度原理圖，圖5是本發(fā)明一組扭簧1變剛度幾何關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]【具體實(shí)施方式】一:結(jié)合圖1-圖5說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述一種基于扭簧特性的變剛度關(guān)節(jié)，它包括一組扭簧1、滑塊3、滑軌4、第一輸出盤(pán)6、第二輸出盤(pán)7、輸入盤(pán)8、輸入盤(pán)轉(zhuǎn)軸10、兩個(gè)滾子2、一組扭簧支架5和兩個(gè)連接件9，一組扭簧1包括第一扭簧11和第二扭簧12、一組扭簧支架5包括第一扭簧支架51和第二扭簧支架52 ;第一輸出盤(pán)6、第二輸出盤(pán)7和輸入盤(pán)8均為圓盤(pán)，第一輸出盤(pán)6和第二輸出盤(pán)7相對(duì)設(shè)置，第一輸出盤(pán)6和第二輸出盤(pán)7通過(guò)兩個(gè)連接件9固定連接，且兩個(gè)連接件9對(duì)稱設(shè)置，輸入盤(pán)轉(zhuǎn)軸10插裝在第二輸出盤(pán)7上，輸入盤(pán)轉(zhuǎn)軸10與第二輸出盤(pán)7轉(zhuǎn)動(dòng)連接，輸入盤(pán)8與輸入盤(pán)轉(zhuǎn)軸10的一端固定，輸入盤(pán)8設(shè)置在第一輸出盤(pán)6和第二輸出盤(pán)7之間，第二輸出盤(pán)7和輸入盤(pán)8同軸設(shè)置，滑軌4安裝在第一輸出盤(pán)6側(cè)面上，滑塊3滑動(dòng)安裝在滑軌4上，兩個(gè)滾子2固定安裝在滑塊3上，一組扭簧支架5均安裝在輸入盤(pán)8上，且一組扭簧支架5均設(shè)置在第一輸出盤(pán)6和第二輸出盤(pán)7之間，第一扭簧支架51和第二扭簧支架52分別設(shè)置在滑軌4的兩側(cè)，第一扭簧11安裝在第一扭簧支架51上，第二扭簧12安裝在第二扭簧支架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的另一端與一個(gè)滾子2的外圓面接觸設(shè)置，且滾子2的外圓面在第一扭簧11的一端上滾動(dòng)，第二扭簧12的一端固定在第二扭簧支架52上，第二扭簧12的另一端與另一個(gè)滾子2的外圓面接觸設(shè)置，且滾子2的外圓面在第二扭簧12的一端上滾動(dòng)。
[0013]【具體實(shí)施方式】二:結(jié)合圖1和圖2說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述一種基于扭簧特性的變剛度關(guān)節(jié)，所述第一扭簧11和第二扭簧12的結(jié)構(gòu)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軸對(duì)稱設(shè)置在滑軌4的兩側(cè)，所述第一扭簧支架51和第二扭簧支架52對(duì)稱設(shè)置在滑軌4的兩側(cè)，其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0014]【具體實(shí)施方式】三:結(jié)合圖1和圖2說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述一種基于扭簧特性的變剛度關(guān)節(jié)，所述兩個(gè)連接件9中一個(gè)連接件9上加工有輸出桿件安裝接口端9-1，其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0015]【具體實(shí)施方式】四:結(jié)合圖1-圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述一種基于扭簧特性的變剛度關(guān)節(jié)，所述滑塊3包括滑塊體3-1和滑動(dòng)凸起3-2，第一輸出盤(pán)6上加工有兩個(gè)凸起，滑軌4為‘U’形板，滑軌4的內(nèi)壁上加工有兩個(gè)滑動(dòng)槽，滑動(dòng)凸起3-2安裝在滑塊體3-1上，滑動(dòng)凸起3-2設(shè)置在‘U’形板內(nèi)壁的兩個(gè)滑動(dòng)槽內(nèi)?；瑒?dòng)凸起3-2在‘U’形板的兩個(gè)滑動(dòng)槽內(nèi)滑動(dòng)，其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0016]【具體實(shí)施方式】五:結(jié)合圖1-圖2說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述一種基于扭簧特性的變剛度關(guān)節(jié)，所述第一扭簧支架51包括第一固定軸5-1和第一固定板5-2，第二扭簧支架52包括第二定軸5-3和第二固定板5-4，第一固定板5-2上加工有彈簧固定孔，第一固定軸5-1的一端與第一固定板5-2的一個(gè)側(cè)面固定，第一固定軸5-1的另一端與輸入盤(pán)8的一個(gè)側(cè)面固定，第二固定板5-4上加工有彈簧固定孔，第二定軸5-3的一端與第二固定板5-4的一個(gè)側(cè)面固定，第二定軸5-3的另一端與輸入盤(pán)8的一個(gè)側(cè)面固定，其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0017]【具體實(shí)施方式】六:結(jié)合圖1-圖2說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述一種基于扭簧特性的變剛度關(guān)節(jié)，所述第一扭簧支架51的第一固定軸5-1上套裝有第一扭簧11，第一扭簧11的一端插裝在第一固定板5-2的彈簧固定孔內(nèi)，第二扭簧支架52的第二定軸5-3上套裝有第二扭簧12，第二扭簧12的一端插裝在第二固定板5-4的彈簧固定孔內(nèi)，其它與【具體