一种分段变刚度串联弹性机器人关节

本发明涉及机器人关节的，特别涉及一种分段变刚度串联弹性机器人关节。

背景技术：

1、四足机器人在碎石、台阶、沟槽、下台阶、跳跃、跌落等非结构化或高冲击工况下，关节不仅需要完成运动跟踪，还需要具备柔顺接触、冲击缓冲和传动保护能力。传统高刚度传动链在短时冲击下缺少机械层的形变空间和储能路径，瞬态载荷更容易向减速器和电机传播。

2、为解决上述问题，现有技术设计了串联弹性驱动技术，串联弹性驱动通过在驱动端与负载端之间引入弹性元件，使关节具有物理形变与储能能力，可用于冲击缓冲和力矩感知/控制。

3、若串联弹性元件刚度较高，正常运动的响应与位置跟踪将会较好，但冲击时的弹性形变和储能空间受到限制；若刚度较低，则有利于柔顺缓冲，却可能增加常规运动中的形变、跟踪偏差以及大变形条件下的承载风险。即采用单一固定刚度覆盖正常运动与高冲击工况存在工程折中。

4、因此，如何解决上述困境，已经成为本领域技术人员的一个研发重点方向。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种分段变刚度串联弹性机器人关节，以解决机器人关节难以兼顾不同工况的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种分段变刚度串联弹性机器人关节，包括关节外盘、关节转动件和扭簧；所述关节外盘设有转动腔，所述转动腔的腔壁设有限位槽，所述限位槽的槽壁设有弹性受力件；所述关节转动件以可转动的方式安装于所述转动腔内，所述关节转动件的外壁设有限位件，所述限位件设于所述限位槽内；所述扭簧套于所述关节转动件外，所述扭簧的一端与所述关节外盘连接，所述扭簧的一端与所述关节转动件连接；从所述扭簧受力从小变大的过程中，所述限位件依次具有与所述弹性受力件相互分离、与所述弹性受力件抵接、以及将所述弹性受力件压缩至形变耗尽的状态。

3、在其中一个实施例中，两所述限位槽相对布置于所述转动腔的相对两侧；两所述限位件分别设于所述关节转动件的相对两侧，两所述限位件分别设于两所述限位槽内。

4、在其中一个实施例中，所述限位槽为扇形槽。

5、在其中一个实施例中，所述弹性受力件为邵氏硬度为85-95的弹性块。

6、在其中一个实施例中，所述弹性受力件为聚氨酯垫块。

7、在其中一个实施例中，所述限位件与所述关节转动件之间为可拆卸式连接，所述限位件具有多种不同大小的可选尺寸，不同大小所述限位件的选择用于改变所述限位件与所述弹性受力的初始分离距离。

8、在其中一个实施例中，所述限位件包括相互连接的插杆和抵接头；所述插杆与所述关节转动件插拔连接；所述抵接头设于所述限位槽内，不同尺寸所述限位件的所述抵接头尺寸不同。

9、在其中一个实施例中，所述关节转动件的外周壁上设有插孔；所述限位件的一部分插入所述插孔内，所述限位件的一部分设于所述限位槽内。

10、在其中一个实施例中，所述扭簧与所述关节外盘之间为可拆卸式连接，所述扭簧与所述关节转动件之间为可拆卸式连接；所述扭簧具有多种不同刚度的可选型号，不同刚度所述限扭簧的选择用于改变所述限位件移向所述弹性受力的难易程度。

11、在其中一个实施例中，所述关节外盘上设有盘上定簧孔；所述关节转动件上设有件上定簧孔；所述扭簧的一端插装于所述盘上定簧孔内，所述扭簧的另一端插装于所述件上定簧孔内。

12、本发明的有益效果如下：

13、1、本发明通过扭簧与弹性受力件构成两条串联的弹性承载路径，在单一关节结构中实现了从小形变区到中形变区再到极限限位的分段刚度变化。小载荷下仅扭簧工作，保证关节运动的柔顺性与响应灵敏度；中载荷下弹性受力件介入提供渐进增强的支撑，有效提升关节承载能力；极限载荷下进入硬限位保护，防止扭簧过度形变或过载损坏。整个分段响应过程完全由机械相对形变自动触发，无需外部传感器、控制器或附加执行器，响应速度快、可靠性高，且掉电或控制异常时保护功能依然有效，显著提升了关节在复杂工况下的适应能力和安全性能。

14、2、通过在转动腔相对两侧对称布置限位槽和限位件，使关节在正反两个旋转方向上均能实现同等程度的分段变刚度控制，避免了单侧布置可能导致的单向刚度失衡问题，保证了关节双向受载时的力学对称性和运动一致性。同时，两侧限位件共同分担承载负荷，单个限位件和弹性受力件的受力减半，有利于降低局部应力集中，提高零件的使用寿命和承载极限。对称结构还使关节整体受力更加均衡，减少了偏载对转动件和轴承造成的附加弯矩，提升了关节运转的平稳性和可靠性。

15、3、限位槽采用扇形槽结构，其弧形延伸方向与关节转动件的回转运动轨迹完全契合，使限位件在槽内的运动自然贴合转动方向，消除了直线导向槽在圆弧运动中可能产生的侧向挤压和卡滞风险，提升了关节转动的顺畅度。扇形槽能够提供沿圆弧方向的均匀限位行程，使得限位件从分离到抵接的过渡过程更加平滑，分段刚度切换时的冲击感降低。同时，扇形结构便于通过调整扇形角的大小来设定刚度切换的触发角度，为刚度分段点的设计提供了灵活的参数调节空间，且槽壁受力时应力分布更均匀，结构强度更高。

