技术领域
[0001] 本
发明涉及一种采用圆截面细柔性杆作为弹性元件、以控制圆截面细柔性杆弯曲
变形长度来调整关节输出刚度的可变刚度柔性转动关节，属于服务类
机器人技术领域。
背景技术
[0002] 驱动关节是机器人的重要组成部分，刚性驱动关节可以保证机器人动作的精确性，但同时带来了
人机交互的安全隐患，也较难以执行抓、握这类需要灵巧控制的任务；而柔顺驱动关节可以实现机器人的柔顺控制，但也存在能效低、不适应重载任务的问题。
[0003] 近年来的
仿生学研究发现，动物的关节韧性具有良好的非线性特性，例如棒球运动员在击打棒球时，肘部和腕部关节绷得很紧，而手臂放松时，关节又变得很松软。可变刚度柔性关节从中获得启发，通过在刚性关节中加入刚度可变的弹性环节，使
机器人关节在实现精确的
位置控制的同时，具有良好的变刚度特性，从而满足人机交互安全性和动态环境适应性的要求，对服务类机器人的发展具有重要意义。
[0004] 变刚度柔性关节结构形式灵活多样，目前主要包括拮抗型、预紧型、
弹簧片型、变传输比型和混合型等5种基本类型。
[0005] 现有的变刚度关节大都存在结构较为复杂、传动效率较低、刚度线性调节困难的问题，例如
申请号为201510355179.7（公开号CN104985608A）
发明名称为刚度可调的柔性关节
驱动器机构，其通过弹簧预紧
力的改变达到调整刚度的目的，虽然能够实现刚度的大范围输出，但所需零件数目较多，总体结构较为复杂；
[0006] 又如申请号为201510439726.X （公开号CN104985608A）公开了一种可变刚度机器人关节结构，该申请采用弹
簧片作为刚度调整部件，但由于使用了两组蜗轮
蜗杆，故传动效率较低；
[0007] 再者申请号为201410062727.2（公开号CN104863982A）公开了一种变刚度
联轴器及变刚度驱动机构，该机构采用弹性簧片作为弹性元件，当第一半联轴器和第二半联轴器之间发生相对转动时，弹性簧片既产生弯曲变形又产生扭转变形，从而造成刚度非线性变化，不易实现刚度的线性调节，且考虑到该设计并未安装
角度限位机构，
扭矩过大时容易造成弹性簧片的塑性扭曲，导致关节失效。
[0008] 基于上述原因，设计一种结构简单、传动效率高、刚度可线性调节的可变刚度柔性关节具有很强的现实意义。
发明内容
[0009] 针对上述
现有技术存在的问题，本发明提供一种结构紧凑、传递能效高且刚度调节线性化的可变刚度柔性转动关节。
[0010] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种可变刚度柔性转动关节，它包括：
[0011] 用于线性调节关节的刚度值大小变化、实现关节从纯刚性到柔性大范围自由转变的刚柔控制组件；
[0012] 用于实现对轻质
摇臂平衡位置调节控制的摇臂位置控制组件；
[0013] 用于检测和采集轻质摇臂相对于平衡位置转动的角度
信号、以便后续对关节刚度进行实时控制的角度位移检测组件；
[0014] 所述的刚柔控制组件
串联在轻质摇臂和摇臂位置控制组件之间，角度位移检测组件安装在刚柔控制组件与摇臂位置控制组件的结合部以及轻质摇臂上，同时在轻质摇臂末端固定有负载。
[0015] 所述刚柔控制组件包括：旋转壳体、刚度控制
电机、联轴器、角
接触球
轴承、梯形
丝杠、刚度调节盘、深沟球轴承、支承限位盘、
自润滑轴承、关节
定子、第一圆截面细柔性杆、第二圆截面细柔性杆、第一直线光轴
导轨及第二直线光轴导轨；
[0016] 其中，刚度控制电机固定安装在旋转壳体上，刚度控制电机的
输出轴通过联轴器与梯形丝杠的输入端连接，梯形丝杠输入端通过
角接触球轴承安装在旋转壳体上，支承端通过深沟球轴承径向固定在支承限位盘中心孔上，刚度调节盘中心孔处的内
螺纹与梯形丝杠为螺旋配合，刚度调节盘通过直
