CN108000554A - 一种基于片簧的可变刚度柔性关节及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于片簧的变刚度柔性关节，包括输入轴、输出轴、刚度调整机构、位移检测系统和控制系统，所述的输入轴包括第一输入轴和第二输入轴；所述的输出轴包括第一输出轴、第二输出轴、输出端盖；所述的刚度调整机构包括控制电机、调度盘、连杆组、片簧组和滑块组；所述输入轴与输出轴之间通过转动副进行配合，并固定在其中；所述的刚度调整机构安装在输出轴上，其中控制电机固定在第一输出轴底部，片簧组固定在第二输出轴内侧，滑块组安装在第二输出轴的滑槽中。本柔性关节不仅结构简单、可小型化，而且易于控制，同时刚度可线性调节，调节精度高，误差小，应用范围广。

Description

一种基于片簧的可变刚度柔性关节及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种柔性关节，特别是一种基于片簧的可变刚度柔性关节及其控制方法，属于机器人技术领域。

背景技术

机器人技术及其驱动器技术作为一种战略性高科技技术，对未来新兴产业具有极强的带动性与技术辐射性，发展机器人技术、驱动技术及感知技术，对促进经济社会发展、增强国防实力、提高突发事件应急处理能力、改善民生等具有深远意义。目前，机器人在人机交互领域已得到了广泛应用，如在工业领域，机器人已经开始参与人类劳动，并与人协作完成任务；在服务行业，也已经推出了餐饮业服务机器人、人形机器人等。这表明机器人与人类的关系越来越密切，人机交互的可靠性、安全性也就越来越受到人们的关注，因此机器人安全、高效参与人类活动也显得尤为重要。而传统的刚性关节机器人无法满足人机交互的这些要求，因此研究新型的变刚度机器人柔性关节成为了人机交互领域的重要课题。

柔性关节作为机器人的重要组成部分，其由于装有柔性元件，故能有效地缓冲机器人在操作或者行走过程中产生的振动与冲击，减少关节损耗，保护机器人内部精密仪器免受影响，保障人机交互的安全性、可靠性；又由于柔性关节刚度可调，故而可以根据不同的要求调节关节刚度，以满足不同工作环境下的刚度要求；再者柔性关节由于体积可变、结构较为简单，所以实际应用适应性较强，可根据需求进行生产。

近年来，未知环境刚度的机器人力控制研究已成为一个研究热点。柔性变刚度关节因在未知环境刚度下具有良好的性能，受到越来越广泛的关注。目前柔性关节的结构形式主要有拮抗型、弹簧型、摩擦片型、变传输型和混合型五种，其大多存在结构复杂、体积大、控制过程繁杂及刚度线性控制难的问题，例如中国专利CN201610847050.2公开了一种刚度连续可调的机器人柔性关节，其通过压缩浮动弹簧的预压缩量实现刚度可调，虽能够实现刚度连续可调，但其结构复杂、体积大，环境适应性差；中国专利CN201410062727.2公开了一种变刚度连轴器及变刚度驱动机构，其通过弹性簧片的变形实现刚度调节，但由于弹性簧片既有弯曲变形又有扭转变形，故其刚度为非线性变化，进而要实现刚度调节比较困难；中国专利CN201510114055.X公开了一种可变刚度的柔性关节，其采用多级齿轮传动机构，传递过程复杂且精度低，不易控制刚度，且结构较为复杂，应用受限。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于片簧的可变刚度柔性关节及其控制方法，本柔性关节不仅结构简单、可小型化，而且易于控制，该控制方法可线性调节关节刚度，调节精度高，误差小，应用范围广。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于片簧的变刚度柔性关节，包括输入轴、输出轴、刚度调整机构、位移检测系统和控制系统；

所述输入轴包括第一输入轴和第二输入轴，所述第一输入轴与第二输入轴同心连接，所述第二输入轴为正方形板状结构，其四角处分别镜像设置有双曲面凹槽；

所述输出轴包括第一输出轴、第二输出轴、输出端盖，所述第一输出轴和第二输出轴均为一端封闭的筒状结构，所述的第二输出轴的封闭端设置有沿圆周等距离分布并向圆心方向延伸的滑槽组，所述第一输出轴、第二输出轴、输出端盖依次扣合固定；

