一種模擬人體關節的機器人軟關節制造技術

本發明專利技術公開了一種可調剛度的機器人關節?，F有的機器人一般為剛性結構且關節采用位置控制模式，末端剛度很大且不可調，關節柔順性差，對不同任務的適應性差。本發明專利技術包括柔性傳動機構、驅動電機、U型架、彈性帶、制動機構。所述驅動電機的主舵盤和柔性傳動機構的外殼連接，所述的U型架兩端分別和電機副舵盤、柔性傳動機構的掃臂連接；兩根彈性帶分別一端固結在下連桿，另一端繞過支撐圈與調節電機的輸出軸連接；所述的制動機構設置在U型架右側，與支撐板固定。本發明專利技術在外殼和掃臂間設置彈簧、在上連桿和下連桿間設置彈性帶，使關節可以主動調節剛度，在轉動時具有很好的柔順性和任務適應性。同時，在關節中增加制動結構，大大增加交互的安全性。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種機器人，具體涉及一種可變剛度的機器人轉動關節。
技術介紹
在現有技術中，由于機器人的機械本體一般為剛性結構且關節采用位置控制模式，致使其末端剛度很大，一旦發生不可預知的錯誤，將給周圍環境的人或物造成危險。再者，由于機器人關節剛度不可調，關節柔順性差，使得機器人在處理不同任務時適應性差。而人體關節在處理不同任務時，通過改變拮抗肌的伸縮情況，主動改變關節剛度，具有很好的柔順性和任務適應性。美國“德卡研發公司”的盧克臂和德國宇航局的輕型機器人均在機器人關節處采用串聯彈性驅動器(SEA)，使得機器人關節剛度可變，在實際應用中有很好的柔順性和交互性。意大利布魯塞爾大學的MatteoLaffanchi等人利用線彈簧繞轉軸中心圓周對稱布置設計出旋轉串聯彈性驅動器，并通過實驗表明這種SEA可以實現較大范圍的剛度可調節。然而上述的關節剛度都為被動調節，不能實現自主調節。
技術實現思路
本專利技術提供了一種模擬人體關節的機器人軟關節，以解決現有技術中機器人關節剛度不可調，適應性差的技術問題，并增加了機器人關節的交互安全性。本專利技術采用的技術方案是：本專利技術包括柔性傳動機構、驅動電機、U型架、彈性帶、制動機構。所述驅動電機的主舵盤和柔性傳動機構的外殼連接，所述的U型架兩端分別和電機副舵盤、柔性傳動機構的掃臂連接；兩根彈性帶分別一端固結在下連桿，另一端繞過支撐圈與調節電機的輸出軸連接；所述的制動機構設置在U型架右側，與支撐板固定。所述的柔性傳動機構包括SEA外殼、中軸、擋塊、掃臂、彈簧導向凸臺、彈簧、軸承、軸套和軸用彈性擋圈；所述的SEA外殼加工有凹槽，擋塊底部固定在凹槽內；所述的中軸一端和SEA外殼固定，通過軸承支撐有掃臂軸；掃臂和擋塊上加工有通孔，彈簧導向凸臺固定在掃臂和擋塊上的暗孔；所述彈簧兩端分別套在掃臂和擋塊的彈簧導向凸臺上。所述的制動機構包括摩擦片、環形圈、制動連桿和制動外殼；所述的制動連桿為V型，一端繞有閘線與制動電機輸出軸相連，另一端和環形圈鉸接，V型底部和制動外殼以轉動副連接；所述的環形圈另一端和制動外殼鉸接，摩擦片固定在環形圈內側。所述的U型架包括U型架左側板、U型架底板、U型架右側板和下連桿；所述的U型架底板兩端分別和U型架左側板、U型架右側板的底端固定；下連桿的上端固定在U型架底板的中間。所述的下連桿上有多個限位用于與彈性帶的一端固定，滿足不同初始剛度的要求；下連桿上端有方形通孔，通孔大小略大于環形圈端面尺寸。所述的中軸為階梯軸，軸上設置有軸肩、軸環，分別用于軸承內圈的軸向定位；軸端加工有環形凹槽，用于安裝軸端彈性擋圈。所述的掃臂軸的內側有凸臺，用于左右對稱布置的軸承外圈的軸向定位。所述的支撐圈開口兩端彎折成平行的平面，穿過下連桿上端的方形通孔，分別與上連桿固定。