一种紧凑型可变刚度串联弹性驱动关节.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CN108481359A(43)申请公布日2018.09.04(21)申请号201810168380.8(22)申请日2018.02.28(71)申请人北京航空航天大学地址100191北京市海淀区学院路37号(72)发明人丁希仑邵一鑫张武翔张伟石狄孙磊(74)专利代理机构北京永创新实专利事务所11121代理人赵文颖(51)Int.Cl.B25J17/00(2006.01)B25J9/10(2006.01)权利要求书1页说明书3页附图5页(54)发明名称一种紧凑型可变刚度串联弹性驱动关节(57)摘要本发明公开了一种紧凑型可变刚度串联弹性驱动关节，包括大臂部件、驱动部件、小臂部件、刚度调节部件和角度传感器，本发明将蜗轮与绕线轮通过安装键与螺栓固定在一起，并引入蜗轮蜗杆传动，减少了齿轮减速器的使用，使关节尺寸更小，结构更紧凑，达到小型化设计的目的；本发明可实现双向柔性，且关节刚度为K＝4kR2，其中K是关节刚度，k为单个弹簧刚度，R为绕线轮钢丝槽半径，关节刚度可精确计算。使用两组弹簧，比使用一组弹簧时对弹簧刚度要求低，能减小弹簧并进一步减小关节尺寸，弹簧布置于绕线轮两侧，有益于内外侧力平衡。CN108481359ACN108481359A权利要求书1/1页1.一种紧凑型可变刚度串联弹性驱动关节，其特征在于，关节包括大臂部件、驱动部件、小臂部件、刚度调节部件和角度传感器；大臂部件包括大臂固定件、大臂内侧件、大臂外侧件和蜗杆轴承座，大臂内侧件和大臂外侧件分别固定在大臂固定件内、外侧，蜗杆轴承座固定在大臂固定件伸出臂上，且蜗杆轴承座内安装有轴承，驱动部件包括电机、联轴器、蜗杆、蜗轮、绕线轮、第一轴承、第二轴承、轴、轴套、钢丝绳、压线铝卡头和键，电机固定在大臂固定件上，蜗杆一端通过联轴器连接在电机的输出轴上，另一端置于蜗杆轴承座内，蜗轮与蜗杆啮合，绕线轮固定在蜗轮上，并随蜗轮一同转动，绕线轮上设有安装键、固定孔、阶梯孔、钢丝孔与钢丝槽,钢丝绳共有四根，各根钢丝绳一端固定于阶梯孔中，穿过钢丝孔，缠绕在钢丝槽内；第一轴承安装于大臂内侧件与大臂外侧件孔间；轴垂直安装于大臂内侧件与大臂外侧件间，通过键与绕线轮连接，并随绕线轮同步转动；第二轴承安装在轴两端；轴套套在轴一端并安装在第二轴承与绕线轮之间，对绕线轮进行轴向定位；小臂部件包括小臂内侧件、小臂固定件和小臂外侧件；小臂内侧件和小臂外侧件分别固定于小臂固定件内、外侧；小臂内侧件和小臂外侧件分别套在内、外两个第二轴承外圈，并嵌在内、外两个第一轴承内圈，并与轴与大臂部件形成转动副；小臂固定件上设有四个安装阶梯孔，以安装刚度调节部件，钢丝绳穿过安装阶梯孔与刚度调节部件连接；角度传感器安装在小臂外侧件上，并与轴一端连接；刚度调节部件包括弹簧、刚度调节件、预压螺母和活节螺栓；刚度调节件上加工有与弹簧节距相等的螺旋槽，且加工有刻度，用以精确调节弹簧有效工作圈数；预压螺母加工有凸台，并安装在刚度调节件孔内，且可相对刚度调节件转动，预压螺母内加工有内螺纹，调节相对活节螺栓的轴向位置，进而调节弹簧预压力；钢丝绳穿过活节螺母一头的孔，并通过压线铝卡头压紧固定。2.根据权利要求1所述的一种紧凑型可变刚度串联弹性驱动关节，其特征在于，所述的驱动关节工作时，电机的输出轴旋转，依次带动联轴器、蜗杆、蜗轮、绕线轮及轴旋转；绕线轮旋转，拉动钢丝绳，带动预压螺母压缩弹簧，进而使小臂部件转动；在锁住蜗杆的驱动下，蜗轮相对大臂部件转动角度θm，小臂部件相对大臂部件转动角度θl，在弹簧的作用下，小臂部件相对蜗轮产生相对转角Δθ，角度传感器用于直接测量Δθ，然后即通过胡克定律T＝KΔθ计算关节输出力矩T，K为常数。2CN108481359A说明书1/3页一种紧凑型可变刚度串联弹性驱动关节技术领域[0001]本发明属于机械技术领域，具体涉及一种机器人用的紧凑型可变刚度串联弹性驱动关节。背景技术[0002]为实现在工作空间中对位置和速度的精确控制，保证运动响应的快速性，传统的机器人多采用刚性关节。然而，随着机器人应用的不断普及，机器人与环境以及人类之间的交互日益广泛，因此需要机器人具有一定的柔顺性与安全交互能力。1995年，麻省理工学院GillA.Pratt提出了串联弹性驱动器的概念，他在电机驱动端与负载端之间串联了一个弹性元件，一方面可将弹性元件作为测量输出力(矩)的传感元件，能够将力控制问题转化为位置控制问题，极大地提高了力控制精度；另一方面，在驱动器中引入弹性元件，能够增大系统柔性，加强系统抗冲击性能，存储能量，也能够增强人-机-环境交互的安全性。[0003]为解决机器人控制柔顺性及安全交互问题，目前已研究出了诸多结构形式的串联弹性驱动器，例如：中国专利号2014