本发明专利技术涉及机器人变刚度传动技术领域，具体为一种基于凸轮机构的变刚度传动关节及切换控制方法，变刚度传动关节，包括传动模块和变刚度模块，传动模块包括：后轴Ⅰ，具有空腔且内置有依次连接的大电磁铁、大弹簧、变刚度电机及减速器；前轴Ⅰ，具有空腔且与后轴Ⅰ固定联接；轴Ⅱ，内置在前轴Ⅰ空腔内且相对于前轴Ⅰ转动；扭杆，内置在前轴Ⅰ空腔内且两端连接后轴Ⅰ与轴Ⅱ；变刚度模块包括：圆柱凸轮机构；可移动平台；导轨机构。本发明专利技术所提供的基于凸轮机构的变刚度传动关节，结构紧凑、质量轻便；可实现推杆定位片位置和可移动平台位置的锁死，实现传动功能与变刚度功能的切换，具有控制简单、刚度保持性高的优势。刚度保持性高的优势。刚度保持性高的优势。
【技术实现步骤摘要】
一种基于凸轮机构的变刚度传动关节及切换控制方法
[0001]本专利技术涉及机器人变刚度传动
，具体为一种基于凸轮机构的变刚度传动关节及切换控制方法。
技术介绍
[0002]在机器人、车辆传动等领域，传动关节作为动力传输的重要组成部分，对机构运动学特性和动力学特性起着非常重要的作用。传统的传动关节为了保证输出位置精度，追求的是传动关节的高刚度或保持刚度固定不变，但是这就造成了传统传动关节的适应性较差、人机交互能力弱。近年来，为了提高机器人领域传动关节的人机交互能力，以及传动关节在不同工况下的载荷适应能力，变刚度转动关节获得了越来越多的关注。
[0003]变刚度关节结构形式灵活多样，主要包括拮抗型、预紧型、弹簧片型、变传输比型等基本类型。这类变刚度关节均是通过电机配合减速器驱动特定的机械结构，改变变刚度元件的状态，达到调节关节刚度的目的。如中国专利CN201510715690.3公开了一种凸轮结构变刚度弹性关节，弹簧片是变刚度元件，一端与轴固联，一端与外圈固联，通过凸轮盘的旋转，改变滑动块在弹簧片上位置，从而改变弹簧片的有效变形长度，达到改变输出关节刚度的目的。该结构只能通过锁死凸轮盘固定滑动块的位置，从而实现输出刚度保持，但是在外力作用下，滑动块上的凸轮滚子与凸轮盘很容易发生相对移动，因此该机构的刚度保持性差，在具体应用中很难实现有效控制；又如中国专利CN201810733720.7公开了一种基于凸轮机构的变刚度关节，该专利中通过锁定电机实现关节输入转轴位置的固定，从而实现输出刚度保持，但是同样在外力作用下，圆弧凸轮与关节输入转轴会发生相对转动，导致该方案的刚度保持性差。因此，在设计过程中，为了充分利用变刚度关节优点，应充分考虑实际应用过程中变刚度关节的刚度保持性问题，方便控制。
技术实现思路
[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术提出了一种基于凸轮机构的变刚度传动关节及切换控制方法。目的在于克服现有技术中存在的变刚度关节刚度保持性差、控制难度大的问题。在本专利技术中通过导轨机构集成设置推杆定位片与可移动平台的锁死机构，利用电气控制实现了变刚度传动关节变刚度功能和传动功能的切换，有效保证了变刚度传动关节的刚度保持性。
[0005]本专利技术所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
[0006]一种基于凸轮机构的变刚度传动关节，包括传动模块和变刚度模块，传动模块包括：
[0007]后轴Ⅰ，具有空腔且内置有依次连接的大电磁铁、大弹簧、变刚度电机及减速器；
[0008]前轴Ⅰ，具有空腔且与后轴Ⅰ固定联接；
[0009]轴Ⅱ，内置在前轴Ⅰ空腔内且相对于前轴Ⅰ转动；
[0010]扭杆，内置在前轴Ⅰ空腔内且两端连接后轴Ⅰ与轴Ⅱ，用于实现动力从后轴Ⅰ传递到
轴Ⅱ上；
