CN104669261A - 一种可同步调整位移式变刚度关节驱动器和机器人关节刚度的一种调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可同步调整位移式变刚度关节驱动器。本发明包括基座，摇臂位置控制组件，变刚度调整组件，角度偏差测量组件，其特征在于摇臂位置控制组件用于使摇臂运动到指定的平衡位置点；变刚度调整组件用于根据实际任务需要，改变驱动器的刚度值；角度偏差测量组件用于测量和采集角度偏差，以便后续数据的处理以及刚度的实时控制。本发明用于机器人关节的变刚度控制，不必通过增加传感器在控制上实现驱动***的柔顺性，从而在人机交互过程中提高人的安全性。另外，特殊的结构设计，使得机器人能耗降低，关节结构更加紧凑，良好的抗冲击能力和柔性动力特性，为机器人在复杂环境的运动打下了坚实的基础。

Description

一种可同步调整位移式变刚度关节驱动器和机器人关节刚度的一种调整方法

技术领域

本发明属于机器人领域，涉及一种可变刚度关节驱动器，尤其涉及一种采用板簧作为弹性环节，阿基米德螺旋线盘作为同步位移调整机构的可变刚度关节驱动器。本发明还涉及机器人关节刚度的一种调整方法。

背景技术

关节驱动器是机器人的核心部件，其性能的好坏直接影响机器人的整体性能。工业机器人为了实现精确定位以及轨迹跟踪等要求，往往要求关节驱动器具有很大的刚度。然而，机器人在磨削、装配、拧螺丝等操作中，为了防止在操作过程中由于与环境作用力过大而导致机器人或***作对象受损，通常在实施位置控制的同时，还要限制某些方向的作用力。另外，现实生产中还有更多更复杂的作业，往往需要机器人与人在同一工作空间并且在操作上相互配合才能得以完成。如果机器人刚性太大，当遇到意外碰撞时，往往会造成严重的人身财产安全损失。

为了防止工业机器人在操作过程中伤及到人，国际标准化组织(ISO)规定，工业机器人必须与操作者和其他工作人员分离。然而，对于机器人与人无法在空间上做到分离的一类机器人，如娱乐机器人，服务机器人，仿人机器人等，现在行业中一般采用轻型和低功率设计，确保与人交互过程中不至于造成伤害。这在一定程度上限制了机器人功能和性能的发挥，严重限制了其在人机互动方面的应用，是不得已而采取的办法。

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***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。

中国专利申请第201310119858.5号“一种可变刚度的机器人关节驱动器”，其技术方案的工作原理是：利用刚度调整电机驱动齿轮在柔性齿条上滚动，改变柔性齿条的受力点，使柔性齿条发生不同程度的挠度变形，从而达到变刚度的目的。柔性齿条机构既是弹性环节也是刚度调节机构。该结构刚度调整行程受限，且很难实现精准同步调整，由于本身结构限制，使其在机器人关节上的应用还需较长时间的探索。

发明内容

本发明的目的，是针对上述现有技术无法实现精准同步位移调整的不足，提供了一种可精准同步调整支点位移的变刚度关节驱动器，其结构简单、小巧，调整快速、节能且具有很大的刚度调整范围，能有效解决现有机器人的能耗高及环境适应性差等问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种可同步调整位移式变刚度关节驱动器，其特征在于包括：基座，摇臂位置控制组件，变刚度调整组件，摇臂，角度偏差测量组件，

其中

摇臂位置控制组件用于使摇臂到达指定的平衡位置点，

变刚度调整组件用于根据实际任务需要改变驱动器的刚度值，

角度偏差测量组件用于测量和采集摇臂变形角度偏差，以进行后续数据的处理以及刚度的实时控制。

根据本发明的另一个方面，提供了机器人关节刚度的一种调整方法，其特征在于包括：

采用一种可同步调整位移式变刚度关节驱动器，其包括：基座，摇臂位置控制组件，变刚度调整组件，摇臂，角度偏差测量组件，

用摇臂位置控制组件使摇臂到达指定的平衡位置点，

用变刚度调整组件根据实际任务需要改变驱动器的刚度值，

用角度偏差测量组件测量和采集摇臂变形角度偏差，以进行后续数据的处理以及刚度的实时控制。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的可变刚度关节驱动器的整体结构图。

