一種機器人用的變剛度關節及其剛度調節方法技術

本發明專利技術公開一種機器人用的變剛度關節及其剛度調節方法，變剛度關節包括依次連接的位置調整機構、剛度調整機構和輸出連桿機構，剛度調整機構包括支架、三連桿、杠桿、杠桿轉動軸及杠桿擺動控制組件，三連桿、杠桿、杠桿轉動軸及杠桿擺動控制組件均設于支架內，三連桿一端設置杠桿轉動軸，三連桿另一端設置連桿驅動組件，杠桿中部設有長孔，杠桿轉動軸通過長孔與杠桿滑動連接，杠桿兩側分別設有杠桿擺動控制組件。其剛度調節方法是通過三連桿帶動杠桿轉動軸在杠桿中部的長孔中滑動，長孔的兩端分別為輸出連桿機構連接端和輸出連桿機構遠離端，杠桿轉動軸作為杠桿的支點，通過其位置變化實現剛度值的調節。本發明專利技術提高了低剛度范圍內的剛度調節速度。

Variable stiffness joint for robot and method for adjusting rigidity thereof

The present invention discloses a robot with variable stiffness and joint stiffness adjustment method, the variable stiffness joint comprises a position adjusting mechanism, stiffness adjustment mechanism and output linkage stiffness adjustment mechanism comprises a bracket, a connecting rod and a lever three lever, a rotating shaft and a swing lever control component, a connecting rod and a lever three the lever, the rotary shaft and the swing lever control components are arranged on the bracket, one end of the connecting rod is provided with a lever three rotating shaft, the other end of the three connecting rod connecting rod set drive assembly lever is arranged in the middle of a long hole, a lever rotating shaft through the long hole and a sliding connecting lever, the lever control lever assembly are arranged on both sides of the swing. The stiffness adjustment method is through the three connecting rod drives the lever to rotate a sliding shaft in the middle part of the lever in a long hole, both ends of the long hole respectively output link mechanism connected end and output linkage lever away from the end, the rotating shaft as the fulcrum of the lever, through its position changes to adjust the stiffness values of the. The invention improves the rigidity regulation speed in the low rigidity range.

