一种电磁驱动式摩擦变刚度柔顺关节及工作方法技术

本发明专利技术公开一种电磁驱动式摩擦变刚度柔顺关节及工作方法，适用于机器人控制技术领域。在机械臂Ⅰ与机械臂Ⅱ之间设有主传动轴，机械臂Ⅰ通过电机支架连接有驱动电机，驱动电机的输出轴设有主齿轮，主齿轮水平啮合有从动齿轮，从动齿轮圆心处与主传动轴的尾部连接；变刚度模块包括设置在主传动轴上且摩擦面相对匹配设置的输入摩擦盘、输出摩擦盘和用以与机械臂Ⅱ连接的输出轴；通过输入摩擦盘和输出摩擦盘相互接触使机械臂Ⅰ与机械臂Ⅱ之间传递动力，输入摩擦盘与输出摩擦盘分离则断开传动，通过改变输入摩擦盘与输出摩擦盘之间的正压力实现摩擦力的变化，实现刚度调节。其具有安全性高、结构紧凑、适应性强的特点。适应性强的特点。适应性强的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种电磁驱动式摩擦变刚度柔顺关节及工作方法


[0001]本专利技术涉及机器人控制
，尤其设计适用于一种电磁驱动式摩擦变刚度柔顺关节及工作方法。

技术介绍

[0002]人机协作可以更好的发挥人与机器人的优势，近年来，人机协作以及人机交互已经成为机器人领域研究的重点内容。然而，在人机协作过程中，由于环境的动态变化和不可预知性，使得人机协作具有很大的不确定性，这造成了机器人人机协作过程极大的安全隐患。
[0003]为了提高机器人人机协作安全性，不少学者将目光聚集到变刚度柔顺关节上，柔顺关节在刚性单机和末端执行器之间引入了缓冲环节，使柔顺关节在外力作用下内部能够发生一定变形，从而起到暂存碰撞能量的作用，具有良好的环境适应性和安全性。如中国专利一种柔索驱动机器人变刚度弹性关节(ZL201710803257.4)采用弹簧片作为变刚度元件，采用柔索驱动装置作为调节元件，实现了关节的变刚度输出，该结构复杂，采用柔索驱动可靠性低，无法实现快速调节和过载保护，应用场合受限；如中国专利一种机器人用的变刚度关节及其刚度调节方法(ZL 201710160784.8)采用三连杆机构和杠杆机构相配合实现刚度调整机构的运动，该机构刚度调整机构传动运动复杂，同样无法实现快速调节和过载保护，应用场合受限；如中国专利一种基于杠杆机构的变刚度模块(ZL201810774632.1)采用板簧作为变刚度元件，利用菱形四连杆结构运动改变板簧有效变形支点，由于板簧是一种连续体，其刚度输出计算复杂，具有很强的非线性，因此应用场合受限。
专利技术内容
[0004]针对现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种电磁驱动式摩擦变刚度柔顺关节及工作方法，克服现有技术中刚度调节效率低、关节过载保护能力差的问题，在设计过程中，通过电磁驱动提高关节刚度的调节速度，通过摩擦盘传动提高关节的过载保护能力。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术的一种电磁驱动式摩擦变刚度柔顺关节，包括机械臂Ⅰ与机械臂Ⅱ，机械臂Ⅰ与机械臂Ⅱ之间设有主传动轴，其中机械臂Ⅰ通过电机支架连接有驱动电机，驱动电机的输出轴设有主齿轮，主齿轮水平啮合有从动齿轮，从动齿轮圆心处与主传动轴的尾部连接，其中主齿轮和从动齿轮外侧设有外壳Ⅰ，主传动轴与机械臂Ⅰ之间设有轴承Ⅰ，主传动轴通过变刚度模块与机械臂Ⅱ连接；
