CN103192406A - 一种可变刚度的机器人关节驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可变刚度的机器人关节驱动器，涉及利用柔性齿条机构进行关节刚度调节；柔性齿条机构串型连接在刚性减速器输出端和关节连杆之间；一副刚度调节机构沿柔性齿条轴向反对称布置，从而实现正反向关节均是可调的；利用柔性齿条机构，由刚度调节电机的转角惟一确定齿轮相对于柔性齿条的位移，从而惟一确定关节刚度值，控制刚度调节电机的转角就可以实现关节刚度的调节。本发明中采用柔性齿条机构，将弹性环节和刚度调节机构合二为一，调节时间短，结构尺寸紧凑。

Description

一种可变刚度的机器人关节驱动器

技术领域

本发明涉及一种可变刚度的机器人关节驱动器，尤其涉及采用金属柔性齿条的可变刚度机器人关节驱动器。金属柔性齿条在关节驱动器中起到弹性环节和关节刚度调节机构的双重作用。

背景技术

当前机器人领域最突出的问题就是如何提高机器人的适应性。被动柔性和主动力控制是用来提高机器人适应性的较为常见的两种方法。典型的被动柔性案例为间接中心顺应性RCC(Remote Center Compliance)，但是其柔性难以进行主动控制，应用面较窄。主动力控制需要外部高精度力传感器；对传感器的精度、采样频率的带宽和控制算法的实时性要求极高；在非结构环境下难以保证安全性，且鲁棒性较低。主动力控制下的关节驱动器需要一直消耗能量，不能存储或者释放能量，应用局限性大。

可变刚度的机器人关节驱动器能够根据任务需要，实时调节关节刚度，提高机器人在非结构环境下的适应性。其主要技术特征是：在传动链上串联或并联刚度可调的弹性环节，能够将关节的动能和弹性势能相互转化。变刚度关节驱动器的主要应用领域分为两类：人机交互和调整系统固有动力学特性。变刚度关节驱动器对于解决新一代机器人的人机安全、提高动态特性和节省能量等关键问题具有重要意义。

机械式变刚度关节驱动器最为常见，其结构形式灵活多样，应用面宽。机械式变刚度关节驱动器一般可分为对抗式、改变结构式、机械调节式和混合式等4种。现有的变刚度关节驱动器主要存在的不足之处是：弹性环节和调节机构各自独立。为了满足机器人关节刚度非线性变化的要求，通常可以采用非线性弹簧或者“线性弹簧+非线性调节机构”来实现。从机构学角度看，如果能将弹性环节和调节机构合二为一，将能够简化机械机构和提升变刚度关节的适应性。

变刚度关节驱动器可能的应用领域包括：提升机器人在家庭服务环境下的人机交互安全性，增加用户的体验感和舒适感；在病人关节处施加变刚度的关节康复运动，若病人发生抽搐，能够吸收冲击，避免伤害人体；避免机器人与环境发生刚性碰撞，保护机器人和昂贵的周边设备；调节机器人关节的固有频率，节省在跳跃/步行/跑步动作中的能源消耗。按照模块化思想，将多个变刚度关节驱动器装配成机器人。这种新型的机器人能够广泛应用在家庭服务、步态康复、可穿戴式机器人、走路/跑步机器人等领域。变刚度关节驱动器能够提升机器人对环境的适应性和扩大机器人的应用领域，具有宽广的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于人机协同作业的可变刚度机器人关节驱动器，旨在针对机器人与环境发生碰撞的难题，尤其针对机器人与人进行协同作业，根据任务需要实时改变机器人关节的刚度。当机器人进行精度作业时，增大关节驱动器的刚度，确保定位和轨迹精度；当机器人与人体接触时，减小关节驱动的刚度，确保人体不受伤害。

根据本发明的一个方面，提供了一种可变刚度的机器人关节驱动器，其特征在于包括：关节驱动电机；刚度调节部件；输出端，其与机器人关节连杆相固连；刚性减速部件，用于调节输出端在不同负载作用下的平衡位置。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1A是根据本发明的一个实施例的可变刚度的机器人关节驱动器的结构图；

