一种基于圆柱凸轮的变刚度关节及其控制方法技术

一种基于圆柱凸轮的变刚度关节通过将筒形铁心电磁铁安装在圆柱凸轮筒上，环形衔铁安装在滚子盘滚子所在侧，电磁铁对环形衔铁产生电磁吸力，使滚子在圆柱凸轮筒壁上开设的曲面凹槽内运动，从而使圆柱凸轮筒旋转并产生回复力矩，增大电磁铁线圈电流，滚子盘所受轴向力增大，关节刚度增加，减小电磁铁线圈电流，滚子盘所受轴向力减小，关节刚度降低；变刚度关节的控制方法通过计算机输入目标刚度，将解算的实际刚度值作为反馈信号，通过PID控制算法计算刚度控制值，再由理论扭转刚度公式计算出所需的刚度下需施加的电流值，调节电流使关节达到所需的刚度，该关节及控制方法在省去电机及弹性元件调节机构的前提下实现了对转动关节扭转刚度的调节。

A variable stiffness joint based on cylindrical cam and its control method

【技术实现步骤摘要】
一种基于圆柱凸轮的变刚度关节及其控制方法
本专利技术涉及一种基于圆柱凸轮的变刚度关节及其控制方法，属于机器人

技术介绍
机器人在自动化产业、应急救援、服务业、医疗康复产业等领域的应用愈发广泛，然而传统刚性驱动器在服务类机器人及康复类机器人的应用中存在较大的人机交互安全隐患，在仿生机器人及一些特种机器人上无法获得理想的扭矩特性，这些缺陷极大地限制了机器人进入人们的日常生活。近年来，为提高机器人人机交互过程中的安全性，同时适应不同工况条件的需求，设计出了具有可变刚度的柔性关节，这种变刚度关节在面对外部环境的刚性冲击或不同工作场合能够获得较为理想的刚度性能。目前常见的变刚度关节主要有预紧力控制型变刚度关节、拮抗式变刚度关节、有效长度控制型变刚度关节和传动比调节型变刚度关节，这些变刚度关节均是通过电机和减速器驱动特定的机械结构的状态变化来调节关节刚度，存在结构复杂、刚度调节响应时间长以及弹性元件变形时调节失效的缺点。例如，公开号为CN106182067A的专利技术专利公开了一种刚度连续可调的机器人柔性关节，其通过电机改变圆截面弹性杆的有效长度实现刚度可调，虽然其结构较为简单，但存在关节集成度低、空间利用率低，且需要电机参与导致响应速度慢以及弹性杆变形时无法调节的缺点；公开号为CN104985608A的专利技术专利公开了一种刚度可调的柔性关节驱动器机构，该机构利用滚轮在上下两个圆柱凸轮盘上滚动引起上下两个圆柱凸轮盘的轴向距离变化进而压缩轴向弹簧，通过调整上下两个圆柱凸轮盘的周向角度改变接触点曲斜面斜率及弹簧预压缩量从而改变刚度，该机构要求调节电机的自锁性能好，由于引入了刚度调节电机及减速机构，同样具有较长的刚度调节响应时间的缺陷；公开号为CN106737824A的专利技术专利公开了一种电磁式可变刚度的柔性转轴关节，通过调节定子上电磁铁产生的电磁力调节转子扭转刚度，但存在多套电磁铁协同控制难度较大及平衡位置附近刚度较低的问题。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供一种基于圆柱凸轮的变刚度关节及其控制方法，该变刚度关节及其控制方法能够在省去电机及弹性元件调节机构的前提下实现对转动关节的扭转刚度的调节，结构简单紧凑，响应及时，在机器人面对不可预测的外力冲击时能够迅速调节关节刚度，保护人员及设备安全；用于仿生机器人上也能随转角迅速调节刚度，模拟出生物关节特性。