线轴承安装在第一直线光轴导轨及第二直线光轴导轨上，第一直线光轴导轨、第二直线光轴导轨一端分别固定在旋转壳体上，另一端分别插入支承限位盘两侧圆孔固定，第一圆截面细柔性杆、第二圆截面细柔性杆分别对称穿过刚度调节盘上的左右两侧细孔，第一圆截面细柔性杆、第二圆截面细柔性杆一端通过螺纹分别固定在旋转壳体上，另一端分别穿过关节定子两侧细孔并伸出一段长度；关节定子通过自润滑轴承固定在旋转壳体内腔，实现低刚度条件下旋转壳体相对关节定子的柔性转动。
[0017] 所述摇臂位置控制组件包括：关节电机、固定安装盘及谐波减速器；
[0018] 其中，谐波减速器采用波发生器主动、刚轮固定、柔轮输出形式，关节电机与谐波减速器的刚轮分别固定在固定安装盘两侧，关节电机输出轴穿过固定安装盘中心孔并与谐波减速器的波发生器通过键连接，谐波减速器的柔轮与刚柔控制组件中的关节定子通过
螺栓固定。
[0019] 所述角度位移检测组件包括：
同步带、同步带轮及角度位移
传感器；
[0020] 其中，角度位移传感器固定安装在轻质摇臂上，同步带轮固定在角度位移传感器
输入轴上，同步带内齿分别与关节定子上的
轮齿以及同步带轮轮齿
啮合。
[0021] 所述轻质摇臂与旋转壳体固定连接，轻质摇臂转动轴与旋转壳体中
心轴、关节电机输出轴重合。
[0022] 所述的刚度调节盘上竖直对称分布的两个直线轴承孔用作刚度调节盘随直线光轴导轨平动的导向槽，刚度调节盘上
水平对称分布的与第一圆截面细柔性杆、第二圆截面细柔性杆等径的细孔用于防止第一圆截面细柔性杆、第二圆截面细柔性杆在该处发生径向跳动，刚度调节盘中心的孔螺纹与梯形丝杠的螺纹为螺旋配合，用于实现螺旋传动，刚度调节盘可沿第一直线光轴导轨及第二直线光轴导轨来回移动，当其接近支承限位盘时，关节输出刚度逐渐增大，当其远离支承限位盘时，关节输出刚度逐渐减小。
[0023] 所述的支承限位盘上加工有两个对称圆弧形轮槽、用于限制关节定子上带孔
凸轮的滑动距离，从而限制旋转壳体相对关节定子的最大偏转角：
[0024] 限制第一圆截面细柔性杆和第二圆截面细柔性杆的弯曲幅度，以
预防外力矩过大时圆截面细柔性杆的塑性变形。
[0025] 所述的关节定子端面加工有两个带孔凸轮，当旋转壳体与关节定子之间发生相对转动时，所述带孔凸轮可在支承限位盘的轮槽内无间隙滑动，并带孔凸轮上的细通孔与第一圆截面细柔性杆、第二圆截面细柔性杆等径，用于限制第一圆截面细柔性杆、第二圆截面细柔性杆在凸轮处的径向跳动，关节定子上加工有轮齿，该轮齿可与同步带啮合。
[0026] 所述的刚度控制电机、关节电机均为旋转电机，旋转电机为步进电机或者
伺服电机。
[0027] 与现有的几种柔性关节相比，本发明具有以下优点：
[0028] 1、采用两个电机分别独立地控制位置和刚度，输出
最大转矩主要由关节电机决定；
[0029] 2、刚度调节盘的推进方向与受力方向始终趋近垂直，这意味着刚度控制电机只需很小的力就可以实现对刚度的调整，
能量效率较高；
[0030] 3、以圆截面细柔性杆弯曲变形实现关节的刚度可变及能量存储，可实现刚度的连续线性调节，整体结构简单、紧凑，控制实现容易；
[0031] 4、采用旋转壳体作为输出机构，有效缩短了轴向长度，适合作为安装空间有限的机器人变刚度关节驱动器；
[0032] 5、支承限位盘限制了圆截面细柔性杆的弯曲幅度，有效预防了外力过大时圆截面细柔性杆可能发生的塑性变形，实现了对关节的机械保护。
[0033] 本发明通过改变第一圆截面细柔性杆和第一圆截面细柔性杆的弯曲长度，实现了对关节的输出刚度的大范围连续线性调节；特别适用于各种服务类机器人的柔性关节，增强人机交互的安全性，提高机器人对环境的适应能力，具有结构简单、紧凑，刚度调节线性化、范围大，关节能效高等优点。
附图说明
[0034] 图1为本发明的一种
