一种旋转式机器人关节及其使用方法

1.本发明涉及机器人关节的技术领域，尤其涉及一种旋转式机器人关节及其使用方法。


背景技术：

2.传统机器人关节驱动往往采用电机和减速器相结合的刚性传动方案，能够保证较高的传动精度和控制带宽，但其本质安全性往往较低。在机器人最核心的关节驱动中引入物理弹性机构，使得机器人系统具备被动柔顺特性，机器人将能够快速响应外部冲击、吸收或储存能量、具备本质安全特性，对于足式机器人、穿戴式机器人、协作机器人等人与机器人或机器人与环境之间存在物理交互作用的应用场景具有积极意义。
3.目前，机器人关节驱动实现上述被动柔顺特性的主流手段是在其传动机构中串联一个弹性元件，构成串联弹性驱动器，根据弹性机构输出刚度可否调节又分为定刚度串联弹性驱动关节和可变刚度串联弹性驱动关节。定刚度串联弹性驱动关节结构简单，成本低廉，可以实现较好的力控，但其刚度值恒定，无法在线实时调节，大大限制了其动态任务适应能力，往往局限于某些特性、单一的任务空间，比如某个较窄的柔顺力输出范围内。为了突破该局限性，可变刚度串联弹性驱动关节得到了广泛研究，从原理上主要分为拮抗型、变预紧力型、变弹性体物理参数型和变传动比率型。
4.拮抗型可变刚度串联弹性驱动关节结构相对较为复杂，刚度调节范围有限，调刚能耗严重，负载能力也受到传动链上的非线性弹簧机构的制约；变预紧力型可变刚度串联弹性驱动关节结构紧凑型得到了提升，但刚度调节范围仍然受到预紧力调节机构的带宽限制，且多需要复杂的凸轮机构和较为臃肿的丝杠滑台机构；而变弹性体物理参数型主要通过改变弹簧的几何尺寸或材料属性(如记忆合金随温度变化时的相变)，刚度调整范围尽管有较大的提升，但其调刚速度、负载能力严重限制着机器人的快速动态响应能力；变传动比率型可变刚度串联弹性驱动关节可以改变输入轴和输出轴之间的传动机构的实际驱动半径或悬长，改变力、支点、弹性元件作用点之间的相对长度或角度比例，可以方便、快速、大范围地调整其输出刚度；但是，目前变传动比率型可变刚度串联弹性驱动关节在结构紧凑型，刚度调节速度、刚度调节能耗等方面仍有较大的优化空间。


技术实现要素：

5.针对变刚度机器人关节的结构紧凑型低、刚度调节速度低、调刚能耗高等技术问题，本发明提出一种旋转式机器人关节，特别适用于机器人与人或环境物理交互时灵活调节其输出刚度，能够满足物理交互场合的安全性和柔顺性需求，且刚度调节快捷。
6.为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种旋转式机器人关节，包括第一壳体，第一壳体的右侧固定安装有第二壳体，所述第一壳体的内部转动安装有大锥齿轮，所述第一壳体外圆周表面固定安装有主驱电机，所述主驱电机的输出轴上固定安装有小锥齿轮，所述小锥齿轮位于第一壳体内部，其中，所述小锥齿轮与所述大锥齿轮相啮
合。
7.进一步地，所述大锥齿轮的左侧面固定安装有调刚电机，所述调刚电机的输出轴穿过所述大锥齿轮上的通孔，所述调刚电机的输出轴的端部固定安装有第一调刚齿轮，所述大锥齿轮的右侧面固定安装有输入轴，所述输入轴通过第一大轴承与第二壳体转动连接，左弹簧组件通过左小轴承与所述输入轴转动连接；输出轴通过第二大轴承与第二壳体转动连接，右弹簧组件通过右小轴承与所述输出轴转动连接；所述第一壳体的左侧通过螺栓固定安装有盖板，所述第二壳体的右侧通过螺栓固定安装有右盖板，第二壳体的顶部固定安装有电机驱动，第三壳体固定安装在所述第一壳体和第二壳体上方，所述主驱电机和所述电机驱动均位于所述第三壳体的内部。
