一种变刚度连轴器及变刚度驱动机构.pdf

本发明公开了一种变刚度连轴器及变刚度驱动机构，涉及机器人柔顺控制领域。为使VSA的结构简化且传输刚度可调范围增大而发明。本发明提供的一种变刚度连轴器及变刚度驱动机构：包括第一半联轴器和第二半联轴器，所述第一半联轴器和第二半联轴器之间通过弹性簧片传递扭矩且通过弹性支撑体支撑，所述弹性簧片一端与第一半联轴器固定连接，另一端与第二半联轴器可滑动连接，所述第一半联轴器可带动所述弹性簧片相对于所述第二半联轴器沿轴向滑动。本发明可用于服务类机器人的关节设计。

权利要求书
1.  一种变刚度连轴器，其特征在于，包括第一半联轴器和第二半联轴器，所述第一半联轴器和第二半联轴器之间通过弹性簧片传递扭矩且通过弹性支撑体支撑，所述弹性簧片一端与第一半联轴器固定连接，另一端与第二半联轴器可滑动连接，所述第一半联轴器可带动所述弹性簧片相对于所述第二半联轴器沿轴向滑动。

2.  根据权利要求1所述的变刚度连轴器，其特征在于，所述弹性支撑体为弹簧，所述弹簧一端固定于第一半联轴器上，另一端固定于第二半联轴器上。

3.  根据权利要求1所述的变刚度连轴器，其特征在于，所述弹性簧片为多组且均匀设置于所述第一半联轴器的一周。

4.  根据权利要求1所述的变刚度连轴器，其特征在于，所述第一半联轴器上设有第一簧片夹持块，所述第一簧片夹持块将所述弹性簧片夹持并通过簧片压板压紧固定。

5.  根据权利要求4所述的变刚度连轴器，其特征在于，所述第二半联轴器上设有第二簧片夹持块，所述第二簧片夹持块将所述弹性簧片夹持且所述弹性簧片可相对于所述第二簧片夹持块沿轴向滑动。

6.  一种变刚度驱动机构，其特征在于，包括驱动电机、刚度调整组件和变刚度连轴器，所述变刚度连轴器为权利要求1～5中任一项所述的变刚度连轴器，所述驱动电机与所述第二半联轴器连接，且可向所述第二半联轴器传递扭矩，所述第一半联轴器用于与输出轴连接且可向输出轴传递扭矩，所述刚度调整组件与所述第一半联轴器连接且可驱动所述第一半联轴器沿轴向移动。

7.  根据权利要求6所述的变刚度驱动机构，其特征在于，所述驱动电机与所述第二半联轴器之间为键连接，所述第二半联轴器与输出轴之间采用键连接。

8.  根据权利要求6所述的变刚度驱动机构，其特征在于，所述刚度调整组件包括电机和直线传动组件，所述电机的输出轴与所述直线传动组件的输入端连接，所述直线传动组件的输出端与所述第一半联轴器连接。