所述刚度调整机构包括控制电机、调度盘、连杆组、片簧组和滑块组，所述控制电机安装在第一输出轴封闭端的内表面，所述调度盘为圆盘，所述控制电机的输出轴与调度盘中心的安装孔相连，所述连杆组包括四个连杆，所述四个连杆通过铰链均匀分布在调度盘的径向四周，所述连杆组与滑块组连接，滑块组与第二输出轴的筒状内壁相平行，所述片簧组包括四个片簧，所述四个片簧的一端径向安装在第二输出轴的筒状内壁上，其另一端设置在第二输入轴的双曲面凹槽中，所述片簧组中的片簧套装在滑块组中的滑块上的滑块槽孔中，所述滑块组设置在第二输出轴的滑槽组中并与连杆组对应配合安装；

所述位移检测系统包括位移传感器和信号转换器，所述位移传感器安装在第二输出轴上；

所述控制系统包括电机驱动器、刚度控制器和计算机，所述刚度控制器分别连接电机驱动器、信号转换器和计算机，所述信号转换器连接位移传感器。

进一步，所述柔性关节还包括限位保护机构，所述限位保护机构包括第一限位销、第二限位销、第一限位槽和第二限位槽，所述第一限位销和第二限位销的一端固定在第二输出轴的第一限位孔和第二限位孔中，所述第一限位销和第二限位销的另一端分别安装在第二输入轴上，位于中心对称设置的第一限位槽和第二限位槽中，限位销可在其对应的限位槽中移动。

进一步，所述片簧的一端通过安装座安装在第二输出轴的筒状内壁上。

优选的，所述控制电机为伺服电机或步进电机。

优选的，所述位移传感器为光电传感器或直线位移传感器。

一种基于片簧的变刚度柔性关节的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、开始，首先通过计算机(5-3)设定关节刚度值，记为K₀；

步骤二、根据位移传感器(4-1)反馈的滑块组(3-5)当前位置L_i，通过公式计算当前的实际刚度值，记为K_i；

式中：N-片簧数，E-片簧的弹性模量，b-片簧厚度，h-片簧宽度，l-关节轴心与片簧受力点距离，ψ-输入轴被动转角，L₀-片簧原长，L_i-滑块当前位置；

步骤三、刚度控制器(5-2)根据设定的关节刚度值K₀，计算出滑块组(3-5)的理论位置L₁；

步骤四、位移传感器(4-1)检测当前滑块组(3-5)的实际位置L_i，并将检测到的滑块组(3-5)实际位置L_i实时上传至刚度控制器(5-2)；

步骤五、刚度控制器(5-2)根据位移传感器(4-1)检测的滑块组(3-5)的实际位置L_i与滑块组(3-5)的理论位置L₁进行比较，判断是否一致；若为一致，进入步骤七；若不一致，进入步骤六；

步骤六、刚度控制器通过电机驱动器(5-1)驱动控制电机(3-1)运行，带动滑块组(3-5)运动，进入步骤四；

步骤七、结束。

与现有的变刚度柔性关节相比，本发明仅利用片簧的弯曲进行变刚度，采用单电机直接控制调度盘带动滑块运动，可实现刚度的线性调节，变刚度控制过程效率高、简便且误差小；采用旋转壳体和轴作为输出输入机构，变刚度机构朝向轴线布置的方式，有效减小关节体积，可实现柔性关节的小型化、轻量化，且环境适应性强；本发明还设计有转动限位机构，限制第二输入轴转动角位移，从而控制片簧弯曲幅度，有效预防了因过载而造成的片簧塑性变形，实现了变刚度关节的自我保护。

