一种基于可变支点的爬壁机器人的变刚度柔性关节

本发明涉及机器人，具体是涉及一种基于可变支点的爬壁机器人的变刚度柔性关节。

背景技术：

1、随着工业自动化和智能化技术的快速发展，爬壁机器人作为一种能够在垂直壁面进行作业的特殊机器人，在高层建筑清洁、船舶维护、桥梁检测等领域发挥着越来越重要的作用。然而，传统的爬壁机器人驱动器通常采用刚性结构，虽然在一定程度上保证了机器人的运动精度和稳定性，但在面对不同壁面条件和作业需求时，其刚性特性使得机器人难以适应壁面的微小起伏和不规则形状，从而导致吸附不稳定、运动不流畅等问题。此外，刚性驱动器在机器人进行变向或受到外部冲击时，往往会产生较大的冲击力，增加了作业风险。

2、为了克服上述缺点，研究者们开始探索柔性驱动器在爬壁机器人中的应用。柔性驱动器通过采用弹性材料或特殊机械结构设计，使得驱动器具备一定的柔性，能够适应壁面的微小变化，提高吸附稳定性。然而，现有的柔性驱动器大多只能实现固定或有限的刚度调节，无法根据壁面条件和作业需求实时调整刚度，这在一定程度上限制了其在复杂场景中的应用。

技术实现思路

1、发明目的：针对以上问题，本发明提供一种结构紧凑简便、摩擦小、抗冲击能力强、扭矩密度大、能够灵活精确地调节装置刚度、并且刚度的调节范围大的基于可变支点的爬壁机器人的变刚度柔性关节。

2、技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种基于可变支点的爬壁机器人的变刚度柔性关节，包括动力输入机构、刚度调节机构和动力输出机构，所述刚度调节机构包括主动盘、从动盘、固定设置于主动盘上的舵机、固定设置于舵机输出轴上的齿轮、与齿轮啮合的齿条、与齿条固定连接的连接件、与连接件固定连接的第二滑块、设置于从动盘上的第二直线滑轨，所述舵机通过齿轮齿条带动第二滑块沿第二直线滑轨移动，所述第二直线滑轨一端通过拉簧与从动盘连接，第二直线滑轨另一端通过转动轴定位于从动盘上，与从动盘转动连接；

3、所述动力输入机构带动主动盘转动，所述动力输出机构用于将从动盘的转动输出。

4、进一步的，所述主动盘上中心对称式的安装两个所述舵机，两个所述舵机分别通过中心对称设置的相同连接关系的齿轮、齿条、连接件、第二滑块与所述从动盘上中心对称式的安装两个所述第二直线滑轨连接。

5、进一步的，所述主动盘上中心对称式的安装两个第一直线滑轨，两个第一直线滑轨均设置第一滑块，两个第一滑块分别与两个连接件固定连接。

6、进一步的，所述从动盘设置有两个半圆槽，所述第二直线滑轨一端固定杠杆柱，杠杆柱沿半圆槽移动，半圆槽内设置两个拉簧，两个拉簧一端与杠杆柱固定连接，另一端分别固定于半圆槽的两端，所述转动轴设置于半圆槽的圆心点。

7、进一步的，所述动力输入机构包括电机、通过联轴器固定连接于电机输出端的输入轴，所述输入轴穿过主动盘和从动盘，所述从动盘通过滚动轴承与输入轴转动连接。所述动力输出机构包括与输入轴同轴设置的输出轴，输出轴与从动盘固定连接。

8、进一步的，所述主动盘通过涨紧套与所述输入轴固定连接，所述涨紧套起着径向固定的作用。

9、进一步的，该变刚度柔性关节还包括：电滑环、箱体和箱盖；

10、所述电滑环固定安装在所述输入轴上，能够将所述舵机中的杜邦线有序引出所述箱体与控制单元组件连接，防止所述输入轴在旋转时杜邦线发生缠绕；

11、所述箱体和所述箱盖的形状相同并且通过螺栓纵向固定连接，使用所述轴承端盖轴向固定所设计的变刚度柔性关节装置。

12、进一步的，所述输入轴和所述输出轴的部分轴体在所述箱体和所述箱盖的外侧，且所述输入轴与所述电机通过所述联轴器用螺钉固定连接，所述输出轴通过键与外部负载连接。

13、进一步的，所述主动盘外形轮廓呈现阶梯状，且这种阶梯状的轮廓呈中心对称分布。

14、有益效果：本发明相对于现有技术，其显著优点是使用了舵机这个简易且功能强的伺服驱动装置与齿轮齿条结构相互配合作用，改变滑块的位置，从而改变杠杆的力臂长度，实现关节刚度的调节。使用直线滑轨结构使得整个装置摩擦大幅减小，能量的耗散降低，进而装置寿命获得明显提高。

15、该刚度调节机构结构简便新颖，适合应用于整个装置结构不大的爬壁机器人的关节上。用舵机驱动齿轮齿条结构中的齿轮转动，通过控制系统有效控制齿轮转动的角度，进而通过齿条和齿轮齿条连接件同步移动的长度大小控制杠杆支点的移动距离，控制精确有效。齿轮传动工作稳定、效率高并且可靠性好，使得滑块的移动距离可调性好。舵机和齿轮齿条传动装置的使用，能够使得机构更加紧凑，以及实现整个装置的输出位置和输出刚度的精确同步调节。

