一種可變剛度的關(guān)節(jié)模塊的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種可變剛度的關(guān)節(jié)模塊，包括周向旋轉(zhuǎn)部分與剛度調(diào)節(jié)部分。周向旋轉(zhuǎn)部分中通過(guò)頂板連接件將碼盤(pán)與連接板與頂板間頂緊，軸向定位。且通過(guò)軸承組件實(shí)現(xiàn)在連接板不動(dòng)時(shí)，頂板與碼盤(pán)可同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。剛度調(diào)節(jié)部分中，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)滑塊沿滑軌的移動(dòng)；且將在滑塊上通過(guò)安裝一對(duì)軸承夾緊彈簧片，使滑塊在滑動(dòng)過(guò)程中，同時(shí)改變了其與彈簧片間的接觸位置。彈簧片兩端分別與周向旋轉(zhuǎn)部分、剛度調(diào)節(jié)部分固定，且將連接板相對(duì)剛度調(diào)節(jié)部分固定，同時(shí)將碼盤(pán)設(shè)置在讀頭中。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為：集成了軸向快速固定連接和周向可變剛度功能，既提高了精度，又縮小了模塊的體積。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種可變剛度的關(guān)節(jié)模塊

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)械設(shè)計(jì)【技術(shù)領(lǐng)域】，是一種既能夠?qū)崿F(xiàn)模塊間的軸向快速固定連接，又能夠?qū)崿F(xiàn)周向剛度可調(diào)節(jié)的柔性連接的模塊。

【背景技術(shù)】
[0002]目前，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，需求量大、設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)。迫切需要開(kāi)發(fā)出一套標(biāo)準(zhǔn)化的、集合常用機(jī)器人應(yīng)用模塊的硬件平臺(tái)，這樣有利于降低機(jī)器人應(yīng)用的成本和研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。因此機(jī)器人模塊化的研究成為了重點(diǎn)，特別是機(jī)器人模塊化的設(shè)計(jì)。根據(jù)機(jī)器人常用功能，將其從機(jī)構(gòu)和控制上進(jìn)行分解，形成多個(gè)具有獨(dú)立功能的功能模塊，通過(guò)重構(gòu)，組成應(yīng)用所需機(jī)器人構(gòu)型。
[0003]同樣，隨著機(jī)器人在工業(yè)、航天、醫(yī)療、服務(wù)等各個(gè)行業(yè)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，與人交互的機(jī)會(huì)也越來(lái)越多，保障機(jī)器人在與環(huán)境或人類(lèi)交互時(shí)的安全性成為國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)研究目標(biāo)。傳統(tǒng)機(jī)器人設(shè)計(jì)為了保證末端位置操作精確，多為剛性機(jī)器人，按照預(yù)先規(guī)劃好的路線進(jìn)行動(dòng)作，完成單調(diào)而重復(fù)的工作。但是，當(dāng)機(jī)器人末端執(zhí)行器與周?chē)h(huán)境發(fā)生接觸時(shí)，再精確的位置控制也會(huì)顯得不足。如果結(jié)合了接觸力控制后，就可以放松對(duì)位置精度控制的要求。為此，科學(xué)家提出了變剛度的設(shè)計(jì)，同時(shí)具有柔性機(jī)構(gòu)的被動(dòng)安全，又具有控制精度高、應(yīng)用范圍廣的特性。能像生物肌肉一樣緩沖碰撞，吸收、存儲(chǔ)和在此利用能量。保證安全的基礎(chǔ)上提高了能量利用率和機(jī)器人工作效率。