[0006]所述变刚度模块包括设置在主传动轴上且摩擦面相对匹配设置的输入摩擦盘、输出摩擦盘和用以与机械臂Ⅱ连接的输出轴；输入摩擦盘和输出摩擦盘为摩擦面相对设置的圆盘结构，输入摩擦盘通过键与主传动轴连接并同步旋转，挨着输入摩擦盘在主传动轴上设有轴承Ⅱ，轴承Ⅱ通过外缘设置的垫片设有轴承Ⅲ，输出摩擦盘的非摩擦面上同心设有套筒结构的压环，压环上通过外伸的连接耳分别设有多组线圈单元，主传动轴的端部设有
轴承Ⅳ，轴承Ⅲ与轴承Ⅳ之间的主传动轴上套有套筒，输出轴套在套筒上并且两端分别通过轴承Ⅲ和轴承Ⅳ与主传动轴连接，输出轴长度等于轴承Ⅲ到轴承Ⅳ之间的距离，输出摩擦盘与压环套在输出轴上，输出摩擦盘内壁与输出轴的一端外侧设有相互匹配的花键、花键槽，其中花键设置在摩擦盘内侧，花键槽设置在输出轴端部外侧，输出轴上花键槽长度比输出摩擦盘长，输出轴与主传动轴在轴向上位置不变，实现输出摩擦盘在输出轴上的轴向移动；环绕线圈单元的外侧通过外壳Ⅱ设有环形永磁体；输出轴未设有花键的一端设有封堵开孔的端盖，轴承Ⅳ的内圈与端盖接触，端盖通过螺钉固定在主传动轴上并实现轴承Ⅳ内圈在主传动轴上的轴向固定，继而实现轴承Ⅳ在主传动轴上的轴向定位；螺钉同时连接有罩住变刚度模块的外壳Ⅱ，外壳Ⅱ轴向开有一条贯穿的缺口，使输出轴与外壳Ⅱ之间允许存在转角差，从而允许在出现超过设定刚度范围内传动时主动打滑从而断开传动的保护作用；
[0007]线圈单元通过导线先后连接有直流电源模块、刚度控制器和专家知识库；
[0008]通过输入摩擦盘和输出摩擦盘相互接触使机械臂Ⅰ与机械臂Ⅱ之间传递动力，输入摩擦盘与输出摩擦盘分离则断开传动，传动的同时通过改变输入摩擦盘与输出摩擦盘之间的正压力可以实现摩擦力的变化，继而实现刚度调节，通过通电线圈单元与环形永磁体产生电磁相互作用力改变输入摩擦盘和输出摩擦盘之间的正压力，推动压环从而控制输出摩擦盘与输入摩擦盘连接或者断开。
[0009]进一步，主齿轮与从动齿轮外侧通过螺钉固定有保护用外壳Ⅰ，外壳Ⅱ与端盖通过螺钉固定在主传动轴上，并且安装后须保证端盖不与输出轴接触。
[0010]进一步，环形永磁体固定在外壳Ⅱ内侧并与所有线圈单元位置匹配。
[0011]进一步，线圈单元为电磁铁结构并双数呈中心对称布置，通过通电与环形永磁体之间产生吸力或者斥力，从而经过压环推动输出摩擦盘通过内侧的花键在输出轴的花键槽上轴向移动，从而控制输出摩擦盘与输入摩擦盘的距离。
[0012]进一步，轴承Ⅱ能够承受轴向载荷，为圆锥滚子轴承或推力球轴承。
[0013]进一步，垫片为凸台结构，凸台部分与轴承Ⅲ内圈接触。
[0014]进一步，专家知识库用于将输入所需要的刚度需求转化为实际控制的输出电流数据；专家知识库内部包括转动刚度数值与输入电流值的对比数据资料，用户输入转动刚度的期望值后，通过查询专家知识库获得对应转动刚度所需要的电流值，之后通过刚度控制器控制直流电源模块给线圈单元供电形成对应的磁力，影响输入摩擦盘和输出摩擦盘之间的正压力，从而改变摩擦力。
[0015]一种磁驱动式摩擦变刚度柔顺关节的工作方法，其步骤如下：
[0016]步骤一，输入摩擦盘与输出摩擦盘之间正压力与线圈单元的电流信号关系标定：