附图说明

图1为本发明基于片簧的变刚度柔性关节的爆炸图；

图2为本发明基于片簧的变刚度柔性关节示意图；

图3为本发明中的刚度调整机构示意图；

图4为本发明中的输入轴示意图；

图5为本发明中的第二输出轴结构示意图；

图6为本发明中的滑块一结构示意图；

图7为本发明控制方法的流程图；

图中：1、输入轴，1-1、第一输入轴，1-2、第二输入轴，1-2a、第一限位槽，1-2b、第二限位槽，2、输出轴，2-1、第一输出轴，2-2、第二输出轴，2-2a、第一限位孔，2-2b、第二限位孔，2-3、输出端盖，2-4、滑槽组，3、刚度调整机构，3-1、控制电机，3-2、调度盘，3-3、连杆组，3-3a、连杆一，3-3b、连杆二，3-3c、连杆三，3-3d、连杆四，3-4、片簧组，3-4a、片簧一，3-4b、片簧二，3-4c、片簧三，3-4d、片簧四，3-5、滑块组，3-5a、滑块一，3-5b、滑块二，3-5c、滑块三，3-5d、滑块四，4、位移检测系统，4-1、位移传感器，4-2、信号转换器，5、控制系统，5-1、电机驱动器，5-2、刚度控制器，5-3、计算机，6、限位保护机构，6-1、第一限位销，6-2、第二限位销。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1、图2所示，一种基于片簧的变刚度柔性关节，包括输入轴1、输出轴2、刚度调整机构3、位移检测系统4和控制系统5；所述输入轴1与输出轴2之间通过转动副进行配合，并固定在其中，所述的刚度调整机构3安装在输出轴2上，

如图1、图4所示，所述输入轴1包括第一输入轴1-1和第二输入轴1-2，所述第一输入轴1-1与第二输入轴1-2同心连接，所述第二输入轴1-2为正方形板状结构，其四角处分别镜像设置有双曲面凹槽，该双曲面凹槽结构可实现与片簧组之间的线接触，也为片簧变形提供空间；由于第二输入轴1-2结构特殊，可采用不锈钢材料经激光切割加工制得。

如图1、图2、图5所示，所述输出轴2包括第一输出轴2-1、第二输出轴2-2、输出端盖2-3，所述第一输出轴2-1和第二输出轴2-2均为一端封闭的筒状结构，所述的第二输出轴2-2的封闭端设置有沿圆周等距离分布并向圆心方向延伸的滑槽组2-4，所述第一输出轴2-1、第二输出轴2-2、输出端盖2-3依次扣合并固定在一起；

如图1、图3、图6所示，所述刚度调整机构3包括控制电机3-1、调度盘3-2、连杆组3-3、片簧组3-4和滑块组3-5，所述控制电机3-1安装在第一输出轴2-1封闭端的内表面，所述调度盘3-2为圆盘，可采用铝合金材料切割而成，其优点在于可实现连杆组的同步运动；所述控制电机3-1的输出轴与调度盘3-2中心的安装孔相连，所述连杆组3-3包括四个连杆，连杆一3-3a，连杆二3-3b，连杆三3-3c，连杆四3-3d分别通过铰链均匀分布在调度盘3-2的径向四周，所述连杆组3-3与滑块组3-5连接，所述滑块一3-5a、滑块二3-5b、滑块三3-5c、滑块四3-5d分别与连杆一3-3a，连杆二3-3b，连杆三3-3c，连杆四3-3d重直相连并与第二输出轴2-2的筒状内壁相平行，所述片簧组3-4包括四个片簧，片簧一3-4a、片簧二3-4b、片簧三3-4c、片簧四3-4d，所述四个片簧的一端径向安装在第二输出轴2-2的筒状内壁上，其另一端设置在第二输入轴1-2的双曲面凹槽中，所述片簧组3-4中的片簧套装在滑块组3-5中的滑块上的滑块槽孔中，所述滑块组3-5中的滑块设置在滑槽组2-4的滑槽中并与连杆组3-3中的连杆对应配合安装，所述连杆组3-3和片簧组3-4也可采用铝合金材料制得；

如图1、图2所示，所述位移检测系统4包括位移传感器4-1和信号转换器4-2，所述位移传感器4-1安装在第二输出轴2-2上，位移传感器4-1主要用于检测滑块组3-5的位移，实现实时监测，并通过信号转换器4-2将信息传给控制系统5，同时辅助控制系统5进行实时刚度控制，通过位移传感器4-1的检测和反馈，实现闭环控制。