[0004]現(xiàn)有的變剛度設(shè)計(jì)一般體積、重量太大，負(fù)載低，對(duì)彈性元件要求太高，不便于控制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提出一種可變剛度的關(guān)節(jié)模塊，可應(yīng)用于機(jī)器人的關(guān)節(jié)處，具體采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，集成了軸向快速固定連接和周向可變剛度兩大功能。
[0006]一種可變剛度的關(guān)節(jié)模塊，包括周向旋轉(zhuǎn)部分與剛度調(diào)節(jié)部分。其中，周向旋轉(zhuǎn)部分包括頂板、頂板連接件、緊定螺母、連接板、深溝球軸承、碼盤(pán)、頂板連接件；剛度調(diào)節(jié)部分包括底板、滑軌、滑塊、絲杠、絲杠螺母、絲杠軸齒輪、電機(jī)齒輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、彈簧片、讀頭。
[0007]所述周向旋轉(zhuǎn)部分中，頂板連接件底端至頂端依次套有推力軸承、連接板、深溝球軸承、碼盤(pán)，頂板連接件頂端穿過(guò)頂板，與緊定螺母相連，使推力軸承、連接板、深溝球軸承、碼盤(pán)與頂板間軸向相對(duì)壓緊固定。
[0008]所述剛度調(diào)節(jié)部分中，底板上安裝滑軌與驅(qū)動(dòng)電機(jī)?；壣习惭b有滑塊；絲杠螺母螺紋連接在絲杠上，形成滾珠絲杠副；螺母與滑塊固定。絲杠一端安裝有絲杠軸齒輪，絲杠軸齒輪與驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸上固定安裝的電機(jī)齒輪嚙合；通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)滑塊沿滑軌的移動(dòng)。上述滑塊上安裝有兩個(gè)豎直的軸承安裝柱，兩個(gè)軸承安裝柱上均套接有彈簧片傳動(dòng)軸承，兩個(gè)彈簧片傳動(dòng)軸承間設(shè)置彈簧片，使彈簧片兩側(cè)面分別與兩個(gè)彈簧片傳動(dòng)軸承貼合；彈簧片一端相對(duì)底板固定，另一端作為自由端通過(guò)連接件與周向旋轉(zhuǎn)部分中的頂板固定。底板上還安裝有讀頭。
[0009]上述周向旋轉(zhuǎn)部分中，連接板與底板固定；同時(shí)，使碼盤(pán)位于讀頭的讀槽中。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0011]1、本發(fā)明可變剛度的關(guān)節(jié)模塊，將軸向快速連接和周向可變剛度兩大功能集成為一體，便于模塊化的生產(chǎn)和使用，有利于工業(yè)上的應(yīng)用和推廣；
[0012]2、本發(fā)明可變剛度的關(guān)節(jié)模塊，將可變剛度的概念引入到模塊間的連接，實(shí)現(xiàn)了模塊間連接的柔性可調(diào)節(jié)，這種連接在工業(yè)上的用途十分廣泛；
[0013]3、本發(fā)明可變剛度的關(guān)節(jié)模塊，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，體積比較小，能滿足體積受限情況下的使用需求。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為本發(fā)明可變剛度的關(guān)節(jié)模塊整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2為本發(fā)明可變剛度的關(guān)節(jié)模塊中周向旋轉(zhuǎn)部分裝配爆炸圖；
