一种主-被动变刚度关节及其刚度调节方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN109623871A(43)申请公布日2019.04.16(21)申请号201910154197.7(22)申请日2019.03.01(71)申请人河北工业大学地址300130天津市红桥区丁字沽光荣道8号河北工业大学东院330#(72)发明人曹东兴张琦甘晓萌王强(74)专利代理机构天津翰林知识产权代理事务所(普通合伙)12210代理人付长杰(51)Int.Cl.B25J17/02(2006.01)B25J19/06(2006.01)权利要求书2页说明书6页附图4页(54)发明名称一种主-被动变刚度关节及其刚度调节方法(57)摘要本发明为一种主-被动变刚度关节及其刚度调节方法，包括关节输出杆、关节驱动杆、中心轴、步进电机、电机安装座、斜齿大齿轮、扭簧、斜齿小齿轮、第一组钢珠、第一锥盘、第一碟簧、第一滑块、第二滑块、第二碟簧、第二锥盘、第二组钢珠、左端盖、第一压簧、右旋螺母、左旋螺母、套筒、第二压簧、第一轴套、第二轴套。通过调整两个碟簧的压缩量，使得关节刚度发生变化，实现关节的主动变刚度功能；当关节发生相对转对时，扭簧发生扭转，套筒被挤压变形，使得第一组钢珠和第一锥盘以及第二组钢珠和第二锥盘两两相互配合，将径向位移转换为轴向位移，压缩第一碟簧和第二碟簧，阻碍关节驱动杆和关节输出杆的相对转动，实现关节的柔性输出。CN109623871ACN109623871A权利要求书1/2页1.一种主-被动变刚度关节，包括关节输出杆、关节驱动杆、中心轴、步进电机、电机安装座，中心轴的两端分别连接关节输出杆和关节驱动杆，步进电机通过电机安装座固定在关节输出杆上；其特征在于，该关节还包括斜齿大齿轮、扭簧、斜齿小齿轮、第一组钢珠、第一锥盘、第一碟簧、第一滑块、第二滑块、第二碟簧、第二锥盘、第二组钢珠、左端盖、第一压簧、右旋螺母、左旋螺母、套筒、第二压簧、第一轴套、第二轴套；上述第一锥盘、第一滑块、第一碟簧、第一压簧分别与相应的第二锥盘、第二滑块、第二碟簧、第二压簧形状结构相同；步进电机的输出端通过键连接斜齿小齿轮，斜齿小齿轮与斜齿大齿轮相啮合，斜齿大齿轮与中心轴配合，且与关节输出杆固定；在套筒外缠绕扭簧，所述扭簧的一端与关节输出杆固定，另一端与关节驱动杆固定；所述中心轴中部为中心轴肩，中心轴肩两端的轴段是丝杠，两个丝杠旋向相反，丝杠的外侧是第一光轴；第一光轴的外侧为第二光轴，在一侧的第二光轴上设有键槽；第二光轴的外侧为第三光轴，第三光轴的外侧为螺纹轴，第一光轴、第二光轴、第三光轴、螺纹轴两两之间均存在轴肩；所述中心轴上从驱动端到输出端依次嵌套有左端盖、第二压簧、第二锥盘、第二碟簧、左旋螺母、右旋螺母、第一碟簧、第一锥盘、第一压簧、斜齿大齿轮，所述左旋螺母、右旋螺母通过螺纹连接在中心轴的相应丝杠上，第二锥盘、第一锥盘分别固定在中心轴的第一光轴上；斜齿大齿轮通过键槽安装在第一锥盘外侧的中心轴的第二光轴上，左端盖位于第二锥盘外侧的中心轴的第二光轴上；所述第一碟簧、第一压簧、第二碟簧、第二压簧均与中心轴之间存在间隙；所述左端盖通过过盈配合安装在在中心轴的第二光轴上，通过第二轴套对其进行轴向定位；所述第一锥盘为圆台型，圆台的侧面上均匀布置有多个钢珠槽，圆台的大直径端靠近相邻的右旋螺母，圆台中心为通孔，套在中心轴的第一光轴上，圆台的小直径端设有压簧槽；所述套筒套在第一组钢珠和第二组钢珠上，左右两端圆周上均开有均布的多个滑槽，同时在套筒的圆周侧面上开有一个通槽；所述第一组钢珠位于第一锥盘的钢珠槽里，通过左端盖伸出的凸缘限制其轴向位移；所述第二组钢珠位于第二锥盘的钢珠槽里，通过斜齿大齿轮限制其轴向位移；所述第一滑块套在右旋螺母上限制其转动，第一滑块的外侧面沿第一滑块轴向均匀设置有多个凸起，凸起形状与套筒上的滑槽相配合，凸起能在滑槽内左右滑动；所述第二滑块套在左旋螺母上限制其转动。2.根据权利要求1所述的主-被动变刚度关节，其特征在于，第一碟簧、第一压簧、第二碟簧、第二压簧均与中心轴之间存在0.3～0.6mm的间隙。3.一种权利要求1或2所述的主-被动变刚度关节的刚度调节方法，该方法的过程是：步进电机通过齿轮传动带动中心轴转动，中心轴上的左、右旋螺母分别向两端沿轴向移动，使得第一锥盘和第二锥盘上的钢珠在钢珠槽里移动进而与套筒接触，阻碍扭簧的扭转，通过调整两个碟簧的压缩量，使得关节刚度发生变化，实现关节的主动变刚度功能；当关节发生相对转对时，扭簧发生扭转，其内径发生径向变形，套筒被挤压变形，进而使得第一组钢珠和第一锥盘以及第二组钢珠和第二锥盘两两相互配合，将径向位移转换为轴向位移，压缩2CN109623871A权利要求书2/2页第一碟簧和第二碟簧，阻碍关节驱动杆和关节输出杆的相对转动，实现关节的