一种可变刚度的柔性关节.pdf

本发明公开一种可变刚度的柔性关节，该柔性关节包括下圆盘、中圆盘、上圆盘、外罩、调刚度外壳、主电机输入轴、从动轴、异形齿轮输入轴、从动异形齿轮输入轴、调刚度轴、轴承、一级输入齿轮、一级从动齿轮、二级输入齿轮、二级从动齿轮、三级输入齿轮、三级从动齿轮、调刚度输入齿轮、调刚度从动齿轮、主动异形齿轮、从动异形齿轮、调刚度直流电机、电机固定支架和扭簧；所述下圆盘、中圆盘与上圆盘与外罩固定连接；所述调刚度外壳与上圆盘固定连接；所述主电机输入轴与主电机同步旋转，并通过键与一级输入齿轮连接；所述一级从动齿轮与一级输入齿轮配合连接；所述二级输入齿轮与从动轴连接；所述三级输入齿轮与从动异形齿轮输入轴连接。

权利要求书
1.   一种可变刚度的柔性关节，该柔性关节包括下圆盘、中圆盘、上圆盘、外罩、调刚度外壳、主电机输入轴、从动轴、异形齿轮输入轴、从动异形齿轮输入轴、调刚度轴、轴承、一级输入齿轮、一级从动齿轮、二级输入齿轮、二级从动齿轮、三级输入齿轮、三级从动齿轮、调刚度输入齿轮、调刚度从动齿轮、主动异形齿轮、从动异形齿轮、调刚度直流电机、电机固定支架和扭簧；
所述下圆盘、中圆盘与上圆盘通过螺栓与外罩固定连接；所述调刚度外壳通过螺栓与上圆盘固定连接；所述主电机输入轴通过法兰与主电机同步旋转，并通过键与一级输入齿轮连接；所述一级从动齿轮通过齿轮啮合与一级输入齿轮配合连接；所述一级从动齿轮通过键与从动轴连接；所述二级输入齿轮通过键与从动轴连接；所述二级从动齿轮通过齿轮啮合与二级输入齿轮配合连接；所述主动异形齿轮输入轴通过键与二级从动齿轮连接；所述主动异形齿轮通过键与主动异形齿轮输入轴连接；所述从动异形齿轮通过齿轮啮合与主动异形齿轮配合连接；所述从动异形齿轮输入轴通过键与从动异形齿轮连接；所述三级输入齿轮通过键与从动异形齿轮输入轴连接；所述三级从动齿轮通过齿轮啮合与三级输入齿轮连接；所述调刚度轴与三级从动齿轮为非固定连接，可相对三级从动齿轮旋转；所述调刚度直流电机通过螺栓与电机固定支架固定连接在上圆盘；所述调刚度输入齿轮通过键与调刚度直流电机轴连接；所述调刚度从动齿轮通过齿轮啮合与调刚度输入齿轮配合连接，与调刚度轴为非固定连接，可相对调刚度轴旋转；所述扭簧与调刚度轴同轴，扭簧一端与三级从动齿轮固定连接，另一端与调刚度从动齿轮固定连接。

说明书一种可变刚度的柔性关节
技术领域
本发明涉及足式机器人技术，具体为一种可变刚度的柔性关节。
背景技术
足式机器人凭借其在行走过程中与地面的非连续接触特性表现出了很强的适应性，尤其在有障碍物的通道上或很难接近的工作场地上具有更广阔的发展前景。但是目前足式机器人的研究大多处于试验阶段，特别是机器人在步行过程中的可靠性、稳定性、速度以及与地面接触的柔性等方面仍然具有诸多技术问题需要解决。
足式机器人在实际行走过程中，足部着地的瞬间会产生巨大的冲力，这个冲力由足部通过腿部传递至机器人各关节及机身，以至于机器人各关节及机身均会产生剧烈振动，降低传感精度，损坏部分灵敏部件，并影响机器人运动的稳定性。另一方面，机器人足部与地面的刚性接触，会损失很大部分的能量，这样对机器人的运行时间和运行能力会造成很大的影响。因此，如何降低机器人行走过程中与地面接触产生的冲力，降低机器人机身、传感器和各灵敏部件的损坏率，减低能量损耗，是当前足式机器人要研究的重要内容之一。