图2是按功能组件拆分的变刚度关节驱动器***示意图。

图3是变刚度关节驱动器的摇臂位置控制组件***视图。

图4是变刚度关节驱动器的变刚度调整组件***视图。

图5是变刚度关节驱动器的角度偏差测量组件图。

图6是变刚度调整组件中的支点位移调整部件结构图。

图7是两条关于中心对称布置的阿基米德螺旋线图。

图8是阿基米德螺旋线盘示意图。

具体实施方式

以下结合附图详细描述本发明的一种具体实施例。

如图1和图2所示，是根据本发明的一个实施例的一种可同步调整位移式变刚度关节驱动器，其包括：基座1，摇臂位置控制组件2，变刚度调整组件3，摇臂4；其中，摇臂位置控制组件2固定在基座1上，变刚度调整组件3串联在摇臂4和摇臂位置控制组件2之间，在摇臂4末端固定有负载5。

如图3所示，根据本发明的一个实施例的变刚度关节驱动器的摇臂位置控制组件2包括：偏心轴6，张紧轮7，小动力同步带轮8，主动力同步带9，大动力同步带轮10，圆形固定盘11，谐波减速器12，位置调节伺服电机13。其中，位置控制伺服电机13和谐波减速器12均固定在圆形固定盘11上，伺服电机13通过同步带轮组8-9-10将转动传递给谐波减速器12。选用谐波减速器的目的，在于其在提供较大的传动精度与扭矩的同时，具有体积小，重量轻的特点。在圆形固定盘11上还安装有偏心轴6，通过调整偏心轴6可使张紧轮7压紧动力同步带9，使同步带轮组8-9-10间的传动不会出现脱齿。

如图4所示，根据本发明的一个实施例的变刚度关节驱动器的变刚度调整组件3包括：谐波减速器连接板14，位移调整步进电机15，带导槽滚筒16，阿基米德螺旋线盘17，支点位移调整部件18，板簧19，角度偏差测量组件20，十字交叉滚子轴承21，输出法兰22。其中，谐波减速器连接板14将谐波减速器12与带导槽滚筒16固连在一起。位移调整步进电机15安装在带导槽滚筒16内侧板上，位移调整步进电机15输出轴与阿基米德螺旋线盘17连接，用于驱动线盘正反向旋转。支点位移调整部件18可在带导槽滚筒16的导槽内往复滑动，其末端置于阿基米德螺旋线盘17的线槽中，板簧19固定在输出法兰22上。在带导槽滚筒16与输出法兰22之间安装有十字交叉滚子轴承21，在十字交叉滚子轴承21外圈右侧连接有角度偏差测量组件20。

如图5所示，根据本发明的一个实施例的变刚度关节驱动器的角度偏差测量组件20包括电位器23，电位器支架24，小测量齿轮25，带内啮合齿的轴承外挡板26。其中，电位器23通过电位器支架24固定在带导槽滚筒16内壁上，小测量齿轮25通过顶丝固定在电位器23输入轴上，并与带内啮合齿的轴承外挡板26啮合，带内啮合齿的轴承外挡板26与输出法兰22通过螺钉将十字交叉滚子轴承21外圈夹在中间，当输出法兰22发生一定角度的偏转时，由于小测量齿轮25与带内啮合齿的轴承外挡板26啮合，将会把角度偏差进行一定比例的放大，传递到电位器23轴上，引起电位器23输出电压的变化，通过A/D转化模块，即可读出电位器读数的变化，从而计算出实际的角度变化量。

