变刚度机构以及灵巧机械手的制作方法

本发明涉及一种机械手，尤其涉及的是一种机械手的变刚度机构。

背景技术：

1、五指灵巧手是机器人末端执行部件的重要部件，一般安装于机器人腕部的末端，是直接执行任务的装置。五指灵巧手作为机器人与环境相互作用的最后环节与执行部件，对提高机器人的柔性和易用性有着极为重要的作用，其性能的优劣在很大程度上决定了整个机器人的工作性能。

2、目前比较代表性的灵巧手有英国的shadow，德国的festo，美国的tesla，中国的dlr/hit，韩国的ilda。

3、传统的机械手一般为电机带动传动机构驱动手指弯曲，但是机械手的柔顺性不够，当被抓物体有各种形态时，尤其分别抓取硬物体和柔软物体时就会不适应，譬如出现抓取硬物体时(哑铃)夹持力不够而掉落，或者抓取轻薄物体时(草摩、蛋糕、棉花)加持力过大而损坏物体。此外，由于机械传动的特殊性，当面对外界复杂环境的碰撞和冲击时，非常容易损坏关节电机和减速箱。

4、针对机器人末端灵巧手的变刚度机构普遍有两种机构，分别是对抗型和串联型。串联型系列采用主动非线性弹性机构将执行器与负载侧连接起来。驱动力由驱动器产生，副驱动器通过调节杠杆臂或机构来调节非线性弹性机构的刚度。这种方法的缺点是执行机构不参与机构的扭矩输出，增加了更多的重量和尺寸，能量利用率低。在对抗性变刚度机构中，载荷通过两个非线性弹性机构与两个执行器连接。两个驱动器事先对弹性元件施加预载荷，改变两个非线性弹性机构的平衡状态，从而产生主动关节刚度变化的能力。这种方法的缺点是使用两个作动器驱动一个自由度，增加了系统的复杂性(例如专利cn112518796b-拮抗驱动式多构型绳驱手爪机构)。

5、现有的灵巧手的刚度一般都是由其机械、电机的性能决定的。如果需要适应不同的环境变化就需要增加机构的柔顺性，受到机器人灵巧手体积的限制，以前一般是更改手部的材料，采用弹性或者柔性的材料，而使用材料形变的机械手虽然在顺从性上有出色的表现，但不可否认的是，这类顺从性能的获得是建立于牺牲高精度的抓取性能之上的。

6、公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息已构成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于：如何解决目前无法兼容机械手的刚度与柔顺性的需求的问题。

2、本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

3、变刚度机构，包括输入件、行星轮组件、弹性件、调节外圈、调节组件，所述输入件驱动连接所述行星轮组件，所述行星轮组件的外圈均匀连接多个弹性件的一端，所述弹性件的另一端连接调节外圈，所述调节外圈外部与调节组件连接；

4、所述输入件驱动行星轮组件转动，行星轮组件与调节外圈的转角改变α角度，所述行星轮组件内部转动比为i，所述调节组件驱动所述调节外圈反向转动i*α角度。

5、本发明的变刚度原理中采用串联方式，输入件主要输出力矩与转速，调节组件从侧部通过机构调整输入件的传动轴的刚度系数；为保证变刚度的效果，当调节外圈转动α角度时，所述行星轮组件内部转动比为i，所以调节组件需要相应反转i*α角度。得益于本发明的变刚度机构的参与，灵巧机械手在接触未知复杂物体时可以保持很高的柔顺性和适用性，同时又不缺少抓握时的精度。在抓握较重物体时不会因为手部机构的弹性变形而导致握力不足，最终致使被抓物体掉落。

6、优选的，所述行星轮组件包括太阳轮、行星轮、行星架、内齿轮，多个所述行星轮沿所述太阳轮圆周阵列，所述太阳轮与多个所述行星轮之间啮合，所述行星轮与内齿轮啮合，多个所述行星轮的中心轴与所述行星架转动连接。

7、优选的，所述行星架与所述太阳轮的传动比为i。

8、优选的，所述调节组件包括蜗杆、设置在调节外圈外表面的涡轮、调节电机，所述涡轮与蜗杆啮合，所述调节电机与所述蜗杆连接。

9、优选的，所述调节组件包括第一调节齿轮、设置在调节外圈外表面的第二调节齿轮、调节电机，所述第一调节齿轮与所述第二调节齿轮啮合，所述调节电机与所述第一调节齿轮连接。

10、优选的，所述弹性件为橡胶弹性条、弹簧中的一种或组合。

11、弹性件为柔性提供条件。

12、优选的，所述输入件为输入电机。

13、本发明还公开灵巧机械手，包括第一指节、第二指节、上述变刚度机构，所述第一指节与所述第二指节通过变刚度机构连接。

14、优选的，所述行星轮组件包括太阳轮、行星轮、行星架、内齿轮，多个所述行星轮沿所述太阳轮圆周阵列，所述太阳轮与多个所述行星轮之间啮合，所述行星轮与内齿轮啮合，多个所述行星轮的中心轴与所述行星架转动连接；所述行星架连接总输出轴的一端，总输出轴与第二指节连接。

