基于电磁屈曲梁结构的变刚度柔性关节系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于电磁屈曲梁结构的变刚度柔性关节系统，包括输入轴、输出机构、电磁屈曲梁结构和控制系统，输出机构包括输出外壳和输出端盖；电磁屈曲梁结构包括两个电磁模块和两片屈曲梁相对安装组成的，其中电磁模块固定在屈曲梁的中部；所述输入轴与输出机构之间通过转动副进行配合，并固定在其中；本发明专利技术还公开了一种控制方法，本柔性关节不仅结构简单、易于控制、可小型化，而且采用电磁力的变化来调节柔性关节的刚度，省去了刚度调节电机，大大减少了柔性关节的体积和质量，同时电磁模块对电流敏感，可以通过调节电流来得到刚度的大范围变化，调节精度高，误差小，应用范围广。

Variable Stiffness Flexible Joint System and Control Method Based on Electromagnetic Buckling Beam Structure

The invention discloses a flexible joint system with variable stiffness based on electromagnetic buckling beam structure, which includes input shaft, output mechanism, electromagnetic buckling beam structure and control system, output mechanism includes output shell and output end cover, electromagnetic buckling beam structure consists of two electromagnetic modules and two buckling beams installed relative to each other, in which the electromagnetic module is fixed in the middle of the buckling beam; The invention also discloses a control method, which not only has simple structure, easy control and miniaturization, but also uses the change of electromagnetic force to adjust the stiffness of the flexible joint, eliminates the stiffness regulating motor, greatly reduces the volume and quality of the flexible joint, and at the same time, the electromagnetic module to adjust the stiffness of the flexible joint. Current sensitivity can be achieved by adjusting the current to obtain a wide range of stiffness changes, high adjustment accuracy, small error, wide application.

