一种基于渐开线页簧的主动变刚度旋转关节

1.本发明属于变刚度关节设计相关技术领域，更具体地，涉及一种基于渐开线页簧的主动变刚度旋转关节。


背景技术：

2.随着国际科学水平的不断提高，在仿人机器人或假肢臂领域中，柔性关节是一个研究热点，其具有缓解冲撞避免损伤、积累能、随时改变力输出特性等游戏。目前的解决方便有：串入弹性元件但弹性元件的刚度不变，即只起到弹性驱动器作用；引入磁流变或电流变的介质进行控制，但其中的液体特性需要研究完全；利用气动肌肉模型，但装置体积过大；利用形状记忆合金，但是不能使得刚度在任何时间随自己的要求进行变化。目前的单自由度旋转关节设计到刚度变化的装置，在主动变刚度领域多采用拮抗式的，其控制难度大，电机体积大，重量大，造成整个关节重量体积大，且刚度变化范围小。


技术实现要素：

3.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于渐开线页簧的主动变刚度旋转关节，通过渐开线的特有性质设计页簧，可以实现大刚度变化范围、刚度变化控制简单且整体关节体积重量小。
4.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于渐开线页簧的主动变刚度旋转关节，所述关节包括电机驱动模块、渐开线页簧模块、多个变刚度压簧滚子模块、直线轴承驱动模块以及中心轴旋转输出模块，其中：所述电机驱动模块包括中心轴，上关节底板，上关节联结板，其中，所述中心轴的两端通过轴承分别连接一上关节底板，其中一上关节底板上设有电机驱动组件，用于驱动所述中心轴旋转，所述上关节联结板为u形，u形的两边分别连接所述上关节底板；所述渐开线页簧模块包括页簧固定件以及多个渐开线页簧，多个所述渐开线页簧的一端均匀固定于所述页簧固定件，所述页簧固定件套设于固定于所述中心轴；多个所述变刚度压簧滚子模块与所述中心轴平行设置并均匀设置于两上关节底板之间，所述变刚度压簧滚子模块包括压簧滚子固定件以及直线轴承固定件，其中，所述压簧滚子固定件包括两个柱体，所述渐开线页簧穿过两个柱体之间的间隙，用于夹持所述渐开线页簧；所述直线轴承固定件设有中心孔，所述中心孔的轴线与两个所述柱体布置方向平行；所述直线轴承驱动模块包括变刚度外齿轮、变刚度机构轴承以及多个导杆，其中，变刚度外齿轮通过多个直杆与所述变刚度机构轴承连接，所述变刚度机构轴承套设于所述中心轴；所述导杆一端固定于所述变刚度外齿轮，另一端固定于所述变刚度机构轴承；所述导杆上设有直线轴承，所述直线轴承套设固定于所述直线轴承固定件的中心孔内；所述中心轴旋转输出模块包括两下关节底板以及下关节联结板，两下关节底板分别设于所述上关节底板的内表面，所述下关节底板表面设有多个贯通的渐开线槽道，所述变刚度压簧滚子模块的两端分别设于所述渐开线槽道内；其中一下关节底板上设有小齿轮和第二电机，所述小齿轮与所述变刚度外齿轮啮合，所述第二电机用于驱动所述小齿轮；所述下关节
联结板为u形，u形的两侧分别连接所述下关节底板。
5.优选地，所述变刚度压簧滚子模块还包括两微型法兰轴承，两微型法兰轴承分别通过一直杆连接与所述压簧滚子固定件和直线轴承固定件的一端，所述两微型法兰轴承设于所述渐开线槽道内，以在所述渐开线槽道内滑动。
6.优选地，所述变刚度机构轴承外设有导杆固定座，所述导杆一端固定于所述变刚度外齿轮，另一端固定于所述导杆固定座。
7.优选地，所述导杆、渐开线页簧以及变刚度压簧滚子模块的数量均为4个。
8.优选地，4个所述导杆在所述直线轴承驱动模块的布置相互垂直。
9.优选地，每一所述渐开线页簧的自由端均设有页簧末端固定件。
10.优选地，所述变刚度压簧滚子模块还包括铝套，所述压簧滚子固定件和直线轴承固定件的连接面均设有凹孔，所述铝套设于所述凹孔内以实现所述压簧滚子固定件和直线轴承固定件的轴向定位。
11.优选地，所述电机驱动组件包括旋转电机、小带轮、大带轮以及同步带，其中，所述旋转电机用于小带轮转动，所述大带轮固定于所述中心轴，所述小带轮和大带轮通过同步带连接。
12.优选地，多个所述渐开线槽道的旋转方向与多个所述渐开线页簧的旋转方向一致。
13.优选地，所述压簧滚子固定件包括压簧滚子下固定件和压簧滚子上固定件，所述压簧滚子下固定件的一表面设有两个圆柱凸台，所述压簧滚子上固定件一表面设有两圆柱套筒，所述圆柱凸台与所述圆柱套筒配合；直线轴承固定件包括直线轴承下固连件和直线轴承上固连件，所述直线轴承下固连件和直线轴承上固连件通过螺栓连接。