【技術實現步驟摘要】
一種機器人用的變剛度關節及其剛度調節方法
本專利技術涉及機器人關節
，特別涉及一種可實現剛度范圍為零到無窮大的機器人用的變剛度關節及其剛度調節方法。
技術介紹
傳統機器人為位置控制型的機器人，具有高定位精度、高速度、魯棒性(針對位置控制)等特點，但是位置控制機器人屬于一個孤立的系統，與其周邊的系統基本沒有信息和能量交互，一般只能應用在噴漆、搬運、焊接等不與環境接觸或接觸力相對較小的情況。在機器人操作一個物體或執行與環境直接交互等任務時，實現這種任務的一個重要方法是對機器人與環境的交互特性進行控制，在這種情況下，傳統的位置控制不能實現機器人與環境的交互。而機器人另一個廣受關注的問題則是安全問題，傳統位置控制型機器人安全性很低，其作業范圍常需要圍欄，防止工人被其打傷，位置控制型機器人不具有柔性，若機器人能夠像人的手臂一樣具有柔性，其安全性將提高。針對上述機器人與人或環境進行交互的問題和安全性問題，柔順性機器人一致被認為是解決這一問題的最佳方案。目前實現機器人的柔順性主要有兩種方法，一種是由控制實現的主動柔順，在過去幾十年研發中不斷成熟，已經在實際中不斷應用；另一種是主要通過硬件來實現柔性特征，通過在機械結構設計中引入柔順性，也被稱為固有柔順性或內在柔順性等，從機器人關節的角度看，稱為變剛度關節。學術論文ANewVariableStiffnessActuator(CompAct-VSA):DesignandModelling,2011IEEE/RSJInternationalConferenceonIntelligentRobotsandSystems(一種變剛度驅動器：設計和建模，2011年國際智能機器人和系統會議)和ANewActuatorWithAdjustableStiffnessBasedonaVariableRatioLeverMechanism,IEEE/ASMETRANSACTIONSONMECHATRONICS(一種基于可變比例杠桿原理的變剛度驅動器，IEEE/ASME機電一體化學報)均通過移動杠桿轉動軸位置的原理設計了兩種不同結構、不同形式的變剛度關節驅動器。然而，在其計算關節剛度的過程中，均忽略了一個問題，就是沒有考慮關節發生彈性位移時，杠桿一端曲面在垂直彈簧方向上的移動對彈簧能量的改變作用，該關節對抗型彈簧的能量不能簡單的直接用中心位移來計算，這導致很大的關節剛度誤差。依靠移動杠桿轉動軸原理設計的變剛度關節，其剛度調節特性存在缺點，關節剛度處于低剛度范圍時，剛度調整速度慢，即使調整很小的剛度變化值也需要剛度電機或減速機輸出很大的位移，非常不適合在需要關節剛度需要快速調整的情況；當關節剛度處于高剛度范圍時，關節剛度對剛度電機或減速機位移的變化速度過快，即使微小的電機或減速機角位移也能導致關節剛度劇烈變化，在實際物理系統中，由于編碼器分辨率、齒輪傳動間隙、閉環控制等原因，傳動誤差一定存在，減速機輸出角位移具有一定的分辨率，造成剛度調整準確率低或剛度調節失效，不能有效調整關節剛度。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服現有技術的不足，提供一種機器人用的變剛度關節，該結構的變剛度關節通過一種連桿機構來移動杠桿轉動軸位置，利用其機構奇異位型降低高剛度范圍內的剛度調節速度，并提高低剛度范圍內的剛度調節速度，從而得到一種剛度調節范圍為零調節到無窮大的剛度調節特性很好的變剛度關節。本專利技術的另一目的在于提供一種上述機器人用的變剛度關節的剛度調節方法。本專利技術的技術方案為：一種機器人用的變剛度關節，包括依次連接的位置調整機構、剛度調整機構和輸出連桿機構，剛度調整機構采用三連桿機構和杠桿機構相配合的結構方式，剛度調整機構包括支架、三連桿、杠桿、杠桿轉動軸及杠桿擺動控制組件，三連桿、杠桿、杠桿轉動軸及杠桿擺動控制組件均設于支架內，三連桿一端設置杠桿轉動軸，三連桿另一端設置連桿驅動組件，杠桿中部設有長孔，杠桿轉動軸通過長孔與杠桿滑動連接，杠桿兩側分別設有杠桿擺動控制組件。該變剛度關節中，杠桿轉動軸作為杠桿的支點，通過改變杠桿轉動軸的位置來改變杠桿擺動控制組件所產生的彈簧作用力臂和輸出連桿機構的外力力臂。剛度調整機構是解決剛度調節特性缺點的核心，剛度調整部分通過一種三連桿機構(作為三關節)實現杠桿轉動軸的位置移動，杠桿轉動軸的位置移動量與剛度調整減速機輸出位移成非線性關系；并且當杠桿轉動軸移動到關節剛度處于無窮大的位置時，該三連桿機構處于奇異位形，當該三連桿處于奇異位形時，杠桿移動速度為零，并且與減速機輸出速度無關。當該連桿機構處于奇異位形附近時，即使剛度調整減速機速度很大，用于剛度調整的杠桿轉動軸速度也非常小，從而降低了關節高剛度范圍內的剛度調整速度，提高了剛度調整準確率。所述杠桿擺動控制組件包括滾輪、滾輪座、預壓縮彈簧和壓縮彈簧支座，滾輪設于滾輪座上，滾輪座一側設有預壓縮彈簧，預壓縮彈簧通過壓縮彈簧支座固定于支架內，滾輪的圓周側面與杠桿外側面相接觸。所述杠桿包括相連接的圓柱端部和矩形段，圓柱端部的直徑大于矩形段的寬度(因此圓柱端部的外周形成大于180°的扇形，該扇形與矩形段的長度方向外側圓滑連接，形成整體式的杠桿外側面，且該外側面與滾輪相接觸)，長孔貫穿于圓柱端部和矩形段中。其中，矩形段上與圓柱端部相對的一端設置輸出連桿機構中的第一軸承，杠桿通過第一軸承與輸出連桿機構連接。所述預壓縮彈簧兩側設有第一限位柱，滾輪座上設有第一限位塊，第一限位柱和第一限位塊相配合形成第一限位組件。所述杠桿與支架的相接面上設有導軌，杠桿轉動軸沿著導軌在杠桿的長孔內進行滑動。所述三連桿包括依次連接的第一連桿、第二連桿和第三連桿，第一連桿的輸入端與連桿驅動組件連接，第三連桿的輸出端設置杠桿轉動軸；連桿驅動組件包括依次連接的第一編碼器、剛度調整電機、剛度調整減速機和錐齒輪組，錐齒輪組的輸出端與第一連桿的輸入端連接。其中，第一編碼器實時測量剛度調整電機的角位移，剛度調整減速機通過錐齒輪組驅動第一連桿，第二連桿通過軸承與第一連桿構成旋轉關節，第三連桿也通過軸承與第二連桿構成旋轉關節，導軌固定在支架上，第三連桿與導軌構成直線運動副，第三連桿可沿導軌進行直線運動。連桿驅動組件中，剛度調整電機通過錐齒輪組驅動第一連桿，組成錐齒輪組的兩個錐齒輪軸線垂直相交，其中與第一連桿連接的錐齒輪中心線與杠桿的長孔中心線在同一直線上，設第一連桿的長度為l1，第二連桿的長度為l2，與第一連桿連接的錐齒輪和第二連桿末端的距離為l3，杠桿中長孔的長度為δ，上述各長度需滿足l1+l2＝δ+l3。所述位置調整機構包括主體機架、位置調整電機、第二編碼器和位置調整減速機，第二編碼器、位置調整電機和位置調整減速機依次連接，主體機架位置調整減速機外周，剛度調整機構中的支架設于主體機架上。其中，第二編碼器對位置調整電機的角位移進行位置閉環控制。所述輸出連桿機構包括輸出連桿、第一軸承、第二軸承和第三編碼器，第二軸承安裝于支架的圓周邊沿上，輸出連桿通過第二軸承與支架連接，輸出連桿底部設置第一軸承并通過第一軸承與杠桿連接，輸出連桿與支架的相接面上還設有第三編碼器。其中，第三編碼器用于測量輸出連桿相對于支架的彈性位移，位置調整機構通過支架和第二軸承對輸出連桿的位置進行調節，剛度調整本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種機器人用的變剛度關節，其特征在于，包括依次連接的位置調整機構、剛度調整機構和輸出連桿機構，剛度調整機構采用三連桿機構和杠桿機構相配合的結構方式，剛度調整機構包括支架、三連桿、杠桿、杠桿轉動軸及杠桿擺動控制組件，三連桿、杠桿、杠桿轉動軸及杠桿擺動控制組件均設于支架內，三連桿一端設置杠桿轉動軸，三連桿另一端設置連桿驅動組件，杠桿中部設有長孔，杠桿轉動軸通過長孔與杠桿滑動連接，杠桿兩側分別設有杠桿擺動控制組件。