8.进一步地，左弹簧组件包括左固定盘，所述左固定盘与所述左小轴承的内圈过渡配合，所述左小轴承的左侧面上固定安装有支撑架和左滑块，左滑块位于所述支撑架内部，第二调刚齿轮固定在所述支撑架左侧面上，所述第二调刚齿轮与第一调刚齿轮相啮合；所述左滑块上滑动安装有左导轨，左导轨能沿着所述左滑块相对直线往复运动，左导轨上同轴套设有左弹簧，左导轨的端部安装有限位螺栓，用于限位左导轨的往复运动，所述左弹簧一端支撑在所述左滑块上，另一端与所述左弹簧限位螺栓接触；所述右弹簧组件包括右固定盘、右滑块、右导轨、右弹簧、右弹簧限位螺栓和右导轨限位螺栓，所述右固定盘与所述右小轴承的内圈过渡配合，左弹簧组件与右弹簧组件呈中心对称结构，不再赘述。
9.进一步地，所述左固定盘与所述右固定盘通过螺栓固定连接，在所述左小轴承和所述右小轴承之间安装有所述挡圈，避免两个小轴承的转动干涉。
10.进一步地，所述输入轴靠近边缘处对称设置有输入轴上边孔和输入轴下边孔；类似地，所述输出轴靠近边缘处对称设置有输出轴上边孔和输出轴下边孔。
11.进一步地，所述第一绳索的一端连接在所述左导轨限位螺栓上，穿过所述输入轴上边孔，另一端连接到所述输出轴上边孔处；所述第二绳索的一端连接在所述右导轨限位螺栓上，穿过所述输出轴下边孔，另一端连接到所述输入轴下边孔处。
12.进一步地，所述输出轴端部的外圆周表面上固定安装有编码器磁环，所述第二壳体右侧面上固定安装有编码器读头，所述编码器磁环和编码器读头均位于第二壳体和右盖板之间的空腔内。
13.进一步地，一种旋转式机器人关节的使用方法，首先，所述调刚电机带着所述第一调刚齿轮旋转，驱动与之啮合的第二调刚齿轮转动，进而带动所述左弹簧组件和所述右弹簧组件相对所述输入轴和所述输出轴同步旋转一定角度，改变所述第一绳索与所述左导的夹角α，相似地也同步改变所述第二绳索与所述右导轨的夹角α。调整好夹角α之后，所述主驱电机带着所述小锥齿轮驱动与之啮合的所述大锥齿轮转动，驱动所述输入轴与之同步转动，进而经过所述第一绳索和所述第二绳索驱动所述输出轴转动，通过输出轴将动力传递出去。
14.与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：
15.1.通过改变绳索与弹簧压缩方向之间的夹角调节传动刚度，可以在较小的弹簧旋转角范围内得到较大的刚度调节带宽，也能实现较快的调刚响应速度；
16.2.两组弹簧组件关于空间原点对称布局，能够抵消刚度保持过程中的弹性阻力，提升了动力传递过程中的稳定性，并降低刚度保持能耗；
17.3.本发明结构紧凑，集成度高，模块化设计，拆卸维护方便，针对不同应用场景的可重新配置性极为灵活，尤其适用于机器人关节驱动。
附图说明
18.图1为本发明的整体轴测图；
19.图2为本发明的爆炸结构示意图；
20.图3为本发明的正视图；
21.图4为沿图3中b-b方向剖切后顺时针旋转90
°
的视图；
22.图5为沿图3中a-a方向的剖切视图；
23.图6为本发明中内部活动部分的整体轴测图；
24.图7为图6中本发明中内部活动部分的爆炸结构示意图；
25.图8为图7中弹簧组件的整体轴测图；
26.图9为图6中沿c向正面看去并隐去输出轴的正视图；
27.图10为图6的侧视图；
28.图11(a)为本发明的变刚度原理图；
29.图11(b)为刚度值为最小时结构示意图；
30.图11(c)为刚度值介于中间值时结构示意图；
31.图11(d)刚度值为最大时结构示意图；
32.图12为本发明中输入轴的整体轴测图；
33.图13为本发明中固定盘的整体轴测图；
34.图14为本发明中输出轴的整体轴测图。
35.其中：d1.1-主驱电机，d1.2-小锥齿轮，d1.3-大锥齿轮，d1.4-第一大轴承，d1.5-第二大轴承，d1.6-电机驱动，k1.1-左盖板，k1.2-第一壳体，k1.3-第二壳体，k1.4-右盖板，k1.5-第三壳体，g1.1-调刚电机，g1.2-第一调刚齿轮，g1.3-第二调刚齿轮，g1.4-支撑架，g2-左弹簧组件，g2.1-左固定盘，g2.2-左小轴承，g2.3-左滑块，g2.4-左导轨，g2.5-左弹簧，g2.6-左弹簧限位螺栓，g2.7-左导轨限位螺栓，g3-右弹簧组件，g3.1-右固定盘，g3.2-右小轴承，g3.3-右滑块，g3.4-右导轨，g3.5-右弹簧，g3.6-右弹簧限位螺栓，g3.7-右导轨限位螺栓，g4-挡圈，z1-输入轴，z1.1-输入轴上边孔，z1.2-输入轴下边孔，z2-输出轴，z2.1-输出轴上边孔，z2.2-输出轴下边孔，s1-第一绳索，s2-第二绳索，b1.1-编码器读头，b1.2-编码器磁环。