如图6所示，根据本发明的一个实施例的变刚度关节驱动器的支点位移调整部件18包括：轴承左架27，轴承右架28，轴承组29，轴承轴30。其中，在板簧19左右两侧各安装有一个支点位移调整部件18，轴承左架27与轴承右架28通过螺钉连接，中间安装有轴承组29，轴承组29将板簧19夹在中间，这样保证板簧19的受力为线接触，更加贴近理论建模。

如图7所示为可用于本发明的实施例的两条关于中心对称布置的阿基米德螺旋线图。

两条阿基米德螺旋线之一的标准极坐标方程：

r(θ)＝a+b(θ)

式中：

b—阿基米德螺旋线系数，mm/°，表示每旋转1度时极径的增加(或减小)量；

θ—极角，单位为度，表示阿基米德螺旋线转过的总度数；

a—当θ＝0°时的极径，mm；

改变参数a将改变螺线形状，b控制螺线间距离，通常其为常量。

另一条阿基米德螺旋线是通过将上述阿基米德螺旋线关于原点对称得到。

如图8所示为可用于本发明实施例的阿基米德螺旋线盘示意图，在阿基米德螺旋线盘17上开有两个形状完全相同、关于原点对称的阿基米德螺旋线槽，由于实际情况，无法使两板簧移动到中心位置，故阿基米德螺旋线槽不需在中心位置处的阿基米德螺旋线部分上延伸。

在根据本发明的一个技术方案中：一种可同步调整位移式变刚度关节驱动器包括：基座1，摇臂位置控制组件2，变刚度调整组件3，摇臂4，负载5，角度偏差测量组件20，其特征在于摇臂位置控制组件2用于使摇臂4到达指定的平衡位置点；变刚度调整组件3用于根据实际任务需要改变驱动器的刚度值；角度偏差测量组件20用于测量和采集摇臂变形角度偏差，以便后续数据的处理以及刚度的实时控制。

所述的摇臂位置控制组件2包括：偏心轴6，张紧轮7，小动力同步带轮8，主动力同步带9，大动力同步带轮10，圆形固定盘11，谐波减速器12，位置调节伺服电机13。其特征在于：位置调节伺服电机13通过同步带轮组8-9-10经过谐波减速器12降速，再经过变刚度调整组件3，最后驱动摇臂4到指定平衡位置点。

所述的变刚度调整组件3包括：谐波减速器连接板14，位移调整步进电机15，带导槽滚筒16，阿基米德螺旋线盘17，支点位移调整部件18，板簧19，角度偏差测量组件,20，十字交叉滚子轴承21，输出法兰22。其特征在于：位移调整步进电机15驱动阿基米德螺旋线盘17旋转一定的角度，在运动过程中，由于带导槽滚筒16中导槽的约束，支点位移调整部件18在阿基米德螺旋线盘17的径向分力作用下沿半径方向移动，从而改变了板簧19的受力支点位置，在扭矩不变的情况下，受力支点位置改变，板簧19将发生不同程度的挠度变形，从而达到关节变刚度的目的。

所述的角度偏差测量组件20包括：电位器23，电位器支架24，小测量齿轮25，带内啮合齿的轴承外挡板26。其特征在于：带内啮合齿的轴承外挡板26与小测量齿轮25啮合，负载5造成的角度偏差通过齿轮啮合传动放大，最后传递到电位器23上，引起电位器23输出电压的变化，电位器23通过电位器支架24固定在带导槽滚筒16内。

