技术领域
[0001] 本
发明涉及
机器人关节技术领域，特别涉及一种主-被动变刚度关节及其刚度调节方法。
背景技术
[0002] 随着科技的快速发展，传统的刚性机器人设计已经达到了极限。目前服务医疗机器人兴起，在
人机交互领域，安全约束是机器人与人类互动的重要方面，而传统刚性机器人运动缓慢且动
力不足，实际应用困难；在工业生产、柔性装配、定
载荷组装领域，柔性对相互作用力较为敏感以及高
精度力矩
传感器的应用存在成本高、控制系统实时性要求高的缺点。
[0003]
申请号201710289744.3公开了一种紧凑型变刚度旋转柔性关节,包括关节
驱动盘、关节输出盘、关节被动内盘、第一
凸轮、第一被动变刚度调整座、第一组
压缩弹簧、光轴、第一变刚度调整座、
涡轮丝杠结构、第二变刚度调整座、第二组
压缩弹簧、第二被动变刚度调整座、第二凸轮、圆柱
齿轮、
蜗杆、绝对式
编码器、
电机和圆弧
齿条，该机构虽然具有主-被动调节关节刚度的功能，但结构相对复杂，所设计的关节总体尺寸为直径160mm，高45mm，柔性
变形最大
角度为45°，体积较大且相对转角较小，应用到各种中小型机器人上的广泛性受到限制。现有变刚度关节的结构相对复杂，体积较大，控制复杂，且变刚度特性差，基于上述原因，设计一种结构简单、体积小、主动刚度调节特性好的变刚度关节具有重要的现实意义。
发明内容
[0004] 针对
现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是，提供一种主-被动变刚度关节及其刚度调节方法，该关节能用于关节旋转型机器人，其结构简单、小巧，调整快速，节能且具有较大的刚度调整范围。
[0005] 本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种主-被动变刚度关节，包括关节输出杆、关节驱动杆、中
心轴、步进电机、电机安装座，中心轴的两端分别连接关节输出杆和关节驱动杆，步进电机通过电机安装座固定在关节输出杆上；其特征在于，该关节还包括斜齿大齿轮、
扭簧、斜齿
小齿轮、第一组
钢珠、第一锥盘、第一碟簧、第一滑
块、第二滑块、第二碟簧、第二锥盘、第二组钢珠、左端盖、第一压簧、右旋
螺母、左旋螺母、套筒、第二压簧、第一轴套、第二轴套；
[0006] 上述第一锥盘、第一滑块、第一碟簧、第一压簧分别与相应的第二锥盘、第二滑块、第二碟簧、第二压簧形状结构相同；
[0007] 步进电机的输出端通过键连接斜齿小齿轮，斜齿小齿轮与斜齿大齿轮相
啮合，斜齿大齿轮与中心轴配合，且与关节输出杆固定；在套筒外缠绕扭簧，所述扭簧的一端与关节输出杆固定，另一端与关节驱动杆固定；
[0008] 所述中心轴中部为中心轴肩，中心轴肩两端的轴段是丝杠，两个丝杠旋向相反，丝杠的外侧是第一光轴；第一光轴的外侧为第二光轴，在一侧的第二光轴上设有
键槽；第二光轴的外侧为第三光轴，第三光轴的外侧为
螺纹轴，第一光轴、第二光轴、第三光轴、螺纹轴两两之间均存在轴肩；
[0009] 所述中心轴上从驱动端到输出端依次嵌套有左端盖、第二压簧、第二锥盘、第二碟簧、左旋螺母、右旋螺母、第一碟簧、第一锥盘、第一压簧、斜齿大齿轮，所述左旋螺母、右旋螺母通过
螺纹连接在中心轴的相应丝杠上，第二锥盘、第一锥盘分别固定在中心轴的第一光轴上；斜齿大齿轮通过键槽安装在第一锥盘外侧的中心轴的第二光轴上，左端盖位于第二锥盘外侧的中心轴的第二光轴上；所述第一碟簧、第一压簧、第二碟簧、第二压簧均与中心轴之间存在间隙；所述左端盖通过
过盈配合安装在在中心轴的第二光轴上，通过第二轴套对其进行轴向
定位；
[0010] 所述第一锥盘为圆台型，圆台的侧面上均匀布置有多个钢珠槽，圆台的大直径端靠近相邻的右旋螺母，圆台中心为通孔，套在中心轴的第一光轴上，圆台的小直径端设有压簧槽；