14.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的一种基于渐开线页簧的主动变刚度旋转关节具有如下有益效果：
15.1.本技术提出基于渐开线页簧的主动变刚度旋转关节通过体积小重量小的变刚度电机以及齿轮啮合传动，可以实现关节刚度实时调节的功能，其核心零部件渐开线页簧具有创新性的同时，整体弹性元件可以起到缓冲、储能、柔顺等优秀效果。
16.2.在关节受到冲撞时，渐开线页簧其自带的弹性属性将会使得关节承受一定的冲击，具有缓冲与保存能量的作用。
17.3.在不同的作用场景下，通过更换不同厚度、材料的渐开线页簧使得整体关节的刚度变化输出特性不一致，用来适应不同的作用环境。
18.4.本技术相较于拮抗控制的变刚度关节，本发明的控制方法更加简单，两个电机没有耦合性，控制更加自由灵活。
附图说明
19.图1是本技术基于渐开线页簧的主动变刚度旋转关节的斜视图；
20.图2是本技术基于渐开线页簧的主动变刚度旋转关节的侧视图；
21.图3是本技术电机驱动模块的斜视图；
22.图4是本技术电机驱动模块的主视图；
23.图5是本技术渐开线页簧模块的斜视图；
24.图6是本技术变刚度压簧滚子模块的斜视图；
25.图7是本技术变刚度压簧滚子模块的爆炸图；
26.图8是本技术直线轴承驱动模块的斜视图；
27.图9是本技术直线轴承驱动模块的爆炸图；
28.图10是本技术中心轴旋转输出模块的安装示意图；
29.图11是本技术渐开线页簧模块、多个变刚度压簧滚子模块、直线轴承驱动模块以及部分中心轴旋转输出模块的安装示意图。
30.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
31.100-电机驱动模块：
32.101-中心轴；102-上关节底板；103-旋转电机；104-小带轮；105-大带轮；106-同步带；107-上关节联结板；108-上关节轴承座；
33.200-渐开线页簧模块：
34.201-页簧固定件；202-渐开线页簧；203-页簧末端固定件；
35.300-变刚度压簧滚子模块：
36.301-直线轴承下固连件；302-直线轴承上固连件；303-铝套；304-压簧滚子下固定件；305-压簧滚子上固定件；306-微型法兰轴承；
37.400-直线轴承驱动模块：
38.401-变刚度外齿轮；402-外齿轮固定环；403-直线轴承；404-导杆；405-导杆固定座；406-变刚度机构轴承；
39.500-中心轴旋转输出模块：
40.501-下关节底板；502-第二电机；503-小齿轮；504-下关节联结板。
具体实施方式
41.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
42.请参阅图1及图2，本发明提供了一种基于渐开线页簧的主动变刚度旋转关节，其特征在于，所述关节包括电机驱动模块100、渐开线页簧模块200、多个变刚度压簧滚子模块300、直线轴承驱动模块400以及中心轴旋转输出模块500，具体结构如下。
43.如图3和图4所示，所述电机驱动模块100包括中心轴101，上关节底板102，上关节联结板107，其中，所述中心轴101的两端通过轴承分别连接一上关节底板102，其中一上关节底板102上设有电机驱动组件，用于驱动所述中心轴101旋转，所述上关节联结板107为u形，u形的两边分别连接所述上关节底板102。所述电机驱动模块100整体上基于呈现对称分布。上关节底板102优选为圆盘形。具体的，所述中心轴101与上关节轴承座108通过上关节轴承连接，减少摩擦。上关节联结板107用于连接旋转关节的一端关节。
44.在进一步的优选实施例中，所述电机驱动组件包括旋转电机103，小带轮104、大带轮105以及同步带106，其中，所述旋转电机103用于小带轮104转动，所述大带轮105固定于所述中心轴101，所述小带轮104和大带轮105通过同步带106连接。
45.如图所示，所述渐开线页簧模块200包括页簧固定件201以及多个渐开线页簧202，多个所述渐开线页簧202的一端均匀固定于所述页簧固定件201，所述页簧固定件201套设于固定于所述中心轴101。页簧固定件201可以由多段圆弧形单元组成，每两个圆弧形单元之间夹持固定一渐开线页簧202。本技术实施例中渐开线页簧202的数量为4个，对应的有4个圆弧形单元。页簧固定件201可以通过螺栓与中心轴101固定。渐开线页簧202的草图形状充分考虑了关节刚度变化范围与整体大小的问题，当每个渐开线页簧202两侧的变刚度压簧滚子板块300保持相对位置不变时，整体四个渐开线页簧202相当于刚度值恒定的串联弹性驱动器sea，可以实现旋转关节运动过程中被动柔顺性的特点。而当渐开线页簧202两侧的变刚度压簧滚子板块300沿着渐开线曲线进行切向运动时，其刚度值大小改变，进而使得整体旋转关节实现主动变刚度功能。