具体实施方式
36.下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
37.一种旋转式机器人关节，包括第一壳体k1.2，第一壳体k1.2的右侧固定安装有第二壳体k1.3，所述第一壳体k1.2的内部转动安装有大锥齿轮d1.3，所述第一壳体k1.2外圆周表面固定安装有主驱电机d1.1，所述主驱电机d1.1的输出轴上固定安装有小锥齿轮d1.2，所述小锥齿轮d1.2位于第一壳体k1.2内部，其中，所述小锥齿轮d1.2与所述大锥齿轮d1.3相啮合；
38.所述大锥齿轮d1.3的左侧面固定安装有调刚电机g1.1，所述调刚电机g1.1的输出
轴穿过所述大锥齿轮d1.3上的通孔，所述调刚电机g1.1的输出轴的端部固定安装有第一调刚齿轮g1.2，所述大锥齿轮d1.3的右侧面固定安装有输入轴z1，所述输入轴z1通过第一大轴承d1.4与第二壳体k1.3转动连接，左弹簧组件g2通过左小轴承g2.2与所述输入轴z1转动连接；输出轴z2通过第二大轴承d1.5与第二壳体k1.3转动连接，右弹簧组件g3通过右小轴承g3.2与所述输出轴z2转动连接；所述第一壳体k1.2的左侧通过螺栓固定安装有盖板k1.1，所述第二壳体k1.3的右侧通过螺栓固定安装有右盖板k1.4，第二壳体k1.3的顶部固定安装有电机驱动d1.6，电机驱动d1.6能够驱动主驱电机d1.1工作；第三壳体k1.5固定安装在所述第一壳体k1.2和第二壳体k1.3上方，所述主驱电机d1.1和所述电机驱动d1.6均位于所述第三壳体k1.5的内部。
39.左弹簧组件g2包括左固定盘g2.1，所述左固定盘g2.1与所述左小轴承g2.2的内圈过渡配合，所述左小轴承g2.2的左侧面上固定安装有支撑架g1.4和左滑块g2.3，左滑块g2.3位于所述支撑架g1.4内部，第二调刚齿轮g1.3固定在所述支撑架g1.4左侧面上，所述第二调刚齿轮g1.3与第一调刚齿轮g1.2相啮合，通过第一调刚齿轮g1.2旋转带动调刚齿轮g13.转动，进而带动做固定盘g2.1转动；所述左滑块g2.3上滑动安装有左导轨g2.4，左导轨g2.4能沿着所述左滑块g2.3相对直线往复运动，左导轨g2.4上同轴套设有左弹簧g2.5，左导轨g2.4的端部安装有限位螺栓g2.6，用于限位左导轨g2.4的往复运动，所述左弹簧g2.5一端支撑在所述左滑块g2.3上，另一端与所述左弹簧限位螺栓g2.6接触；如图9，所述右弹簧组件g3包括右固定盘g3.1、右滑块g3.3、右导轨g3.4、右弹簧g3.5、右弹簧限位螺栓g3.6和右导轨限位螺栓g3.7，所述右固定盘g3.1与所述右小轴承g3.2的内圈过渡配合，左弹簧组件g2与右弹簧组件g3呈中心对称结构，不再赘述。
40.如图6、图7和图13，所述左固定盘g2.1与所述右固定盘g3.1通过螺栓固定连接，在所述左小轴承g2.2和所述右小轴承g3.2之间安装有所述挡圈g4，避免两个小轴承的转动干涉。
41.如图12，所述输入轴z1靠近边缘处对称设置有输入轴上边孔z1.1和输入轴下边孔z1.2；类似地，如图14，所述输出轴z2靠近边缘处对称设置有输出轴上边孔z2.1和输出轴下边孔z2.2。
42.如图4和图12-图14，所述第一绳索s1的一端连接在所述左导轨限位螺栓g2.6上，穿过所述输入轴上边孔z1.1，另一端连接到所述输出轴上边孔z2.1处；类似地，所述第二绳索s2的一端连接在所述右导轨限位螺栓g3.6上，穿过所述输出轴下边孔z2.2，另一端连接到所述输入轴下边孔z1.2处。
