一种连续体机器人可变刚度关节模块及控制方法，包括关节圆盘、法兰轴承、推件、橡胶垫、连接件、电机座、电机、传动螺杆、方向螺母、弹性棒、压缩弹簧滑槽、压缩弹簧、弹簧挡板、十字万向节，法兰轴承置于关节圆盘中间，推件固定于法兰轴承，所述的橡胶垫固定于推件末端，连接件置于推件上方，电机置于电机座并驱动传动螺杆转动，方向螺母套在传动螺杆上并推动推件与弹性棒接触，压缩弹簧滑槽置于关节圆盘，压缩弹簧一端固定于压缩弹簧滑槽内，弹簧挡板固定于推件上，十字万向节置于连接件与下一个关节圆盘之间，可变刚度关节模块能够实现关节弯曲时的刚度调节，从而提升有效载荷能力。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及连续体机器人关节模块领域，具体为一种连续体机器人可变刚度关节模块及控制方法。
技术介绍
1、传统工业机械臂受自由度少、柔顺性不足等局限，对复杂环境的适应性较低。而柔性机器人的模仿对象是象鼻、章鱼触手等柔性生物器官，主要运动形式表现为弹性结构的伸缩、弯曲变形，相对于传统工业机械臂具有更好的适应性和灵活性，在复杂狭小的环境中可以根据环境产生弯曲变形，避免与复杂操作环境产生碰撞，具有很强的避障能力和环境适应能力，在救援、医疗、深腔探测等传统工业机械臂难以工作的应用场景中具有很大的运用价值。然而由于柔性机器人关节刚度小，导致其负荷能力受限。
2、因此，研究人员提出了关节刚度调节的方案，如：
3、专利公开号：cn107718040a公开的一种“机器人刚度可控关节及其刚度控制方法”，利用电流的热效应作用改变形状记忆合金金属片的形状，改变变刚度结构部分外层弹性骨架和内层弹性骨架之间的距离，实现变刚度结构部分的壁厚变化，从而使得刚度可控关节在刚性工作状态和柔性工作状态之间的切换，但是控制过程存在温度变化时间，导致刚度变化的响应速度较慢的问题；
4、专利公开号：cn202622798u公开的“一种磁流变连续体机器人操作器”，通过改变线圈的电流可以调节作用在软管内磁流变液的磁场强度，从而控制磁流变液的流变特性，并实现在液固两项之间转换，起到调节整个操作器刚度和阻尼的作用，但实际应用中存在结构复杂、稳定性较差、响应较慢及磁路生热干扰等问题。
技术实现思路
>1、针对连续体机器人关节刚度无法调节，载荷能力受限，安全性低，以及现有刚度调节模块结构复杂、体积大，变刚度速度慢等问题，本专利技术提出了一种连续体机器人可变刚度关节模块及控制方法，该可变刚度关节模块能够实现关节弯曲时的刚度调节，从而提升有效载荷能力。2、为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案是：
3、一种连续体机器人可变刚度关节模块，由关节圆盘、推件、连接件、电机、电机座、传动螺杆、方向螺母、压缩弹簧滑槽、压缩弹簧、弹簧挡板、三个橡胶垫、三个弹性棒、法兰轴承以及十字万向节组成；
4、所述的关节圆盘下端设置有一个空心凸台；三个弹性棒分别穿过所述的关节圆盘上的三个弹性棒孔，其侧面与关节圆盘上的挡块相切；所述十字万向节的下端置于所述连接件上端的筒状凹槽，上端连接于上一关节的关节圆盘下端的空心凸台；
5、三个推件绕关节圆盘中心呈圆周阵列，推件绕法兰轴承旋转；三个橡胶垫固定在对应推件前端；所述连接件置于所述的推件之上，并通过三个固定螺杆与所述的关节圆盘接；所述的法兰轴承套在关节圆盘中间的筒状轴上；
6、所述的电机座通过螺钉固定在关节圆盘的电机座固定凸块上；所述的电机置于电机座上，驱动所述的传动螺杆，所述的方向螺母套在传动螺杆上；所述的压缩弹簧滑槽通过螺钉固定于关节圆盘上；所述的压缩弹簧为螺旋形，其一端被固定在压缩弹簧滑槽的内壁；所述的弹簧挡板通过螺钉固定于所述的推件上的螺纹孔。
7、作为本专利技术结构进一步改进，所述的关节圆盘为圆形片状，圆形上表面中间设置有筒状轴，靠近圆面边缘设置有一个电机座固定凸块和三组均匀分布的挡块、弹性棒孔、螺纹孔和穿线孔。
8、作为本专利技术结构进一步改进，所述推件末端均设有半圆凹槽，其中一个推件上设有两个螺纹孔，推件的中央设有圆孔，将所述的法兰轴承嵌套其中，橡胶垫固定在对应推件前端的半圆凹槽内。