[0016]圖3為本發(fā)明可變剛度的關(guān)節(jié)模塊中剛度調(diào)節(jié)部分結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖4為剛度調(diào)節(jié)部分中滑塊的設(shè)計(jì)及滑塊與彈簧片的配合方式示意圖；
[0018]圖5為本發(fā)明可變剛度的關(guān)節(jié)模塊中讀頭與碼盤(pán)間安裝方式示意圖。
[0019]圖中:
[0020]1-周向旋轉(zhuǎn)部分2-剛度調(diào)節(jié)部分101-頂板
[0021]102-頂板連接件103-推力軸承104-連接板
[0022]105-深溝球軸承106-碼盤(pán)107-緊定螺母
[0023]108-環(huán)形側(cè)壁109-缺口201-底板
[0024]202-滑軌203-滑塊204-絲杠
[0025]205-絲杠螺母206-絲杠軸齒輪207-電機(jī)齒輪
[0026]208-驅(qū)動(dòng)電機(jī)209-彈簧片210-讀頭
[0027]211-安裝側(cè)板212-軸承座213-定位凸臺(tái)
[0028]214-軸承安裝柱215-彈簧片傳動(dòng)軸承216-插槽
[0029]217-定位孔

【具體實(shí)施方式】
[0030]下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0031]本發(fā)明可變剛度的關(guān)節(jié)模塊，包括周向旋轉(zhuǎn)部分I與剛度調(diào)節(jié)部分2，如圖1所示。其中，周向旋轉(zhuǎn)部分I包括頂板101、頂板連接件102、緊定螺母107、連接板104、深溝球軸承105、碼盤(pán)106、頂板連接件107，如圖2所示；剛度調(diào)節(jié)部分包括底板201、滑軌202、滑塊203、絲杠204、絲杠螺母205、絲杠軸齒輪206、電機(jī)齒輪207、驅(qū)動(dòng)電機(jī)208、彈簧片209、讀頭210，如圖3所示。
[0032]所述周向旋轉(zhuǎn)部分I中，頂板連接件102為柱狀，底端周向具有限位凸緣，頂板連接件102頂端依次穿過(guò)推力軸承103、連接板104上的安裝孔、深溝球軸承105、碼盤(pán)106中心孔后，由頂板101中心開(kāi)設(shè)的通孔穿出，與緊定螺母107螺紋固連。通過(guò)擰緊緊定螺母107，使推力軸承103、連接板104、深溝球軸承105、碼盤(pán)106與頂板101間軸向相對(duì)固定。固定后，頂板101與碼盤(pán)106間壓緊，碼盤(pán)106與深溝球軸承105內(nèi)圈壓緊，深溝球軸承105外圈設(shè)置于連接板104頂面上的凹槽A內(nèi)，通過(guò)凹槽A實(shí)現(xiàn)深溝球軸承與連接板間的定位。推力軸承103頂面設(shè)置于連接板底面上的凹槽B內(nèi)，通過(guò)凹槽B實(shí)現(xiàn)推力軸承103與連接板104間的定位；推力軸承103底面與頂板連接件102底端限位凸緣壓緊。由此，在連接板104不動(dòng)的情況下，101頂板可通過(guò)摩擦力帶動(dòng)碼盤(pán)106 —并自由轉(zhuǎn)動(dòng)，且通過(guò)測(cè)定碼盤(pán)106的旋轉(zhuǎn)角度就能得到頂板101的旋轉(zhuǎn)角度。
[0033]所述剛度調(diào)節(jié)部分2中，底板201上表面兩側(cè)設(shè)計(jì)有兩個(gè)相互平行的安裝側(cè)板211，在兩個(gè)安裝側(cè)板211上各安裝一條平行于下底板的滑軌202，且兩滑軌202相互平行，實(shí)現(xiàn)兩滑軌202與底板201間的相對(duì)固定。滑塊203安裝在兩條滑軌202上，可沿滑軌202軸向上滑動(dòng)。絲杠204與滑軌202平行設(shè)置，絲杠204的一端通過(guò)軸承安裝在軸承座212上；軸承座211兩側(cè)分別與兩個(gè)安裝側(cè)板211間固連，使軸承座212與底板201間相對(duì)固定。絲杠204的另一端與底板201上設(shè)計(jì)的定位凸臺(tái)213通過(guò)軸承連接；且使絲杠204上螺紋配合安裝的絲杠螺母205與滑塊203固定。