【技術特征摘要】
1.一種機器人用的變剛度關節，其特征在于，包括依次連接的位置調整機構、剛度調整機構和輸出連桿機構，剛度調整機構采用三連桿機構和杠桿機構相配合的結構方式，剛度調整機構包括支架、三連桿、杠桿、杠桿轉動軸及杠桿擺動控制組件，三連桿、杠桿、杠桿轉動軸及杠桿擺動控制組件均設于支架內，三連桿一端設置杠桿轉動軸，三連桿另一端設置連桿驅動組件，杠桿中部設有長孔，杠桿轉動軸通過長孔與杠桿滑動連接，杠桿兩側分別設有杠桿擺動控制組件。2.根據權利要求1所述一種機器人用的變剛度關節，其特征在于，所述杠桿擺動控制組件包括滾輪、滾輪座、預壓縮彈簧和壓縮彈簧支座，滾輪設于滾輪座上，滾輪座一側設有預壓縮彈簧，預壓縮彈簧通過壓縮彈簧支座固定于支架內，滾輪的圓周側面與杠桿外側面相接觸。3.根據權利要求2所述一種機器人用的變剛度關節，其特征在于，所述杠桿包括相連接的圓柱端部和矩形段，圓柱端部的直徑大于矩形段的寬度，長孔貫穿于圓柱端部和矩形段中。4.根據權利要求2所述一種機器人用的變剛度關節，其特征在于，所述預壓縮彈簧兩側設有第一限位柱，滾輪座上設有第一限位塊，第一限位柱和第一限位塊相配合形成第一限位組件。5.根據權利要求1所述一種機器人用的變剛度關節，其特征在于，所述杠桿與支架的相接面上設有導軌，杠桿轉動軸沿著導軌在杠桿的長孔內進行滑動。6.根據權利要求1所述一種機器人用的變剛度關節，其特征在于，所述三連桿包括依次連接的第一連桿、第二連桿和第三連桿，第一連桿的輸入端與連桿驅...

【專利技術屬性】
技術研發人員：胡國清，趙朋飛，
申請(專利權)人：華南理工大學，
類型：發明
國別省市：廣東,44