说明书一种变刚度连轴器及变刚度驱动机构
技术领域
本发明涉及机器人柔顺控制领域，尤其涉及一种变刚度连轴器及变刚度驱动机构。
背景技术
变刚度驱动器(VSA:Variable Stiffness Actuator)，是目前机器人柔顺控制的一个重要课题，主要用于服务类机器的关节设计、人机安全交互类机电设备的驱动与感知。近年来，欧盟，美国，日本都在积极发展各种VSA。
目前已实现的的变刚度驱动器主要有如下几类方式：
1、通过一对电机调节2个非线性弹簧张紧程度的对抗式VSA；
2、通过凸轮机构压缩非线性弹簧改变驱动器连接刚性实现的VSA；
3、通过压紧机构调节皮带张紧程度实现VSA；
4、通过一个张紧电机调节非线性弹簧改变驱动器固定方式实现的VSA。
还有一些变种的新设计，例如压缩橡胶球来改变传动轴的连接刚性等。
但是，现有技术的VSA结构复杂，占用空间大且传输刚度可调范围小。
发明内容
本发明的实施例提供一种变刚度连轴器及变刚度驱动机构，可使VSA的结构简化且传输刚度可调范围增大。
为达到上述目的，本发明实施例一方面提供了一种变刚度连轴器：包括第一半联轴器和第二半联轴器，所述第一半联轴器和第二半联轴器之间通过弹性簧片传递扭矩且通过弹性支撑体支撑，所述弹性簧片一端与第一半联轴器固定连接，另一端与第二半联轴器可滑动连 接，所述第一半联轴器可带动所述弹性簧片相对于所述第二半联轴器沿轴向滑动。
进一步地，所述弹性支撑体为弹簧，所述弹簧一端固定于第一半联轴器上，另一端固定于第二半联轴器上。
进一步地，所述弹性簧片为多组且均匀设置于所述第一半联轴器的一周。
进一步地，所述第一半联轴器上设有第一簧片夹持块，所述第一簧片夹持块将所述弹性簧片夹持并通过簧片压板压紧固定。
进一步地，所述第二半联轴器上设有第二簧片夹持块，所述第二簧片夹持块将所述弹性簧片夹持且所述弹性簧片可相对于所述第二簧片夹持块沿轴向滑动。
本发明实施例另一方面提供了一种变刚度驱动机构，包括驱动电机、刚度调整组件和变刚度连轴器，所述变刚度连轴器为上述任一技术方案中所述的变刚度连轴器，所述驱动电机与所述第二半联轴器连接，且可向所述第二半联轴器传递扭矩，所述第一半联轴器用于与输出轴连接且可向输出轴传递扭矩，所述刚度调整组件与所述第一半联轴器连接且可驱动所述第一半联轴器沿轴向移动。
进一步地，所述驱动电机与所述第二半联轴器之间为键连接，所述第二半联轴器与输出轴之间采用键连接。
进一步地，所述刚度调整组件包括电机和直线传动组件，所述电机的输出轴与所述直线传动组件的输入端连接，所述直线传动组件的输出端与所述第一半联轴器连接。
本发明实施例提供的变刚度连轴器及变刚度驱动机构，使用时，其中一个半联轴器连接输入轴，另一个半联轴器连接输出轴，由于弹性簧片一端与第一半联轴器固定连接，另一端与第二半联轴器可滑动连接，因此在需要调节传输刚度时，只需控制第一半联轴器带动弹性簧片相对于第二半联轴器沿轴向滑动即可，在滑动过程中，由于第一半联轴器和第二半联轴器之间的距离发生了改变，因此使得弹性簧片在位于第一半联轴器和第二半联轴器之间的长度（即有效长度）发生了改变，而第一半联轴器和第二半联轴器之间是通过弹性簧片传递扭矩的，弹性簧片有效长度的变化 会直接导致传输刚度的变化。由此，通过简单的结构实现了传输刚度的可调。另外，传输刚度还与弹性簧片的数量、布置方式以及材料等参数有关，可通过改变上述任一种或几种参数来改变传输刚度，由此极大扩展了传输刚度的调节范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例变刚度连轴器的整体结构示意图；
图2为本发明实施例变刚度连轴器的剖视图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也 可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1为本发明实施例变刚度连轴器的一个具体实施例；参照图1，本实施例中所述变刚度连轴器包括第一半联轴器1和第二半联轴器2，所述第一半联轴器1和第二半联轴器2之间通过弹性簧片3传递扭矩且通过弹性支撑体4支撑，所述弹性簧片3一端与第一半联轴器1固定连接，另一端与第二半联轴器2可滑动连接，所述第一半联轴器1可带动所述弹性簧片3相对于所述第二半联轴器2沿轴向滑动。