为了实现上述目的，本专利技术提供一种基于圆柱凸轮的变刚度关节，包括关节外壳、圆柱凸轮机构、电磁变刚度机构、输出轴和刚度控制系统，所述的关节外壳包括筒体和端盖，所述的筒体一端贯通，贯通端端面周向开设多个螺纹孔a；筒体另一端的外壁上设有连接法兰，筒体底板在靠近贯通端的一侧以筒体中心轴为圆心开设有圆凹台a；在圆凹台a外部的筒体底板上开设有多个以圆凹台a为中心周向均匀设置的安装孔；所述的端盖上与筒体贯通端端面上开设的多个螺纹孔a相对应地开设多个螺纹孔b；端盖中部开设有轴孔b，并在靠近筒体的一侧开设有与轴孔b同轴心设置的圆凹台b；所述的圆柱凸轮机构包括圆柱凸轮筒和滚子盘，圆柱凸轮筒的一端贯通，贯通端端面沿圆柱凸轮筒壁周向等间距的开设多个曲面凹槽；圆柱凸轮筒的另一端底板上以圆柱凸轮筒中心轴为圆心开设有轴孔c，在靠近贯通端的圆柱凸轮筒底板一侧设有与轴孔c同轴心设置的圆凸台，在圆凸台内壁上开设有键槽；圆柱凸轮筒的内壁上还设有环形凸台a，所述环形凸台a上沿其周向开设多个螺纹孔c；所述的滚子盘包括圆柱状盘体，盘体的中部以其中心轴为圆心开设轴孔d，盘体一侧以轴孔d为中心沿其周向开设多个通孔，各通孔内设置有与其滑动配合的导杆，各导杆上穿设有支撑弹簧，导杆的另一端与筒体底板上开设的安装孔螺纹固接，并使支撑弹簧与盘体接触配合；盘体的另一侧以轴孔d为中心沿其周向设有多个滚子，各滚子分别与圆柱凸轮筒贯通端面上开设的各曲面凹槽接触配合；在滚子与轴孔d之间的盘体上周向开设有多个螺纹孔d；电磁变刚度机构包括筒形铁心电磁铁和环形衔铁，所述的环形衔铁为圆柱状盘体，盘体以其中心轴为圆心开设轴孔e，以轴孔e为中心沿其周向开设多个螺纹孔e，螺钉通过螺纹孔e和滚子盘上开设的螺纹孔d将环形衔铁连接于滚子所在一侧的滚子盘上；所述的筒形铁心电磁铁一端贯通，另一端的底板上以其中心轴为圆心开设有轴孔f，筒形铁心电磁铁的外壁上设有环形凸台b，环形凸台b上沿其周向开设多个螺纹孔f，螺钉通过螺纹孔f和环形凸台a上开设的螺纹孔c将筒形铁心电磁铁连接在圆柱凸轮筒内；所述的输出轴为中部和小径端均开设有键槽的阶梯轴，其大径端安装在圆凹台a内装配的轴承a内，小径端安装在圆凹台b内装配的轴承b内，从大径端至小径端依次穿过轴孔d、轴孔e、轴孔f、轴孔c和轴孔b，将圆柱凸轮机构和电磁变刚度机构装配于筒体内，筒体与端盖之间通过螺纹孔a和螺纹孔b进行螺纹连接；其中，轴孔d和轴孔e与输出轴滑动配合；圆柱凸轮筒在轴向上通过阶梯轴的轴肩进行定位，圆凸台内壁上开设的键槽与阶梯轴中部的键槽键连接；刚度控制系统包括电力产生系统、stm32单片机、A/D转换模块、计算机、扭矩传感器和角位移传感器，电力产生系统的一端连接筒形铁心电磁铁，另一端连接stm32单片机，stm32单片机还与A/D转换模块和计算机连接，A/D转换模块同时还与扭矩传感器和角位移传感器连接，所述的扭矩传感器安装于输出轴上，角位移传感器内圈固定套装在输出轴上，外圈与端盖连接。进一步地，所述的滚子和曲面凹槽的数量均为3个，所述的滚子包括支架和滚轮，支架的一端固定连接于盘体上，另一端通过轮轴与滚轮连接；所述的曲面凹槽为圆弧形，其轮廓为沿圆柱面展开的二次曲线，曲面凹槽两端与其两侧的端面之间设有纵向平直限位段。进一步地，所述的导杆数量为3个。