9、作为本专利技术结构进一步改进，所述连接件的外形包括空心凸台、三角形面盘以及三个支脚，支脚设有螺丝孔。
10、本专利技术连续体机器人可变刚度关节模块控制方法，具体控制步骤如下；
11、当需要增大关节刚度时，通过控制所述的电机，带动所述的电机座内设置的齿轮组转动，以驱动所述的传动螺杆转动，所述的方向螺母随之从初始位置向前移动，推动所述的推件绕所述的法兰轴承顺时针转动，即推件的末端向所述的弹性棒移动；随着方向螺母的逐渐向前推动，所述的橡胶垫对弹性棒的压力增大，提高弹性棒与橡胶垫间的摩擦力，进而提高关节弯曲所需要的外部施加力和力矩，在上述方向螺母推动推件转动的过程中，橡胶垫接触弹性棒前，所述的弹簧挡板与推件会共同接触到所述的压缩弹簧，并逐渐增大对压缩弹簧的压力；当需要减小关节刚度时，通过控制所述的电机以使所述的传动螺杆反方向转动，所述的方向螺母向初始位置后退，此时压缩弹簧向施加弹力，推动推件逆时针转动即逐渐远离弹性棒，弹性棒与橡胶垫的接触压力减小、摩擦力减小，进而关节刚度减小。
12、有益效果
13、本专利技术的一种连续体机器人可变刚度关节模块及控制方法，在连续体机器人关节的关节圆盘上添加可变刚度控制模块、结构紧凑；采用螺旋传动原理的螺杆螺母组合，通过控制电机以改变推件位移，调节橡胶垫与弹性棒的摩擦力，实现刚度可控；电机控制结合机械传动的控制方法提升了刚度调节的连续性、加快了响应速度。
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【技术保护点】
1.一种连续体机器人可变刚度关节模块，由关节圆盘（1）、推件（2）、连接件（3）、电机（4）、电机座（5）、传动螺杆（6）、方向螺母（7）、压缩弹簧滑槽（8）、压缩弹簧（9）、弹簧挡板（10）、三个橡胶垫（11）、三个弹性棒（12）、法兰轴承（13）以及十字万向节（14）组成，其特征在于，
2.根据权利要求1所述的一种连续体机器人可变刚度关节模块，其特征在于，所述的关节圆盘（1）为圆形片状，圆形上表面中间设置有筒状轴，靠近圆面边缘设置有一个电机座固定凸块和三组均匀分布的挡块、弹性棒孔、螺纹孔和穿线孔。
3.根据权利要求1所述的一种连续体机器人可变刚度关节模块，其特征在于，所述推件（2）末端均设有半圆凹槽，其中一个推件（2）上设有两个螺纹孔，推件（2）的中央设有圆孔，将所述的法兰轴承（13）嵌套其中，橡胶垫（11）固定在对应推件（2）前端的半圆凹槽内。
4.根据权利要求1所述的一种连续体机器人可变刚度关节模块，其特征在于，所述连接件（3）的外形包括空心凸台、三角形面盘以及三个支脚，支脚设有螺丝孔。
5.根据权利要求1-4所述连续体机器人可变刚度关节模块控制方法，其特征在于；具体控制步骤如下；
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【技术特征摘要】
1.一种连续体机器人可变刚度关节模块，由关节圆盘（1）、推件（2）、连接件（3）、电机（4）、电机座（5）、传动螺杆（6）、方向螺母（7）、压缩弹簧滑槽（8）、压缩弹簧（9）、弹簧挡板（10）、三个橡胶垫（11）、三个弹性棒（12）、法兰轴承（13）以及十字万向节（14）组成，其特征在于，
2.根据权利要求1所述的一种连续体机器人可变刚度关节模块，其特征在于，所述的关节圆盘（1）为圆形片状，圆形上表面中间设置有筒状轴，靠近圆面边缘设置有一个电机座固定凸块和三组均匀分布的挡块、弹性棒孔、螺纹孔和穿线孔。
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【专利技术属性】
技术研发人员：张军，周奕彤，陈浩云，宋爱国，初晓昱，周晓东，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：
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