[发明专利]一种可变刚度的机器人关节驱动器

说明书

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：