43.如图2、图4和图5，所述输出轴z2端部的外圆周表面上固定安装有编码器磁环b1.2，所述第二壳体k1.3右侧面上固定安装有编码器读头b1.1，所述编码器磁环b1.2和编码器读头b1.1均位于第二壳体k1.3和右盖板k1.4之间的空腔内。
44.如图11，本发明的一种旋转式机器人关节，其刚度调节原理为：首先，所述调刚电机g1.1带着所述第一调刚齿轮g1.2旋转，驱动与之啮合的第二调刚齿轮g1.3转动，进而带动所述左弹簧组件g2和所述右弹簧组件g3相对所述输入轴z1和所述输出轴z2同步旋转一定角度，改变所述第一绳索s1与所述左导轨g2.4的夹角α，相似地也同步改变所述第二绳索s2与所述右导轨g3.4的夹角；如图11(a)，当绳索与导轨之间夹角α＝0
°
时，整个关节的输出刚度最小，约为整个关节内弹簧刚度之和；如图11(c)，随着这个夹角α的增加，整个关节的
输出刚度也在增加；如图11(d)，当绳索与导轨之间夹角为α＝90
°
时，所述第一绳索s1或第二绳索s2的张力与所述左导轨g2.4或右导轨g3.4往复运动方向垂直，若忽略不计绳索的弹性，则整个关节的输出刚度近似无穷大，也即近似刚性传动。调整好夹角α之后，所述主驱电机d1.1带着所述小锥齿轮d1.2驱动与之啮合的所述大锥齿轮d1.3转动，驱动所述输入轴z1与之同步转动，进而经过所述第一绳索s1和所述第二绳索s2驱动所述输出轴z2转动，通过输出轴z2将动力传递出去；所述输出轴z2一端可以连接负载。
45.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种旋转式机器人关节，其特征在于，包括第一壳体(k1.2)，第一壳体(k1.2)的右侧固定安装有第二壳体(k1.3)，所述第一壳体(k1.2)的内部转动安装有大锥齿轮(d1.3)，所述第一壳体(k1.2)外圆周表面固定安装有主驱电机(d1.1)，所述主驱电机(d1.1)的输出轴上固定安装有小锥齿轮(d1.2)，所述小锥齿轮(d1.2)位于第一壳体(k1.2)内部，其中，所述小锥齿轮(d1.2)与所述大锥齿轮(d1.3)相啮合。2.如权利要求1所述的一种旋转式机器人关节，其特征在于，所述大锥齿轮(d1.3)的左侧面固定安装有调刚电机(g1.1)，所述调刚电机(g1.1)的输出轴穿过所述大锥齿轮(d1.3)上的通孔，所述调刚电机(g1.1)的输出轴的端部固定安装有第一调刚齿轮(g1.2)，所述大锥齿轮(d1.3)的右侧面固定安装有输入轴(z1)，所述输入轴(z1)通过第一大轴承(d1.4)与第二壳体(k1.3)转动连接，左弹簧组件(g2)通过左小轴承(g2.2)与所述输入轴(z1)转动连接；输出轴(z2)通过第二大轴承(d1.5)与第二壳体(k1.3)转动连接，右弹簧组件(g3)通过右小轴承(g3.2)与所述输出轴(z2)转动连接；所述第一壳体(k1.2)的左侧通过螺栓固定安装有盖板(k1.1)，所述第二壳体(k1.3)的右侧通过螺栓固定安装有右盖板(k1.4)，第二壳体(k1.3)的顶部固定安装有电机驱动(d1.6)，第三壳体(k1.5)固定安装在所述第一壳体(k1.2)和第二壳体(k1.3)上方，所述主驱电机(d1.1)和所述电机驱动(d1.6)均位于所述第三壳体(k1.5)的内部。3.