[0011]变刚度模块包括：
[0012]圆柱凸轮机构，通过轴承安装在前轴Ⅰ空腔内，与减速器连接；
[0013]可移动平台，内置在前轴Ⅰ空腔内且套在扭杆上，并与圆柱凸轮机构连接；
[0014]导轨机构，与前轴Ⅰ过盈配合且与后轴Ⅰ同轴心，分别与圆柱凸轮机构、可移动平台配合。
[0015]优选的，所述圆柱凸轮机构包括通过轴承安装在前轴Ⅰ空腔内的圆柱凸轮、与导轨机构配合的推杆定位片、设置在圆柱凸轮凸轮轮廓线上的滚子、穿过推杆定位片且两端对应连接在滚子、可移动平台上的推杆、与减速器连接的外齿轮。
[0016]优选的，所述圆柱凸轮为空腔结构，所述圆柱凸轮的端面上设有与外齿轮啮合连接的内齿轮。
[0017]优选的，所述导轨机构包括带有导槽的导轨、装配在导轨导槽内的可移动齿条Ⅰ及可移动齿条Ⅱ、设置在导轨导槽底面上的小电磁铁Ⅰ及小电磁铁Ⅱ、小弹簧Ⅰ及小弹簧Ⅱ，所述小电磁铁Ⅰ、小弹簧Ⅰ与可移动齿条Ⅰ连接，所述小电磁铁Ⅱ、小弹簧Ⅱ与可移动齿条Ⅱ连接，所述可移动齿条Ⅰ与推杆定位片配合，所述可移动齿条Ⅱ与可移动平台配合。
[0018]优选的，所述推杆定位片上设有与可移动齿条Ⅰ配合的固定块，所述固定块上设有霍尔接近开关传感器。
[0019]优选的，所述可移动齿条Ⅰ上设有与固定块配合的凹槽，凹槽的底部设有永磁体。
[0020]优选的，所述可移动平台上设有与推杆一端部连接的圆周导轨、与可移动齿条Ⅱ配合的齿形块、激光位移传感器。
[0021]优选的，所述可移动齿条Ⅱ上设有与齿形块配合的齿形槽。
[0022]应用于一种基于凸轮机构的变刚度传动关节的切换控制方法，该切换控制方法基于切换控制系统，该切换控制系统包括基于凸轮机构的变刚度传动关节、采集激光位移传感器及霍尔接近开关传感器数据的信号采集卡、控制变刚度电机运动的电机驱动器、对应控制大电磁铁、小电磁铁Ⅰ、小电磁铁Ⅱ得失电的继电器Ⅰ、继电器Ⅱ、继电器Ⅲ、与信号采集卡、电机驱动器、继电器Ⅰ、继电器Ⅱ、继电器Ⅲ连接的控制器，具体步骤如下：
[0023](A)零点位置设定：通过霍尔接近开关传感器感应可移动齿条Ⅰ上凹槽底部的永磁体，并发出信号，以确定零点位置；
[0024](B)根据变刚度传动关节传动过程中所需的刚度值，确定扭杆的目标有效变形长度；
[0025](C)刚度调节：控制器通过继电器Ⅰ、继电器Ⅱ、继电器Ⅲ控制大电磁铁失电、小电磁铁Ⅰ失电、小电磁铁Ⅱ得电，使得推杆定位片与导轨之间位置锁死，变刚度电机与圆柱凸轮动力连接，后通过圆柱凸轮、推杆驱动可移动平台沿前轴Ⅰ轴向移动，从而调节可移动平台与轴Ⅱ之间的距离；
[0026](D)传动功能实现：控制器通过继电器Ⅰ、继电器Ⅱ、继电器Ⅲ控制大电磁铁得电、小电磁铁Ⅰ得电、小电磁铁Ⅱ失电，使得推杆定位片与导轨之间脱离锁死，变刚度电机与圆柱凸轮脱离动力连接，可移动平台与导轨之间位置锁死，后轴Ⅰ、前轴Ⅰ转动，通过扭杆带动轴Ⅱ随后轴Ⅰ同步转动以进行扭转传动；
[0027](E)复位：检测推杆定位片是否处于零点位置，若未处于零点位置，则控制器通过
继电器Ⅰ控制大电磁铁失电，使变刚度电机与圆柱凸轮动力连接后带动检测推杆定位片旋转，直至处于零点位置为止；若处于零点位置，则控制器通过继电器Ⅱ控制小电磁铁Ⅰ失电，使推杆定位片与导轨之间位置锁死。
[0028]进一步地，步骤(B)中扭杆的目标有效变形长度通过如下公式确定：
[0029][0030]式中L表示扭杆的有效变形长度，E表示扭杆的弹性模量，R表示扭杆的旋转半径，d表示扭杆的截面直径，θ表示扭杆的弯曲转角，K表示传动过程中需要的变刚度传动关节刚度值。
[0031]本专利技术的有益效果是：