[0011] 所述套筒套在第一组钢珠和第二组钢珠上，左右两端圆周上均开有均布的多个滑槽，同时在套筒的圆周侧面上开有一个通槽；所述第一组钢珠位于第一锥盘的钢珠槽里，通过左端盖伸出的凸缘限制其轴向位移；所述第二组钢珠位于第二锥盘的钢珠槽里，通过斜齿大齿轮限制其轴向位移；
[0012] 所述第一滑块套在右旋螺母上限制其转动，第一滑块的外侧面沿第一滑块轴向均匀设置有多个凸起，凸起形状与套筒上的滑槽相配合，凸起能在滑槽内左右滑动；所述第二滑块套在左旋螺母上限制其转动。
[0013] 上述的主-被动变刚度关节的刚度调节方法，该方法的过程是：步进电机通过
齿轮传动带动中心轴转动，中心轴上的左、右旋螺母分别向两端沿轴向移动，使得第一锥盘和第二锥盘上的钢珠在钢珠槽里移动进而与套筒
接触，进而阻碍扭簧的扭转，通过调整两个碟簧的压缩量，使得关节刚度发生变化，实现关节的主动变刚度功能；当关节发生相对转对时，扭簧发生扭转，其内径发生径向变形，套筒被
挤压变形，进而使得第一组钢珠和第一锥盘以及第二组钢珠和第二锥盘两两相互配合，将径向位移转换为轴向位移，压缩第一碟簧和第二碟簧，阻碍关节驱动杆和关节输出杆的相对转动，实现关节的柔性输出，即实现关节的被动变刚度功能。
[0014] 本发明相对于现有技术,具有以下有益效果：
[0015] 1.该关节巧妙地利用了扭簧扭转过程中中径变化这一特性，通过结合机构阻碍其变化，实现了关节的主-被动变刚度功能；由于扭簧结构简单紧凑，适用于扭转型关节机器人，且在扭转过程中弹簧具有储能功能。
[0016] 2.该变刚度关节通过扭簧的扭转实现关节的旋转，实现了驱动力矩的柔性输出，使得关节在人机交互过程中具有更高的安全性。
[0017] 3.该关节中巧妙的将中心轴两个对称轴段加工了旋向相反的螺纹，可通过电机通过齿轮组带动轴转动，两个旋向相反的螺母同时压缩碟簧，且两个碟簧的压缩量相同，结构简单、紧凑，巧妙地实现主-被动变刚度功能。
[0018] 4.该关节中巧妙地利用碟簧的压缩变形来阻碍扭簧中径的变化，实现主-被动变刚度功能，与压簧相比，其具有承载力大、占用空间小和结构紧凑等优点。
[0019] 5.本发明采用丝杠螺母和
减速齿轮的形式对轴向力进行放大，结构紧凑，减小了电机的功率需求。
[0020] 6.本发明
实施例中所设计的关节总体尺寸为直径42mm,高52mm,柔性变形最大角度为100°，与现有变刚度关节相比，其具有结构紧凑，体积小，适用性强、刚度调整范围大等优点。
附图说明
[0021] 图1为本发明主-被动变刚度关节的一种实施例的整体结构示意图；
[0022] 图2为本发明主-被动变刚度关节一种实施例的关节实施刚度调节部分的结构示意图；
[0023] 图3为本发明主-被动变刚度关节一种实施例的关节实施刚度调节部分的内部结构示意图；
[0024] 图4为本发明主-被动变刚度关节沿图2的A-A方向柔性剖面结构示意图；
[0025] 图5为本发明主-被动变刚度关节一种实施例的套筒21的立体结构示意图；
[0026] 图6为本发明主-被动变刚度关节一种实施例的第一滑块21的立体结构示意图；
[0027] 图7为本发明主-被动变刚度关节一种实施例的第一锥盘10的立体结构示意图；
[0028] 图8为本发明主-被动变刚度关节一种实施例的中心轴8结构示意图；
[0029] (图中1、步进电机；2、电机安装座；3、关节输出杆；4、斜齿大齿轮；5、扭簧；6、关节驱动杆；7、斜齿小齿轮；8、中心轴；9、第一组钢珠；10、第一锥盘；11、第一碟簧；12、第一滑块；13、第二滑块；14、第二碟簧；15、第二锥盘；16、第二组钢珠；17、左端盖；18、第一压簧；19、右旋螺母；20、左旋螺母；21、套筒；22、第二压簧；23第一轴套、24第二轴套；211、滑槽，
