一种单向压紧双边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单向压紧双边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。包括安装在机械臂Ⅰ端部的动力源，动力源通过支撑轴连接有摩擦变刚度模块，支撑轴与摩擦变刚度模块之间设有压紧环，摩擦变刚度模块通过套在支撑轴上的副轴与机械臂Ⅱ的端部连接；其中动力源包括通过电机安装架安装在机械臂Ⅰ上的传动电机，传动电机的输出轴连接有主齿轮，主齿轮啮合有从动齿轮，从动齿轮的轴心与支撑轴连接，将传动电机动力传递给与从动齿轮联接的支撑轴；位置调节电机通过导线顺序连接有伺服驱动器、位置控制器和专家知识库。其结构简单、关节具有过载保护能力，通过摩擦传动保证关节的过载保护能力。保证关节的过载保护能力。保证关节的过载保护能力。

【技术实现步骤摘要】
一种单向压紧双边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
，尤其适用于一种单向压紧双边摩擦变刚度柔顺关节及工作方法。

技术介绍

[0002]随着机器人技术的不断发展，机器人应用范围越来越广泛，伴随着机器人人机交互场景越来越丰富，迫切需要一种能够进行安全人机交互、对环境友好、且不对外界环境产生危害的机器人系统。变刚度柔顺关节因为内部含有柔性元件，可以有效降低冲击对人体的损伤，充分保证人机交互安全，因此成为人机交互机器人领域的研究热点。
[0003]当前机器人变刚度柔顺关节从结构原理上主要分为：平衡位置调节式、拮抗作用式、变结构式以及机械式。如中国专利一种可变刚度柔性转动关节(CN201610538322.0)提出了通过改变柔性杆的有效变形支点实现关节的变刚度输出，就是典型的变结构式，受柔性杆本身结构强度限制，在外界负载作用下柔性杆容易发生疲劳变形破环，此外柔性杆在变刚度传递过程中会发生弯扭耦合变形，输出刚度非线性强，控制困难；又如中国专利基于电磁屈曲梁结构的变刚度柔性关节系统及控制方法(CN201811323942.8)提出了通过电磁屈曲梁结构实现输出机构的变刚度，同样屈曲梁结构强度限制，频繁变形下梁结构易发生疲劳破环，并且该装置无过载保护能力，因此应用场景受限。

技术实现思路

[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单向压紧双边摩擦变刚度柔顺关节及工作方法，克服现有技术中变刚度原理复杂、关节过载保护能力差的问题，在设计过程中，通过摩擦传动保证关节的过载保护能力。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术一种单向压紧双边摩擦变刚度柔顺关节，其特征在于：包括安装在机械臂Ⅰ端部的动力源，动力源通过支撑轴连接有摩擦变刚度模块，支撑轴与摩擦变刚度模块之间设有压紧环，摩擦变刚度模块通过套在支撑轴上的副轴与机械臂Ⅱ的端部连接；
[0006]其中动力源包括通过电机安装架安装在机械臂Ⅰ上的传动电机，传动电机的输出轴连接有主齿轮，主齿轮啮合有从动齿轮，从动齿轮的轴心与支撑轴连接，将传动电机动力传递给与从动齿轮联接的支撑轴；