进一步地，所述的轴承a和轴承b均为圆锥滚子轴承。进一步地，所述的筒形铁心电磁铁和环形衔铁的材质均为硅钢。本变刚度关节通过将筒形铁心电磁铁安装在圆柱凸轮筒上，环形衔铁安装在滚子盘滚子所在侧，电磁铁对环形衔铁产生电磁吸力，使滚子在圆柱凸轮筒壁上开设的曲面凹槽内运动，从而使圆柱凸轮筒旋转并产生回复力矩，当增大电磁铁线圈电流时，滚子盘所受的轴向力增大，输出力矩相应增大，关节刚度增加；当减小电磁铁线圈电流时，滚子盘所受的轴向力减小，输出力矩相应减小，关节刚度降低；若需保持特定的刚度曲线，则根据关节变形的角度变化按照PID控制原理调节电流使关节表现出预期刚度，既可保持刚度恒定，也能在一定范围内自由调整刚度曲线，在仿生机器人上能灵活准确地模拟出生物关节刚度随转角发生变化的特性。该关节通过连接法兰与动力输入机构连接，输出轴的端部与被驱动机构连接，并在动力传递过程中通过电流的加载改变传递过程中的关节刚度，本专利技术省去了传统的弹性元件调节结构及电机，结构简单紧凑，减小了关节体积和重量，在面对不可预测的外力冲击时，电磁铁电流调节速度快，能迅速改变关节刚度，保护操作人员及机器人本体免受伤害或破坏。一种基于圆柱凸轮的变刚度关节的控制方法，包括如下步骤：(1)将需要的关节扭转刚度值输入计算机本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于圆柱凸轮的变刚度关节，其特征在于，包括关节外壳(1)、圆柱凸轮机构(2)、电磁变刚度机构(3)、输出轴(4)和刚度控制系统(5)，所述的关节外壳(1)包括筒体(1-1)和端盖(1-2)，所述的筒体(1-1)一端贯通，贯通端端面周向开设多个螺纹孔a(1-11)；筒体(1-1)另一端的外壁上设有连接法兰(1-12)，筒体(1-1)底板在靠近贯通端的一侧以筒体(1-1)中心轴为圆心开设有圆凹台a(1-14)；在圆凹台a(1-14)外部的筒体(1-1)底板上开设有多个以圆凹台a(1-14)为中心周向均匀设置的安装孔(1-15)；/n所述的端盖(1-2)上与筒体(1-1)贯通端端面上开设的多个螺纹孔a(1-11)相对应地开设多个螺纹孔b(1-21)；端盖(1-2)中部开设有轴孔b(1-22)，并在靠近筒体(1-1)的一侧开设有与轴孔b(1-22)同轴心设置的圆凹台b(1-23)；/n所述的圆柱凸轮机构(2)包括圆柱凸轮筒(2-1)和滚子盘(2-2)，圆柱凸轮筒(2-1)的一端贯通，贯通端端面沿圆柱凸轮筒(2-1)壁周向等间距的开设多个曲面凹槽(2-11)；圆柱凸轮筒(2-1)的另一端底板上以圆柱凸轮筒(2-1)中心轴为圆心开设有轴孔c(2-12)，在靠近贯通端的圆柱凸轮筒(2-1)底板一侧设有与轴孔c(2-12)同轴心设置的圆凸台(2-13)，在圆凸台(2-13)内壁上开设有键槽；圆柱凸轮筒(2-1)的内壁上还设有环形凸台a(2-15)，所述环形凸台a(2-15)上沿其周向开设多个螺纹孔c(2-16)；/n所述的滚子盘(2-2)包括圆柱状盘体a(2-21)，盘体a(2-21)的中部以其中心轴为圆心开设轴孔d(2-22)，盘体一侧以轴孔d(2-22)为中心沿其周向开设多个通孔(2-23)，各通孔(2-23)内设置有与其滑动配合的导杆(2-24)，各导杆(2-24)上穿设有支撑弹簧(2-25