[发明专利]一种基于片簧的可变刚度柔性关节及其控制方法

权利要求书

1.一种基于片簧的变刚度柔性关节，其特征在于，包括输入轴(1)、输出轴(2)、刚度调整机构(3)、位移检测系统(4)、控制系统(5)和限位保护机构(6)；

所述输入轴(1)包括第一输入轴(1-1)和第二输入轴(1-2)，所述第一输入轴(1-1)与第二输入轴(1-2)同心连接，所述第二输入轴(1-2)为正方形板状结构，其四角处分别镜像设置有双曲面凹槽；

所述输出轴(2)包括第一输出轴(2-1)、第二输出轴(2-2)、输出端盖(2-3)，所述第一输出轴(2-1)和第二输出轴(2-2)均为一端封闭的筒状结构，所述的第二输出轴(2-2)的封闭端设置有沿圆周等距离分布并向圆心方向延伸的滑槽组(2-4)，所述第一输出轴(2-1)、第二输出轴(2-2)、输出端盖(2-3)依次扣合固定；

所述刚度调整机构(3)包括控制电机(3-1)、调度盘(3-2)、连杆组(3-3)、片簧组(3-4)和滑块组(3-5)，所述控制电机(3-1)安装在第一输出轴(2-1)封闭端的内表面，所述调度盘(3-2)为圆盘，所述控制电机(3-1)的输出轴与调度盘(3-2)中心的安装孔相连，所述连杆组(3-3)包括四个连杆，所述四个连杆通过铰链均匀分布在调度盘(3-2)的径向四周，所述连杆组(3-3)与滑块组(3-5)连接，滑块组(3-5)与第二输出轴(2-2)的筒状内壁相平行；所述片簧组(3-4)包括四个片簧，所述四个片簧的一端径向分布在第二输出轴(2-2)的筒状内壁上，其另一端设置在第二输入轴(1-2)的双曲面凹槽中；所述片簧组(3-4)中的片簧套装在滑块组(3-5)中的滑块上的滑块槽孔中，所述滑块组(3-5)设置在第二输出轴(2-2)的滑槽组(2-4)中并与连杆组(3-3)对应配合安装；

所述位移检测系统(4)包括位移传感器(4-1)和信号转换器(4-2)，所述位移传感器(4-1)安装在第二输出轴(2-2)上；

所述控制系统(5)包括电机驱动器(5-1)、刚度控制器(5-2)和计算机(5-3)，所述刚度控制器(5-2)分别连接电机驱动器(5-1)、信号转换器(4-2)和计算机(5-3)，所述信号转换器(4-2)连接位移传感器(4-1)；

所述限位保护机构(6)包括第一限位销(6-1)、第二限位销(6-2)、第一限位槽(1-2a)和第二限位槽(1-2b)，所述第一限位销(6-1)和第二限位销(6-2)的一端分别固定在第二输出轴(2-2)的第一限位孔(2-2a)和第二限位孔(2-2b)中，所述第一限位销(6-1)和第二限位销(6-2)的另一端分别安装在第二输入轴(1-2)上，位于沿中心对称设置的第一限位槽(1-2a)和第二限位槽(1-2b)中，限位销可在其对应的限位槽中移动。

2.根据权利要求1所述的一种基于片簧的变刚度柔性关节，其特征在于，所述片簧的一端通过安装座安装在第二输出轴(2-2)的筒状内壁上。

3.根据权利要求2所述的一种基于片簧的变刚度柔性关节，其特征在于，所述控制电机(3-1)为伺服电机或步进电机。

4.根据权利要求2所述的一种基于片簧的变刚度柔性关节，其特征在于，所述位移传感器(4-1)为光电传感器或直线位移传感器。

5.一种基于片簧的变刚度柔性关节的控制方法，其特征在于，使用如权利要求1至权利要求4中任意一项所述的基于片簧的变刚度柔性关节，包括以下步骤：

步骤一、开始，首先通过计算机(5-3)设定关节刚度值，记为K₀；

步骤二、根据位移传感器(4-1)反馈的滑块组(3-5)当前位置L_i，通过公式计算当前的实际刚度值，记为K_i；

式中：N-片簧数，E-片簧的弹性模量，b-片簧厚度，h-片簧宽度，l-关节轴心与片簧受力点距离，ψ-输入轴被动转角，L₀-片簧原长，L_i-滑块当前位置；

步骤三、刚度控制器(5-2)根据设定的关节刚度值K₀，计算出滑块组(3-5)的理论位置L₁；

步骤四、位移传感器(4-1)检测当前滑块组(3-5)的实际位置L_i，并将检测到的滑块组(3-5)实际位置L_i实时上传至刚度控制器(5-2)；

步骤五、刚度控制器(5-2)根据位移传感器(4-1)检测的滑块组(3-5)的实际位置L_i与滑块组(3-5)的理论位置L₁进行比较，判断是否一致；若为一致，进入步骤七；若不一致，进入步骤六；

步骤六、刚度控制器通过电机驱动器(5-1)驱动控制电机(3-1)运行，带动滑块组(3-5)运动，进入步骤四；

步骤七、结束。