一種凸輪結(jié)構(gòu)變剛度彈性關(guān)節(jié)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)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)】
[0002]隨著科技的飛速發(fā)展，機(jī)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(jī)器人技術(shù)向柔性方面的發(fā)展，多臺(tái)機(jī)器人的協(xié)同工作，以及機(jī)器人與人之間的交互作用等越來(lái)越普遍。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，必將對(duì)機(jī)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(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。
[0003]從機(jī)器人的整個(gè)組成結(jié)構(gòu)來(lái)看，機(jī)器人關(guān)節(jié)是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵零部件。現(xiàn)有機(jī)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(duì)變剛度機(jī)器人關(guān)節(jié)的應(yīng)用技術(shù)是比較少的。
[0004]變剛度機(jī)器人彈性關(guān)節(jié)能夠根據(jù)任務(wù)要求，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)剛度，從而提高機(jī)器人的適應(yīng)性。變剛度關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器可能的應(yīng)用領(lǐng)域包括:提升服務(wù)機(jī)器人人機(jī)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(jī)器人彈性關(guān)節(jié)能夠有效地提高機(jī)器人對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性并擴(kuò)大機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0005]研究如何提高機(jī)器人的適應(yīng)性的過(guò)程中。通常使用被動(dòng)柔性和主動(dòng)力控制來(lái)提高機(jī)器人的適應(yīng)性。被動(dòng)柔性難以進(jìn)行主動(dòng)控制，應(yīng)用面較窄。主動(dòng)力控制對(duì)力傳感器的精度、采樣頻率的帶寬和控制算法的實(shí)時(shí)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(guó)外對(duì)變剛度機(jī)器人彈性關(guān)節(jié)的研究比較多，主要集中在實(shí)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(guó)外所設(shè)計(jì)很多結(jié)構(gòu)來(lái)看，其結(jié)構(gòu)還是存在很多問(wèn)題，如變剛度機(jī)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。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有變剛度機(jī)器人彈性關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)相對(duì)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(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)在機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中剛度實(shí)時(shí)可調(diào)的機(jī)器人變剛度結(jié)構(gòu)。
[0008]本發(fā)明的目的是通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)實(shí)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(I)的回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動(dòng)副連接；所述外圈(2)上徑向安裝有對(duì)稱的多個(gè)彈簧片(7)，每個(gè)彈簧片(7) —端與外圈(2)固聯(lián)，另一端穿過(guò)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(dòng)塊(8)上；所述滑動(dòng)塊(8)安裝在彈簧片(7)中間部位，隨彈簧片(7)對(duì)稱分布，且與彈簧片(7)之間為滑動(dòng)連接；所述軸(5)上安裝有凸輪盤(6)，凸輪盤(6)為中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，且凸輪盤(6)與軸(5)之間為轉(zhuǎn)動(dòng)副連接；所述每個(gè)滑動(dòng)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(dòng)。
[0009]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)置有滑塊(8)的滑動(dòng)槽，滑塊(8)可在滑動(dòng)槽中相對(duì)于固定塊(4)滑動(dòng)。
[0010]上述方案中，所述凸輪盤的中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)具體為:凸輪盤上，對(duì)應(yīng)于滑動(dòng)塊上的凸輪滾子處，設(shè)置有凸輪行程輪廓，多個(gè)凸輪行程輪廓以凸輪盤中心對(duì)稱分布。
[0011]上述方案中，所述凸輪盤(6)與滑動(dòng)塊(8)上的凸輪滾子(9)之間為凸輪傳動(dòng)，凸輪盤(6)的行程輪廓為多項(xiàng)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。
[0012]上述方案中，所述滑動(dòng)塊(8 )在彈簧片(7 )上滑動(dòng)的有效長(zhǎng)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(duì)于凸輪盤(6 )與滑動(dòng)塊(8 )上凸輪滾子(9 )之間的凸輪傳動(dòng)具有預(yù)緊作用，同時(shí)在凸輪回旋時(shí)，對(duì)滑動(dòng)塊有回復(fù)作用。
[0014]上述方案中，所述滑動(dòng)塊(8)內(nèi)槽兩端安裝有滾子，在滑動(dòng)塊(8)沿彈簧片(7)滑動(dòng)的過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)變滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦，有效地減小了能量的損失，減小了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的起動(dòng)力矩。
[0015]上述方案中，更進(jìn)一步，所述滑動(dòng)塊(8)外側(cè)兩端也安裝有滾子，在滑動(dòng)塊(8)沿固定塊(4 )上的滑動(dòng)槽滑動(dòng)的過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)變滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦。
[0016]上述方案中，所述彈簧片(7)為多個(gè)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。
[0017]本發(fā)明所述的變剛度機(jī)器人彈性關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)變剛度的工作原理為:所述外殼(I)固定不動(dòng)，通過(guò)外加電機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪盤(6)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)外加電機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪盤(6)沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)凸輪傳動(dòng)，在彈簧(3)預(yù)緊力的作用下，滑動(dòng)塊(8)沿彈簧片(7)同時(shí)向軸心一側(cè)移動(dòng)，從而改變外圈(2)與滑動(dòng)塊(8)之間彈簧片(7)的有效長(zhǎng)度，使彈簧片(7)的有效長(zhǎng)度變大，從而使關(guān)節(jié)的剛度變小。當(dāng)外加電機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪盤(6 )沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滑動(dòng)塊
(8)會(huì)在凸輪盤(6)的反向驅(qū)動(dòng)下同時(shí)向外側(cè)移動(dòng)，使彈簧片(7)的有效長(zhǎng)度減小，從而使關(guān)節(jié)剛度變大。
[0018]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(jī)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(jī)器人彈性關(guān)節(jié)系統(tǒng)中。其特點(diǎn)在于采用凸輪盤與滑動(dòng)塊上凸輪滾子之間凸輪傳動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)塊沿彈簧片的相對(duì)移動(dòng)，控制彈簧片的有效工作長(zhǎng)度，從而實(shí)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(guò)外接電機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪盤，通過(guò)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，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(jī)器人彈性關(guān)節(jié)，克服了原有機(jī)器人彈性關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，控制方式復(fù)雜，以及使用場(chǎng)合有限等缺陷。此結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)方向的抗沖擊特性，并且控制關(guān)節(jié)位置與剛相對(duì)獨(dú)立的特點(diǎn)。上述方案中，使用彈簧片，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造加工容易，便于結(jié)構(gòu)自身的更換，且整個(gè)結(jié)構(gòu)剛度控制方式相對(duì)簡(jiǎn)單。使用凸輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)傳動(dòng)效率高，變剛度響應(yīng)快，變剛度過(guò)程穩(wěn)定。采用彈簧回復(fù)結(jié)構(gòu)使得變剛度過(guò)程連續(xù)可靠。通過(guò)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(chǎng)合。
【附圖說(shuō)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(dòng)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(jī)器人實(shí)施例示意圖。
[0031]圖12是本發(fā)明所述仿生機(jī)器人實(shí)施例示意圖。
[0032]圖13是本發(fā)明所述人體假肢腿部實(shí)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(dòng)塊；9:凸輪滾子；10:輸入端；11:輸出端；12:仿生機(jī)器人腿部輸入端；13:仿生機(jī)器人腿部輸出端；14:人體假肢大腿；15:人體假肢小腿。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例進(jìn)一步詳述本發(fā)明，但本發(fā)明不僅限于所述實(shí)施例。
[0035]實(shí)施例一一種凸輪結(jié)構(gòu)變剛度彈性關(guān)