图1B是图1A中的刚度调节机构的主要传动链的结构图。

图1C是图1A中的刚度调节机构的反对称布局图。

图1D显示了图1B中采用的柔性齿条的结构图。

图2A和2B用于说明关节刚度与调节位移之间的关系中涉及的参数关系。

具体实施方式

以下结合附图描述本发明的实施例。

可变刚度的机器人关节驱动器的一个典型特征在于：采用金属柔性齿条机构将弹性环节和调节机构合二为一。在关节驱动器的刚性减速器的输出端与关机连杆之间串联金属柔性齿条。该柔性齿条本身具有一定的弹性，能够有效存储和释放能量，从而避免关节连杆与环境反生刚性碰撞；柔性齿条自带齿轮副，便于进行关节刚度的调节，结构紧凑，能够根据任务需要快速增大或者减小关节刚度。

在人机协同作业过程中，人与机器人之间发生接触甚至碰撞是不可避免的，为此，如何确保冲击力不伤害人体是至关重要的，快速降低机器人的关节刚度是最为可行的解决方法之一。在机器人进行精确的定位或者轨迹控制时，用户总是期望机器人的关节刚度很大，从而确保末端定位精度，这就需要快速增大关节刚度。因此，在人机交互作业环境下，对机器人关节的刚度进行实时调节是必不可少的。

根据本发明的一个实施例具体包括：

（1）柔性齿条式可变刚度关节驱动器的机械结构：

根据本发明的一个实施例的柔性齿条式可变刚度关节驱动器的机械结构如图1A-1D所示，包括关节驱动电机1、刚性减速部件、刚度调节部件5和输出端6。关节驱动电机1采用商用的伺服电机，输出端6与机器人关节连杆相固连。

刚性减速部件包括谐波减速器2、外壳（机架）3、轴承4，主要功能是调节输出端6在不同负载作用下的平衡位置。

刚度调节部件5与刚性减速部件串联，包括一根柔性齿条13和一副沿柔性齿条13轴线反对称布置的齿轮副刚度调节机构5A和5B。柔性齿条13与直齿轮9之间为共轭啮合。柔性齿条13的两端与谐波减速器的刚性输出轴7固连。无角变形情况下，柔性齿条13的啮合线与刚性输出轴7的轴线垂直相交。

刚度调节机构5的传动链是：刚度调节电机12的轴线与刚性输出轴7的轴线垂直布置，带动锥齿轮对中的小锥齿轮11转动；锥齿轮对中的大锥齿轮10与直齿轮11同轴，带动直齿轮9（与柔性齿条13啮合）转动；直齿轮9与柔性齿条13啮合，柔性齿条13相对于外壳3固定，从而使得刚度调节部件5沿柔性齿条13移动；滑块14与刚度调节部件5相固连，并与方导轨15相配合，使得刚度调节部件5沿方导轨15移动；而方导轨15与输出端6（含十字轴承8，与轴承4同心）相固连，且方导轨15的轴线与输出端6的轴线垂直相交。综上，当刚度调节电机12运转时，引起刚度调节部件5相对于刚性输出轴6的轴线距离的改变。

之所以使用一副反对称布置的刚度调节机构5A和5B，是为了实现正反向关节刚度均为可调。以刚度调节机构5A为例说明，在刚度调节电机12的正转驱动下，刚度调节部件5A向接近输出端6的轴线方向运动，来自输出端6的正向或反向负载力矩所对应的直齿轮9的径向力增大，引起柔性齿条13较大的挠度，即关节刚度减小；在刚度调节电机12的反转驱动下，两刚度调节部件5相向运动，则刚度调节部件5A向远离输出端6的轴线方向运动，来自输出端6的正向或反向负载力矩所对应的直齿轮9的径向力减小，引起柔性齿条13较小的挠度，即关节刚度增大。进一步地，视柔性齿条13为弹性梁，将挠度折算到关节角变形，那么关节刚度K与刚度调节电机12位移σ的平方有关，即K=f(σ²)，从而实现关节刚度的非线性调节。两刚度调节机构分别进行独立控制，则可实现正/反向刚度的非对称调节。

