[发明专利]一种可变刚度驱动执行器及机器人

说明书

本发明公开了一种可变刚度驱动执行器及机器人，包括支撑组件、刚度调节组件、动力驱动组件和传感系统；所述支撑组件为刚度调节组件、动力驱动组件和传感系统提供支撑；所述传感系统获取动力驱动组件输出端的转角，用于反馈控制校正；所述刚度调节组件对动力驱动组件的输出端的输出刚度进行调节。采用行星布局的同步带传动机构结合蜗轮蜗杆减速机构，不仅避免了传统减速器的重量和尺寸缺点，也在极为紧凑的空间内实现了独立地对弹性元件的同步调节。

技术领域

本发明属于机器人执行器领域，具体涉及一种可变刚度驱动执行器及机器人。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，传统的机器人已无法满足各行各业对自动化装备所提出的新要求。机器人也从传统的汽车制造、生产搬运等应用场景，越来越多地拓展至生活服务、医疗康复、军事协作等领域。这些新的机器人应用领域属于高度的人机交互场合，对机器人的安全性和柔顺性要求极高。机器人可以从两大方向满足安全性和柔顺性的两大要求，其一，利用传统的高刚性机器人及多点传感器结合阻抗控制等复杂的控制算法，机器人可实现一定程度的柔顺运动，属于算法(软件)层面的解决方案；但是，该方向不仅对硬件(机器人本体+传感系统)的精度要求较高，其关键的柔顺控制算法性能(自适应性+高可靠性+高速实时性)更是极为难以实现；综合难度和成本极高，极大地限制了其发展与应用。其二，在硬件层面开发新型可变刚度驱动的机器人执行器，通过独立调节机器人的刚度，使得机器人能够在人机交互过程中实时调节交互作用力，即交互力较大时，机器人适当减小自身输出刚度，反之则适当增加输出刚度，从而实现安全的柔顺交互运动；机器人变刚度驱动主要从硬件层面实现，具有优良的动态特性，自适应性能较好，控制难度较低，成本低廉；此外，变刚度机构中的弹性元件还具有能量储存与释放的机械优点，可显著降低系统能耗；因此，变刚度驱动的机器人得到了国内外研究人员的追捧。

现有的变刚度驱动器依据原理主要分为四大类：(1)变弹性元件平衡位置(结构)，(2)变传动杠杆比率，(3)变弹性元件预紧力，(4)拮抗作用变刚度。尽管变刚度驱动执行器应用在机器人上面具有诸多优点；

但是，申请人发现：现有的变刚度驱动器均存在不同的缺点，如基于变弹性元件平衡位置的非线性弹性元件属于被动变刚度的范畴，机构设计完成后则刚度特性完全取决于非线性弹性元件本身，机构的适应性十分有限；变弹性元件预紧力的执行器大多受制于预紧机构的调节余量，虽然结构上相对较为紧凑，但运动柔顺性较差，预紧力的精确获取较为困难；拮抗作用变刚度执行器是模仿人体肌肉特性的一类仿生装置，但机构极为臃肿，拮抗作用力的控制比较困难，耦合干扰难以消除，系统稳定性较差，精确控制最为困难；变传动杠杆比率原理的变刚度驱动器大多基于悬臂梁理论，通过改变作用在弹性元件(多为叶片弹簧)上的力作用点或杠杆支撑点或弹性元件固定支点实现输出刚度调节，控制简单，实现方式相对容易；但是，现有变传动杠杆比率原理的变刚度驱动器均存在：变刚度单元存在寄生运动、体积、重量较大、结构复杂、外观不具美感、摩擦较大、调节刚度有限、关节旋转角度较小等问题，限制了其在机器人上的应用。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题，本发明第一目的是提供一种可变刚度驱动执行器，特别适用于机器人在人机交互时适时调节交互作用力，能够满足人机交互场合的安全性和柔顺性需求；本发明的第二目的是提供一种利用上述可变刚度执行器的机器人。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种可变刚度驱动执行器，包括支撑组件、刚度调节组件、动力驱动组件和传感系统；

所述支撑组件为刚度调节组件、动力驱动组件和传感系统提供支撑；

所述传感系统获取动力驱动组件输出端的转角，用于反馈控制校正；

所述动力驱动组件通过动力输出元件转动从而驱动负载；