)，导杆(2-24)的另一端与筒体(1-1)底板上开设的安装孔(1-15)螺纹固接，并使支撑弹簧(2-25)与盘体a(2-21)接触配合；盘体a(2-21)的另一侧以轴孔d(2-22)为中心沿其周向设有多个滚子(2-26)，各滚子(2-26)分别与圆柱凸轮筒(2-1)贯通端面上开设的各曲面凹槽(2-11)接触配合；在滚子(2-26)与轴孔d(2-22)之间的盘体a(2-21)上周向开设有多个螺纹孔d(2-27)；/n电磁变刚度机构(3)包括筒形铁心电磁铁(3-1)和环形衔铁(3-2)，所述的环形衔铁(3-2)为圆柱状盘体b(3-21)，盘体b(3-21)以其中心轴为圆心开设轴孔e(3-22)，以轴孔e(3-22)为中心沿其周向开设多个螺纹孔e(3-23)，螺钉通过螺纹孔e(3-23)和滚子盘(2-2)上开设的螺纹孔d(2-27)将环形衔铁(3-2)连接于滚子(2-26)所在一侧的滚子盘(2-2)上；所述的筒形铁心电磁铁(3-1)一端贯通，另一端的底板上以其中心轴为圆心开设有轴孔f(3-11)，筒形铁心电磁铁(3-1)的外壁上设有环形凸台b(3-12)，环形凸台b(3-12)上沿其周向开设多个螺纹孔f(3-13)，螺钉通过螺纹孔f(3-13)和环形凸台a(2-15)上开设的螺纹孔c(2-16)将筒形铁心电磁铁(3-1)连接在圆柱凸轮筒(2-1)内；/n所述的输出轴(4)为中部和小径端均开设有键槽(4-3)的阶梯轴，其大径端安装在圆凹台a(1-14)内装配的轴承a(4-1)内，小径端安装在圆凹台b(1-23)内装配的轴承b(4-2)内，从大径端至小径端依次穿过轴孔d(2-22)、轴孔e(3-22)、轴孔f(3-11)、轴孔c(2-12)和轴孔b(1-22)，将圆柱凸轮机构(2)和电磁变刚度机构(3)装配于筒体(1-1)内，筒体(1-1)与端盖(1-2)之间通过螺纹孔a(1-11)和螺纹孔b(1-21)进行螺纹连接；其中，轴孔d(2-22)和轴孔e(3-22)与输出轴(4)滑动配合；圆柱凸轮筒(2-1)在轴向上通过阶梯轴的轴肩进行定位，圆凸台(2-13)内壁上开设的键槽与阶梯轴中部的键槽(4-3)键连接；/n刚度控制系统(5)包括电力产生系统(5-1)、stm32单片机(5-2)、A/D转换模块(5-3)、计算机(5-4)、扭矩传感器(5-5)和角位移传感器(5-6)，电力产生系统(5-1)的一端连接筒形铁心电磁铁(3-1)，另一端连接stm32单片机(5-2)，stm32单片机(5-2)还与A/D转换模块(5-3)和计算机(5-4)连接，A/D转换模块(5-3)同时还与扭矩传感器(5-5)和角位移传感器(5-6)连接，所述的扭矩传感器(5-5)安装于输出轴(4)上，角位移传感器(5-6)内圈固定套装在输出轴(4)上，外圈与端盖(1-2)连接。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于圆柱凸轮的变刚度关节，其特征在于，包括关节外壳(1)、圆柱凸轮机构(2)、电磁变刚度机构(3)、输出轴(4)和刚度控制系统(5)，所述的关节外壳(1)包括筒体(1-1)和端盖(1-2)，所述的筒体(1-1)一端贯通，贯通端端面周向开设多个螺纹孔a(1-11)；筒体(1-1)另一端的外壁上设有连接法兰(1-12)，筒体(1-1)底板在靠近贯通端的一侧以筒体(1-1)中心轴为圆心开设有圆凹台a(1-14)；在圆凹台a(1-14)外部的筒体(1-1)底板上开设有多个以圆凹台a(1-14)为中心周向均匀设置的安装孔(1-15)；