[0007]支撑轴上依次安装有轴承Ⅰ、管状的副轴以及轴承Ⅱ，其中支撑轴通过轴承Ⅰ与机械臂Ⅰ连接，管状的副轴的端部设有与摩擦变刚度模块连接的花键，副轴的尾部设有与轴承Ⅱ的外圈匹配的内孔，轴承Ⅱ的外圈与副轴尾端的内孔匹配安装，实现副轴在支撑轴上的支撑，压紧环套在副轴的前端，机械臂Ⅱ的端部套在副轴的后端上，机械臂Ⅱ的端部设有与副轴固定的套筒结构，压紧环靠近机械臂Ⅱ一侧设有圆盘面，圆盘面与机械臂Ⅱ之间设有推动结构；
[0008]摩擦变刚度模块包括摩擦盘组Ⅰ和摩擦盘组Ⅱ，摩擦盘组Ⅰ和摩擦盘组Ⅱ之间设置
有联接盘和弹簧盘，其中摩擦盘组Ⅰ包括匹配的外摩擦盘Ⅰ与内摩擦盘Ⅰ，摩擦盘组Ⅱ包括匹配的内摩擦盘Ⅱ与外摩擦盘Ⅱ，靠近机械臂Ⅰ侧的设置顺序为外摩擦盘Ⅰ和内摩擦盘Ⅰ、联接盘、支圈Ⅱ、弹簧盘、支圈Ⅰ、内摩擦盘Ⅱ、外摩擦盘Ⅱ，其中内摩擦盘Ⅰ、联接盘、支圈Ⅱ、弹簧盘、支圈Ⅰ之间通过多根铆钉连接固定，弹簧盘位于铆钉固定位置与支撑轴之间设有多根相当于轮辐的柔性辐板，联接盘上设有多组传动销，并与内摩擦盘Ⅱ上的多组传动套配合，实现联接盘与内摩擦盘Ⅱ的联接，外摩擦盘Ⅰ通过键连接与支撑轴配合，并通过支撑轴上的轴肩进行轴向固定；外摩擦盘Ⅱ与外摩擦盘Ⅰ外缘设有垫圈将两者之间的部分包裹形成轴向空间，联接盘设有花键槽，用于与副轴上的花键配合，利用弹簧盘外圈、弹簧盘柔性辐板在压紧环作用下产生变形，弹簧盘中间的柔性辐板在压紧环作用下压向内摩擦盘Ⅰ，将支圈Ⅰ和支圈Ⅱ作为杠杆支点，使弹簧盘中间柔性辐板和弹簧盘外圈分别处于杠杆的两端，弹簧盘外圈反向变形压向内摩擦盘Ⅱ，从而实现内摩擦盘Ⅰ压紧外摩擦盘Ⅰ、内摩擦盘Ⅱ压紧外摩擦盘Ⅱ；
[0009]位置调节电机通过导线顺序连接有伺服驱动器、位置控制器和专家知识库。
[0010]进一步，所述压紧环的端部与弹簧盘的柔性辐板接触，压紧环的尾端上设有用于与机械臂Ⅱ传力连接的圆盘结构，圆盘结构上设有与机械臂Ⅱ传力连接的三组导槽，机械臂Ⅱ端部的圆筒指向导槽水平设置有两根导杆以及一根能够旋转从而提供推力的传动丝杆螺母副与三组导槽位置匹配。
[0011]进一步，外摩擦盘Ⅰ和外摩擦盘Ⅱ之间通过设置在最外圈的多组螺栓进行固定，内摩擦盘Ⅰ、联接盘、支圈Ⅱ、弹簧盘、支圈Ⅰ、内摩擦盘Ⅱ的尺寸均小于螺栓固定的位置。
[0012]进一步，传动丝杆螺母副的端部设有驱动其移动的位置调节电机，压紧环在位置调节电机以及传动丝杆螺母副驱动下向内摩擦盘Ⅰ方向运动的位置极限到联接盘处，使外摩擦盘Ⅰ和内摩擦盘Ⅰ之间紧贴闭合；副轴的端部通过花键与联接盘固定。
[0013]进一步，在传动销与传动套保持联接的同时，内摩擦盘Ⅱ相对于联接盘能轴向移动以压紧外摩擦盘Ⅱ。
[0014]进一步，支圈Ⅱ与支圈Ⅰ轴向宽度满足条件：在压紧环作用下，以支圈Ⅰ和支圈Ⅱ作为杠杆支点，弹簧盘外圈和弹簧盘的柔性辐板分别变形，从而使弹簧盘外圈反向变形后向内摩擦盘Ⅱ产生压力以压紧外摩擦盘Ⅱ，弹簧盘的柔性辐板受压紧环加压从而使内摩擦盘Ⅰ压向外摩擦盘Ⅰ，使外摩擦盘Ⅰ和内摩擦盘Ⅰ组成的摩擦盘，以及内摩擦盘Ⅱ、外摩擦盘Ⅱ组成的摩擦盘实现同步推力，且两组摩擦盘的推力大小可以根据实际需要进行调整，只需要控制在一个数量级即可。
[0015]进一步，传动丝杆螺母副为带有自锁功能的动丝杆螺母副，位置调节电机停机后，能锁死压紧环位置。
[0016]进一步，从动齿轮与主齿轮外侧设有通过螺钉固定在机械臂Ⅰ上的外壳Ⅰ，摩擦变刚度模块、压紧环以及机械臂Ⅱ外侧设有保护用的外壳Ⅱ，外壳Ⅱ通过螺钉与副轴固定联接。
[0017]进一步，专家知识库用于将输入所需要的转动刚度期望值转化为位置控制器控制位置调节电机通过传动丝杆螺母副驱动压紧环运动到指定轴向绝对位置，从而改变机械臂Ⅱ转动刚度关系。