絲杠204 —端端部通過(guò)頂絲固定安裝有絲杠軸齒輪206。驅(qū)動(dòng)電機(jī)208自帶編碼器，用來(lái)測(cè)量驅(qū)動(dòng)電機(jī)208的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，便于驅(qū)動(dòng)電機(jī)208的驅(qū)動(dòng)控制。驅(qū)動(dòng)電機(jī)208通過(guò)電機(jī)安裝板固定安裝在一側(cè)的安裝側(cè)板211上，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)208與底板201間相對(duì)固定。驅(qū)動(dòng)電機(jī)208的輸出軸上通過(guò)頂絲固定安裝有電機(jī)齒輪207 ;電機(jī)齒輪207與絲杠軸齒輪206嚙合。上述滑塊203采用矩形框架結(jié)構(gòu)，如圖4所示，在頂面與底面間安裝有兩個(gè)豎直的軸承安裝柱214，兩個(gè)軸承安裝柱214上均直接套接有彈簧片傳動(dòng)軸承215，在兩個(gè)彈簧片傳動(dòng)軸承215間沿滑軌軸向設(shè)置彈簧片209，使彈簧片214兩側(cè)面分別與兩個(gè)彈簧片傳動(dòng)軸承215貼合；考慮到彈簧片傳動(dòng)軸承215的寬度有限，因此本發(fā)明中在兩個(gè)軸承安裝柱214上各套接多個(gè)彈簧片傳動(dòng)軸承215。彈簧片209一端插入到定位凸臺(tái)213上開(kāi)設(shè)的插槽216內(nèi)，通過(guò)螺栓由定位凸臺(tái)213側(cè)面設(shè)計(jì)的定位孔217將彈簧片209端部頂緊固定；彈簧片209另一端作為自由端，用來(lái)與周向旋轉(zhuǎn)部分1相連。上述軸承座212頂面上安裝有讀頭210，用來(lái)與讀取碼盤(pán)106的轉(zhuǎn)角信息。由此，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)208驅(qū)動(dòng)絲杠204轉(zhuǎn)動(dòng)，使絲杠螺母205沿絲杠204軸向平動(dòng)，帶動(dòng)滑塊203沿滑軌202移動(dòng)，進(jìn)而改變了滑塊203上兩個(gè)彈簧片傳動(dòng)軸承215與彈簧片209間的接觸點(diǎn)，進(jìn)而改變了接觸點(diǎn)到彈簧片209自由端的距離。
[0034]所述周向旋轉(zhuǎn)部分1與剛度調(diào)節(jié)部分2間相互連接，具體連接方式為:周向旋轉(zhuǎn)部分1中，連接板104兩側(cè)分別通過(guò)螺栓與底板201上兩個(gè)安裝側(cè)板211間相連，實(shí)現(xiàn)周向旋轉(zhuǎn)部分1與剛度調(diào)節(jié)部分2間的相對(duì)固定；同時(shí)，保證碼盤(pán)106位于讀頭210的讀槽中，如圖5所示。彈簧片209的自由端與頂板101周向上通過(guò)連接件相連。
[0035]上述結(jié)構(gòu)的可變剛度的關(guān)節(jié)模塊，集成了軸向快速固定連接和周向可變剛度兩大功能；所述的軸向快速連接功能，通過(guò)將頂板101和底板201固定于需要連接的兩側(cè)部件實(shí)現(xiàn)，能夠保證快速與兩側(cè)部件間的固定。所述周向可變剛度功能，通過(guò)改變滑塊203與彈簧片209末端的相對(duì)位置實(shí)現(xiàn)，能夠保證可變剛度的關(guān)節(jié)模塊的兩側(cè)部件周向連接柔性可調(diào)節(jié)。
[0036]本發(fā)明中在頂板101周向上設(shè)計(jì)環(huán)形側(cè)壁108，環(huán)形側(cè)壁上開(kāi)有設(shè)計(jì)有槽面用來(lái)與彈簧片209自由端相連，實(shí)現(xiàn)與彈簧片209自由端的連接，且通過(guò)環(huán)形側(cè)壁108還可對(duì)剛度調(diào)節(jié)部分2進(jìn)行保護(hù)。同時(shí)，本發(fā)明還在環(huán)形側(cè)壁108上開(kāi)有缺口 109 ;使底板201上的定位凸臺(tái)213位于缺口 109處；進(jìn)而通過(guò)缺口 109兩側(cè)與定位凸臺(tái)213實(shí)現(xiàn)頂板101轉(zhuǎn)動(dòng)角度限制。