15、优选的，所述输入件为输入电机，所述输入电机固定在第一指节的末端。

16、本发明的优点在于：

17、本发明的变刚度原理中采用串联方式，输入件主要输出力矩与转速，调节组件从侧部通过机构调整输入件的传动轴的刚度系数；为保证变刚度的效果，当调节外圈转动α角度时，所述行星轮组件内部转动比为i，所以调节组件需要相应反转i*α角度。得益于本发明的变刚度机构的参与，灵巧机械手在接触未知复杂物体时可以保持很高的柔顺性和适用性，同时又不缺少抓握时的精度。在抓握较重物体时不会因为手部机构的弹性变形而导致握力不足，最终致使被抓物体掉落。

18、本发明的灵巧机械手可以根据抓取物的不同而变化手指弯曲刚性；当需要抓握重大物体时，手指弯曲刚性增大，抓取更加有力；当需要握手动作时，控制弯曲刚度减弱以便更好的适应握手的手顺性。

19、本发明不限于应用在灵巧机械手，还可以拓展应用在其他旋转关节上。

技术特征：

1.变刚度机构，其特征在于，包括输入件、行星轮组件、弹性件、调节外圈、调节组件，所述输入件驱动连接所述行星轮组件，所述行星轮组件的外圈均匀连接多个弹性件的一端，所述弹性件的另一端连接调节外圈，所述调节外圈外部与调节组件连接；

2.根据权利要求1所述的变刚度机构，其特征在于，所述行星轮组件包括太阳轮、行星轮、行星架、内齿轮，多个所述行星轮沿所述太阳轮圆周阵列，所述太阳轮与多个所述行星轮之间啮合，所述行星轮与内齿轮啮合，多个所述行星轮的中心轴与所述行星架转动连接。

3.根据权利要求2所述的变刚度机构，其特征在于，所述行星架与所述太阳轮的传动比为i。

4.根据权利要求1所述的变刚度机构，其特征在于，所述调节组件包括蜗杆、设置在调节外圈外表面的涡轮、调节电机，所述涡轮与蜗杆啮合，所述调节电机与所述蜗杆连接。

5.根据权利要求1所述的变刚度机构，其特征在于，所述调节组件包括第一调节齿轮、设置在调节外圈外表面的第二调节齿轮、调节电机，所述第一调节齿轮与所述第二调节齿轮啮合，所述调节电机与所述第一调节齿轮连接。

6.根据权利要求1所述的变刚度机构，其特征在于，所述弹性件为橡胶弹性条、弹簧中的一种或组合。

7.根据权利要求1所述的变刚度机构，其特征在于，所述输入件为输入电机。

8.灵巧机械手，其特征在于，包括第一指节、第二指节、上述权利要求1-7任意一项变刚度机构，所述第一指节与所述第二指节通过变刚度机构连接。

9.根据权利要求8所述的灵巧机械手，其特征在于，所述行星轮组件包括太阳轮、行星轮、行星架、内齿轮，多个所述行星轮沿所述太阳轮圆周阵列，所述太阳轮与多个所述行星轮之间啮合，所述行星轮与内齿轮啮合，多个所述行星轮的中心轴与所述行星架转动连接；所述行星架连接总输出轴的一端，总输出轴与第二指节连接。

10.根据权利要求8所述的灵巧机械手，其特征在于，所述输入件为输入电机，所述输入电机固定在第一指节的末端。

技术总结本发明公开变刚度机构，包括输入件、行星轮组件、弹性件、调节外圈、调节组件，所述输入件驱动连接所述行星轮组件，所述行星轮组件的外圈均匀连接多个弹性件的一端，所述弹性件的另一端连接调节外圈，所述调节外圈外部与调节组件连接；所述输入件驱动行星轮组件转动，行星轮组件与调节外圈的转角改变α角度，所述行星轮组件内部转动比为i，所述调节组件驱动所述调节外圈反向转动i*α角度。本发明还公开灵巧机械手。本发明的有益效果：得益于本发明的变刚度机构的参与，灵巧机械手在接触未知复杂物体时可以保持很高的柔顺性和适用性，同时又不缺少抓握时的精度。在抓握较重物体时不会因为手部机构的弹性变形而导致握力不足，最终致使被抓物体掉落。技术研发人员：侯洁明,梁斌,刘天雨,刘厚德,梁论飞,康鹏受保护的技术使用者：江淮前沿技术协同创新中心技术研发日：技术公布日：2024/10/17