[0018]一种使单向压紧双边摩擦变刚度柔顺关节的调整方法，其步骤如下：
[0019]步骤一，标定压紧环轴向位置：定义弹簧盘未变形时，压紧环与弹簧盘接触位置为压紧环的零点，通过位置调节电机与传动丝杆螺母副驱动压紧环轴向移动，利用绝对式编码器测量位置调节电机转角，根据传动丝杆螺母副导程换算得到压紧环的轴向绝对位置并进行标定；
[0020]步骤二、标定外摩擦盘Ⅰ与内摩擦盘Ⅰ之间正压力、外摩擦盘Ⅱ与内摩擦盘Ⅱ之间正压力与压紧环轴向绝对位置关系；在外摩擦盘Ⅰ与内摩擦盘Ⅰ之间以及外摩擦盘Ⅱ与内摩擦盘Ⅱ之间分别安装膜片式压力传感器，通过位置调节电机与传动丝杆螺母副驱动压紧环轴向移动，利用粘贴在外摩擦盘Ⅰ、外摩擦盘Ⅱ上的两组膜片式压力传感器获得外摩擦盘Ⅰ与内摩擦盘Ⅰ之间正压力、外摩擦盘Ⅱ与内摩擦盘Ⅱ之间正压力，绘制压紧环轴向绝对位置与外摩擦盘Ⅰ与内摩擦盘Ⅰ之间正压力以及外摩擦盘Ⅱ与内摩擦盘Ⅱ之间正压力两者之和的关系曲线，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，获得压紧环轴向绝对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
(10
‑
1)和外摩擦盘Ⅱ(10
‑
2)之间通过设置在最外圈的多组螺栓(10
‑
10)进行固定，内摩擦盘Ⅰ(10
‑
3)、联接盘(10
‑
5)、支圈Ⅱ(10
‑
8)、弹簧盘(10
‑
6)、支圈Ⅰ(10
‑
7)、内摩擦盘Ⅱ(10
‑
4)的尺寸均小于螺栓(10
‑
10)固定的位置。4.根据权利要求2所述单向压紧双边摩擦变刚度柔顺关节，其特征在于：传动丝杆螺母副(13)的端部设有驱动其移动的位置调节电机(14)，压紧环(11)在位置调节电机(14)以及传动丝杆螺母副(13)驱动下向内摩擦盘Ⅰ(10
‑
3)方向运动的位置极限到联接盘(10
‑
5)处，使外摩擦盘Ⅰ(10
‑
1)和内摩擦盘Ⅰ(10
‑
3)之间紧贴闭合；副轴(12)的端部通过花键与联接盘(10
‑
5)固定。5.根据权利要求1所述单向压紧双边摩擦变刚度柔顺关节，其特征在于：在传动销(10
‑
11)与传动套(10
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12)保持联接的同时，内摩擦盘Ⅱ(10
‑
4)相对于联接盘(10
‑
5)能轴向移动以压紧外摩擦盘Ⅱ(10
‑
2)。6.根据权利要求1所述单向压紧双边摩擦变刚度柔顺关节，其特征在于，支圈Ⅱ(10
‑
8)与支圈Ⅰ(10
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7)轴向宽度满足条件：在压紧环(11)作用下，以支圈Ⅰ(10
‑
7)和支圈Ⅱ(10
‑
8)作为杠杆支点，弹簧盘(10
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6)外圈和弹簧盘(10
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6)的柔性辐板分别变形，从而使弹簧盘(10
‑
6)外圈反向变形后向内摩擦盘Ⅱ(10
‑
4)产生压力以压紧外摩擦盘Ⅱ(10
‑
2)，弹簧盘(10