实施例的整体结构剖视图；
[0035] 图2为本发明的可变刚度柔性转动关节一种实施例的爆炸分解视图；
[0036] 图3为本发明中可变刚度柔性转动关节的刚柔控制组件结构剖视图；
[0037] 图4为本发明中可变刚度柔性转动关节的摇臂位置控制组件结构示意图；
[0038] 图5为本发明中可变刚度柔性转动关节的角度位移检测组件结构示意图；
[0039] 图6为本发明中刚柔控制组件的刚度调节盘结构示意图；
[0040] 图7为本发明中刚柔控制组件的支承限位盘结构示意图；
[0041] 图8为本发明中刚柔控制组件的关节定子结构示意图；
[0042] 图9为本发明中可变刚度柔性转动关节一种实施例在高刚度及负载条件下支承限位盘、关节定子与轻质摇臂的相对位置示意图；
[0043] 图10为本发明中可变刚度柔性转动关节一种实施例在低刚度及负载条件下支承限位盘、关节定子与轻质摇臂的相对位置示意图。
[0044] 图中：1、刚柔控制组件，1-1、旋转壳体，1-2、刚度控制电机，1-3、联轴器，1-4、角接触球轴承，1-5、梯形丝杠，1-6、刚度调节盘，1-7、深沟球轴承，1-8、支承限位盘，1-9、自润滑轴承，1-10、关节定子，1-11、第一圆截面细柔性杆，1-12、第二圆截面细柔性杆，1-13、第一直线光轴导轨，1-14、第二直线光轴导轨，2、摇臂位置控制组件，2-1、关节电机 ，2-2、固定安装盘，2-3、谐波减速器，3、角度位移检测组件，3-1、同步带，3-2、同步带轮，3-3、角度位移传感器，4、轻质摇臂，5、负载。
具体实施方式
[0045] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0046] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0047] 其中，本发明以附图1和图2为基准，附图1和图2的前、后、左、右、上、下为本发明的前、后、左、右、上、下。应注意到的是：除非另外具体说明，否则本实施例中阐述的部件的相对布置、数值等不限于本发明的范围。
[0048] 如图1和图2所示为本发明的一种实施例具体为一种可变刚度柔性转动关节，它包括：
[0049] 用于线性调节关节的刚度值大小变化、实现关节从纯刚性到柔性大范围自由转变的刚柔控制组件1；
[0050] 用于实现对轻质摇臂4平衡位置调节控制的摇臂位置控制组件2；
[0051] 用于检测和采集轻质摇臂4相对于平衡位置转动的角度信号，以便后续对关节刚度进行实时控制的角度位移检测组件3；
[0052] 所述的刚柔控制组件1串联在轻质摇臂4和摇臂位置控制组件2之间，角度位移检测组件3安装在刚柔控制组件1与摇臂位置控制组件2的结合部以及轻质摇臂4上，同时在轻质摇臂4末端固定有负载5。
[0053] 如图3所示，所述刚柔控制组件1包括：旋转壳体1-1、刚度控制电机1-2、联轴器1-3、角接触球轴承1-4、梯形丝杠1-5、刚度调节盘1-6、深沟球轴承1-7、支承限位盘1-8、自润滑轴承1-9、关节定子1-10、第一圆截面细柔性杆1-11、第二圆截面细柔性杆1-12、第一直线光轴导轨1-13及第二直线光轴导轨1-14；
[0054] 其中，刚度控制电机1-2固定安装在旋转壳体1-1上，刚度控制电机1-2的输出轴通过联轴器1-3与梯形丝杠1-5的输入端连接，梯形丝杠1-5输入端通过角接触球轴承1-4安装在旋转壳体1-1上，支承端通过深沟球轴承1-7径向固定在支承限位盘1-8中心孔上，刚度调节盘1-6中心孔处的