16、4、弹性受力件采用邵氏硬度为85-95的弹性块，兼具足够的弹性形变能力和较高的承载刚度，能够在限位件抵接后提供适度的形变空间以吸收冲击能量，同时保证压缩至形变耗尽前输出足够大的反力，实现中载荷向极限载荷的平稳过渡。相较于更低硬度的弹性块，该硬度范围有效减小了从抵接到硬限位之间的无效转角行程，使关节在大负载下的位置保持精度更高、响应更迅速；相较于更高硬度的弹性块，该硬度范围又保留了必要的缓冲形变量，避免刚度突变对传动系统造成冲击损害，在缓冲吸能与刚性支撑之间取得了合理平衡。

17、5、采用聚氨酯垫块作为弹性受力件，其优异的耐磨性和抗撕裂性能使关节在反复承受限位件挤压和释放的循环工作条件下不易磨损或开裂，显著延长了关节的使用寿命和维保周期。聚氨酯材料具有良好的抗压缩永久变形特性，长期使用后仍能保持原有的形状和厚度，确保关节在多次动作循环后刚度切换的触发位置和形变行程保持一致，提升了关节性能的长期稳定性。此外，聚氨酯垫块可通过模具成型制备，尺寸精度高、成本低廉，便于批量生产和快速更换，有利于降低关节的制造和维护成本。

18、6、通过限位件与关节转动件之间的可拆卸连接以及限位件多种尺寸可选的设计，使得同一关节主体无需改变结构设计即可适配不同机器人的刚度需求，仅通过更换限位件即可调整刚度切换的初始间隙，大幅提升了关节的通用性和适应性。该方案将刚度分段点的调节从机械加工阶段转移至装配选型阶段，避免了为不同触发阈值需求单独设计开模限位槽或改变关节整体结构，有效缩短了产品开发周期并降低了模具成本。可拆卸连接还便于限位件磨损后单独更换而无需更换整个关节转动件，提高了可维护性和经济性。

19、7、限位件采用插杆与抵接头相互连接的一体化结构，更换操作极为简便——仅需将插杆从关节转动件中拔出即可完成拆卸，插入新件即可安装，无需拆解关节其他部件，大幅缩短了刚度特性调整的作业时间。通过改变抵接头尺寸而非插杆尺寸来调节初始分离距离，使得不同型号限位件的插杆部分可保持统一规格，关节转动件上的插拔连接结构无需随刚度档位变化而改动，有效简化了加工工艺。插拔连接方式避免了螺纹连接可能产生的松动隐患，在反复承受冲击载荷的工作条件下具有更高的连接可靠性和抗松脱能力，且不同尺寸的抵接头在外观上一目了然，便于现场快速识别和选型。

20、8、在关节转动件外周壁上开设插孔来安装限位件，使得限位件的一部分嵌入关节转动件内部，增强了限位件与关节转动件之间的连接稳固性，相比表面贴附或螺栓固定的方式更能抵抗往复冲击载荷下的松动和移位。插孔结构为限位件提供了明确的周向定位，保证了成对布置的多个限位件在圆周方向上的位置一致性，有利于两侧限位件同步触发刚度切换。插孔的开设位置位于关节转动件外周壁，便于加工和尺寸精度控制，且深度可根据需要灵活设计以适配不同插杆长度的限位件，进一步拓展了限位件尺寸系列的可选范围。插孔式连接还实现了径向装配，在轴向空间受限的机器人关节安装环境中具有更好的操作便利性。

21、9、扭簧与关节外盘及关节转动件之间的可拆卸连接配合多种刚度型号选配方案，使得关节的刚度特性调节维度从单一的触发位置调节扩展到刚度曲线斜率的调节，用户可通过更换不同刚度的扭簧来改变关节在小形变区的柔顺程度，配合限位件尺寸选择实现对分段刚度曲线的全面调校，大大增强了关节对不同工况的适配能力。扭簧作为独立零件可单独拆卸更换，便于在日常维护中检查疲劳状态并及时更换，避免了因扭簧疲劳失效而导致整个关节总成报废的情况，显著降低了长期使用成本。不同刚度扭簧与不同尺寸限位件的组合搭配可形成多种刚度特性配置方案，使同一关节结构能够快速切换以适应从轻载高灵敏度到重载高刚性等跨度极大的应用场景，提升了关节的通用性和平台化开发价值。

22、10、盘上定簧孔和件上定簧孔的插装式连接结构为扭簧两端提供了精确的周向定位和可靠的扭矩传递界面，在承受反复交变扭转载荷时不易产生滑移或松脱，保证了扭簧工作姿态的一致性和力传递的准确性。定簧孔结构便于扭簧的快速安装与拆卸，装配时只需将扭簧两端分别插入对应孔中即可，无需借助额外紧固件或专用工具，大幅提高了装配效率和维护便利性。定簧孔的位置和深度可根据不同扭簧的端部尺寸和刚度特性进行匹配设计，使同一关节主体能够适配多种规格的扭簧，增强了模块化程度和零部件通用性。在定簧孔约束下，扭簧在工作过程中不会发生径向窜动或轴向偏移，避免了与周围零件的异常摩擦，有利于降低运行噪音和延长使用寿命。