[发明专利]一种柔性机器人变刚度关节

权利要求书

1.一种柔性机器人变刚度关节，其特征在于，包括主电机模块(A1)、中间凸轮滚子模块(A2)、刚度调节模块(A3)和测量系统，主电机模块(A1)中的输出法兰盘Ⅱ(38)与中间凸轮滚子模块(A2)中的花键轴(8)固定连接，将主电机模块(A1)的扭矩传递到中间凸轮滚子模块(A2)；凸轮滚子模块(A2)包括上凸轮盘(9)、中间圆盘(10)和下凸轮盘(11)，上凸轮盘(9)和下凸轮盘(11)上设计有相同的曲面形状，上凸轮盘(9)可以在花键轴(8)上轴向滑动与周向滚动，上凸轮盘(9)与主电机模块(A1)中的法兰盘之间安装有模具弹簧(39)，上凸轮盘(9)压缩模具弹簧(39)导致上凸轮盘(9)自身扭矩发生变化；下凸轮盘(11)与刚度调节模块(A3)中的输出法兰盘Ⅰ(36)固定连接；

工作时，主电机模块(A1)带动花键轴(8)旋转，进而带动中间圆盘(10)同步旋转，上凸轮盘(9)和下凸轮盘(11)绕花键轴(8)同步旋转，上凸轮盘(9)和中间圆盘(10)沿着花键轴(8)轴向滑动及周向不同步旋转，上凸轮盘(9)压缩模具弹簧(39)，通过测量系统实时测量上凸轮盘(9)和中间圆盘(10)之间的动态夹角，控制主电机模块(A1)旋转，控制上凸轮盘(9)与中间圆盘(10)之间扭矩大小，直至使动态夹角与目标刚度对应角一致，进而确定关节刚度的变化大小；

刚度调节电机(16)不旋转时，上凸轮盘(9)相对下凸轮盘(11)只能进行轴向移动；刚度调节电机(16)旋转时，调节了上凸轮盘(9)与下凸轮盘(11)之间的相对角度，导致了上凸轮盘(9)轴向距离的变化，继而压缩弹簧(39)；由于弹簧反力和曲面的作用，使得上凸轮盘(9)、中间圆盘(10)和下凸轮盘(11)产生了绕各自旋转轴的扭矩；

变刚度关节的扭矩和刚度与被动转角的关系的确定：滚子沿着凸轮曲面滑动，凸轮的曲面由曲线生成，曲线Γ在坐标系θY-O中为Y＝f(θ)，可进一步求得：

Y_B＝f(θ_B)，Y₃＝Y_B+rcos(α_B)

Y_D＝f(θ_D)，Y₄＝Y_D+rcos(α_D)

上升距离：Δy₁＝Y₃-Y₁，下降距离：Δy₂＝Y₄-Y₂

弹簧的总压缩量：Δy＝Δy₁+Δy₂

弹簧力：F_a＝K_spring*Δy

上凸轮盘扭矩：T_上凸轮盘＝F_τ*R＝F_aRtan(α_D)

下凸轮盘扭矩：T_下凸轮盘＝F_τ*R＝F_aRtan(α_B)

关节输出扭矩：T＝T_下凸轮盘-T_上凸轮盘

关节刚度：

其中：r为滚子半径，R为凸轮盘展开半径，为关节被动变形角，K_spring为模具弹簧的弹性系数，f(θ)、和为已知的设计函数。

2.如权利要求1所述的一种柔性机器人变刚度关节，其特征在于，主电机模块(A1)包括主电机(1)、主电机支座(2)、谐波减速器(3)、主电机轴套(4)、波发生器(5)、刚轮(6)、输出盘(7)和输出法兰盘Ⅱ(38)，主电机(1)的外壳固定于主电机支座(2)上，主电机(1)的输出轴通过主电机轴套(4)与谐波减速器(3)的波发生器(5)连接，谐波减速器(3)的刚轮(6)与主电机支座(2)固定连接，谐波减速器(3)的柔轮与输出盘(7)固定连接，主电机(1)的输出轴与主电机轴套(4)固定连接。