[发明专利]一种机器人用永磁变刚度柔性关节

说明书

本发明属于柔性机器人技术领域，提出了一种机器人用永磁变刚度柔性关节，能够模拟仿生关节具有的非线性变刚度肌肉特性。本发明采用永磁变刚度机构作为刚度调整部件，绳索作为力与运动传递部件，其刚度会根据永磁体间气隙改变而改变，通过电机、绳索绞盘和导向滑轮的作用，实现操作手两侧绳索的力与位置的解耦，可实现关节刚度不变，仅改变关节转角改变，即实现等刚度条件下关节位置调整；还可实现在关节位置不变的，仅改变关节的刚度，根据不同的工作情况，实现对应设定刚度条件下工作。本发明为运动形式简洁、制造简便、操作简单的永磁变刚度柔性机器人关节结构。

技术领域

本发明属于柔性机器人技术领域，特别是涉及一种机器人用永磁变刚度柔性关节，用于构建拮抗式柔性变刚度机器人，特别适合于仿生机器人关节的构建。

背景技术

柔性变刚度机器人是不同于传统刚性机器人的一类刚度可调的柔性机器人，主要特征是：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，由于自身刚度可调，可以很大程度的提高人机安全性和环境适应性，已经成为未来机器人发展的重要方向。

从运动生物力学角度看，肌肉是人体运动系统的动力学来源，通过肌肉缩放来保持或完成动作.骨骼肌有两种缩放形式，缩放过程中肌肉张力不变，长度改变，引起关节运动，即刚度不变位置改变；缩放过程中肌肉长度不变，张力改变，引起关节刚度增加，即位置不变刚度改变；此种非线性变刚度特性，能够缓冲碰撞，吸收和存储能量。因此，如果能够借鉴人体骨骼肌肉系统，设计具有仿生肌肉特性的关节，就可以改善现有机器人人机交互安全性底、环境适应性差的缺点。基于并联绳索对抗驱动的变刚度机器人关节，在驱动方式上与人类关节最为接近，大都通过在绳索上串联非线性弹性单元的方式来改变关节刚度。此种布置的好处除了实现机器人的柔性外，可以将驱动单元和变刚度模块后置，特别在构建多自由度机器人时，可以极大的减轻操作臂的质量与惯量，从而解决了传统串联模式，质量与惯量逐级递增引起的关节刚度变化能力不足的缺点。

近些年来，永磁材料性能大幅度提高，特别是稀土永磁材料单位体积磁能高，性能优良，在简化计算时可等同于理想永磁体。利用永磁体间磁力相互作用的永磁弹簧，由于拥有无机械接触、无磨损、功耗低、寿命长、噪音小、无需润滑、不发热等优点，可以取代金属弹簧用于快速机械响应机构。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种机器人用永磁变刚度柔性关节组件，能够模拟具有非线性变刚度肌肉特性的关节，可以有效改善传统机器人人机交互安全性底、环境适应性差的缺点；

为了实现上述目的，本发明提供了一种机器人用永磁变刚度柔性关节，包括至少一个自由度控制机构、操作臂、大臂、大臂固定架、编码器、操作臂旋转轴，大臂固定于大臂固定架上，操作臂通过操作臂旋转轴固定于大臂中心轴上，操作臂旋转轴和编码器通过薄壁球轴承固定在大臂上；

其中，一个自由度控制机构由两组沿大臂中心轴对称设置的位置与刚度调整模块组成，每组位置与刚度调整模块包括绳索、至少两个导线滑轮、至少一个永磁变刚度模块、绳索绞盘、谐波减速器和伺服电机；所述绳索一端固定于操作臂，然后依次穿过大臂外边缘设置的导线滑轮A、大臂内部固定的永磁变刚度模块和导线滑轮B,绳索另一端固定在绳索绞盘上，绳索绞盘、谐波减速器和伺服电机三者同轴固定于大臂上；

所述永磁变刚度模块的定滑轮A与导线滑轮B轴线平行且滑轮轮廓外切同一条直线；导线滑轮B的轴线垂直于绳索绞盘的轴线，且轮廓外切同一条直线,此种布置可以有效保证绳索的传动。