212、通槽；102、钢珠槽)
具体实施方式
[0030] 下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请的保护范围。
[0031] 本发明中主-被动变刚度关节，包括步进电机、电机安装座、关节输出杆、斜齿大齿轮、扭簧、关节驱动杆、斜齿小齿轮、中心轴、第一组钢珠、第一锥盘、第一碟簧、第一滑块、第二滑块、第二碟簧、第二锥盘、第二组钢珠、左端盖、第一压簧、右旋螺母、左旋螺母、套筒、第二压簧、第一轴套、第二轴套；
[0032] 所述步进电机通过电机安装座安装在关节输出杆上，步进电机的输出端通过键连接斜齿小齿轮，所述扭簧的一端与关节输出杆固定，另一端与关节驱动杆固定；所述关节输出杆与斜齿大齿轮固定，所述斜齿大齿轮与中心轴配合；
[0033] 所述中心轴中部为中心轴肩801，中心轴肩两端的轴段是丝杠802，两个丝杠的外侧是第一光轴803；第一光轴的外侧为第二光轴804，在一侧的第二光轴上设有键槽805；第二光轴的外侧为第三光轴806，第三光轴的外侧为螺纹轴807，第一光轴、第二光轴、第三光轴、螺纹轴两两之间均存在轴肩；
[0034] 所述中心轴8上从驱动端到输出端依次嵌套有左端盖17、第二压簧22、第二锥盘15、第二碟簧14、左旋螺母20、右旋螺母19、第一碟簧11、第一锥盘10、第一压簧18、斜齿大齿轮4，所述左旋螺母20、右旋螺母19通过螺纹连接在中心轴8的丝杠上，第二锥盘15、第一锥盘10分别固定在中心轴8的第一光轴上；斜齿大齿轮通过键槽805安装在第一锥盘外侧的中心轴8的第二光轴上，左端盖17位于第二锥盘外侧的中心轴的第二光轴上；所述第一碟簧
11、第一压簧18、第二碟簧14、第二压簧22均与中心轴8之间存在间隙；所述左端盖17通过过盈配合安装在在中心轴8的第二光轴804上，通过第二轴套24对其进行轴向定位；
[0035] 所述第一锥盘10和第二锥盘结构相同，均为圆台型，圆台的侧面上均匀布置有多个钢珠槽102，圆台的大直径端靠近相邻的右旋螺母19或左旋螺母，圆台中心为通孔，套在中心轴的第一光轴上，圆台的小直径端设有压簧槽101；
[0036] 所述套筒21(参见图5)套在第一组钢珠9和第二组钢珠16上，左右两端圆周上均开有均布的多个滑槽211，左右两端的多个滑槽交错布置，同时在套筒的圆周侧面上开有一个通槽212；所述第一组钢珠9位于第一锥盘10的钢珠槽102里，通过左端盖17伸出的凸缘限制其轴向位移；所述第二组钢珠16位于第二锥盘15的钢珠槽102里，通过斜齿大齿轮4限制其轴向位移；
[0037] 所述第一滑块12套在右旋螺母19上限制其转动，滑块的外侧面沿滑块轴向均匀设置有多个凸起122，凸起形状与套筒上的滑槽相配合，凸起能在滑槽内左右滑动；所述第二滑块13套在左旋螺母20上限制其转动，第二滑块与第一滑块形状结构相同。
[0038] 由上述主-被动变刚度关节实现的刚度调节方法是：步进电机通过齿轮传动带动中心轴转动，中心轴上的左、右旋螺母分别向两端沿轴向移动，使得第一锥盘和第二锥盘上的钢珠在钢珠槽里移动进而与套筒接触，进而阻碍扭簧的扭转，通过调整两个碟簧的压缩量，使得关节刚度发生变化，实现关节的主动变刚度功能；当关节发生相对转对时，扭簧发生扭转，其内径发生径向变形，套筒被挤压变形，进而使得第一组钢珠和第一锥盘以及第二组钢珠和第二锥盘两两相互配合，将径向位移转换为轴向位移，压缩第一碟簧和第二碟簧，阻碍关节驱动杆和关节输出杆的相对转动，实现关节的柔性输出，即实现关节的被动变刚度功能。
