一种机器人用的变刚度关节及其刚度调节方法技术

本发明专利技术公开一种机器人用的变刚度关节及其刚度调节方法，变刚度关节包括依次连接的位置调整机构、刚度调整机构和输出连杆机构，刚度调整机构包括支架、三连杆、杠杆、杠杆转动轴及杠杆摆动控制组件，三连杆、杠杆、杠杆转动轴及杠杆摆动控制组件均设于支架内，三连杆一端设置杠杆转动轴，三连杆另一端设置连杆驱动组件，杠杆中部设有长孔，杠杆转动轴通过长孔与杠杆滑动连接，杠杆两侧分别设有杠杆摆动控制组件。其刚度调节方法是通过三连杆带动杠杆转动轴在杠杆中部的长孔中滑动，长孔的两端分别为输出连杆机构连接端和输出连杆机构远离端，杠杆转动轴作为杠杆的支点，通过其位置变化实现刚度值的调节。本发明专利技术提高了低刚度范围内的刚度调节速度。

Variable stiffness joint for robot and method for adjusting rigidity thereof

The present invention discloses a robot with variable stiffness and joint stiffness adjustment method, the variable stiffness joint comprises a position adjusting mechanism, stiffness adjustment mechanism and output linkage stiffness adjustment mechanism comprises a bracket, a connecting rod and a lever three lever, a rotating shaft and a swing lever control component, a connecting rod and a lever three the lever, the rotary shaft and the swing lever control components are arranged on the bracket, one end of the connecting rod is provided with a lever three rotating shaft, the other end of the three connecting rod connecting rod set drive assembly lever is arranged in the middle of a long hole, a lever rotating shaft through the long hole and a sliding connecting lever, the lever control lever assembly are arranged on both sides of the swing. The stiffness adjustment method is through the three connecting rod drives the lever to rotate a sliding shaft in the middle part of the lever in a long hole, both ends of the long hole respectively output link mechanism connected end and output linkage lever away from the end, the rotating shaft as the fulcrum of the lever, through its position changes to adjust the stiffness values of the. The invention improves the rigidity regulation speed in the low rigidity range.