所述的端盖(1-2)上与筒体(1-1)贯通端端面上开设的多个螺纹孔a(1-11)相对应地开设多个螺纹孔b(1-21)；端盖(1-2)中部开设有轴孔b(1-22)，并在靠近筒体(1-1)的一侧开设有与轴孔b(1-22)同轴心设置的圆凹台b(1-23)；
所述的圆柱凸轮机构(2)包括圆柱凸轮筒(2-1)和滚子盘(2-2)，圆柱凸轮筒(2-1)的一端贯通，贯通端端面沿圆柱凸轮筒(2-1)壁周向等间距的开设多个曲面凹槽(2-11)；圆柱凸轮筒(2-1)的另一端底板上以圆柱凸轮筒(2-1)中心轴为圆心开设有轴孔c(2-12)，在靠近贯通端的圆柱凸轮筒(2-1)底板一侧设有与轴孔c(2-12)同轴心设置的圆凸台(2-13)，在圆凸台(2-13)内壁上开设有键槽；圆柱凸轮筒(2-1)的内壁上还设有环形凸台a(2-15)，所述环形凸台a(2-15)上沿其周向开设多个螺纹孔c(2-16)；
所述的滚子盘(2-2)包括圆柱状盘体a(2-21)，盘体a(2-21)的中部以其中心轴为圆心开设轴孔d(2-22)，盘体一侧以轴孔d(2-22)为中心沿其周向开设多个通孔(2-23)，各通孔(2-23)内设置有与其滑动配合的导杆(2-24)，各导杆(2-24)上穿设有支撑弹簧(2-25)，导杆(2-24)的另一端与筒体(1-1)底板上开设的安装孔(1-15)螺纹固接，并使支撑弹簧(2-25)与盘体a(2-21)接触配合；盘体a(2-21)的另一侧以轴孔d(2-22)为中心沿其周向设有多个滚子(2-26)，各滚子(2-26)分别与圆柱凸轮筒(2-1)贯通端面上开设的各曲面凹槽(2-11)接触配合；在滚子(2-26)与轴孔d(2-22)之间的盘体a(2-21)上周向开设有多个螺纹孔d(2-27)；
电磁变刚度机构(3)包括筒形铁心电磁铁(3-1)和环形衔铁(3-2)，所述的环形衔铁(3-2)为圆柱状盘体b(3-21)，盘体b(3-21)以其中心轴为圆心开设轴孔e(3-22)，以轴孔e(3-22)为中心沿其周向开设多个螺纹孔e(3-23)，螺钉通过螺纹孔e(3-23)和滚子盘(2-2)上开设的螺纹孔d(2-27)将环形衔铁(3-2)连接于滚子(2-26)所在一侧的滚子盘(2-2)上；所述的筒形铁心电磁铁(3-1)一端贯通，另一端的底板上以其中心轴为圆心开设有轴孔f(3-11)，筒形铁心电磁铁(3-1)的外壁上设有环形凸台b(3-12)，环形凸台b(3-12)上沿其周向开设多个螺纹孔f(3-13)，螺钉通过螺纹孔f(3-13)和环形凸台a(2-15)上开设的螺纹孔c(2-16)将筒形铁心电磁铁(3-1)连接在圆柱凸轮筒(2-1)内；
所述的输出轴(4)为中部和小径端均开设...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨雪锋，周文韬，李威，王禹桥，范孟豹，徐嘉伟，郑嘉毓，卢昱瑾，张孟晨，崔旭，杨沛轩，吴昊，李帅，邓红桃，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32