【權(quán)利要求】
1.一種可變剛度的關(guān)節(jié)模塊，其特征在于:包括周向旋轉(zhuǎn)部分與剛度調(diào)節(jié)部分；其中，周向旋轉(zhuǎn)部分包括頂板、頂板連接件、緊定螺母、連接板、深溝球軸承、碼盤(pán)、頂板連接件；剛度調(diào)節(jié)部分包括底板、滑軌、滑塊、絲杠、絲杠螺母、絲杠軸齒輪、電機(jī)齒輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、彈簧片、讀頭； 所述周向旋轉(zhuǎn)部分中，頂板連接件底端至頂端依次套有推力軸承、連接板、深溝球軸承、碼盤(pán)，頂板連接件頂端穿過(guò)頂板，與緊定螺母相連，使推力軸承、連接板、深溝球軸承、碼盤(pán)與頂板間軸向相對(duì)壓緊固定； 所述剛度調(diào)節(jié)部分中，底板上安裝滑軌與驅(qū)動(dòng)電機(jī)；滑軌上安裝有滑塊；絲杠螺母螺紋連接在絲杠上，形成滾珠絲杠副；螺母與滑塊固定；絲杠一端安裝有絲杠軸齒輪，絲杠軸齒輪與驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸上固定安裝的電機(jī)齒輪嚙合；通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)滑塊沿滑軌的移動(dòng)；上述滑塊上安裝有兩個(gè)豎直的軸承安裝柱，兩個(gè)軸承安裝柱上均套接有彈簧片傳動(dòng)軸承，兩個(gè)彈簧片傳動(dòng)軸承間設(shè)置彈簧片，使彈簧片兩側(cè)面分別與兩個(gè)彈簧片傳動(dòng)軸承貼合；彈簧片一端相對(duì)底板固定，另一端作為自由端通過(guò)連接件與周向旋轉(zhuǎn)部分中的頂板固定；底板上還安裝有讀頭； 上述周向旋轉(zhuǎn)部分中，連接板與底板固定；同時(shí)，使碼盤(pán)位于讀頭的讀槽中。
2.如權(quán)利要求1所述一種可變剛度的關(guān)節(jié)模塊，其特征在于:所述頂板周向上設(shè)計(jì)有環(huán)形側(cè)壁，環(huán)形側(cè)壁用來(lái)與彈簧片自由端相連，通過(guò)環(huán)形側(cè)壁保護(hù)剛度調(diào)節(jié)部分。
3.如權(quán)利要求1或2所述一種可變剛度的關(guān)節(jié)模塊，其特征在于:所述底板上設(shè)計(jì)有定位凸臺(tái)，同時(shí)在環(huán)形側(cè)壁上開(kāi)設(shè)缺口，使凸臺(tái)位于缺口處，通過(guò)缺口兩側(cè)與定位凸臺(tái)配合，實(shí)現(xiàn)頂板轉(zhuǎn)動(dòng)角度限制。
4.如權(quán)利要求3所述一種可變剛度的關(guān)節(jié)模塊，其特征在于:所述定位凸臺(tái)作為絲杠一端與底板間相對(duì)定位的中間連接件，同時(shí)，還作為彈簧片一端與底板間定位的中間連接件。
5.如權(quán)利要求1所述一種可變剛度的關(guān)節(jié)模塊，其特征在于:所述底板上設(shè)計(jì)有兩個(gè)相互平行的安裝側(cè)板，用來(lái)安裝滑軌、驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以及連接周向旋轉(zhuǎn)部分中的連接板。
【文檔編號(hào)】B25J17/02GK104260106SQ201410406580
【公開(kāi)日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年8月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月18日
【發(fā)明者】陶永, 王云慶, 魏洪興, 鄭隨兵, 郭龍 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)