（2）关节刚度与调节位移之间的关系：

采用简洁的线性分析方法，建立可变刚度关节驱动的静力学模型。柔性齿条两端与刚性输出轴相固连，可视为两端固定的三度静不定梁，如图2A所示。具体研究步骤是：

①依据小变形、线性化假设，忽略柔性齿条两端的水平支反力，即F_Ax=0，F_Bx=0；

②将该变形梁去除多余约束，并以相应多余支反力矩代替，转化为相当系统，如图2B所示；

③由变形协调条件，可得两端固支截面的转角为零，即

θ_A=0      （a）

θ_B=0      （b）

依据线性叠加法，可得，

${\mathrm{\θ}}_A=-\frac{F_r\mathrm{ab}(l+b)}{6\mathrm{EIl}}+\frac{M_{A}l}{3\mathrm{EI}}+\frac{M_{B}l}{6\mathrm{EI}}---\left(c\right)$

${\mathrm{\θ}}_B=\frac{F_r\mathrm{ab}(l+a)}{6\mathrm{EIl}}-\frac{M_{A}l}{6\mathrm{EI}}-\frac{M_{B}l}{3\mathrm{EI}}---\left(d\right)$

将式(c)与(d)分别代入式(a)与(b),可得两个补充方程，即

$-\frac{F_r\mathrm{ab}(l+b)}{6\mathrm{EIl}}+\frac{M_{A}l}{3\mathrm{EI}}+\frac{M_{B}l}{6\mathrm{EI}}=0---\left(e\right)$

$\frac{F_r\mathrm{ab}(l+a)}{6\mathrm{EIl}}-\frac{M_{A}l}{6\mathrm{EI}}-\frac{M_{B}l}{3\mathrm{EI}}=0---\left(f\right)$

联立式(e)和(f)，求出两固定端的支反力矩，即

$M_A=\frac{F_r{\mathrm{ab}}^2}{l^2}---\left(g\right)$

$M_B=\frac{F_r{a}^{2}b}{l^2}---\left(h\right)$

④由平衡方程求出两固定端的垂直支反力；

$F_{\mathrm{Ay}}=\frac{F_r{b}^2(l+2a)}{l^3}---\left(i\right)$

$F_{\mathrm{By}}=\frac{F_r{a}^2(l+2b)}{l^3}---\left(j\right)$

⑤利用叠加原理和梁的挠度公式，可求得柔性齿条受力点处柔性齿条的挠度，即：

${\mathrm{\ω}}_r={\mathrm{\ω}}_{F_r}+{\mathrm{\ω}}_{M_A}+{\mathrm{\ω}}_{M_B}---\left(k\right)$

${\mathrm{\ω}}_F=\frac{F_r\mathrm{ab}}{6\mathrm{lEI}}(a^2+b^2-l^2)---\left(l\right)$

${\mathrm{\ω}}_{M_A}=\frac{M_{A}a}{6\mathrm{lEI}}(-2l^2-a^2)---\left(m\right)$

${\mathrm{\ω}}_{M_B}=\frac{M_{B}a}{6\mathrm{lEI}}(l^2-a^2)---\left(n\right)$

将式(g)、(h)、(l)、(m)和(n)带入(k)式可得

${\mathrm{\ω}}_r=\frac{F_r\mathrm{ab}}{6\mathrm{lEI}}({2a}^2+b^2-2\mathrm{ab}-\frac{a^3+l^3}{l})---\left(o\right)$

⑥利用三角公式，推导出挠度对应的输出端角变形量；

$\mathrm{\δ}=\frac{{\mathrm{\ω}}_r}{a-l/2}---\left(p\right)$

⑦关节负载力矩

$M=F_r(a-l/2)---\left(q\right)$

⑧关节刚度

$K=\frac{M}{\mathrm{\δ}}---\left(r\right)$

将式(o)、(p)和(q)带入式(r)，则

$K=\frac{6\mathrm{lEI}{(a-l/2)}^2}{\mathrm{ab}({2a}^2+b^2-2\mathrm{ab}-\frac{a^3+l^3}{l})}---\left(s\right)$

因为b=l-a，所以

$K=\frac{6l^2\mathrm{EI}{(a-l/2)}^2}{a{(l-a)}^2(4l-a)}---\left(t\right)$

进一步地，上述关节刚度K与E、I和a等三个因素相关，其中E为柔性齿条的所用材料的弹性模量，为常数。I为齿条的惯性矩，对于一根确定的齿条来说，为常数。那么关节刚度K由调节位移a惟一确定。

更进一步地，采用齿轮齿条副，上述调节位移a由刚度调节电机的转角位移σ惟一确定，且a是σ的线性函数。因此，控制刚度调节电机的转角σ可以实现关节刚度K的调节，即K=f(σ²)。