如权利要求2所述的一种旋转式机器人关节，其特征在于，左弹簧组件(g2)包括左固定盘(g2.1)，所述左固定盘(g2.1)与所述左小轴承(g2.2)的内圈过渡配合，所述左小轴承(g2.2)的左侧面上固定安装有支撑架(g1.4)和左滑块(g2.3)，左滑块(g2.3)位于所述支撑架(g1.4)内部，第二调刚齿轮(g1.3)固定在所述支撑架(g1.4)左侧面上，所述第二调刚齿轮(g1.3)与第一调刚齿轮(g1.2)相啮合；所述左滑块(g2.3)上滑动安装有左导轨(g2.4)，左导轨(g2.4)能沿着所述左滑块(g2.3)相对直线往复运动，左导轨(g2.4)上同轴套设有左弹簧(g2.5)，左导轨(g2.4)的端部安装有限位螺栓(g2.6)，所述左弹簧(g2.5)一端支撑在所述左滑块(g2.3)上，另一端与所述左弹簧限位螺栓(g2.6)接触；所述右弹簧组件(g3)包括右固定盘(g3.1)、右滑块(g3.3)、右导轨(g3.4)、右弹簧(g3.5)、右弹簧限位螺栓(g3.6)和右导轨限位螺栓(g3.7)，所述右固定盘(g3.1)与所述右小轴承(g3.2)的内圈过渡配合，左弹簧组件(g2)与右弹簧组件(g3)呈中心对称结构。4.如权利要求3所述的一种旋转式机器人关节，其特征在于，所述左固定盘(g2.1)与所述右固定盘(g3.1)通过螺栓固定连接，在所述左小轴承(g2.2)和所述右小轴承(g3.2)之间安装有所述挡圈(g4)。5.如权利要求4所述的一种旋转式机器人关节，其特征在于，所述输入轴(z1)靠近边缘处对称设置有输入轴上边孔(z1.1)和输入轴下边孔(z1.2)；所述输出轴(z2)靠近边缘处对称设置有输出轴上边孔(z2.1)和输出轴下边孔(z2.2)。6.如权利要求5所述的一种旋转式机器人关节，其特征在于，第一绳索(s1)的一端连接在所述左导轨限位螺栓(g2.6)上，穿过所述输入轴上边孔(z1.1)，另一端连接到所述输出轴上边孔(z2.1)处；第二绳索(s2)的一端连接在所述右导轨限位螺栓(g3.6)上，穿过所述输出轴下边孔(z2.2)，另一端连接到所述输入轴下边孔(z1.2)处。7.如权利要求6所述的一种旋转式机器人关节，其特征在于，所述输出轴(z2)端部的外圆周表面上固定安装有编码器磁环(b1.2)，所述第二壳体(k1.3)右侧面上固定安装有编码
器读头(b1.1)，所述编码器磁环(b1.2)和编码器读头(b1.1)均位于第二壳体(k1.3)和右盖板(k1.4)之间的空腔内。8.一种基于权利要求1-7中任意一项所述旋转式机器人关节的使用方法，其特征在于：首先，所述调刚电机(g1.1)带着所述第一调刚齿轮(g1.2)旋转，驱动与之啮合的第二调刚齿轮(g1.3)转动，进而带动所述左弹簧组件(g2)和所述右弹簧组件(g3)相对所述输入轴(z1)和所述输出轴(z2)同步旋转一定角度，改变所述第一绳索(s1)与所述左导轨(g2.4)的夹角α，相似地也同步改变所述第二绳索(s2)与所述右导轨(g3.4)的夹角α；调整好夹角α之后，所述主驱电机(d1.1)带着所述小锥齿轮(d1.2)驱动与之啮合的所述大锥齿轮(d1.3)转动，驱动所述输入轴(z1)与之同步转动，进而经过所述第一绳索(s1)和所述第二绳索(s2)驱动所述输出轴(z2)转动，通过输出轴(z2)将动力传递出去。

技术总结
本发明提出了一种旋转式机器人关节，包括主驱模块、调刚模块和支撑模块。所述主驱模块用于提供并传递整个关节的动力，用于驱动负载运动，所述主驱模块的大锥齿轮与所述调刚模块连接，驱动整个调刚模块在所述支撑模块内部旋转，所述调刚模块包括调刚电机、第一调刚齿轮、第二调刚齿轮、支撑柱、左弹簧组件、右弹簧组件、挡圈、输入轴、输出轴、第一绳索和第二绳索；所述左弹簧组件与所述右弹簧组件空间中心对称安装。本发明通过调节所述弹簧组件往复运动方向与所述绳索之间的夹角调节刚度，提高了刚度相应速度，降低了刚度保持能耗，且模块化设计程度高，适合作为机器人关节驱动。适合作为机器人关节驱动。适合作为机器人关节驱动。


技术研发人员：曹阳 许亚鹏 马军 国凯 明五一 李晓科 何文斌 王旭 都金光 刘琨 段留洋 刘宁 彭震
受保护的技术使用者：郑州轻工业大学
技术研发日：2023.05.25
技术公布日：2023/7/22