[发明专利]一种柔性机器人变刚度关节

说明书

本发明公开了一种柔性机器人变刚度关节，包括主电机模块、中间凸轮滚子模块、刚度调节模块和测量系统，主电机模块中的输出法兰盘Ⅱ与中间凸轮滚子模块中的花键轴固定连接，将主电机模块的扭矩传递到中间凸轮滚子模块；凸轮滚子模块包括上凸轮盘、中间圆盘和下凸轮盘，上凸轮盘和下凸轮盘上设计有相同的曲面形状，上凸轮盘可以在花键轴上轴向滑动与周向滚动，上凸轮盘与主电机模块中的法兰盘之间安装有模具弹簧，上凸轮盘压缩模具弹簧导致上凸轮盘自身扭矩发生变化；下凸轮盘与刚度调节模块中的输出法兰盘Ⅰ固定连接。

技术领域

本发明涉及一种柔性机器人变刚度关节，具体涉及一种采用盘状凸轮、滚子和弹簧作为核心部件实现可变刚度的机器人关节，适用于仿生机器人的肩关节和肘关节，属于机器人领域。

背景技术

在传统工业机器人领域，机器人笨重，工作坏境固定，灵活性不高且能量消耗大。为了满足制造精度要求，往往要求驱动器(机器人关节)刚性越大越好，响应速度越快越好。然而，随着机器人应用领域不断扩大，机器人也从传统的工业领域里解放出来，进入了其他非工业领域，如服务、医疗、娱乐等。在这些领域中，尤其在需要改变工作位置或环境未知的情况下，传统高刚性关节的工业机器人已经不能胜任工作了；并且机器人不可避免与人类存在接触，存在着各种各样的碰撞，高刚性关节的机器人已经不能确保人机交互时的安全性。

目前，柔性机器人已成为未来机器人的重要发展方向，而变刚度关节作为重要组成部分正成为国内外研究的热点领域。虽然，刚性工业机器人可以通过控制的方法(力控制、阻抗控制)表现出一定的柔性，一定程度上提高了机器人的性能。然而，由于传感器数据采集回路存在时间延迟、电机惯量、机械带宽等因素的影响，这种“柔性”实际上是非常有限的，刚度依然很大，抗冲击性能仍然很有限，不是真正意义上的柔性。

柔性机器人主要通过关节而获得柔性，因此，从仿生学的角度出发，研究出具有类似人类肌肉特性的变刚度关节对提高机器人的安全性、环境适应性以及未来更好为人类服务具有重要的现实意义。

目前，针对不同的应用领域，国内外研究者研制了基于不同原理的变刚度关节。具体地，有基于扭簧特性的变刚度关节，其缺点是扭簧特性决定了整个关节的刚度特性，不具有连续调节刚度的功能，刚度的改变需要采用不同的扭簧；有采用片弹簧的变刚度关节，其存在结构较复杂、不紧凑、控制较困难等问题；有基于变杠杆原理的变刚度关节，移动支点位置的方式为滑动，存在能量利用率较低、关节无法大角度旋转等问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有变刚度关节结构复杂、不紧凑、输出刚度不能连续调节的问题，提供一种柔性机器人变刚度关节，能够模拟人手臂的肩关节及肘关节的运动特性，有效提高人机交互时的安全性和环境适应性。

本发明的技术解决方案是：

一种柔性机器人变刚度关节，包括主电机模块、中间凸轮滚子模块、刚度调节模块和测量系统，主电机模块中的输出法兰盘Ⅱ与中间凸轮滚子模块中的花键轴固定连接，将主电机模块的扭矩传递到中间凸轮滚子模块；凸轮滚子模块包括上凸轮盘、中间圆盘和下凸轮盘，上凸轮盘和下凸轮盘上设计有相同的曲面形状，上凸轮盘可以在花键轴上轴向滑动与周向滚动，上凸轮盘与主电机模块中的法兰盘之间安装有模具弹簧，上凸轮盘压缩模具弹簧导致上凸轮盘自身扭矩发生变化；下凸轮盘与刚度调节模块中的输出法兰盘Ⅰ固定连接。

工作时，主电机模块带动花键轴旋转，进而带动中间圆盘同步旋转，上凸轮盘和下凸轮盘绕花键轴同步旋转，上凸轮盘和中间圆盘沿着花键轴轴向滑动及周向不同步旋转，上凸轮盘压缩模具弹簧，通过测量系统实时测量上凸轮盘和中间圆盘之间的动态夹角，控制主电机模块旋转，控制上凸轮盘与中间圆盘之间扭矩大小，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。