一种可替换刚度曲线的拉伸式被动变刚度机构

本发明属于变刚度驱动器，具体涉及一种可替换刚度曲线的拉伸式被动变刚度机构。

背景技术：

1、变刚度机构是弹性机构的一种，主要特点是在工作过程中机构的刚度可以发生特定变化，近年来在足式机器人、外骨骼等研究领域的应用逐渐增加，相较于一般的线性弹簧，变刚度机构能兼顾机器人在不同工况下对柔顺性能和动作精度的不同需求，同时在驱动或传动系统中引入变刚度机构还有利于提高系统能效。

2、变刚度机构包括主动变刚度机构和被动变刚度机构两大类，主动变刚度机构中存在调节刚度的驱动装置，可对机构的刚度进行实时调节，以对抗外界扰动的变化；而被动变刚度机构的刚度特性无法实时调节，只能随着外界扰动力(体现为实际位置与期望位置偏差)变化，为保证其工作性能，必须针对实际需求设计机构的刚度变化特性(刚度曲线)。

3、如何使拉伸式被动变刚度机构在工作时表现出特定的刚度变化特性是一个难题，同时，目前的变刚度机构往往针对单一用途设计刚度变化特性，难以通过快捷替换零件的方式改变刚度特性以适配其他工况。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种可替换刚度曲线的拉伸式被动变刚度机构。

2、本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

3、一种可替换刚度曲线的拉伸式被动变刚度机构，包括：

4、齿条模块，包括齿条模块壳体、齿条模块绳连接板和齿条；所述齿条模块壳体整体为u型框架，其一侧壁安装齿条，齿条模块壳体敞口一端安装齿条模块绳连接板；

5、齿轮模块，沿水平方向上下呈对称结构，包括两块齿轮模块轴承板、两个轴承、齿轮模块支撑板、齿轮模块绳连接板和齿轮轴；所述齿轮模块轴承板内表面设有凸台，用于安装轴承；所述齿轮模块支撑板和齿轮模块绳连接板连接在两块齿轮模块轴承板之间；所述齿轮轴中部为一体化的齿轮，该齿轮与齿条啮合；所述轴承从齿轮轴上下两端分别套入，直至轴承的内圈与齿轮两侧的轴肩接触；

6、两个凸轮弹簧模块，所述凸轮弹簧模块包括直线导轨、直线滑块、滑动滚子板、弹簧、弹簧活动端螺钉、弹簧固定端螺钉和凸轮曲线盘；所述直线导轨连接在齿轮模块轴承板外表面的长条形浅槽中，所述直线滑块安装在直线导轨上，所述滑动滚子板连接在直线滑块上方；所述滑动滚子板上方设有圆柱形凸台，与凸轮曲线盘的刻槽接触；所述圆柱形凸台顶部安装弹簧活动端螺钉，所述弹簧固定端螺钉安装于齿条模块绳连接板上下端的螺纹孔内，且弹簧活动端螺钉和弹簧固定端螺钉的头部高度一致，所述弹簧两端挂钩分别挂到弹簧固定端螺钉和弹簧活动端螺钉上；所述凸轮曲线盘安装在齿轮轴端部的方形定位凸台上，并锁定。

7、上述技术方案中，所述刻槽的中心线为刻槽曲线，刻槽曲线选择极坐标下的二次曲线。

8、上述技术方案中，所述刻槽曲线极坐标函数表达式替换为一次函数。

9、上述技术方案中，所述刻槽曲线极坐标函数表达式最高次项的幂次设计为1.5。

10、上述技术方案中，所述齿条模块绳连接板外侧设有凸台结构a，凸台结构a内部设有异形通孔，用于穿入机器人或外骨骼的绳索驱/传动系统中的绳索；所述齿轮模块绳连接板外表面设有凸台结构b，凸台结构b内部设有异形通孔b，用于穿入机器人或外骨骼的绳索驱/传动系统中的绳索。

11、上述技术方案中，所述齿轮模块轴承板内表面的凸台靠近齿轮模块绳连接板一侧为长方形，用于限制拉伸式被动变刚度机构的最大拉伸长度。

12、上述技术方案中，所述齿轮模块轴承板侧边设有对称的凸沿，所述凸沿内侧打磨光滑，且与齿条模块壳体的侧壁边沿接触，防止拉伸式被动变刚度机构在拉伸和回弹时产生非轴向的运动。