机器人关节是机器人腿的重要组成部分，对足式机器人运动起着非常重要的作用。通过仿生的研究，学者们发现生物在不同运动状态下腿的柔顺性不是一成不变的，而是随着外界环境和自身运动方式的不同而不断调整变化的。为此，人们从生物界寻找到了灵感，对机器人腿部关节采用变刚度主动柔性仿生驱动的方式，降低了机器人足部着地过程的冲击力，同时又可以完成既定任务，提高机器人的适应性。机器人腿如果具备了生物腿的特性，为了适应环境可以改变自身的刚度和柔性，那么机器人在完成各项作业时，利用变刚度柔性结构来进行能量的存储和释放，就可以大大减少振动和降低系统的能耗。
现有的柔性关节大多采用气动柔性关节，实现技术比较复杂，例如：中国专利CN87107075A公开了一种柔性气缸及弯曲、扭转关节，其工作容积是由弹性壁围成。在工作中不存在摩擦及泄露，在工作时可模拟人类关节做弯曲动作。该结构采用气动驱动，结构比较复杂，且柔性也不易调节。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种可变刚度的柔性关节。该可变刚度的柔性关节能够有效降低机器人在行走和跑步过程中产生的冲击力，实现能量的存储和释放，为解决现有机器人高能耗及环境适应性问题奠定了基础，具有很好的应用前景。
本发明解决所述技术问题的技术方案是，设计一种可变刚度的柔性关节，该柔性关节包括下圆盘、中圆盘、上圆盘、外罩、调刚度外壳、主电机输入轴、从动轴、异形齿轮输入轴、从动异形齿轮输入轴、调刚度轴、轴承、一级输入齿轮、一级从动齿轮、二级输入齿轮、二级从动齿轮、三级输入齿轮、三级从动齿轮、调刚度输入齿轮、调刚度从动齿轮、主动异形齿轮、从动异形齿轮、调刚度直流电机、电机固定支架和扭簧；
所述下圆盘、中圆盘与上圆盘通过螺栓与外罩固定连接；所述调刚度外壳通过螺栓与上圆盘固定连接；所述主电机输入轴通过法兰与主电机同步旋转，并通过键与一级输入齿轮连接；所述一级从动齿轮通过齿轮啮合与一级输入齿轮配合连接；所述一级从动齿轮通过键与从动轴连接；所述二级输入齿轮通过键与从动轴连接；所述二级从动齿轮通过齿轮啮合与二级输入齿轮配合连接；所述主动异形齿轮输入轴通过键与二级从动齿轮连接；所述主动异形齿轮通过键与主动异形齿轮输入轴连接；所述从动异形齿轮通过齿轮啮合与主动异形齿轮配合连接；所述从动异形齿轮输入轴通过键与从动异形齿轮连接；所述三级输入齿轮通过键与从动异形齿轮输入轴连接；所述三级从动齿轮通过齿轮啮合与三级输入齿轮连接；所述调刚度轴与三级从动齿轮为非固定连接，可相对三级从动齿轮旋转；所述调刚度直流电机通过螺栓与电机固定支架固定连接在上圆盘；所述调刚度输入齿轮通过键与调刚度直流电机轴连接；所述调刚度从动 齿轮通过齿轮啮合与调刚度输入齿轮配合连接，与调刚度轴为非固定连接，可相对调刚度轴旋转；所述扭簧与调刚度轴同轴，扭簧一端与三级从动齿轮固定连接，另一端与调刚度从动齿轮固定连接。
与现有技术相比，本发明可变刚度的柔性关节具有以下优点及有益效果：1、所设计的可变刚度柔性关节，通过两次齿轮变速，可以加大异形齿轮的旋转角度，这样即使关节转动角度较小，也可以实现刚度较大范围的调节；2、本发明设计了特殊弹性机构(即异形齿轮和扭簧)，与刚性连接相比，能够存储/释放能量和吸收冲击；3、本发明具有被动变刚度的特性，关节旋转时，带动一对异形齿轮旋转，改变传动比，从动异形齿轮通过齿轮与扭簧间接连接，从而异形齿轮传动比的改变导致弹性元件输出刚度的改变；4、本发明也具有主动变刚度特性，调刚度直流电机通过齿轮旋转改变弹性元件的预紧量，进而改变关节输出刚度，以适应不同步行阶段关节刚度需要；5、本发明提出的可变刚度柔性关节结构简单，体积小，易于安装，具有很好的应用前景。
附图说明
图1为本发明可变刚度的柔性关节一种实施例的外型立体结构示意图；
图2为本发明可变刚度的柔性关节一种实施例的去除外罩和调刚度外壳后的立体结构示意图；