本发明实施例提供的变刚度连轴器，使用时，其中一个半联轴器连接输入轴，另一个半联轴器连接输出轴，由于弹性簧片3一端与第一半联轴器1固定连接，另一端与第二半联轴器2可滑动连接，因此在需要调节传输刚度时，只需控制第一半联轴器1带动弹性簧片3相对于第二半联轴器2沿轴向滑动即可，在滑动过程中，由于第一半联轴器1和第二半联轴器2之间的距离发生了改变，因此使得弹性簧片3在位于第一半联轴器1和第二半联轴器2之间的长度（即有效长度）发生了改变，而第一半联轴器1和第二半联轴器2之间是通过弹性簧片3传递扭矩的，弹性簧片3有效长度的变化会直接导致传输刚度的变化。由此，通过简单的结构实现了传输刚度的可调。另外，传输刚度还与弹性簧片3的数量、布置方式以及材料等参数有关，可通过改变上述任一种或几种参数来改变传输刚度，由此极大扩展了传输刚度的调节范围。
为了稳固第一半联轴器1和第二半联轴器2之间的距离，使得传输刚度稳定且节约成本，所述弹性支撑体4优选使用弹簧，具体地，可将弹簧一端固定于第一半联轴器1上，另一端固定于第二半联轴器2上。由此，当第一半联轴器1和第二半联轴器2之间的距离发生改变时，弹簧可单向推紧第一半联轴器1，使得第一半联轴器1和第二半联轴器2之间的距离不易改变，传输刚度更加稳定。
根据实际的刚度需求，所述弹性簧片3可以设置一组或多组，当弹性簧片3设置为多组时，优选将各组弹性簧片3均匀设置于所述第一半联轴器1的一周。由此，使得变刚度连轴器的传输刚度分布更加均匀，传输更加稳定。
弹性簧片3与半联轴器的连接方式可以为多种，优选使用夹持的方式连接，具体地，可在第一半联轴器1上设置第一簧片夹持块11，在第二半联轴器2上设置第二簧片夹持块21，然后将弹性簧片3的一端与第一簧片夹持块11夹持连接，将弹性簧片3的另一端与第二簧片夹持块21夹持连接，为了使弹性簧片3与第一半联轴器1相对固定，如图2所示，可将弹性簧片3制作为L型结构，并将弹性簧片3带有L型拐角的一端与第一半联轴器1上的第一簧片夹持块11连接，然后在L型拐角的上部设置簧片压板12压紧固定，由此，实现了弹性簧片3与第一半联轴器1的相对固定。另一方面，为了实现弹性簧片3与第二半联轴器2可沿轴向相对滑动，可将第二簧片夹持块21设置为如图1所示的结构，即只在弹性簧片3的两侧进行夹持，而对于弹性簧片3沿轴向的自由度不进行限制。由此，实现了弹性簧片3相对于第二半联轴器2沿轴向可滑动。
本发明实施例另一方面提供了一种变刚度驱动机构，包括驱动电机、刚度调整组件和变刚度连轴器，所述变刚度连轴器为上述任一实施例所述的变刚度连轴器，其中，所述驱动电机与所述第二半联轴器2连接，且可向所述第二半联轴器2传递扭矩，使用时，所述第一半联轴器1用于与输出轴连接且可向输出轴传递扭矩，所述刚度调整组件与所述第一半联轴器1连接且可驱动所述第一半联轴器1沿轴向移动。
本发明实施例提供的变刚度驱动机构，使用时，将第一半联轴器1与输出轴连接，驱动电机与第二半联轴器2连接，由于弹性簧片3一端与第一半联轴器1固定连接，另一端与第二半联轴器2可滑动连接，因此在需要调节传输刚度时，只需通过刚度调整组件控制第一半联轴器1带动弹性簧片3相对于第二半联轴器2沿轴向滑动即可，在滑动过程中，由于第一半联轴器1和第二半联轴器2之间的距离发生了改变，因此使得弹性簧片3在位于第一半联轴器1和第二半联轴器2之间的长度（即有效长度）发生了改变，而第一半联轴器1和第二半联轴器2之间是通过弹性簧片3传递扭矩的，弹性簧片3有效长度的变化会直接导致传输刚度的变化。由此，通过简单的结构实现了传输刚度的可调。另外，传输刚度还与弹性簧片3的数量、布置方式以及材料等参数有关，可通过改变上述任一种或几种参数来改变传输刚度，由此极大扩展了传输刚度的调节范围。
为了使驱动电机可向第二半联轴器2传递扭矩，可将驱动电机与第二半联轴器2之间设置为键连接。同理，可将第一半联轴器1与输出 轴之间设置为键连接，由此，可实现第一半联轴器1对输出轴的扭矩传递，并且由于在调整传输刚度时，第一半联轴器1需要沿轴向移动，而平键还可以起到一定的导向作用，使得移动更加平稳。
其中，刚度调整组件可以是任意一种直线传动机构，只要其能带动第一半联轴器1直线移动即可，例如，可选用电机和直线传动组件，也可选用气缸或液压缸等直线驱动机构，为了节省成本且便于控制，可优选使用电机和直线传动组件的结构，可将电机的输出轴与直线传动组件的输入端连接，然后将直线传动组件的输出端与所述第一半联轴器1连接。由此，可通过控制电机的转向和转速来控制第一半联轴器1的移动方向和距离。其中，直线传动组件可以是涡轮蜗杆传动组件、丝杠螺母传动组件或齿轮齿条传动组件等。
在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。