[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

说明书

本发明公开了一种基于片簧的变刚度柔性关节，包括输入轴、输出轴、刚度调整机构、位移检测系统和控制系统，所述的输入轴包括第一输入轴和第二输入轴；所述的输出轴包括第一输出轴、第二输出轴、输出端盖；所述的刚度调整机构包括控制电机、调度盘、连杆组、片簧组和滑块组；所述输入轴与输出轴之间通过转动副进行配合，并固定在其中；所述的刚度调整机构安装在输出轴上，其中控制电机固定在第一输出轴底部，片簧组固定在第二输出轴内侧，滑块组安装在第二输出轴的滑槽中。本柔性关节不仅结构简单、可小型化，而且易于控制，同时刚度可线性调节，调节精度高，误差小，应用范围广。

技术领域

本发明涉及一种柔性关节，特别是一种基于片簧的可变刚度柔性关节及其控制方法，属于机器人技术领域。

背景技术

机器人技术及其驱动器技术作为一种战略性高科技技术，对未来新兴产业具有极强的带动性与技术辐射性，发展机器人技术、驱动技术及感知技术，对促进经济社会发展、增强国防实力、提高突发事件应急处理能力、改善民生等具有深远意义。目前，机器人在人机交互领域已得到了广泛应用，如在工业领域，机器人已经开始参与人类劳动，并与人协作完成任务；在服务行业，也已经推出了餐饮业服务机器人、人形机器人等。这表明机器人与人类的关系越来越密切，人机交互的可靠性、安全性也就越来越受到人们的关注，因此机器人安全、高效参与人类活动也显得尤为重要。而传统的刚性关节机器人无法满足人机交互的这些要求，因此研究新型的变刚度机器人柔性关节成为了人机交互领域的重要课题。

柔性关节作为机器人的重要组成部分，其由于装有柔性元件，故能有效地缓冲机器人在操作或者行走过程中产生的振动与冲击，减少关节损耗，保护机器人内部精密仪器免受影响，保障人机交互的安全性、可靠性；又由于柔性关节刚度可调，故而可以根据不同的要求调节关节刚度，以满足不同工作环境下的刚度要求；再者柔性关节由于体积可变、结构较为简单，所以实际应用适应性较强，可根据需求进行生产。

近年来，未知环境刚度的机器人力控制研究已成为一个研究热点。柔性变刚度关节因在未知环境刚度下具有良好的性能，受到越来越广泛的关注。目前柔性关节的结构形式主要有拮抗型、弹簧型、摩擦片型、变传输型和混合型五种，其大多存在结构复杂、体积大、控制过程繁杂及刚度线性控制难的问题，例如中国专利CN201610847050.2公开了一种刚度连续可调的机器人柔性关节，其通过压缩浮动弹簧的预压缩量实现刚度可调，虽能够实现刚度连续可调，但其结构复杂、体积大，环境适应性差；中国专利CN201410062727.2公开了一种变刚度连轴器及变刚度驱动机构，其通过弹性簧片的变形实现刚度调节，但由于弹性簧片既有弯曲变形又有扭转变形，故其刚度为非线性变化，进而要实现刚度调节比较困难；中国专利CN201510114055.X公开了一种可变刚度的柔性关节，其采用多级齿轮传动机构，传递过程复杂且精度低，不易控制刚度，且结构较为复杂，应用受限。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于片簧的可变刚度柔性关节及其控制方法，本柔性关节不仅结构简单、可小型化，而且易于控制，该控制方法可线性调节关节刚度，调节精度高，误差小，应用范围广。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于片簧的变刚度柔性关节，包括输入轴、输出轴、刚度调整机构、位移检测系统和控制系统；

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

所述输出轴包括第一输出轴、第二输出轴、输出端盖，所述第一输出轴和第二输出轴均为一端封闭的筒状结构，所述的第二输出轴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，所述第一输出轴、第二输出轴、输出端盖依次扣合固定；