[0017]将检测用的膜片式压力传感器安装在输入摩擦盘与输出摩擦盘之间，通过直流电源模块给定线圈单元中线圈连续变化的电流，从而转化为与环形永磁体之间的磁力，磁力推动压环从而使输出摩擦盘朝着输入摩擦盘移动，输入摩擦盘与输出摩擦盘接触后两者产生正压力，利用膜片式压力传感器获得输入摩擦盘与输出摩擦盘之间的正压力，绘制线圈中电流值与输入摩擦盘与输出摩擦盘之间正压力的关系曲线，截取其中线性化较好地一段作为工作区间并基于最小二乘法进行线性拟合，获得线圈中电流值与输入摩擦盘与输出摩擦盘之间正压力的解析关系；
[0018]步骤二，输入摩擦盘与输出摩擦盘之间正压力与输出轴转动刚度关系标定，并确定线圈单元电流信号与输出轴转动刚度关系的专家知识库：
[0019]根据电磁驱动式摩擦变刚度柔顺关节的实际结构布局，在软件ANSYS中构建输入摩擦盘、输出摩擦盘以及输出轴三者的有限元分析模型，给定输入摩擦盘零位移约束，基于步骤一中确定的工作区间，以工作区间中正压力变化范围的/N为步长选取离散点，其中N为工作区间内正压力的最大值与最小值的差值，给定输出摩擦盘正压力，通过静力学分析获得输出轴转动刚度，描点绘制输入摩擦盘与输出摩擦盘之间正压力与输出轴转动刚度的关系曲线，并基于最小二乘法进行曲线拟合，结合步骤一中确定的线圈中电流值与输入摩擦盘与输出摩擦盘之间正压力的解析关系，进一步确定向线圈单元发出的电流值与本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电磁驱动式摩擦变刚度柔顺关节，其特征在于：包括机械臂Ⅰ(3)与机械臂Ⅱ，机械臂Ⅰ(3)与机械臂Ⅱ之间设有主传动轴(4)，其中机械臂Ⅰ(3)通过电机支架(6)连接有驱动电机(1)，驱动电机(1)的输出轴设有主齿轮(7)，主齿轮(7)水平啮合有从动齿轮(8)，从动齿轮(8)圆心处与主传动轴(4)的尾部连接，其中主齿轮(7)和从动齿轮(8)外侧设有外壳Ⅰ(2)，主传动轴(4)与机械臂Ⅰ(3)之间设有轴承Ⅰ(9)，主传动轴(4)通过变刚度模块(10)与机械臂Ⅱ连接；所述变刚度模块(10)包括设置在主传动轴(4)上且摩擦面相对匹配设置的输入摩擦盘(10
‑
1)、输出摩擦盘(10
‑
2)和用以与机械臂Ⅱ连接的输出轴(10
‑
5)；输入摩擦盘(10
‑
1)和输出摩擦盘(10
‑
2)为摩擦面相对设置的圆盘结构，输入摩擦盘(10
‑
1)通过键与主传动轴(4)连接并同步旋转，挨着输入摩擦盘(10
‑
1)在主传动轴(4)上设有轴承Ⅱ(11)，轴承Ⅱ(11)通过外缘设置的垫片(12)设有轴承Ⅲ(13)，输出摩擦盘(10
‑
2)的非摩擦面上同心设有套筒结构的压环(10
‑
3)，压环(10
‑
3)上通过外伸的连接耳分别设有多组线圈单元(10
‑
4)，主传动轴(4)的端部设有轴承Ⅳ(14)，轴承Ⅲ(13)与轴承Ⅳ(14)之间的主传动轴(4)上套有套筒(15)，输出轴(10
‑
5)套在套筒(15)上并且两端分别通过轴承Ⅲ(13)和轴承Ⅳ(14)与主传动轴连接，输出轴(10
‑
5)长度等于轴承Ⅲ(13)到轴承Ⅳ(14)之间的距离，输出摩擦盘(10
‑
2)与压环(10
‑
3)套在输出轴(10
‑
5)上，输出摩擦盘(10
‑
2)内壁与输出轴(10
‑
5)的一端外侧设有相互匹配的花键、花键槽，其中花键设置在摩擦盘(10
‑
2)内侧，花键槽设置在输出轴(10
‑
5)端部外侧，输出轴(10
‑
5)上花键槽长度比输出摩擦盘(10
‑
2)长，输出轴(10
‑
5)与主传动轴(4)在轴向上位置不变，实现输出摩擦盘(10
‑
2)在输出轴(10
‑
5)上的轴向移动；环绕线圈单元(10
‑
