[发明专利]一种机器人用的变刚度关节及其刚度调节方法

权利要求书

1.一种机器人用的变刚度关节，其特征在于，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，刚度调整机构采用三连杆机构和杠杆机构相配合的结构方式，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，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；

所述三连杆包括依次连接的第一连杆、第二连杆和第三连杆，第一连杆的输入端与连杆驱动组件连接，第三连杆的输出端设置杠杆转动轴；连杆驱动组件包括依次连接的第一编码器、刚度调整电机、刚度调整减速机和锥齿轮组，锥齿轮组的输出端与第一连杆的输入端连接；

所述杠杆摆动控制组件包括滚轮、滚轮座、预压缩弹簧和压缩弹簧支座，滚轮设于滚轮座上，滚轮座一侧设有预压缩弹簧，预压缩弹簧通过压缩弹簧支座固定于支架内，所述杠杆包括相连接的圆柱端部和矩形段，所述圆柱端部的直径大于矩形段的宽度，所述圆柱端部的外周形成大于180°的扇形，所述扇形与矩形段的长度方向外侧圆滑连接，形成整体式的杠杆外侧面，且所述杠杆外侧面与所述滚轮的圆周侧面相接触；

所述输出连杆机构包括输出连杆、第一轴承、第二轴承和第三编码器，第二轴承安装于支架的圆周边沿上，输出连杆通过第二轴承与支架连接，输出连杆底部设置第一轴承并通过第一轴承与杠杆连接，输出连杆与支架的相接面上还设有第三编码器；

变刚度关节的刚度计算方法为：

设P为杠杆转动轴中心，所述杠杆上的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，且所述长孔的两端分别为半圆弧，所述半圆弧的直径与杠杆转动轴的直径相等，初始状态下，输出连杆机构远离端的端点O点与关节中心重合，A为第一轴承中心，输出连杆机构连接端通过第一轴承与输出连杆构成转动连接，Φ为经过P点的支架直径与经过A点的长孔中线之间形成的夹角；假设变刚度关节有弹性转动位移θ_s，设为逆时针方向，由弹性转动位移θ_s求得输出连杆机构远离端的端点O点的水平位移σ为：

假设δ₁为杠杆转动轴中心与关节中心的距离，δ为杠杆中长孔的长度，利用三角形余弦公式求得

再求出sinφ为：

杠杆上，输出连杆机构远离端的端点O点垂直于预压缩弹簧方向的位移ζ为：

设ε₀为预压缩弹簧的初始压缩量，r为所述扇形的半径，r_g为滚轮的半径，在输出连杆机构远离端的端点O点垂直预压缩弹簧方向位移为ζ的情况下，则输出连杆机构远离端的端点O点与滚轮中心的水平距离为并得到杠杆一侧预压缩弹簧的压缩量为：

杠杆另一侧预压缩弹簧的压缩量为：

设预压缩弹簧的初始弹性势能为k_s为弹簧刚度系数，变刚度关节有弹性转动位移θ_s时增加的弹簧能量ΔE为

设第一连杆和第二连杆的长度分别为l₁和l₂，设第一连杆的角位移为α，α为第一连杆中心线和与刚度调整减速机连接的锥齿轮中心线的夹角，可求出δ₁与α的关系为：

由上式可得到ΔE与α的函数关系，将增加的弹簧能量ΔE对角位移α求二阶偏导得到变刚性关节的刚度K_s为：

2.根据权利要求1所述一种机器人用的变刚度关节，其特征在于，所述杠杆包括相连接的圆柱端部和矩形段，圆柱端部的直径大于矩形段的宽度，长孔贯穿于圆柱端部和矩形段中。

3.根据权利要求1所述一种机器人用的变刚度关节，其特征在于，所述预压缩弹簧两侧设有第一限位柱，滚轮座上设有第一限位块，第一限位柱和第一限位块相配合形成第一限位组件。

4.根据权利要求1所述一种机器人用的变刚度关节，其特征在于，所述杠杆与支架的相接面上设有导轨，杠杆转动轴沿着导轨在杠杆的长孔内进行滑动。