图3为本发明可变刚度的柔性关节一种实施例的去除调刚度外壳后的立体结构示意图；
图4为本发明可变刚度的柔性关节一种实施例的一对异形齿轮的局部放大结构示意图；
图5为本发明可变刚度的柔性关节一种实施例的整体剖面结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明。但本申请的权利要求保护范围不限于所述实施例的描述范围。
本发明设计的可变刚度的柔性关节(简称柔性关节，参见图1-5)，其特征在于该柔性关节包括下圆盘1、中圆盘2、上圆盘3、外罩4，调刚度外壳5、 主电机输入轴6、从动轴7、主动异形齿轮输入轴8、从动异形齿轮输入轴9、调刚度轴10、轴承11、一级输入齿轮12、一级从动齿轮13、二级输入齿轮14、二级从动齿轮15、三级输入齿轮16、三级从动齿轮17、调刚度输入齿轮18、调刚度从动齿轮19、主动异形齿轮20、从动异形齿轮21、调刚度直流电机22、电机固定支架23和扭簧24；
所述下圆盘1、中圆盘2与上圆盘3通过螺栓与外罩4固定连接；所述调刚度外壳5通过螺栓与上圆盘1固定连接；所述主电机输入轴6通过法兰与主电机同步旋转，并通过键与一级输入齿轮12连接；所述一级从动齿轮13通过齿轮啮合与一级输入齿轮12配合连接；所述一级从动齿轮13通过键与从动轴7连接；所述二级输入齿轮14通过键与从动轴7连接；所述二级从动齿轮15通过齿轮啮合与二级输入齿轮14配合连接；所述主动异形齿轮输入轴8通过键与二级从动齿轮15连接；所述主动异形齿轮20通过键与主动异形齿轮输入轴8连接；所述从动异形齿轮21通过齿轮啮合与主动异形齿轮20配合连接；所述从动异形齿轮输入轴9通过键与从动异形齿轮21连接；所述三级输入齿轮16通过键与从动异形齿轮输入轴9连接；所述三级从动齿轮17通过齿轮啮合与三级输入齿轮16啮合与三级输入齿轮16连接；所述调刚度轴10与三级从动齿轮17为非固定连接，可相对旋转；所述调刚度直流电机22通过螺栓与电机固定支架23固定连接在上圆盘3；所述调刚度输入齿轮18通过键与调刚度直流电机22轴连接；所述调刚度从动齿轮19通过齿轮啮合与调刚度输入齿轮18配合连接，与调刚度轴10为非固定连接，可相对旋转；所述扭簧24与调刚度轴10同轴，扭簧24一端与三级从动齿轮17固定连接，另一端与调刚度从动齿轮19固定连接。
本发明柔性关节的工作原理和过程为：当柔性关节工作时，本发明可以实现被动变刚度和主动变刚度两种情况：
1.被动变刚度时，调刚度直流电机22不工作，主动电机带动主电机输入轴6转动，通过键将动力传至一级输入齿轮12；一级输入齿轮12通过齿轮啮合将扭矩传至一级从动齿轮13，并通过键连接将动力传至从动轴7；从动轴7通过 键将动力传至二级输入齿轮14；二级输入齿轮14通过齿轮啮合将扭矩传至二级从动齿轮15，并通过键连接将动力传至从主动异形齿轮输入轴8，并通过键将动力传至主动异形齿轮20；主动异形齿轮20通过齿轮啮合将扭矩传至从动异形齿轮21；从动异形齿轮21与扭簧24一端固定连接，因此当从动异形齿轮21旋转时会带动扭簧24旋转变形，输出柔性力，同时一对异形齿轮的旋转时，传动比发生改变，同时扭簧24的作用力矩也会改变，进而使机构的输出刚度发生变化。
2.主动变刚度时，调刚度直流电机22工作，并通过键将扭矩传至调刚度输入齿轮18；调刚度输入齿轮18通过齿轮啮合将动力传至调刚度从动齿轮19；调刚度从动齿轮19与扭簧24一端固定连接，当调刚度从动齿轮19旋转时，带动扭簧24旋转，改变其预压缩量，进而改变输出刚度。
本发明未述及之处适用于现有技术。