【技术实现步骤摘要】
一种机器人用的变刚度关节及其刚度调节方法
本专利技术涉及机器人关节
，特别涉及一种可实现刚度范围为零到无穷大的机器人用的变刚度关节及其刚度调节方法。
技术介绍
传统机器人为位置控制型的机器人，具有高定位精度、高速度、鲁棒性(针对位置控制)等特点，但是位置控制机器人属于一个孤立的系统，与其周边的系统基本没有信息和能量交互，一般只能应用在喷漆、搬运、焊接等不与环境接触或接触力相对较小的情况。在机器人操作一个物体或执行与环境直接交互等任务时，实现这种任务的一个重要方法是对机器人与环境的交互特性进行控制，在这种情况下，传统的位置控制不能实现机器人与环境的交互。而机器人另一个广受关注的问题则是安全问题，传统位置控制型机器人安全性很低，其作业范围常需要围栏，防止工人被其打伤，位置控制型机器人不具有柔性，若机器人能够像人的手臂一样具有柔性，其安全性将提高。针对上述机器人与人或环境进行交互的问题和安全性问题，柔顺性机器人一致被认为是解决这一问题的最佳方案。目前实现机器人的柔顺性主要有两种方法，一种是由控制实现的主动柔顺，在过去几十年研发中不断成熟，已经在实际中不断应用；另一种是主要通过硬件来实现柔性特征，通过在机械结构设计中引入柔顺性，也被称为固有柔顺性或内在柔顺性等，从机器人关节的角度看，称为变刚度关节。学术论文ANewVariableStiffnessActuator(CompAct-VSA):DesignandModelling,2011IEEE/RSJInternationalConferenceonIntelligentRobotsandSystems(一种变刚度驱动器：设计和建模，2011年国际智能机器人和系统会议)和ANewActuatorWithAdjustableStiffnessBasedonaVariableRatioLeverMechanism,IEEE/ASMETRANSACTIONSONMECHATRONICS(一种基于可变比例杠杆原理的变刚度驱动器，IEEE/ASME机电一体化学报)均通过移动杠杆转动轴位置的原理设计了两种不同结构、不同形式的变刚度关节驱动器。然而，在其计算关节刚度的过程中，均忽略了一个问题，就是没有考虑关节发生弹性位移时，杠杆一端曲面在垂直弹簧方向上的移动对弹簧能量的改变作用，该关节对抗型弹簧的能量不能简单的直接用中心位移来计算，这导致很大的关节刚度误差。依靠移动杠杆转动轴原理设计的变刚度关节，其刚度调节特性存在缺点，关节刚度处于低刚度范围时，刚度调整速度慢，即使调整很小的刚度变化值也需要刚度电机或减速机输出很大的位移，非常不适合在需要关节刚度需要快速调整的情况；当关节刚度处于高刚度范围时，关节刚度对刚度电机或减速机位移的变化速度过快，即使微小的电机或减速机角位移也能导致关节刚度剧烈变化，在实际物理系统中，由于编码器分辨率、齿轮传动间隙、闭环控制等原因，传动误差一定存在，减速机输出角位移具有一定的分辨率，造成刚度调整准确率低或刚度调节失效，不能有效调整关节刚度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种机器人用的变刚度关节，该结构的变刚度关节通过一种连杆机构来移动杠杆转动轴位置，利用其机构奇异位型降低高刚度范围内的刚度调节速度，并提高低刚度范围内的刚度调节速度，从而得到一种刚度调节范围为零调节到无穷大的刚度调节特性很好的变刚度关节。本专利技术的另一目的在于提供一种上述机器人用的变刚度关节的刚度调节方法。本专利技术的技术方案为：一种机器人用的变刚度关节，包括依次连接的位置调整机构、刚度调整机构和输出连杆机构，刚度调整机构采用三连杆机构和杠杆机构相配合的结构方式，刚度调整机构包括支架、三连杆、杠杆、杠杆转动轴及杠杆摆动控制组件，三连杆、杠杆、杠杆转动轴及杠杆摆动控制组件均设于支架内，三连杆一端设置杠杆转动轴，三连杆另一端设置连杆驱动组件，杠杆中部设有长孔，杠杆转动轴通过长孔与杠杆滑动连接，杠杆两侧分别设有杠杆摆动控制组件。该变刚度关节中，杠杆转动轴作为杠杆的支点，通过改变杠杆转动轴的位置来改变杠杆摆动控制组件所产生的弹簧作用力臂和输出连杆机构的外力力臂。刚度调整机构是解决刚度调节特性缺点的核心，刚度调整部分通过一种三连杆机构(作为三关节)实现杠杆转动轴的位置移动，杠杆转动轴的位置移动量与刚度调整减速机输出位移成非线性关系；并且当杠杆转动轴移动到关节刚度处于无穷大的位置时，该三连杆机构处于奇异位形，当该三连杆处于奇异位形时，杠杆移动速度为零，并且与减速机输出速度无关。当该连杆机构处于奇异位形附近时，即使刚度调整减速机速度很大，用于刚度调整的杠杆转动轴速度也非常小，从而降低了关节高刚度范围内的刚度调整速度，提高了刚度调整准确率。所述杠杆摆动控制组件包括滚轮、滚轮座、预压缩弹簧和压缩弹簧支座，滚轮设于滚轮座上，滚轮座一侧设有预压缩弹簧，预压缩弹簧通过压缩弹簧支座固定于支架内，滚轮的圆周侧面与杠杆外侧面相接触。所述杠杆包括相连接的圆柱端部和矩形段，圆柱端部的直径大于矩形段的宽度(因此圆柱端部的外周形成大于180°的扇形，该扇形与矩形段的长度方向外侧圆滑连接，形成整体式的杠杆外侧面，且该外侧面与滚轮相接触)，长孔贯穿于圆柱端部和矩形段中。其中，矩形段上与圆柱端部相对的一端设置输出连杆机构中的第一轴承，杠杆通过第一轴承与输出连杆机构连接。所述预压缩弹簧两侧设有第一限位柱，滚轮座上设有第一限位块，第一限位柱和第一限位块相配合形成第一限位组件。所述杠杆与支架的相接面上设有导轨，杠杆转动轴沿着导轨在杠杆的长孔内进行滑动。所述三连杆包括依次连接的第一连杆、第二连杆和第三连杆，第一连杆的输入端与连杆驱动组件连接，第三连杆的输出端设置杠杆转动轴；连杆驱动组件包括依次连接的第一编码器、刚度调整电机、刚度调整减速机和锥齿轮组，锥齿轮组的输出端与第一连杆的输入端连接。其中，第一编码器实时测量刚度调整电机的角位移，刚度调整减速机通过锥齿轮组驱动第一连杆，第二连杆通过轴承与第一连杆构成旋转关节，第三连杆也通过轴承与第二连杆构成旋转关节，导轨固定在支架上，第三连杆与导轨构成直线运动副，第三连杆可沿导轨进行直线运动。连杆驱动组件中，刚度调整电机通过锥齿轮组驱动第一连杆，组成锥齿轮组的两个锥齿轮轴线垂直相交，其中与第一连杆连接的锥齿轮中心线与杠杆的长孔中心线在同一直线上，设第一连杆的长度为l1，第二连杆的长度为l2，与第一连杆连接的锥齿轮和第二连杆末端的距离为l3，杠杆中长孔的长度为δ，上述各长度需满足l1+l2＝δ+l3。所述位置调整机构包括主体机架、位置调整电机、第二编码器和位置调整减速机，第二编码器、位置调整电机和位置调整减速机依次连接，主体机架位置调整减速机外周，刚度调整机构中的支架设于主体机架上。其中，第二编码器对位置调整电机的角位移进行位置闭环控制。所述输出连杆机构包括输出连杆、第一轴承、第二轴承和第三编码器，第二轴承安装于支架的圆周边沿上，输出连杆通过第二轴承与支架连接，输出连杆底部设置第一轴承并通过第一轴承与杠杆连接，输出连杆与支架的相接面上还设有第三编码器。其中，第三编码器用于测量输出连杆相对于支架的弹性位移，位置调整机构通过支架和第二轴承对输出连杆的位置进行调节，刚度调整本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种机器人用的变刚度关节，其特征在于，包括依次连接的位置调整机构、刚度调整机构和输出连杆机构，刚度调整机构采用三连杆机构和杠杆机构相配合的结构方式，刚度调整机构包括支架、三连杆、杠杆、杠杆转动轴及杠杆摆动控制组件，三连杆、杠杆、杠杆转动轴及杠杆摆动控制组件均设于支架内，三连杆一端设置杠杆转动轴，三连杆另一端设置连杆驱动组件，杠杆中部设有长孔，杠杆转动轴通过长孔与杠杆滑动连接，杠杆两侧分别设有杠杆摆动控制组件。