4)的外侧通过外壳Ⅱ(5)设有环形永磁体(17)；输出轴(10
‑
5)未设有花键的一端设有封堵开孔的端盖(16)，轴承Ⅳ(14)的内圈与端盖(16)接触，端盖(16)通过螺钉(18)固定在主传动轴(4)上并实现轴承Ⅳ(14)内圈在主传动轴(4)上的轴向固定，继而实现轴承Ⅳ(14)在主传动轴(4)上的轴向定位；螺钉(18)同时连接有罩住变刚度模块(10)的外壳Ⅱ(5)，外壳Ⅱ(5)轴向开有一条贯穿的缺口，使输出轴(10
‑
5)与外壳Ⅱ(5)之间允许存在转角差，从而允许在出现超过设定刚度范围内传动时主动打滑从而断开传动的保护作用；线圈单元(10
‑
4)通过导线先后连接有直流电源模块(19)、刚度控制器(21)和专家知识库(20)；通过输入摩擦盘(10
‑
1)和输出摩擦盘(10
‑
2)相互接触使机械臂Ⅰ(3)与机械臂Ⅱ之间传递动力，输入摩擦盘(10
‑
1)与输出摩擦盘(10
‑
2)分离则断开传动，传动的同时通过改变输入摩擦盘与输出摩擦盘之间的正压力可以实现摩擦力的变化，继而实现刚度调节，通过通电线圈单元(10
‑
4)与环形永磁体(17)产生电磁相互作用力改变输入摩擦盘(10
‑
1)和输出摩擦盘(10
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2)之间的正压力，推动压环(10
‑
3)从而控制输出摩擦盘(10
‑
2)与输入摩擦盘(10
‑
1)连接或者断开。2.根据权利要求1所述电磁驱动式摩擦变刚度柔顺关节，其特征在于：主齿轮(7)与从动齿轮(8)外侧通过螺钉固定有保护用外壳Ⅰ(2)，外壳Ⅱ(5)与端盖(16)通过螺钉(18)固定在主传动轴(4)上，并且安装后须保证端盖(16)不与输出轴(10
‑
5)接触。3.根据权利要求3所述电磁驱动式摩擦变刚度柔顺关节，其特征在于：环形永磁体(17)固定在外壳Ⅱ(5)内侧并与所有线圈单元(10
‑
4)位置匹配。4.根据权利要求3所述电磁驱动式摩擦变刚度柔顺关节，其特征在于：线圈单元(10
‑
4)
为电磁铁结构并双数呈中心对称布置，通过通电与环形永磁体(17)之间产生吸力或者斥力，从而经过压环(10
‑
3)推动输出摩擦盘(10
‑
2)通过内侧的花键在输出轴(10
‑
5)的花键槽上轴向移动，从而控制输出摩擦盘(10
‑
2)与输入摩擦盘(10
‑
1)的距离。5.根据权利要求1所述电磁驱动式摩擦变刚度柔顺关节，其特征在于：轴承Ⅱ(11)能够承受轴向载荷，为圆锥滚子轴承或推力球轴承。6.根据权利要求1所述电磁驱动式摩擦变刚度柔顺关节，其特征在于：垫片(12)为凸台结构，凸台部分与轴承Ⅲ(13)内圈接触。7.根据权利要求1所述电磁驱动式摩擦变刚度柔顺关节，其特征在于：专家知识库(20)用于将输入所需要的刚度需求转化为实际控制的输出电流数据；专家知识库内部包括转动刚度数值与输入电流值的对比数据资料，用户输入转动刚度的期望值后，通过查询专家知识库(20)获得对应转动刚度所需要的电流值，之后通过刚度控制器(21)控制直流电源模块(19)给线圈单元(10
‑
4)供电形成对应的磁力，影响输入摩擦盘(10
‑
1)和输出摩擦盘(10
‑
2)之间的正压力，从而改变摩擦力。8.一种使用...

【专利技术属性】
技术研发人员：鞠锦勇，罗凯强，陈倍倍，严虔，张春蕊，
申请(专利权)人：安徽工程大学，
类型：发明
国别省市：