如图1所示，所述控制系统5包括电机驱动器5-1、刚度控制器5-2和计算机5-3，所述刚度控制器5-2分别连接电机驱动器5-1、信号转换器4-2和计算机5-3，所述信号转换器4-2连接位移传感器4-1。所述电机驱动器5-1用于驱动控制电机3-1，刚度控制器5-2用于处理来自位移检测系统4、电机驱动器5-1的信息及给出刚度控制指令，计算机5-3用于可视化输入输出信息及控制。

进一步，如图1、图2、图4、图5所示，所述柔性关节还包括限位保护机构，所述限位保护机构包括第一限位销6-1、第二限位销6-2、第一限位槽1-2a和第二限位槽1-2b，所述第一限位销6-1和第二限位销6-2的一端固定在第二输出轴2-2的第一限位孔2-2a和第二限位孔2-2a中，所述第一限位销6-1和第二限位销6-2的另一端分别安装在第二输入轴1-2上，位于中心对称设置的第一限位槽1-2a和第二限位槽1-2b中，限位销可在其对应的限位槽中滑动，限位销与限位槽对应配合设置，可以实现变刚度关节转动的限位保护。

进一步，所述片簧的一端通过安装座安装在第二输出轴2-2的筒状内壁上。

进一步，所述控制电机3-1为伺服电机或步进电机，由于伺服电机在许多性能方面都优于步进电机，优选的，采用伺服电机。

进一步，所述位移传感器4-1为光电传感器或直线位移传感器。

如图7所示，一种基于片簧的变刚度柔性关节的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、开始，首先通过计算机(5-3)设定关节刚度值，记为K₀；

步骤二、根据位移传感器(4-1)反馈的滑块组(3-5)当前位置L_i，通过公式计算当前的实际刚度值，记为K_i；

式中：N-片簧数，E-片簧的弹性模量，b-片簧厚度，h-片簧宽度，l-关节轴心与片簧受力点距离，ψ-输入轴被动转角，L₀-片簧原长，L_i-滑块当前位置；

步骤三、刚度控制器(5-2)根据设定的关节刚度值K₀，计算出滑块组(3-5)的理论位置L₁；

步骤四、位移传感器(4-1)检测当前滑块组(3-5)的实际位置L_i，并将检测到的滑块组(3-5)实际位置L_i实时上传至刚度控制器(5-2)；

步骤五、刚度控制器(5-2)根据位移传感器(4-1)检测的滑块组(3-5)的实际位置L_i与滑块组(3-5)的理论位置L₁进行比较，判断是否一致；若为一致，进入步骤七；若不一致，进入步骤六；

步骤六、刚度控制器通过电机驱动器(5-1)驱动控制电机(3-1)运行，带动滑块组(3-5)运动，进入步骤四；

步骤七、结束。

本发明实现变刚度控制的工作原理为：所述的第一输出轴2-1连接控制电机3-1，第一输入轴1-1连接机械臂，通过电机驱动器5-1驱动控制电机3-1正向转动，再驱动调度盘3-2带动滑块组3-5正向运动，减小片簧组3-4的有效长度，从而实现柔性关节的刚度线性增大；当控制电机3-1反向转动时，驱动调度盘3-2带动滑块组3-5反向运动，增大片簧组3-4的有效长度，使柔性关节刚度线性减小。

Claims (6)

1.一种基于片簧的变刚度柔性关节，其特征在于，包括输入轴(1)、输出轴(2)、刚度调整机构(3)、位移检测系统(4)和控制系统(5)；

所述输入轴(1)包括第一输入轴(1-1)和第二输入轴(1-2)，所述第一输入轴(1-1)与第二输入轴(1-2)同心连接，所述第二输入轴(1-2)为正方形板状结构，其四角处分别镜像设置有双曲面凹槽；

所述输出轴(2)包括第一输出轴(2-1)、第二输出轴(2-2)、输出端盖(2-3)，所述第一输出轴(2-1)和第二输出轴(2-2)均为一端封闭的筒状结构，所述的第二输出轴(2-2)的封闭端设置有沿圆周等距离分布并向圆心方向延伸的滑槽组(2-4)，所述第一输出轴(2-1)、第二输出轴(2-2)、输出端盖(2-3)依次扣合固定；