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6)的柔性辐板受压紧环(11)加压从而使内摩擦盘Ⅰ(10
‑
3)压向外摩擦盘Ⅰ(10
‑
1)，使外摩擦盘Ⅰ(10
‑
1)和内摩擦盘Ⅰ(10
‑
3)组成的摩擦盘，以及内摩擦盘Ⅱ(10
‑
4)、外摩擦盘Ⅱ(10
‑
2)组成的摩擦盘实现同步推力，且两组摩擦盘的推力大小可以根据实际需要进行调整，只需要控制在一个数量级即可。7.根据权利要求1所述单向压紧双边摩擦变刚度柔顺关节，其特征在于：传动丝杆螺母副(13)为带有自锁功能的动丝杆螺母副(13)，位置调节电机(14)停机后，能锁死压紧环(11)位置。8.根据权利要求1所述单向压紧双边摩擦变刚度柔顺关节，其特征在于：从动齿轮(8)与主齿轮(9)外侧设有通过螺钉固定在机械臂Ⅰ(3)上的外壳Ⅰ(2)，摩擦变刚度模块(10)、压紧环(11)以及机械臂Ⅱ(6)外侧设有保护用的外壳Ⅱ(5)，外壳Ⅱ(5)通过螺钉与副轴(12)固定联接。9.一种使用权利要求1所述单向压紧双边摩擦变刚度柔顺关节的调整方法，其特征在于步骤如下：步骤一，标定压紧环(11)轴向位置：定义弹簧盘(10
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6)未变形时，压紧环(11)与弹簧盘(10
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6)接触位置为压紧环(11)的零点，通过位置调节电机(14)与传动丝杆螺母副(13)驱动压紧环(11)轴向移动，利用绝对式编码器测量位置调节电机(14)转角，根据传动丝杆螺母副(13)导程换算得到压紧环(11)的轴向绝对位置并进行标定；步骤二、标定外摩擦盘Ⅰ(10
‑
1)与内摩擦盘Ⅰ(10
‑
3)之间正压力、外摩擦盘Ⅱ(10
‑
2)与内摩擦盘Ⅱ(10
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4)之间正压力与压紧环(11)轴向绝对位置关系；在外摩擦盘Ⅰ(10
‑
1)与内摩擦盘Ⅰ(10
‑
3)之间以及外摩擦盘Ⅱ(10
‑
2)与内摩擦盘Ⅱ(10
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4)之间分别安装膜片式压力传感器，通过位置调节电机(14)与传动丝杆螺母副(13)驱动压紧环(11)轴向移动，利用粘贴在外摩擦盘Ⅰ(10
‑
1)、外摩擦盘Ⅱ(10
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2)上的两组膜片式压力传感器获得外摩擦盘Ⅰ(10
‑
1)与内摩擦盘Ⅰ(10
‑
3)之间正压力、外摩擦盘Ⅱ(10
‑
2)与内摩擦盘Ⅱ(10
‑
4)之间正压力，绘制压紧环(11)轴向绝对位置与外摩擦盘Ⅰ(10
‑
1)与内摩擦盘Ⅰ(10
‑
3)之间正压力以及外摩
擦盘Ⅱ(10
‑
2)与内摩擦盘Ⅱ(10
‑
4)之间正压力两者之和的关系曲线，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，获得压紧环(11)轴向绝对位置与外摩擦盘Ⅰ(10
...

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