[发明专利]一种机器人用的变刚度关节及其刚度调节方法

说明书

本发明公开一种机器人用的变刚度关节及其刚度调节方法，变刚度关节包括依次连接的位置调整机构、刚度调整机构和输出连杆机构，刚度调整机构包括支架、三连杆、杠杆、杠杆转动轴及杠杆摆动控制组件，三连杆、杠杆、杠杆转动轴及杠杆摆动控制组件均设于支架内，三连杆一端设置杠杆转动轴，三连杆另一端设置连杆驱动组件，杠杆中部设有长孔，杠杆转动轴通过长孔与杠杆滑动连接，杠杆两侧分别设有杠杆摆动控制组件。刚度调节方法是通过三连杆带动杠杆转动轴在杠杆中部的长孔中滑动，长孔的两端分别为输出连杆机构连接端和输出连杆机构远离端，杠杆转动轴作为杠杆的支点，通过其位置变化实现刚度值调节，提高了低刚度范围内的刚度调节速度。

技术领域

本发明涉及机器人关节技术领域，特别涉及一种可实现刚度范围为零到无穷大的机器人用的变刚度关节及其刚度调节方法。

背景技术

传统机器人为位置控制型的机器人，具有高定位精度、高速度、鲁棒性(针对位置控制)等特点，但是位置控制机器人属于一个孤立的系统，与其周边的系统基本没有信息和能量交互，一般只能应用在喷漆、搬运、焊接等不与环境接触或接触力相对较小的情况。在机器人操作一个物体或执行与环境直接交互等任务时，实现这种任务的一个重要方法是对机器人与环境的交互特性进行控制，在这种情况下，传统的位置控制不能实现机器人与环境的交互。

而机器人另一个广受关注的问题则是安全问题，传统位置控制型机器人安全性很低，其作业范围常需要围栏，防止工人被其打伤，位置控制型机器人不具有柔性，若机器人能够像人的手臂一样具有柔性，其安全性将提高。

针对上述机器人与人或环境进行交互的问题和安全性问题，柔顺性机器人一致被认为是解决这一问题的最佳方案。

目前实现机器人的柔顺性主要有两种方法，一种是由控制实现的主动柔顺，在过去几十年研发中不断成熟，已经在实际中不断应用；另一种是主要通过硬件来实现柔性特征，通过在机械结构设计中引入柔顺性，也被称为固有柔顺性或内在柔顺性等，从机器人关节的角度看，称为变刚度关节。

学术论文A New Variable Stiffness Actuator(CompAct-VSA):Design andModelling,2011IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots andSystems(一种变刚度驱动器：设计和建模，2011年国际智能机器人和系统会议)和A NewActuator With Adjustable Stiffness Based on a Variable Ratio Lever Mechanism,IEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS(一种基于可变比例杠杆原理的变刚度驱动器，IEEE/ASME机电一体化学报)均通过移动杠杆转动轴位置的原理设计了两种不同结构、不同形式的变刚度关节驱动器。然而，在其计算关节刚度的过程中，均忽略了一个问题，就是没有考虑关节发生弹性位移时，杠杆一端曲面在垂直弹簧方向上的移动对弹簧能量的改变作用，该关节对抗型弹簧的能量不能简单的直接用中心位移来计算，这导致很大的关节刚度误差。

依靠移动杠杆转动轴原理设计的变刚度关节，其刚度调节特性存在缺点，关节刚度处于低刚度范围时，刚度调整速度慢，即使调整很小的刚度变化值也需要刚度电机或减速机输出很大的位移，非常不适合在需要关节刚度需要快速调整的情况；当关节刚度处于高刚度范围时，关节刚度对刚度电机或减速机位移的变化速度过快，即使微小的电机或减速机角位移也能导致关节刚度剧烈变化，在实际物理系统中，由于编码器分辨率、齿轮传动间隙、闭环控制等原因，传动误差一定存在，减速机输出角位移具有一定的分辨率，造成刚度调整准确率低或刚度调节失效，不能有效调整关节刚度。

发明内容