所述的彈簧或壓縮彈簧、變截距彈簧、圓錐彈簧、漸進彈簧；彈簧兩個為一組，對稱布置在掃臂兩側，共有三組彈簧繞在關節的轉動中心均勻分布。本專利技術的有益效果是：應用本專利技術的技術方案，通過采用基于漸進式彈簧設計旋轉SEA作為軟關節的驅動，以實現機器人關節的結構柔順化，使得機器人關節的剛度與其所受到的外負載呈正比，從而增加了機器人對于不同任務的適應性。再者，在兩個關節連桿之間設計彈性帶連接，通過電機主動調節彈性帶的長度實現關節剛度的自主調節。利用摩擦原理的關節的制動系統，提高了關節的安全性和實用性。附圖說明圖1為根據本專利技術的具體實施例所提供的模擬人體關節的機器人軟關節的結構示意圖；圖2為圖1中機器人軟關節的正視圖；圖3為圖1中機器人軟關節的左視圖；圖4為圖1中機器人軟關節的右視圖；圖5為圖1中機器人軟關節的俯視圖；圖6為根據本專利技術的具體實施例所提供的SEA柔性傳動模塊的結構示意圖；圖7為根據本專利技術的具體實施例所提供的SEA柔性傳動模塊的軸系剖視圖；圖8為根據本專利技術的具體實施例所提供的制動系統的結構示意圖。圖中：上連桿1、第一彈性帶2、第二彈性帶3、制動外殼4、U型架右側板5、U型架底板6、支撐圈7、剛度調節電機8、支撐板9、連接架10、驅動電機11、U型架左側板12、下連桿13、擋塊14、中軸15、彈簧16、掃臂17、軸承18、軸用彈性擋圈19、軸套20、SEA外殼21、彈簧導向凸臺22、制動連桿23、環形圈24、摩擦片25。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術做進一步詳細說明，但本專利技術并不局限于以下的實施例。如圖1、2、3、4和5所示，一種可變剛度的機器人軟關節，包括柔性傳動機構、驅動電機11、U型架、彈性帶、制動機構；驅動電機11的主舵盤和柔性傳動機構的SEA外殼21連接，U型架兩端分別和驅動電機11的副舵盤、柔性傳動機構的掃臂17連接；兩根彈性帶分別一端固結在下連桿，另一端繞過支撐圈7與調節電機8的輸出軸連接；制動機構設置在U型架右側，與支撐板9固定。如圖1、6和7所示，柔性傳動機構包括SEA外殼21、中軸15、擋塊14、掃臂17、彈簧導向凸臺22、彈簧16、軸承18、軸套20和軸用彈性擋圈19；SEA外殼21上加工有三個形狀相同的凹槽，擋塊14的底部固定在凹槽內，同時，為了減輕質量，SEA外殼21的中部加工有通孔；中軸15為階梯軸，軸上設置有軸肩、軸環，分別用于軸承18內圈的軸向定位；中軸15的一端和SEA外殼21固定，并通過兩個相同的軸承18支撐有掃臂17；中軸15軸端加工有環形凹槽，用于安裝軸端彈性擋圈19。掃臂17中空軸的內側設置有凸臺，用于左右對稱布置的軸承18外圈的軸向定位；掃臂17和擋塊14上加工有通孔，彈簧導向凸臺22通過過盈連接與掃臂17和擋塊14上的通孔連接；彈簧16兩端分別套在固定在掃臂17和擋塊14的彈簧導向凸臺22上；兩個彈簧16為一組，對稱布置在掃臂17的臂兩側，共有三組彈簧16繞在關節的轉動中心12°均勻分布，將彈簧16的移動伸縮轉變為轉動。如圖5和8所示，制動機構包括摩擦片25、環形圈24、制動連桿23和制動外殼4；制動連桿23為V型，一端23a繞有閘線與制動電機輸出軸相連，另一端23c和環形圈24的一端鉸接，V型底部23b和制動外殼4以轉動副連接；環形圈24的另一端24a和制動外殼4鉸接，摩擦片25固定在環形圈24內側。