[发明专利]一种基于扭簧特性的变刚度关节

说明书

技术领域

本发明涉及一种变刚度关节，具体涉及一种基于扭簧特性的变刚度关节。

背景技术

变刚度关节是一种不同于传统刚性关节的一类刚度可调的柔性关节。由于其自身刚度的可控性，使其能够适应更多不同应用环境的需求。随着机器人产业和应用的发展，人类生产生活中与机器人的接触越来越频繁。人机协作的安全性问题正引起人们的重视。然而从上世纪70年代至今，世界各地陆续发生了多起机器人伤人事件。这些令人痛惜的事件的发生，提醒着人们，人机协作安全的重要性以及相关领域研究的迫切性。此外，由于变刚度关节的刚度可调性，使得诸如搬运优化，随动控制，轨迹跟踪等问题有了更广阔的研究空间，该领域的研究已成为国内外研究热点领域。针对变刚度关节的设计问题，很多研究者已研制了基于不同原理的变刚度关节，但其或多或少存在着一些问题，例如结构过于复杂，需要零部件多，质量和体积较大，设计布局不合理等诸多问题。具体地，采用对抗式弹簧的调节刚度方式不够节能的问题；采用特殊材料原理变刚度性能难以保证的问题；采用杠杆原理，通过移动弹簧的位置的调刚方式变刚度范围小的问题；通过基于杠杆原理的移动支点位置的调节刚度方式中支点在槽内滑动摩擦耗能大和需要零部件多，结构设计不合理等。经检索，公开号为CN104440936A的中国发明专利，该专利公开一种可变刚度的机器人关节，其特征是机器人关节包括过渡端，用于连接精密减速器和输出端。输出端由两部分组成，通过螺栓连接，中间放有摩擦片，包括两片副摩擦片和一片主摩擦片，摩擦片具有特殊的纹理，在螺栓施加的预紧力作用下被压紧，产生摩擦力。利用摩擦片的摩擦特性进行刚度的调节。该专利中利用摩擦特性，当受到摩擦力大于静摩擦力阈值时，摩擦片间产生相对滑动，从而改变刚度。该专利只是实现了某种情况下刚度值的被动改变，从高刚度状态到某一刚度值状态的跳变，现有技术中刚度关节的缺陷是不够节能，变刚度性能难以保证，变刚度范围小，以及通过移动支点位置的调节刚度方式的滑动摩擦耗能大和需要零部件多，结构设计不合理的问题。

发明内容

本发明内容是为了解决现有技术中刚度关节的缺陷是不够节能，变刚度性能难以保证，变刚度范围小，以及通过基于杠杆原理的移动支点位置的调节刚度方式中支点在槽内滑动摩擦耗能大和需要零部件多，结构设计不合理的问题，进而提供一种基于扭簧特性的变刚度关节。

本发明为解决上述问题而采用的技术方案是：

一种基于扭簧特性的变刚度关节，它包括一组扭簧、滑块、滑轨、第一输出盘、第二输出盘、输入盘、输入盘转轴、两个滚子、一组扭簧支架和两个连接件，一组扭簧包括第一扭簧和第二扭簧、一组扭簧支架包括第一扭簧支架和第二扭簧支架；第一输出盘、第二输出盘和输入盘均为圆盘，第一输出盘和第二输出盘相对设置，第一输出盘和第二输出盘通过两个连接件固定连接，且两个连接件对称设置，输入盘转轴插装在第二输出盘上，输入盘转轴与第二输出盘转动连接，输入盘与输入盘转轴的一端固定，输入盘设置在第一输出盘和第二输出盘之间，第二输出盘和输入盘同轴设置，滑轨安装在第一输出盘侧面上，滑块滑动安装在滑轨上，两个滚子固定安装在滑块上，一组扭簧支架均安装在输入盘上，且一组扭簧支架均设置在第一输出盘和第二输出盘之间，第一扭簧支架和第二扭簧支架分别设置在滑轨的两侧，第一扭簧安装在第一扭簧支架上，第二扭簧安装在第二扭簧支架上，第一扭簧的一端固定在第一扭簧支架上，第一扭簧的另一端与一个滚子的外圆面接触设置，第二扭簧的一端固定在第二扭簧支架上，第二扭簧的另一端与另一个滚子的外圆面接触设置。

本发明的有益效果是：

1、本发明实现了变刚度关节变刚度原理的创新。所设计独特的变刚度原理，是通过改变扭簧与滚子的作用点，实现关节变刚度。实现了在输入盘和第一输出盘夹角相同的情况下，滑块位置的改变，能够改变扭簧与滚子的作用点，进而实现输入盘作用于第一输出盘上的扭矩大小的改变。该扭矩值与输入盘和第一输出盘夹角的比值即为关节相对于外部而言的输出刚度值，扭矩的改变实现了输出刚度的变化。而在滑块位置不变时，扭簧与滚子的作用点虽然会随着输入盘和第一输出盘转角的改变而有所改变，但其变化量很小，使得装置的输出刚度能够保持稳定，变化很小，具有较好的定刚度性能：

2、本发明创新性地实现了变刚度关节装置输出刚度的大范围连续变化。当滚子处于第一输出盘圆心处时，输出刚度很小，接近零刚度；随着滚子远离圆心，输出刚度逐渐增大，而当滚子处于扭簧连线处时，输出很高刚度，接近完全刚性：