【技术特征摘要】
1.一种机器人用的变刚度关节，其特征在于，包括依次连接的位置调整机构、刚度调整机构和输出连杆机构，刚度调整机构采用三连杆机构和杠杆机构相配合的结构方式，刚度调整机构包括支架、三连杆、杠杆、杠杆转动轴及杠杆摆动控制组件，三连杆、杠杆、杠杆转动轴及杠杆摆动控制组件均设于支架内，三连杆一端设置杠杆转动轴，三连杆另一端设置连杆驱动组件，杠杆中部设有长孔，杠杆转动轴通过长孔与杠杆滑动连接，杠杆两侧分别设有杠杆摆动控制组件。2.根据权利要求1所述一种机器人用的变刚度关节，其特征在于，所述杠杆摆动控制组件包括滚轮、滚轮座、预压缩弹簧和压缩弹簧支座，滚轮设于滚轮座上，滚轮座一侧设有预压缩弹簧，预压缩弹簧通过压缩弹簧支座固定于支架内，滚轮的圆周侧面与杠杆外侧面相接触。3.根据权利要求2所述一种机器人用的变刚度关节，其特征在于，所述杠杆包括相连接的圆柱端部和矩形段，圆柱端部的直径大于矩形段的宽度，长孔贯穿于圆柱端部和矩形段中。4.根据权利要求2所述一种机器人用的变刚度关节，其特征在于，所述预压缩弹簧两侧设有第一限位柱，滚轮座上设有第一限位块，第一限位柱和第一限位块相配合形成第一限位组件。5.根据权利要求1所述一种机器人用的变刚度关节，其特征在于，所述杠杆与支架的相接面上设有导轨，杠杆转动轴沿着导轨在杠杆的长孔内进行滑动。6.根据权利要求1所述一种机器人用的变刚度关节，其特征在于，所述三连杆包括依次连接的第一连杆、第二连杆和第三连杆，第一连杆的输入端与连杆驱...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡国清，赵朋飞，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44