内螺纹与梯形丝杠1-5为螺旋配合，刚度调节盘1-6通过直线轴承安装在第一直线光轴导轨及第二直线光轴导轨1-13，1-14上，第一直线光轴导轨1-13、第二直线光轴导轨1-14一端分别固定在旋转壳体1-1上，另一端分别插入支承限位盘1-8两侧圆孔固定，第一圆截面细柔性杆1-11、第二圆截面细柔性杆1-12分别对称穿过刚度调节盘1-6上的左右两侧细孔，第一圆截面细柔性杆1-11、第二圆截面细柔性杆1-12一端通过螺纹分别固定在旋转壳体1-1上，另一端分别穿过关节定子1-10两侧细孔并伸出一段长度；关节定子1-10通过自润滑轴承1-9固定在旋转壳体1-1内腔，实现低刚度条件下旋转壳体1-1相对关节定子1-10的柔性转动；
[0055] 其中，刚柔控制组件1用于调节关节的输出刚度值，刚度控制电机1-2通过联轴器1-3驱动梯形丝杠1-5正向或反向旋转，使刚度调节盘1-6中心孔内螺纹受到梯形丝杠1-5的螺旋驱动力作用，推动刚度调节盘1-6在直线光轴导轨1-13、1-14导引下前移或后退，从而改变了圆截面细柔性杆1-11、1-12的受力点位置，在外力矩恒定的情况下，受力点位置改变，圆截面细柔性杆1-11、1-12将在刚度调节盘1-6与关节定子1-10之间产生不同程度的弯曲变形，使旋转壳体1-1相对关节定子1-10柔性旋转一定角度；
[0056] 当在轻质摇臂4上施加恒定外力矩时，随着刚度调节盘1-6逐渐接近关节定子1-10，第一、第二圆截面细柔性杆1-11、1-12变形长度减小，弯曲刚度增大，从而关节的输出刚度增大，关节渐变为刚性，反之，随着刚度调节盘1-6逐渐远离关节定子1-10，关节输出刚度减小，关节渐变为柔性，从而实现了对关节刚度的大范围调节；即实现关节从纯刚性到柔性大范围自由转变；
[0057] 如图4所示：所述摇臂位置控制组件2包括：关节电机2-1、固定安装盘2-2及谐波减速器2-3；
[0058] 其中，谐波减速器2-3采用波发生器主动、刚轮固定、柔轮输出形式，关节电机2-1与谐波减速器2-3的刚轮分别固定在固定安装盘2-2两侧，关节电机2-1输出轴穿过固定安装盘2-2中心孔并与谐波减速器2-3的波发生器通过键连接，谐波减速器2-3的柔轮与刚柔控制组件1中的关节定子1-10通过螺栓固定；
[0059] 摇臂位置控制组件2用于调节轻质摇臂的平衡位置，关节电机2-1通过谐波减速器2-3减速增扭，再经刚柔控制组件1传递扭矩，使轻质摇臂4旋转一定角度，当关节刚度在刚柔控制组件1的调节下达到最大值时，摇臂位置控制组件2可实现对轻质摇臂4位置的精确控制，随着关节刚度在刚柔控制组件1的调节下逐渐减小，轻质摇臂4将在外力矩的作用下偏离平衡位置，摇臂位置控制组件2可实现对轻质摇臂4的平衡位置控制。
[0060] 如图5所示：所述角度位移检测组件3包括：同步带3-1、同步带轮3-2及角度位移传感器3-3；
[0061] 其中，角度位移传感器3-3固定安装在轻质摇臂4上，同步带轮3-2固定在角度位移传感器3-3输入轴上，同步带3-1内齿分别与关节定子1-10上的轮齿以及同步带轮3-2轮齿啮合；
[0062] 角度位移检测组件3用于检测和采集轻质摇臂相对于平衡位置转动的角度信号，该转动角度通过关节定子1-10、同步带3-1、同步带轮3-2放大并传递到角度位移传感器3-3的输出轴上，引起角度位移传感器3-3
输出电压的变化，通过A/D转换模
块，可得角度位移传感器3-3读数变化，从而通过计算得出实际的角度变化量。从而实现了外力矩作用下轻质摇臂4相对于平衡位置的转动角度的测量，以便后续对关节刚度进行实时控制。
[0063] 如图1和图2所示：所述轻质摇臂4与旋转壳体1-1固定连接，轻质摇臂4转动轴与旋转壳体1-1中心轴、关节电机2-1输出轴重合。