如圖1和2所示，U型架包括U型架左側板12、U型架底板6、U型架右側板5和下連桿13；U型架底板6兩端水平面有加工孔，分別和U型架左側板12、U型架右側板5的底端固定；下連桿13的上端固定在U型架底板6的中部，下連桿13上端加工有方形通孔，支撐圈7穿過方形通孔與上連桿1固定。具體的使用方法：本專利技術可以實現機器人關節輸入和輸出之間的柔性傳動。SEA外殼4與驅動電機11主舵盤電機相連，當驅動電機11運轉時帶動SEA外殼3轉動，通過嵌在SEA外殼3上的擋塊14壓縮彈簧16，彈簧經過緩沖之后將動力傳給掃臂17，掃臂17和U型架右側板5連接，從而完成動力的輸入輸出和柔性傳動。本專利技術也可以實現機器人關節剛度的主動和被動調節。當驅動電機11驅動關節轉動時，與下連桿13和剛度調節電機8的輸出軸連接的第一彈性帶2、第二彈性帶3隨著關節角度的增大或減小，彈性帶拉伸長度增大或者減小，兩根彈性帶對關節產生的彈性力共同作用改變關節的剛度，這是被動調節剛度。剛度調節電機8轉動時，主動改變與之相連的彈性帶的拉伸長度，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種可變剛度的機器人軟關節，包括柔性傳動機構、驅動電機、U型架、彈性帶、制動機構。其特征在于：所述驅動電機的主舵盤和柔性傳動機構的外殼連接，所述的U型架兩端分別和電機副舵盤、柔性傳動機構的掃臂連接；兩根彈性帶分別一端固結在下連桿，另一端繞過支撐圈與調節電機的輸出軸連接；所述的制動機構設置在U型架右側，與支撐板固定；所述的柔性傳動機構包括SEA外殼、中軸、擋塊、掃臂、彈簧導向凸臺、彈簧、軸承、軸套和軸用彈性擋圈；所述的SEA外殼加工有凹槽，擋塊底部固定在凹槽內；所述的中軸一端和SEA外殼固定，通過軸承支撐有掃臂軸；掃臂和擋塊上加工有通孔，彈簧導向凸臺固定在掃臂和擋塊上的通孔；所述彈簧兩端分別套在掃臂和擋塊的彈簧導向凸臺上；所述的制動機構包括摩擦片、環形圈、連桿和制動外殼；所述的連桿為V型，一端繞有閘線與制動電機輸出軸相連，另一端和環形圈鉸接，V型底部和制動外殼以轉動副連接；所述的環形圈另一端和制動外殼鉸接，摩擦片固定在環形圈內側；所述的U型架包括U型架左側板、U型架底板、U型架右側板和下連桿；所述的U型架底板兩端分別和U型架左側板、U型架右側板的底端固定；下連桿的上端固定在U型架底板的中間。...

【技術特征摘要】
1.一種可變剛度的機器人軟關節，包括柔性傳動機構、驅動電機、U型架、彈性帶、制動機構。其特征在于：所述驅動電機的主舵盤和柔性傳動機構的外殼連接，所述的U型架兩端分別和電機副舵盤、柔性傳動機構的掃臂連接；兩根彈性帶分別一端固結在下連桿，另一端繞過支撐圈與調節電機的輸出軸連接；所述的制動機構設置在U型架右側，與支撐板固定；所述的柔性傳動機構包括SEA外殼、中軸、擋塊、掃臂、彈簧導向凸臺、彈簧、軸承、軸套和軸用彈性擋圈；所述的SEA外殼加工有凹槽，擋塊底部固定在凹槽內；所述的中軸一端和SEA外殼固定，通過軸承支撐有掃臂軸；掃臂和擋塊上加工有通孔，彈簧導向凸臺固定在掃臂和擋塊上的通孔；所述彈簧兩端分別套在掃臂和擋塊的彈簧導向凸臺上；所述的制動機構包括摩擦片、環形圈、連桿和制動外殼；所述的連桿為V型，一端繞有閘線與制動電機輸出軸相連，另一端和環形圈鉸接，V型底部和制動外殼以轉動副連接；所述的環形圈另一端和制動外殼鉸接，摩擦片固定在環形圈內側；所述的U型架包括U型架左側板、U型架底板、U型架右側板和下連桿；所述的U型...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張秀麗，黃荔群，
申請(專利權)人：北京交通大學，
類型：發明
國別省市：北京;11