所述的阿基米德螺旋线盘17，其圆盘内的槽线由两根阿基米德螺旋线组成，两螺旋线关于轴线对称布置且形状完全相同。采用两条阿基米德螺旋线且关于原点对称布置，使得当圆盘旋转时，线槽内的支点位移调整部件18可以同步的向轴线方向移动，达到精确同步位移调整的目的。另外，采用阿基米德螺旋线的原因在于，阿基米德螺线，亦称“等速螺线”，当位移调整步进电机15驱动阿基米德螺旋线盘17匀速旋转时，处于线槽内的两个支点位移调整部件18将以等速率沿半径方向运动。这在以后的同步位移控制以及运动分析中将提供很大的便利。另外，阿基米德螺旋线槽内任一点的径向分力远远大于切向分力，这使得电机只需很小的扭矩就可以驱动两支点位移调整部件18运动，极大的节约了能耗。

以上通过参考在附图中表示的示例性实施例对本发明做了特别的展示和说明，对本领域的技术人员来说，应该明白，在不背离本发明的思想和范围下做出在形式上和细节上的各种修改和改变，都将是对本发明专利的侵犯。因此本发明要保护的真正思想和范围由所附的权利要求书来限定。

Claims (10)

1.一种可同步调整位移式变刚度关节驱动器，其特征在于包括：

基座(1)，

摇臂位置控制组件(2)，

变刚度调整组件(3)，

摇臂(4)，

角度偏差测量组件(20)，

其中

摇臂位置控制组件(2)用于使摇臂(4)到达指定的平衡位置点，

变刚度调整组件(3)用于根据实际任务需要改变驱动器的刚度值，

角度偏差测量组件(20)用于测量和采集摇臂变形角度偏差，以进行后续数据的处理以及刚度的实时控制。

2.根据权利要求1所述的可同步调整位移式变刚度关节驱动器，其中所述的摇臂位置控制组件(2)包括：偏心轴(6)、张紧轮(7)、小动力同步带轮(8)、主动力同步带(9)、大动力同步带轮(10)、圆形固定盘(11)、谐波减速器(12)、位置调节伺服电机(13)，

其中

位置调节伺服电机(13)通过同步带轮组(8，9，10)经过谐波减速器(12)降速增矩，再经过变刚度调整组件(3)，最后驱动摇臂(4)到指定平衡位置点。

3.根据权利要求1所述的可同步调整位移式变刚度关节驱动器，其特征在于所述的变刚度调整组件(3)包括：谐波减速器连接板(14)、位移调整步进电机(15)、带导槽滚筒(16)、阿基米德螺旋线盘(17)、支点位移调整部件(18)、板簧(19)、角度偏差测量组件(20)、十字交叉滚子轴承(21)、输出法兰(22)，

其中

位移调整步进电机(15)用于驱动阿基米德螺旋线盘(17)旋转一定的角度，在运动过程中，由于带导槽滚筒(16)中的导槽约束，支点位移调整部件(18)在阿基米德螺旋线盘(17)的径向驱动力下沿径线方向移动，从而改变了板簧(19)的受力支点位置，在扭矩不变的情况下，受力点位置改变，板簧(19)将发生不同程度的挠度变形，从而达到变刚度的目的。

4.根据权利要求1所述的可同步调整位移式变刚度关节驱动器，其特征在于所述的角度偏差测量组件(20)包括：电位器(23)、电位器支架(24)、小测量齿轮(25)、带内啮合齿的轴承外挡板(26)、

其中

带内啮合齿的轴承外挡板(26)与小测量齿轮(25)啮合，

负载(5)造成的角度偏差通过带内啮合齿的轴承外挡板(26)与小测量齿轮(25)的齿轮啮合而传动放大，最后传递到电位器(23)上，引起电位器输出电压的变化，

电位器(23)通过电位器支架(24)固定在带导槽滚筒(16)内。

5.根据权利要求1所述的可同步调整位移式变刚度关节驱动器，其特征在于

所述的阿基米德螺旋线盘(17)的圆盘内的槽线由两条阿基米德螺旋线组成，两螺旋线关于轴线对称布置且形状相同，所述两条阿基米德螺旋线关于原点对称布置，使得当圆盘旋转时，线槽内的支点位移调整部件(18)可以同步地沿径线方向移动，从而实现精确同步位移调整，