[0064] 如图6所示，所述的刚度调节盘1-6上竖直对称分布的两个直线轴承孔用作刚度调节盘1-6随第一直线光轴导轨1-13及第二直线光轴导轨1-14上平动的导向槽，刚度调节盘1-6上水平对称分布的与第一圆截面细柔性杆1-11、第二圆截面细柔性杆1-12等径的细孔用于防止第一圆截面细柔性杆1-11、第二圆截面细柔性杆1-12在该处发生径向跳动，刚度调节盘1-6中心的孔螺纹与梯形丝杠1-5的螺纹为螺旋配合，用于实现螺旋传动，刚度调节盘1-6可沿第一直线光轴导轨1-13及第二直线光轴导轨1-14来回移动，当其接近支承限位盘1-8时，关节输出刚度逐渐增大，当其远离支承限位盘1-8时，关节输出刚度逐渐减小。
[0065] 如图7所示，在支承限位盘1-8上加工有两个对称圆弧形轮槽、用于限制关节定子1-10上带孔凸轮的滑动距离，从而限制旋转壳体1-1相对关节定子1-10的最大偏转角：
[0066] 即限制第一圆截面细柔性杆1-11和第二圆截面细柔性杆1-12的弯曲幅度，以预防外力矩过大时第一、第二圆截面细柔性杆1-11、1-12的塑性变形。
[0067] 如图8所示：在所述的关节定子1-10端面加工有两个带孔凸轮，当旋转壳体1-1与关节定子1-10之间发生相对转动时，所述带孔凸轮可在支承限位盘1-8的轮槽内无间隙滑动，并带孔凸轮上的细通孔与第一圆截面细柔性杆1-11、第二圆截面细柔性杆1-12等径，用于限制第一圆截面细柔性杆1-11、第二圆截面细柔性杆1-12在凸轮处的径向跳动，关节定子1-10上加工有轮齿，该轮齿可与同步带3-1啮合。
[0068] 进一步，所述的刚度控制电机1-2、关节电机2-1均为旋转电机，旋转电机为步进电机或者伺服电机，能够根据场地、实际情况进行自由选择。
[0069] 如图9和图10所示为本发明可变刚度柔性转动关节一种实施例在负载条件下，关节分别为高刚度和低刚度时支承限位盘1-8、关节定子1-10与轻质摇臂4的相对位置示意图。
[0070] 其中，在轻质摇臂4末端上安装有负载5，先调节刚柔控制组件1使关节刚度达到最大值，同时调节位置控制组件2使轻质摇臂4到达水平位置，这时通过增加负载5的重量不会改变轻质摇臂4的位置状态；然后调节刚柔控制组件1使关节刚度逐渐降低，这时，在负载5的作用下，支承限位盘1-8、轻质摇臂4相对关节定子1-10发生转动，转动角度将随负载5重量的增加而变大，但由于支承限位盘1-8的限制，该角度达到临界值时将不再变化。
[0071] 与现有技术相比：本发明具有以下优点：
[0072] 1、采用两个电机分别独立地控制位置和刚度，输出最大转矩主要由关节电机决定；
[0073] 2、刚度调节盘1-6的推进方向与受力方向始终趋近垂直，这意味着刚度控制电机1-2只需很小的力就可以实现对刚度的调整，能量效率较高；
[0074] 3、以圆截面细柔性杆弯曲变形实现关节的刚度可变及能量存储，可实现刚度的连续线性调节，整体结构简单、紧凑，控制实现容易；
[0075] 4、采用旋转壳体1-1作为输出机构，有效缩短了轴向长度，适合作为安装空间有限的机器人变刚度关节驱动器；
[0076] 5、支承限位盘1-8限制了圆截面细柔性杆的弯曲幅度，有效预防了外力过大时圆截面细柔性杆可能发生的塑性变形，实现了对关节的机械保护。
[0077] 本发明通过改变第一圆截面细柔性杆1-11和第一圆截面细柔性杆1-12的弯曲长度，实现了对关节的输出刚度的大范围连续线性调节；特别适用于各种服务类机器人的柔性关节，增强人机交互的安全性，提高机器人对环境的适应能力，具有结构简单、紧凑，刚度调节线性化、范围大，关节能效高等优点。
[0078] 对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附
权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0079] 以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微
修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。