16、基于杠杆原理的设计区别于凸轮结构实现变刚度的设计，设计难度减小，噪声小，加工难度不大并且磨损小。通过调整杠杆的力臂长度，可以方便地改变关节的刚度和柔性，从而适应不同的工作需求；这种设计还使得关节在机构杠杆极短时，仍能在无弹性元件传递作用情况下，通过调节滑块机构位置来实现关节的绝对刚度。这增加了关节的灵活性和适应性，使得关节在不同工作环境中都能保持良好的性能。

17、变刚度结构的动力驱动为具有自锁能力的舵机，这有别于某些刚度调节机构，当存在有外部力矩影响刚度调节机构时，会对目前所需的刚度产生振动和冲击影响，扭矩不能够准确输出，带有自锁能力的舵机不仅解决了此问题，而且便于控制，使结构获得优化。

18、基于可变支点的变刚度柔性关节结构，其中电机的动力经输入轴输入，通过刚度调节机构直接将所需的扭矩作用到输出轴，其过程简便直接。这种输入轴和输出轴相互不接触且同轴线的设计布局合理，空间利用率高。整个装置只需一个电机输入动力，区别于双电机的动力输入，变刚度功能更好实现的同时，减轻了整个装置的重量。

技术特征：

1.一种基于可变支点的爬壁机器人的变刚度柔性关节，包括动力输入机构、刚度调节机构和动力输出机构，其特征在于，所述刚度调节机构包括主动盘(5)、从动盘(6)、固定设置于主动盘(5)上的舵机(15)、固定设置于舵机(15)输出轴上的齿轮(16)、与齿轮(16)啮合的齿条、与齿条固定连接的连接件、与连接件固定连接的第二滑块(11)、设置于从动盘(6)上的第二直线滑轨(8)，所述舵机(15)通过齿轮齿条带动第二滑块(9)沿第二直线滑轨(8)移动，所述第二直线滑轨(8)一端通过拉簧与从动盘(6)连接，第二直线滑轨(8)另一端通过转动轴(13)定位于从动盘(6)上，与从动盘(6)转动连接；

2.根据权利要求1所述的变刚度柔性关节，其特征在于，所述主动盘(5)上中心对称式的安装两个所述舵机，两个所述舵机分别通过中心对称设置的相同连接关系的齿轮、齿条、连接件、第二滑块与所述从动盘(6)上中心对称式的安装两个所述第二直线滑轨(8)连接。

3.根据权利要求2所述的变刚度柔性关节，其特征在于，所述主动盘(5)上中心对称式的安装两个第一直线滑轨(7)，两个第一直线滑轨(7)均设置第一滑块(10)，两个第一滑块(10)分别与两个连接件固定连接。

4.根据权利要求2所述的变刚度柔性关节，其特征在于，所述从动盘(6)设置有两个半圆槽，所述第二直线滑轨(8)一端固定杠杆柱(12)，杠杆柱(12)沿半圆槽移动，半圆槽内设置两个拉簧，两个拉簧一端与杠杆柱(12)固定连接，另一端分别固定于半圆槽的两端，所述转动轴(13)设置于半圆槽的圆心点。

5.根据权利要求4所述的变刚度柔性关节，其特征在于，所述动力输入机构包括电机(30)、通过联轴器(29)固定连接于电机输出端的输入轴(1)，所述输入轴(1)穿过主动盘(5)和从动盘(6)，所述从动盘(6)通过滚动轴承与输入轴转动连接。

6.根据权利要求5所述的变刚度柔性关节，其特征在于，所述动力输出机构包括与输入轴(1)同轴设置的输出轴(4)，输出轴(4)与从动盘(6)固定连接。

7.根据权利要求5所述的变刚度柔性关节，其特征在于，所述主动盘(5)通过涨紧套(29)与所述输入轴(1)固定连接，所述涨紧套(29)起着径向固定的作用。

8.根据权利要求7所述的变刚度柔性关节，其特征在于，还包括：电滑环(18)、箱体(2)和箱盖(3)；

9.根据权利要求8所述的变刚度柔性关节，其特征在于，所述输入轴(1)和所述输出轴(4)的部分轴体在所述箱体(2)和所述箱盖(3)的外侧，且所述输入轴(1)与所述电机(30)通过所述联轴器用螺钉固定连接，所述输出轴(4)通过键与外部负载连接。

10.根据权利要求1所述的变刚度柔性关节，其特征在于，所述主动盘(5)外形轮廓呈现阶梯状，且这种阶梯状的轮廓呈中心对称分布。

技术总结本发明公开了一种基于可变支点的爬壁机器人的变刚度柔性关节，刚度调节机构包括主动盘、从动盘、固定设置于主动盘上的舵机、固定设置于舵机输出轴上的齿轮、与齿轮啮合的齿条、与齿条固定连接的连接件、与连接件固定连接的第二滑块、设置于从动盘上的第二直线滑轨，舵机通过齿轮齿条带动第二滑块沿第二直线滑轨移动，第二直线滑轨一端通过拉簧与从动盘连接，另一端通过转动轴与从动盘转动连接；动力输入机构带动主动盘转动，动力输出机构用于将从动盘的转动输出。使用舵机与齿轮齿条配合，改变滑块的位置，从而改变杠杆的力臂长度，实现关节刚度的调节。使用直线滑轨结构使得装置摩擦大幅减小，能量耗散降低，进而提高装置寿命。技术研发人员：张来喜,毛祾祥,朱盛杰受保护的技术使用者：兰州理工大学技术研发日：技术公布日：2024/8/20