所述刚度调整机构(3)包括控制电机(3-1)、调度盘(3-2)、连杆组(3-3)、片簧组(3-4)和滑块组(3-5)，所述控制电机(3-1)安装在第一输出轴(2-1)封闭端的内表面，所述调度盘(3-2)为圆盘，所述控制电机(3-1)的输出轴与调度盘(3-2)中心的安装孔相连，所述连杆组(3-3)包括四个连杆，所述四个连杆通过铰链均匀分布在调度盘(3-2)的径向四周，所述连杆组(3-3)与滑块组(3-5)连接，滑块组(3-5)与第二输出轴(2-2)的筒状内壁相平行；所述片簧组(3-4)包括四个片簧，所述四个片簧的一端径向分布在第二输出轴(2-2)的筒状内壁上，其另一端设置在第二输入轴(1-2)的双曲面凹槽中；所述片簧组(3-4)中的片簧套装在滑块组(3-5)中的滑块上的滑块槽孔中，所述滑块组(3-5)设置在第二输出轴(2-2)的滑槽组(2-4)中并与连杆组(3-3)对应配合安装；

所述位移检测系统(4)包括位移传感器(4-1)和信号转换器(4-2)，所述位移传感器(4-1)安装在第二输出轴(2-2)上；

所述控制系统(5)包括电机驱动器(5-1)、刚度控制器(5-2)和计算机(5-3)，所述刚度控制器(5-2)分别连接电机驱动器(5-1)、信号转换器(4-2)和计算机(5-3)，所述信号转换器(4-2)连接位移传感器(4-1)。

2.根据权利要求1所述的一种基于片簧的变刚度柔性关节，其特征在于：所述柔性关节还包括限位保护机构(6)，所述限位保护机构(6)包括第一限位销(6-1)、第二限位销(6-2)、第一限位槽(1-2a)和第二限位槽(1-2b)，所述第一限位销(6-1)和第二限位销(6-2)的一端固定在第二输出轴(2-2)的第一限位孔(2-2a)和第二限位孔(2-2b)中，所述第一限位销(6-1)和第二限位销(6-2)的另一端分别安装在第二输入轴(1-2)上，位于沿中心对称设置的第一限位槽(1-2a)和第二限位槽(1-2b)中，限位销可在其对应的限位槽中移动。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于片簧的变刚度柔性关节，其特征在于，所述片簧的一端通过安装座安装在第二输出轴(2-2)的筒状内壁上。

4.根据权利要求3所述的一种基于片簧的变刚度柔性关节，其特征在于，所述控制电机(3-1)为伺服电机或步进电机。

5.根据权利要求3所述的一种基于片簧的变刚度柔性关节，其特征在于，所述位移传感器(4-1)为光电传感器或直线位移传感器。

6.一种基于片簧的变刚度柔性关节的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、开始，首先通过计算机(5-3)设定关节刚度值，记为K₀；

步骤二、根据位移传感器(4-1)反馈的滑块组(3-5)当前位置L_i，通过公式计算当前的实际刚度值，记为K_i；

式中：N-片簧数，E-片簧的弹性模量，b-片簧厚度，h-片簧宽度，l-关节轴心与片簧受力点距离，ψ-输入轴被动转角，L₀-片簧原长，L_i-滑块当前位置；

步骤三、刚度控制器(5-2)根据设定的关节刚度值K₀，计算出滑块组(3-5)的理论位置L₁；

步骤四、位移传感器(4-1)检测当前滑块组(3-5)的实际位置L_i，并将检测到的滑块组(3-5)实际位置L_i实时上传至刚度控制器(5-2)；

步骤五、刚度控制器(5-2)根据位移传感器(4-1)检测的滑块组(3-5)的实际位置L_i与滑块组(3-5)的理论位置L₁进行比较，判断是否一致；若为一致，进入步骤七；若不一致，进入步骤六；

步骤六、刚度控制器通过电机驱动器(5-1)驱动控制电机(3-1)运行，带动滑块组(3-5)运动，进入步骤四；

步骤七、结束。