【技术实现步骤摘要】
基于电磁屈曲梁结构的变刚度柔性关节系统及控制方法
本专利技术涉及一种基于电磁屈曲梁结构的变刚度柔性关节系统及控制方法，属于机器人

技术介绍
机器人技术及其驱动器技术作为一种战略性高科技技术，对未来新兴产业具有极强的带动性与技术辐射性，发展机器人技术、驱动技术及感知技术，对促进经济社会发展、增强国防实力、提高突发事件应急处理能力、改善民生等具有深远意义。目前，机器人在人机交互领域已得到了广泛应用，如在工业领域，机器人已经开始参与人类劳动，并与人协作完成任务；在服务行业，也已经推出了餐饮业服务机器人、人形机器人等；这表明机器人与人类的关系越来越密切，人机交互的可靠性、安全性也就会越来越受到人们的关注，因此机器人安全、高效参与人类活动也显得尤为重要。而传统的刚性关节机器人无法满足人机交互的这些要求，因此研究新型的变刚度机器人柔性关节成为了人机交互领域的重要课题。柔性关节作为机器人的重要组成部分，其由于装有柔性元件，故能有效地缓冲机器人在操作或者行走过程中产生的振动与冲击，减少关节损耗，保护机器人内部精密仪器免受影响，保障人机交互的安全性、可靠性；又由于柔性关节刚度可调，故而可以根据不同的要求调节关节刚度，以满足不同工作环境下的刚度要求；再者柔性关节由于体积小、质量轻、结构较为简单，所以实际应用适应性较强，可根据需求进行生产。例如专利技术专利（公开号CN106142132A）公开了一种刚度连续可调的机器人柔性关节，其通过压缩浮动弹簧的预压缩量实现刚度可调，虽能够实现刚度连续可调，但其结构复杂、体积大，环境适应性差；专利技术专利（公开号CN104647397A）公开了一种可变刚度的柔性关节，其采用多级齿轮传动机构，传递过程复杂且精度低，不易控制刚度，且结构较为复杂，应用受限；专利技术专利（公开号CN108000554A）公开了一种基于片簧的可变刚度柔性关节及其控制方法，其通过控制刚度调节电机带动滑块，改变片簧的有效工作长度，从而改变柔性关节的刚度，但是刚度调节电机的使用，增加了柔性关节的体积和质量。可见，上述的三个专利存在结构复杂，体积大，质量大，不易控制且控制精度低，环境适应性差等技术缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于电磁屈曲梁结构的变刚度柔性关节系统及控制方法，其能够省去刚度调节电机，减少柔性关节的体积和质量，实现柔性关节在不同工况条件下和复杂环境下，都具有良好适应性和刚度调节能力。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于电磁屈曲梁结构的变刚度柔性关节系统，它包括：输入轴、输出机构、电磁屈曲梁结构以及控制系统；所述的输入轴为台阶轴，在最大直径的轴端面上开有三个沿圆周等弧度分布的通孔；所述输出机构包括通过扣合固定的输出端盖和输出外壳，输出外壳为一端封闭的筒状结构，并且内壁有一圈等厚凸台，凸台上等弧度分布着三个螺纹孔；所述电磁屈曲梁结构的数量为三个呈风扇叶片形状分布，每个均包括两片屈曲梁和两个电磁模块，所述电磁模块固定在所述屈曲梁的中部，所述两片屈曲梁和两个电磁模块呈镜像安装，一端通过螺钉固定在所述输出外壳内壁上的凸台上，另一端通过紧固螺栓联接在所述输入轴上；所述控制系统包括电流控制器和计算机，电流控制器分别连接所述电磁模块和所述计算机。所述屈曲梁在安装时施加预紧力，所述电磁模块之间设有气隙。所述的屈曲梁、螺钉和紧固螺栓均为非导磁的金属元件。一种基于电磁屈曲梁结构的变刚度柔性关节控制方法，包括以下步骤：1）根据不同工作条件下所需的不同刚度值，计算出满足不同刚度值时所述屈曲梁的中部挠度，从而可以得到所述电磁模块之间需要的气隙大小，通过电流控制器调节所述电磁模块中的电流大小和方向以改变电磁力和气隙的大小，得到满足工况条件下所需要的刚度；2）当所述电磁模块中加入相同方向的电流时，会产生相互吸引的电磁力，使得气隙减小，同时所述屈曲梁的中部挠度减小，刚度减小；3）当所述电磁模块中加入相反方向的电流时，会产生相互排斥的电磁力，使得气隙增大，同时所述屈梁的中部挠度增大，刚度增大。所述电流控制器的调节过程通过传统PID控制来实现。与现有柔性关节相比，本专利技术有以下优点：1．在不同工况条件下和复杂环境下，具有良好的适应性和刚度调节能力，抗干扰能力强；2．柔性关节采用电磁力来间接调节屈曲梁的刚度，通过控制电流的大小和方向来改变电磁模块之间的电磁力和气隙，耗能小，可实现刚度的大范围调节；3．本专利技术控制方法简单，省去了刚度调节电机，结构简紧凑，体积小，质量轻，易于小型化，便于安装，调节精度高，误差小，应用前景广泛的优点。附图说明图1为本专利技术的结构整体示意图；图2为本专利技术的输入轴结构示意图；图3为本专利技术的输出机构示意图；图4为本专利技术的电磁屈曲梁结构示意图；图5为本专利技术的控制流程图。图中：1、输入轴，2、输出机构，2-1、输出端盖，2-2、输出外壳，3、电磁屈曲梁结构，3-1、屈曲梁，3-2、电磁模块，4、控制系统，4-1、电流控制器，4-2、计算机。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。如图1至图4，本专利技术提出一种基于电磁屈曲梁结构的变刚度柔性关节系统,它包括：输入轴1、输出机构2、电磁屈曲梁结构3以及控制系统4；如图2所示：所述的输入轴1为台阶轴，在最大直径的轴端面上开有三个沿圆周等弧度分布的通孔；如图1和3所示：所述输出机构2包括通过扣合固定的输出端盖2-1和输出外壳2-2，输出外壳2-2为一端封闭的筒状结构，并且内壁有一圈等厚凸台，凸台上等弧度分布着三个螺纹孔；如图1和图4所示，所述电磁屈曲梁结构3的数量为三个呈风扇叶片形状分布，每个均包括两片屈曲梁3-1和两个电磁模块3-2，所述电磁模块3-2固定在所述屈曲梁3-1的中部，所述两片屈曲梁3-1和两个电磁模块3-2呈镜像安装，一端通过螺钉固定在所述输出外壳2-2内壁上的凸台上，另一端通过紧固螺栓联接在所述输入轴1上；如图1所示，所述控制系统4包括电流控制器4-1和计算机4-2，电流控制器4-1分别连接所述电磁模块3-2和所述计算机4-2。其中，所述屈曲梁3-1在安装时施加预紧力，所述电磁模块3-2之间设有气隙。其中，所述的屈曲梁3-1、螺钉和紧固螺栓均为非导磁的金属元件。如图5所示：本专利技术还公开了一种基于电磁屈曲梁结构的变刚度柔性关节控制方法，包括以下步骤：1）根据不同工作条件下所需的不同刚度值，计算出满足不同刚度值时所述屈曲梁3-1的中部挠度，从而可以得到所述电磁模块3-2之间需要的气隙大小，通过电流控制器4-1调节所述电磁模块3-2中的电流大小和方向以改变电磁力和气隙的大小，得到满足工况条件下所需要的刚度；2）当所述电磁模块3-2中加入相同方向的电流时，会产生相互吸引的电磁力，使得气隙减小，同时所述屈曲梁3-1的中部挠度减小，刚度减小；3）当所述电磁模块3-2中加入相反方向的电流时，会产生相互排斥的电磁力，使得气隙增大，同时所述屈梁3-1的中部挠度增大，刚度增大。其中，所述电流控制器4-1的调节过程通过传统PID控制来实现本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于电磁屈曲梁结构的变刚度柔性关节系统，其特征在于，它包括：输入轴（1）、输出机构（2）、电磁屈曲梁结构（3）以及控制系统（4）；所述的输入轴（1）为台阶轴，在最大直径的轴端面上开有三个沿圆周等弧度分布的通孔；所述输出机构（2）包括通过扣合固定的输出端盖（2‑1）和输出外壳（2‑2），输出外壳（2‑2）为一端封闭的筒状结构，并且内壁有一圈等厚凸台，凸台上等弧度分布着三个螺纹孔；所述电磁屈曲梁结构（3）的数量为三个呈风扇叶片形状分布、且每个均包括两片屈曲梁（3‑1）和两个电磁模块（3‑2），所述电磁模块（3‑2）固定在所述屈曲梁（3‑1）的中部，所述两片屈曲梁（3‑1）和两个电磁模块（3‑2）呈镜像安装，一端通过螺钉固定在所述输出外壳（2‑2）内壁上的凸台上，另一端通过紧固螺栓联接在所述输入轴（1）上；所述控制系统（4）包括电流控制器（4‑1）和计算机（4‑2），电流控制器（4‑1）分别连接所述电磁模块（3‑2）和所述计算机（4‑2）。