[0039] 上述第一碟簧11、第一压簧18、第二碟簧14、第二压簧22均与中心轴8之间存在0.3～0.6mm的间隙。
[0040] 第一锥盘和第二锥盘的圆台型圆周上均匀分布有8个、10个、11个、12个、13个、14个或15个等不同数量的钢珠槽，第一组钢珠与第二组钢珠分别放置于相应的钢珠槽内，当进行主-被动变刚度调节时不同钢珠槽内的钢珠就施加于套筒内壁产生均匀分布力实现关节刚度变化。
[0041] 套筒21两端分布相同数量，但
位置错开的滑槽，套筒每端可以有3个、4个、5个、6个等不同数量滑槽，同时左、右端螺母的外侧分布有与相邻套筒端上滑槽同等数量的凸起形状，当进行主-被动变刚度调节时左、右端螺母可以通过凸起形状沿着不同滑道轴向移动实现关节刚度变化。
[0042] 本发明关节的使用过程或工作原理：该柔性关节可实现主动变刚度和被动变刚度功能：
[0043] 所述步进电机1通过电机安装座2安装在关节输出杆3上，所述斜齿小齿轮7通过键与电机1的输出端连接，所述扭转弹簧5的一端通过扭臂卡在关节输出杆3的槽里，所述关节输出杆3通过两组
沉头螺钉与斜齿大齿轮4固定，所述斜齿大齿轮4通过键与中心轴8配合；所述中心轴8一端通过间隙配合安装在关节驱动杆6上，通过
六角螺母对其进行轴向定位，另一端通过销轴与关节输出杆连接，通过六角螺母对其进行轴向定位；中心轴8结构中部是中心轴肩，用于左旋螺母20和右旋螺母19的轴向定位；中心轴肩两端的轴段是丝杠，通过一端左旋一端右旋的丝杠带动与其配合对应的左旋螺母20和右旋螺母19运动，进而使得第一组钢珠9和第二组钢珠16与套筒21接触，并通过改变第一碟簧11和第二碟簧14的压缩量，实现关节的主动变刚度功能；
[0044] 当关节驱动杆6和关节输出杆3之间未发生相对转动时，扭转弹簧5未发生扭转，其内径没有发生改变，第一碟簧11和第二碟簧15未被压缩，也未产生柔性变形；当关节驱动杆6和关节输出杆3之间发生相对转动时，扭簧5发生扭转，其内径发生径向变形，套筒21被挤压变形，进而使得第一组钢珠9和第一锥盘10以及第二组钢珠16和第二锥盘15两两相互配合，将径向位移转换为轴向位移，压缩第一碟簧11和第二碟簧14，阻碍关节驱动杆6和关节输出杆3的相对转动，实现关节的柔性输出，即实现关节的被动变刚度功能。
[0045] 实施例1
[0046] 本实施例提供一种主-被动变刚度关节，该关节包括步进电机1、电机安装座2、关节输出杆3、斜齿大齿轮4、扭簧5、关节驱动杆6、斜齿小齿轮7、中心轴8、第一组钢珠9、第一锥盘10、第一碟簧11、第一滑块12、第二滑块13、第二碟簧14、第二锥盘15、第二组钢珠16、左端盖17、第一压簧18、右旋螺母19、左旋螺母20、套筒21、第二压簧22、第一轴套23、第二轴套24、滑槽211、钢珠槽102；
[0047] 所述步进电机1通过电机安装座2安装在关节输出杆3上，步进电机1的输出端通过键连接斜齿小齿轮7；在套筒21外表面缠绕扭转弹簧5，所述扭转弹簧5的一端通过扭臂卡在关节输出杆3的槽里，另一端通过扭臂卡在关节驱动杆6的槽里；所述关节输出杆3的上部通过两组沉头螺钉与斜齿大齿轮4固定，所述斜齿大齿轮4通过键与中心轴8配合，斜齿大齿轮4与斜齿小齿轮相啮合；所述中心轴8一端通过第二轴套24安装在关节驱动杆6上，并通过六角螺母对其进行轴向定位，另一端通过第一轴套23与关节输出杆3连接，通过六角螺母对其进行轴向定位；