46.每一所述渐开线页簧202的自由端均设有页簧末端固定件203。页簧末端固定件203可以约束变刚度压簧滚子板块300的最大活动范围。
47.多个所述变刚度压簧滚子模块300与所述中心轴101平行设置并均匀设置于两上关节底板102之间，所述变刚度压簧滚子模块300包括压簧滚子固定件以及直线轴承固定件，其中，所述压簧滚子固定件包括两个柱体，所述渐开线页簧202穿过两个柱体之间的间隙，用于夹持所述渐开线页簧202；所述直线轴承固定件设有中心孔，所述中心孔的轴线与两个所述柱体布置方向平行。
48.如图6和图7所示，所述变刚度压簧滚子模块300还包括铝套303，所述压簧滚子固定件和直线轴承固定件的连接面均设有凹孔，所述铝套303设于所述凹孔内以实现所述压簧滚子固定件和直线轴承固定件的轴向定位。
49.所述压簧滚子固定件包括压簧滚子下固定件304和压簧滚子上固定件305，所述压簧滚子下固定件304的一表面设有两个圆柱凸台，所述压簧滚子上固定件305一表面设有两圆柱套筒，所述圆柱凸台与所述圆柱套筒配合；直线轴承固定件包括直线轴承下固连件301和直线轴承上固连件302，所述直线轴承下固连件301和直线轴承上固连件302通过螺栓连接。压簧滚子上固连件305的滚子外侧可以夹住渐开线页簧202，使得变刚度压簧滚子板块300在作用于渐开线页簧202时，始终与其渐开线曲线相切，有助于很小的传力便可以达到变刚度的目的。
50.如图8和图9所示，所述直线轴承驱动模块400包括变刚度外齿轮401、变刚度机构轴承406以及多个导杆404，其中，变刚度外齿轮401通过多个直杆与所述变刚度机构轴承406连接，所述变刚度机构轴承406套设于所述中心轴101；所述导杆404一端固定于所述变刚度外齿轮401，另一端固定于所述变刚度机构轴承406；所述导杆404上设有直线轴承403，所述直线轴承403套设固定于所述直线轴承固定件的中心孔内，进而使得直线轴承403可以在导杆404上移动。变刚度外齿轮401可以固定于外齿轮固定环402上。
51.在进一步优选的实施例中，所述变刚度机构轴承406外设有导杆固定座405，所述导杆404一端固定于所述变刚度外齿轮401，另一端固定于所述导杆固定座405。
52.本实施例中，所述导杆404、渐开线页簧202以及变刚度压簧滚子模块300的数量均为4个。4个所述导杆404在所述直线轴承驱动模块400的布置相互垂直。
53.如图10和图11所示，所述中心轴旋转输出模块500包括两下关节底板501以及下关节联结板504，两下关节底板501分别设于所述上关节底板102的内表面，所述下关节底板
501表面设有多个贯通的渐开线槽道，所述变刚度压簧滚子模块300的两端分别设于所述渐开线槽道内；其中一下关节底板501上设有小齿轮503和第二电机502，所述小齿轮503与所述变刚度外齿轮401啮合，所述第二电机502用于驱动所述小齿轮503；所述下关节联结板504为u形，u形的两侧分别连接所述下关节底板501。
54.在进一步优选的实施例中，所述变刚度压簧滚子模块300还包括两微型法兰轴承306，两微型法兰轴承306分别通过一直杆连接与所述压簧滚子固定件和直线轴承固定件的一端，所述两微型法兰轴承306设于所述渐开线槽道内，以在所述渐开线槽道内滑动。
55.进一步优选的实施例中，多个所述渐开线槽道的旋转方向与多个所述渐开线页簧202的旋转方向一致。
56.由于渐开线页簧202的自身性质，变刚度压簧滚子板块300仅需要很小的输入力便可以改变作用点位置，因此小功率体积小的第二电机502通过齿轮传动比便可以提高力输出，相比于传统的拮抗变刚度双电机控制可以减小很大的体积。
57.在腕部刚度变化范围需要按照工作环境进行修改时，只需要结合相关的肌电信号与刚度关系进行更改渐开线页簧的材料和厚度。
58.当关节的运动需要精确控制时，可以增加相应的力、位、角度、加速度等传感器。
59.本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。