13、上述技术方案中，所述齿轮轴的长度满足以下条件：拉伸式被动变刚度机构安装完成后，凸轮曲线盘与滑动滚子板上的圆柱形凸台处于同一高度。

14、上述技术方案中，所述弹簧长度满足如下条件：在拉伸式被动变刚度机构处于未拉伸状态时，弹簧处于原长。

15、上述技术方案中，所述弹簧固定端螺钉的安装位置替换为齿轮模块上。

16、本发明的有益效果为：

17、(1)本发明的拉伸式被动变刚度机构利用齿条-齿轮-凸轮的传动结构实现了直线运动-旋转运动-直线运动的转换，利用机械结构在机构拉伸量和弹簧拉伸量之间构建了特定的函数关系，实现了均速拉伸机构时，弹簧拉伸速度随机构拉伸量的增加而增加，即机构刚度随着拉伸量增加而增大，实现了被动变刚度功能。

18、(2)本发明通过设计凸轮曲线盘上的刻槽形状来间接设计机构的刚度特性曲线，在确定刻槽曲线极坐标表达式与机构刚度特性的关系后，根据期望的刚度特性逆向推导刻槽曲线参数，即可实现对机构刚度的定制，设计难度相对较低。同时凸轮曲线盘位于机构整体外部，可在不对机构进行大幅拆解的条件下进行快速替换，以实现对机构刚度的快速调整。

19、(3)本发明中机构的整体框架采用了两个方形框架套合的形式，通过齿轮模块轴承板和齿条模块壳体上的边沿、凸台、长方形浅槽等设计，用很少的零件在较小空间里实现了齿轮-齿条传动、滑动方向限制、拉伸限位等功能。

技术特征：

1.一种可替换刚度曲线的拉伸式被动变刚度机构，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的拉伸式被动变刚度机构，其特征在于，所述刻槽(309)的中心线为刻槽曲线，刻槽曲线选择极坐标下的二次曲线。

3.根据权利要求2所述的拉伸式被动变刚度机构，其特征在于，所述刻槽曲线极坐标函数表达式替换为一次函数。

4.根据权利要求2所述的拉伸式被动变刚度机构，其特征在于，所述刻槽曲线极坐标表达式最高次项的幂次设计为1.5。

5.根据权利要求1所述的拉伸式被动变刚度机构，其特征在于，所述齿条模块绳连接板(102)外侧设有凸台结构a(104)，凸台结构a(104)内部设有异形通孔(105)，用于穿入机器人或外骨骼的绳索驱/传动系统中的绳索；所述齿轮模块绳连接板(204)外表面设有凸台结构b(209)，凸台结构b(209)内部设有异形通孔b(210)，用于穿入机器人或外骨骼的绳索驱/传动系统中的绳索。

6.根据权利要求1所述的拉伸式被动变刚度机构，其特征在于，所述齿轮模块轴承板(201)内表面的凸台(206)靠近齿轮模块绳连接板(204)一侧为长方形，用于限制拉伸式被动变刚度机构的最大拉伸长度。

7.根据权利要求1所述的拉伸式被动变刚度机构，其特征在于，所述齿轮模块轴承板(201)侧边设有对称的凸沿(208)，所述凸沿(208)内侧打磨光滑，且与齿条模块壳体(101)的侧壁边沿接触，防止拉伸式被动变刚度机构在拉伸和回弹时产生非轴向的运动。

8.根据权利要求1所述的拉伸式被动变刚度机构，其特征在于，所述齿轮轴(205)的长度满足以下条件：拉伸式被动变刚度机构安装完成后，凸轮曲线盘(307)与滑动滚子板(303)上的圆柱形凸台(308)处于同一高度。

9.根据权利要求1所述的拉伸式被动变刚度机构，其特征在于，所述弹簧(304)长度满足如下条件：在拉伸式被动变刚度机构处于未拉伸状态时，弹簧(304)处于原长。

10.根据权利要求1所述的拉伸式被动变刚度机构，其特征在于，所述弹簧固定端螺钉(306)的安装位置替换为齿轮模块(2)上。

技术总结本发明公开了一种可替换刚度曲线的拉伸式被动变刚度机构，包括齿条模块、齿轮模块和凸轮弹簧模块，齿条模块由齿条模块壳体、齿条模块绳连接板和齿条组成，齿轮模块沿水平方向呈对称结构，由两块齿轮模块轴承板、两个轴承、齿轮模块支撑板、齿轮模块绳连接板和齿轮轴组成，两个凸轮弹簧模块对称安装于拉伸式变刚度机构上下两侧，每个凸轮弹簧模块由直线导轨、直线滑块、滑动滚子板、弹簧、弹簧活动端螺钉、弹簧固定端螺钉和凸轮曲线盘组成。本发明通过齿轮齿条+凸轮弹簧的设计将对机构的匀速拉伸转化为对弹簧的加速拉伸，实现被动变刚度的功能；通过设计凸轮曲线盘的刻槽曲线可定制机构的刚度特性，通过替换凸轮曲线盘实现对机构刚度曲线的替换。技术研发人员：余张国,徐浩琛,陈学超,谢光强,马晓帅受保护的技术使用者：北京理工大学技术研发日：技术公布日：2024/7/23