【技术特征摘要】
1.一种基于电磁屈曲梁结构的变刚度柔性关节系统，其特征在于，它包括：输入轴（1）、输出机构（2）、电磁屈曲梁结构（3）以及控制系统（4）；所述的输入轴（1）为台阶轴，在最大直径的轴端面上开有三个沿圆周等弧度分布的通孔；所述输出机构（2）包括通过扣合固定的输出端盖（2-1）和输出外壳（2-2），输出外壳（2-2）为一端封闭的筒状结构，并且内壁有一圈等厚凸台，凸台上等弧度分布着三个螺纹孔；所述电磁屈曲梁结构（3）的数量为三个呈风扇叶片形状分布、且每个均包括两片屈曲梁（3-1）和两个电磁模块（3-2），所述电磁模块（3-2）固定在所述屈曲梁（3-1）的中部，所述两片屈曲梁（3-1）和两个电磁模块（3-2）呈镜像安装，一端通过螺钉固定在所述输出外壳（2-2）内壁上的凸台上，另一端通过紧固螺栓联接在所述输入轴（1）上；所述控制系统（4）包括电流控制器（4-1）和计算机（4-2），电流控制器（4-1）分别连接所述电磁模块（3-2）和所述计算机（4-2）。2.根据权利要求1所述的一种基于电磁屈曲梁结构的变刚度柔性关节系统，其特征在于，所述屈曲梁（3-1）在安装时施...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨雪锋，徐嘉伟，郑威，郑嘉毓，李威，王禹桥，范猛豹，卢昱瑾，周文韬，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32