本发明技术方案的突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

本发明涉及的可变刚度关机驱动器，采用了金属柔性齿条，依靠齿轮齿条运动副的几何关系，由刚度调节电机的转角来确定齿轮相对于柔性齿条的调节位移；对柔性齿条建立静力学模型，推知关节刚度仅与调节位移的平方相关。从而通过控制刚度调节电机转角来实现关节刚度的非线性、大范围调节。与现有技术相比，柔性齿条式可变刚度关节驱动器，结构尺寸紧凑，调节时间短，能够广泛应用在人机交互作业的机器人上，产生良好的实际意义，社会经济效益显著。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可变刚度的机器人关节驱动器，其特征在于包括：

关节驱动电机（1），

刚度调节部件(5)，

输出端（6），其与机器人关节连杆相固连，

刚性减速部件，用于调节输出端（6）在不同负载作用下的平衡位置。

2.根据权利要求1的可变刚度的机器人关节驱动器，其特征在于刚性减速部件包括：

谐波减速器（2）、外壳/机架（3）、轴承（4），

刚度调节部件（5）与刚性减速部件串联，刚度调节部件（5）包括：

一根柔性齿条（13），和

一副沿柔性齿条（13）的轴线反对称布置的齿轮副刚度调节机构，直齿轮（9），其与柔性齿条（13）之间为共轭啮合，

其中

柔性齿条（13）的两端与谐波减速器（2）的刚性输出轴（7）固连，

在无角变形情况下，柔性齿条（13）的啮合线与刚性输出轴（7）的轴线垂直相交。

3.根据权利要求2的可变刚度的机器人关节驱动器，其特征在于：

刚度调节机构（5）的传动链包括：

刚度调节电机（12），其轴线与刚性输出轴（7）的轴线垂直布置，用于带动锥齿轮对中的小锥齿轮（11）转动；

锥齿轮对中的大锥齿轮（10）与直齿轮（9）同轴，大锥齿轮（10）带动直齿轮（9）转动；

滑块（14），其与刚度调节部件（5）相固连，

方导轨（15），其与滑块（14）相配合，使得刚度调节部件（5）沿方导轨（15）移动；

十字轴承（8），其包含在输出端（6）中，并与轴承（4）同心

其中

柔性齿条（13）相对于外壳（3）固定，从而使得刚度调节部件（5）沿柔性齿条（13）移动，

方导轨（15）与含十字轴承（8）的输出端（6）相固连，且方导轨（15）的轴线与输出端（6）的轴线垂直相交，

从而，当刚度调节电机（12）运转时，引起刚度调节部件（5）相对于刚性输出轴（6）的轴线距离的改变。

4.根据权利要求3的可变刚度的机器人关节驱动器，其特征在于：

通过使用一副反对称布置的刚度调节机构（5A）和（5B），实现了正反向关节刚度均为可调。

5.根据权利要求4的可变刚度的机器人关节驱动器，其特征在于：

在刚度调节电机（12）的正转驱动下，刚度调节部件（5A）向接近输出端（6）的轴线方向移动，则刚度调节部件与刚性输出轴（7）的轴线的距离减小，来自输出端（6）的正向/反向负载力矩所对应的直齿轮（9）的径向力增大，引起柔性齿条（13）较大的挠度，即关节刚度减小；

反之，在刚度调节电机（12）的反转驱动下，刚度调节部件（5A）向背离输出端（6）的轴线方向移动，则刚度调节部件与刚性输出轴（7）的轴的距离增大，来自输出端（6）的正向/反向负载力矩所对应的直齿轮（9）的径向力减小，引起柔性齿条（13）较小的挠度，即关节刚度增加。

6.根据权利要求5的可变刚度的机器人关节驱动器，其特征在于：

视柔性齿条（13）为弹性梁，将挠度折算到关节角变形，那么关节刚度K与刚度调节电机（12）位移σ的平方有关，即K=f(σ²)，从而实现关节刚度的非线性调节。

7.根据权利要求6的可变刚度的机器人关节驱动器，其特征在于：

两刚度调节部件5A和5B分别进行独立控制，则可实现正/反向刚度的非对称调节。

8.根据权利要求6的可变刚度的机器人关节驱动器，其特征在于：

关节驱动电机（1）和刚度调节电机（12）采用商用的伺服电机。

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