[发明专利]一种变刚度柔性关节装置

说明书

本发明提供了一种变刚度柔性关节装置，包括输入控制端、输出控制端和变刚度模块，输入控制端包括输入法兰和壳体，输入法兰驱动壳体围绕其回转中心转动；变刚度调节模块包括片簧支座、多个片簧、滚柱架和位置调节机构，片簧支座与壳体之间通过连接板相互连接，多个片簧分布于片簧支座的外周，每个片簧均设有滚柱架；位置调节机构包括双向丝杠、第一滑块和第二滑块、连杆组，其中，第一滑块和第二滑块分别设在连接板的两侧，输出控制端包括输出法兰圈和推板，推板与滚柱架一一对应并相互接触；本发明能够主动调整滚柱架与片簧的相对位置，具有刚度调节范围大、能实现无限刚度输出的优势，并具有结构紧凑、摩擦小，刚度调整方便等优点。

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种能够主动调节刚度的变刚度柔性关节装置。

背景技术

传统机器人关节没有弹性元件，刚度过大，无法保证人机协作的安全性和机械臂的柔顺性，无法胜任例如人机交互、焊接喷涂、轴孔配合等领域；相应的，单纯的柔性串联模块(SEA)无法实现主动改变刚度甚至无法改变刚度，这就意味着无法像生物一样充分利用弹性储能，无法达到自然生物能达到的运动学与动力学性能，即无法很好的完成跑、跳、扔、递等动作。

在柔性关节方面，分为单电机驱动和多电机驱动两种关节；单电机驱动的研究最多的是串联弹性驱动器(SEA)，其是在普通刚性驱动器与外界负载之间连接一个弹性元件，当弹性元件确定后，SEA的刚度特性也就确定了；SEA采用阻抗控制，但不需要种类繁多的传感器，仅需测量弹性元件的变形量，然后将其反馈到控制系统就可以比较精确地实现输出力的控制；双电机柔顺是指一个关节使用两个电机驱动，可以实现独立或者分别地调节关节刚度和输出位置，这也是真正意义上的″变刚度″柔性关节。

国内研究例如哈尔滨工业大学的易胜科研究的变刚度关节，其利用凸轮滚子加线性弹簧实现了刚度变化，再例如尹鹏在″单足弹跳机器人可变刚度柔性回转髋关节及其特性研究″一文中介绍的变刚度机构，其输出刚度特性主要通过两个具有不同滑槽类型的驱动盘完成，其中，驱动盘同步运动时，机构中各部分整体旋转，相对位置不发生变化，输出刚度恒定。驱动盘异步运动时，输出部分中的支点滑块运动，通过一个连杆机构改变关节内输出部分受力位置，进而使得输出刚度发生变化。但上述现有技术存在着变刚度范围小、整体结构刚度较差的缺陷，同时采用绳索驱动的方式在长时间使用后会产生蠕变等问题。

基于此，需要提供一种能够主动调节刚度的变刚度柔性关节装置。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种变刚度柔性关节装置，该装置通过位置调节机构主动调整滚柱架与片簧的相对位置，改变输出法兰圈的输出刚度，其具有结构紧凑、摩擦小，刚度调整方便等优点。

为了实现上述目的，本发明提供了一种变刚度柔性关节装置，包括输入控制端、输出控制端和变刚度模块，其中：

输入控制端包括输入法兰和与输入法兰固定连接的壳体，输入法兰驱动壳体围绕其回转中心转动；

变刚度调节模块包括片簧支座、多个片簧、滚柱架和用于调节滚柱架位置的位置调节机构，片簧支座与壳体之间通过连接板相互连接，多个片簧围绕壳体的回转中心均匀分布于片簧支座的外周，每个片簧均设有滚柱架；

位置调节机构包括设在壳体回转中心的丝杠、设在丝杠的第一滑块和第二滑块、连杆组，其中，第一滑块和第二滑块分别设在连接板的两侧，部分连杆组中连杆的一端铰接于第一滑块，另一端铰接于滚柱架靠近第一滑块的端部；剩余部分连杆组中连杆的一端铰接于第二滑块，另一端铰接于滚柱架靠近第二滑块的端部；

输出控制端包括相对壳体转动设置的输出法兰圈和固定设在输出法兰圈内的推板，推板与滚柱架一一对应并相互接触，而使得输出法兰随滚柱架同步转动。