[0032]与现有技术相比，一方面本专利技术所提供的基于凸轮机构的变刚度传动关节，圆柱凸轮为空腔结构，动力通过其内表面的内齿轮传递，并且扭杆穿过圆柱凸轮，两边分别与轴Ⅰ和轴Ⅱ固联，从而做到了结构紧凑、质量轻便；另一方面本专利技术所提供的基于凸轮机构的变刚度传动关节，通过控制大电磁铁、小电磁铁Ⅰ、小电磁铁Ⅱ得失电，可实现推杆定位片位置和可移动平台位置的锁死，实现传动功能与变刚度功能的切换，具有本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于凸轮机构的变刚度传动关节，包括传动模块和变刚度模块，其特征在于：传动模块包括：后轴Ⅰ(1)，具有空腔且内置有依次连接的大电磁铁(9)、大弹簧(10)、变刚度电机(19)及减速器(21)；前轴Ⅰ(5)，具有空腔且与后轴Ⅰ(1)固定联接；轴Ⅱ(8)，内置在前轴Ⅰ(5)空腔内且相对于前轴Ⅰ(5)转动；扭杆(16)，内置在前轴Ⅰ(5)空腔内且两端连接后轴Ⅰ(1)与轴Ⅱ(8)，用于实现动力从后轴Ⅰ(1)传递到轴Ⅱ(8)上；变刚度模块包括：圆柱凸轮机构，通过轴承(12)安装在前轴Ⅰ(5)空腔内，与减速器(21)连接；可移动平台(14)，内置在前轴Ⅰ(5)空腔内且套在扭杆(16)上，并与圆柱凸轮机构连接；导轨机构，与前轴Ⅰ(5)过盈配合且与后轴Ⅰ(1)同轴心，分别与圆柱凸轮机构、可移动平台(14)配合。2.根据权利要求1所述的一种基于凸轮机构的变刚度传动关节，其特征在于：所述圆柱凸轮机构包括通过轴承(12)安装在前轴Ⅰ(5)空腔内的圆柱凸轮(13)、与导轨机构配合的推杆定位片(17)、设置在圆柱凸轮(13)凸轮轮廓线上的滚子(23)、穿过推杆定位片(17)且两端对应连接在滚子(23)、可移动平台(14)上的推杆(18)、与减速器(21)连接的外齿轮(20)。3.根据权利要求2所述的一种基于凸轮机构的变刚度传动关节，其特征在于：所述圆柱凸轮(13)为空腔结构，所述圆柱凸轮(13)的端面上设有与外齿轮(20)啮合连接的内齿轮。4.根据权利要求2所述的一种基于凸轮机构的变刚度传动关节，其特征在于：所述导轨机构包括带有导槽的导轨(15)、装配在导轨(15)导槽内的可移动齿条Ⅰ(28)及可移动齿条Ⅱ(29)、设置在导轨(15)导槽底面上的小电磁铁Ⅰ(24)及小电磁铁Ⅱ(26)、小弹簧Ⅰ(25)及小弹簧Ⅱ(27)，所述小电磁铁Ⅰ(24)、小弹簧Ⅰ(25)与可移动齿条Ⅰ(28)连接，所述小电磁铁Ⅱ(26)、小弹簧Ⅱ(27)与可移动齿条Ⅱ(29)连接，所述可移动齿条Ⅰ(28)与推杆定位片(17)配合，所述可移动齿条Ⅱ(29)与可移动平台(14)配合。5.根据权利要求4所述的一种基于凸轮机构的变刚度传动关节，其特征在于：所述推杆定位片(17)上设有与可移动齿条Ⅰ(28)配合的固定块(40)，所述固定块(40)上设有霍尔接近开关传感器(33)。6.根据权利要求5所述的一种基于凸轮机构的变刚度传动关节，其特征在于：所述可移动齿条Ⅰ(28)上设有与固定块(40)配合的凹槽(43)，凹槽(43)的底部设有永磁体。7.根据权利要求4所述的一种基于凸轮机构的变刚度传动关节，其特征在于：所述可移动平台(14)上设有与推杆(18)一端部连接的圆周导轨(41)、与可移动齿条Ⅱ(29)配合的齿形块(42)、激光位移传感器(32)。8.根据权利要求7所述的一种基于凸轮机构的变刚度传动关节，...
【专利技术属性】
技术研发人员：鞠锦勇，黄少奇，张春蕊，刘玉飞，訾斌，苏学满，汤东，陈剑波，聂洋，
申请(专利权)人：安徽工程大学，
类型：发明
国别省市：
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