当位移调整步进电机(15)驱动阿基米德螺旋线盘(17)匀速旋转时，由于阿基米德螺线具有等速螺线的性质，处于线槽内的两个支点位移调整部件(18)以等速率沿半径方向运动，从而为其后的同步位移控制以及运动分析提供便利，

利用阿基米德螺旋线槽内任一点的径向分力远远大于切向分力的特性，使得电机只需很小的扭矩就可以驱动两支点位移调整部件(18)运动，从而极大地节约了能耗。

6.机器人关节刚度的一种调整方法，其特征在于包括：

采用一种可同步调整位移式变刚度关节驱动器，其包括：

基座(1)，

摇臂位置控制组件(2)，

变刚度调整组件(3)，

摇臂(4)，

角度偏差测量组件(20)，

用摇臂位置控制组件(2)使摇臂(4)到达指定的平衡位置点，

用变刚度调整组件(3)根据实际任务需要改变驱动器的刚度值，

用角度偏差测量组件(20)测量和采集摇臂变形角度偏差，以进行后续数据的处理以及刚度的实时控制。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：

所述的摇臂位置控制组件(2)包括：偏心轴(6)、张紧轮(7)、小动力同步带轮(8)、主动力同步带(9)、大动力同步带轮(10)、圆形固定盘(11)、谐波减速器(12)、位置调节伺服电机(13)，

该方法进一步包括：

利用位置调节伺服电机(13)，通过同步带轮组(8，9，10)经过谐波减速器(12)降速增矩，再经过变刚度调整组件(3)，驱动摇臂(4)到指定平衡位置点。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：

所述的变刚度调整组件(3)包括：谐波减速器连接板(14)、位移调整步进电机(15)、带导槽滚筒(16)、阿基米德螺旋线盘(17)、支点位移调整部件(18)、板簧(19)、角度偏差测量组件(20)、十字交叉滚子轴承(21)、输出法兰(22)，

所述方法进一步包括：

用位移调整步进电机(15)驱动阿基米德螺旋线盘(17)旋转一定的角度，

在运动过程中，利用带导槽滚筒(16)中的导槽约束，使支点位移调整部件(18)在阿基米德螺旋线盘(17)的径向驱动力下沿径线方向移动，从而改变了板簧(19)的受力支点位置，在扭矩不变的情况下，受力点位置改变，使板簧(19)发生不同程度的挠度变形，从而达到变刚度的目的。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：

所述的角度偏差测量组件(20)包括：电位器(23)、电位器支架(24)、小测量齿轮(25)、带内啮合齿的轴承外挡板(26)、

所述方法进一步包括：

使带内啮合齿的轴承外挡板(26)与小测量齿轮(25)啮合，

使负载(5)造成的角度偏差通过带内啮合齿的轴承外挡板(26)与小测量齿轮(25)的齿轮啮合而传动放大，最后传递到电位器(23)上，引起电位器输出电压的变化，

把电位器(23)通过电位器支架(24)固定在带导槽滚筒(16)内。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于

所述的阿基米德螺旋线盘(17)的圆盘内的槽线由两条阿基米德螺旋线组成，两螺旋线关于轴线对称布置且形状相同，所述两条阿基米德螺旋线关于原点对称布置，使得当圆盘旋转时，线槽内的支点位移调整部件(18)可以同步地沿径线方向移动，从而实现精确同步位移调整，

所述方法进一步包括：

当位移调整步进电机(15)驱动阿基米德螺旋线盘(17)匀速旋转时，利用阿基米德螺线的等速螺线的性质，使处于线槽内的两个支点位移调整部件(18)以等速率沿半径方向运动，从而为其后的同步位移控制以及运动分析提供便利，

利用阿基米德螺旋线槽内任一点的径向分力远远大于切向分力的特性，使得电机只需很小的扭矩就可以驱动两支点位移调整部件(18)运动，从而极大地节约了能耗。