[0048] 所述中心轴8(参见图8)中部为中心轴肩801，用于左旋螺母20和右旋螺母19的轴向定位；中心轴肩两端的轴段是丝杠802，通过一端左旋一端右旋的丝杠带动与其配合对应的左旋螺母20和右旋螺母19运动，进而使得第二组钢珠16和第一组钢珠9与套筒21接触，并通过改变第一碟簧11和第二碟簧14的压缩量，实现关节的主动变刚度功能；两个丝杠的外侧是第一光轴803，用于固定第一锥盘10、第二锥盘15；第一光轴的外侧为第二光轴804，在一侧的第二光轴上设有键槽805，用于固定斜齿大齿轮4；第二光轴的外侧为第三光轴806，第三光轴的外侧为螺纹轴807，第一光轴、第二光轴、第三光轴、螺纹轴两两之间均存在轴肩；
[0049] 所述中心轴8上从驱动端到输出端依次嵌套有左端盖17、第二压簧22、第二锥盘15、第二碟簧14、左旋螺母20、右旋螺母19、第一碟簧11、第一锥盘10、第一压簧18、斜齿大齿轮4，所述左旋螺母20、右旋螺母19通过螺纹连接在中心轴8的丝杠上，第二锥盘15、第一锥盘10分别固定在中心轴8的第一光轴上；斜齿大齿轮通过键槽805安装在第一锥盘外侧的中心轴8的第二光轴上，左端盖17位于第二锥盘外侧的中心轴的第二光轴上；所述第一碟簧11位于右旋螺母19和第一锥盘10之间，与中心轴8之间存在0.3～0.5mm的间隙；第一压簧18位于第一锥盘10与斜齿大齿轮4之间，与中心轴8之间存在0.3～0.5mm的间隙；
[0050] 所述第一锥盘10(参见图7)和第二锥盘结构相同，均为圆台型，圆台的侧面上均匀布置有多个钢珠槽102，圆台的大直径端靠近相邻的右旋螺母19或左旋螺母，圆台中心为通孔，套在中心轴的第一光轴上，圆台的小直径端设有压簧槽101；第一组钢珠9和第二组钢珠16分别安装在第一锥盘和第二锥盘的钢珠槽内；
[0051] 所述第一压簧18一端位于第一锥盘10的压簧槽内，另一端与斜齿大齿轮4连接，用于第一锥盘10的复位；
[0052] 所述第二碟簧14位于左旋螺母20和第二锥盘15之间，与中心轴8之间存在0.3～0.5mm的间隙；所述第二压簧22位于第二锥盘15与左端盖17之间，与中心轴8之间存在0.3～
0.5mm的间隙；所述第二压簧22一端位于第二锥盘15的压簧槽内，另一端与左端盖17连接，用于第二锥盘15的复位；所述左端盖17通过过盈配合安装在中心轴8的第二光轴804上，通过第二轴套24对其进行轴向定位；
[0053] 所述套筒21(参见图5)套在第一组钢珠9和第二组钢珠16上，左右两端圆周上均开有均布的滑槽211，左右两端的滑槽交错布置，同时在套筒的圆周侧面上开有通槽212，滑槽用于限制第一滑块12和第二滑块13的转动，而通槽为了受压内径容易发生变形；所述第一组钢珠9位于第一锥盘10的钢珠槽102里，通过左端盖17伸出的凸缘限制其轴向位移；所述第二组钢珠16位于第二锥盘15的钢珠槽102里，通过斜齿大齿轮4限制其轴向位移；所述第一滑块12(参见图6)套在右旋螺母19上限制其转动，第一滑块中部设有与右旋螺母相配合的螺母孔121，滑块的外侧面沿滑块轴向均匀设置有多个凸起122，凸起形状与套筒上的滑槽相配合，凸起能在滑槽内左右滑动；所述第二滑块13套在左旋螺母20上限制其转动，第二滑块与第一滑块形状结构相同。
[0054] 本实施例设计的关节总体尺寸为直径42mm,高52mm,柔性变形最大角度为100°，所述步进电机的
扭矩为0.8N·m；扭簧5选用簧丝直径3.5mm，中径38.5mm，圈数11的圆柱扭转弹簧，弹簧材料选用
碳素
弹簧钢丝，第一压簧18和第二压簧22选用簧丝直径1mm，中径18mm，圈数4.5的圆柱压缩弹簧；套筒21选用外径35mm，高46mm，厚度为2mm的圆柱型套筒；第一组碟簧11和第二组碟簧12选用B28蝶形弹簧，材料为50CrVA；第一滑块12和第二滑块13内分别套有M14X1的右旋螺母19和左旋螺母20，第一锥盘10和第二锥盘15上钢珠槽102的数量均为10个。
[0055] 本发明关节适用于关节旋转型机器人。
[0056] 本发明未述及之处适用于现有技术。
