[发明专利]基于非线性弹性元件的可调刚度驱动器及其驱动方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种控制算法和机械设计技术相结合的技术，特别涉及一种基于非线性弹性元件的可调刚度驱动器及其驱动方法，本发明通过控制模块设计相关控制算法控制机械结构实现给定力矩，最终实现可调节刚度的关节驱动器。

背景技术

如今，机器人产业发展迅速，需求量大、设计周期长。迫切需要开发出一套标准化的、集合常用机器人应用模块的硬件平台，这样有利于降低机器人应用的成本和研发风险。因此机器人模块化的研究成为了重点，特别是机器人模块化的设计。根据机器人常用功能，将其从机构和控制上进行分解，形成多个具有独立功能的功能模块，通过重构，组成应用所需机器人构型。

同样，随着机器人在工业、航天、医疗、服务等各个行业应用越来越广泛，与人交互的机会也越来越多，保障机器人在与环境或人类交互时的安全性成为国内外重点研究目标。

传统机器人设计为了保证末端位置操作精确，多采用刚性的高增益控制，按照预先规划好的路线进行动作，完成单调而重复的工作。但是，当机器人末端执行器与周围环境发生接触时，很容易受到周围环境的影响，其人机交互安全性不高。如果结合了接触力控制后，就可以放松对位置精度控制的要求。同时，当机器人突然受到较强力的作用的时候，传统机器人可能因为其刚性机器人的特性会让机器人关节处受到一定的磨损，而如果采用变刚度关节驱动器，电机和关节连杆间的弹簧会起到缓冲作用，有效保护机器人各部件的安全，完成对机器人的柔性控制。因此，科学家提出了变刚度的设计，同时具有柔性机构的被动安全，又具有控制精度，保证了人机交互的安全性。

这些年来也很多专利把关注点放在机器人的变刚度关节上，分别如下：

中国公开专利号：CN104669261A，名称：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。该发明采用一种可同步调整位移式变刚度关节驱动器，利用刚度调整驱动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。该发明能够精准的测量并调整刚度，不过结构较为复杂，装配困难，且容易在高温等极端环境下变形出现偏差，适用范围不广。

中国公开专利号：CN104440936A，名称：一种可变刚度的机器人关节。该发明中将外力通过摩擦片装置产生相应摩擦力，利用摩擦片的摩擦特性进行刚度调节。该发明可以在受到较大外力冲击时改变关节刚度，不过此发明由于结构限制，仅仅可以起到初步调节刚度的作用，并不能精准调节关节的刚度。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于非线性弹性元件的可调刚度驱动器，该可调刚度驱动器根据变刚度关节驱动器的设计，通过相关计算算法控制，结构简单，对装配硬件装置要求不高，而且便于控制。

本发明的另一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种驱动所述基于非线性弹性元件的可调刚度驱动器的驱动方法。

本发明的首要目的通过下述技术方案实现：一种基于非线性弹性元件的可调刚度驱动器，主要包括控制电路、微处理器、驱动电机、转轴、减速机构、非线性弹簧和齿轮蜗杆。所述微处理器接在两个驱动电机旁，微处理器和驱动电机通过转轴，减速机构和齿轮蜗杆与非线性弹簧相连，两根非线性弹簧分别位于转杆的两侧，在未受力时处于松弛状态，转杆中心接有连杆，连接下一个关节驱动器；每个关节驱动器的模块末端均有一个连杆部分用来输出变化的刚度和力矩并传递给下一模块；

所述的基于非线性弹性元件的可调刚度驱动器主要包括以下各功能组件：

微处理器：连于驱动电机附近，用来控制驱动电机，进而控制非线性弹簧的伸缩度。每次当外力作用的时候，微处理器传来由上一模块输出的力矩和刚度，通过相应计算得到该模块中两根非线性弹簧的相应伸缩量，并将得到的数据传到驱动电机中。为达到更迅速精确的控制，微处理器使用PD控制。

驱动电机：固定在微处理器旁，用来驱动非线性弹簧，驱动电机将微处理器计算得到的相应的信息输出到减速机构中，然后通过齿轮蜗杆将之前电机轴上的扭矩转换为横向拉力，即转化成控制非线性弹簧的伸缩度的控制量。

非线性弹簧：非线性弹簧与普通弹簧有所不同，内在结构的不同(非线性弹簧在其不同的位置疏密不同)决定了非线性弹簧产生的弹力大小是与非线性弹簧伸缩量的平方成正比。如今市场上已经有适用于各种场合下的非线性弹簧。所以无论是在高温情况还是恶劣环境等各种特定的情况下，都有相应的非线性弹簧满足要求，这样就可以使本专利适用于各种情况各种环境，并且很容易维修。