[发明专利]一种用于机器人关节的变刚度驱动系统

说明书

本发明公开了一种用于机器人关节的变刚度驱动系统，包括有A单边变刚度组件(1)、B单边变刚度组件(2)、对拉盘组件(3)和支撑组件(4)。其中，A单边变刚度组件(1)与B单边变刚度组件(2)相对放置在支撑组件(4)上，且保持在同一轴向上。A单边变刚度组件(1)中的A卷轮(1C)、B单边变刚度组件(2)中的B卷轮(2C)通过一条钢丝绳与对拉盘组件(3)中对拉盘(3A)实现连接。变刚度机构采用蜗轮蜗杆传动组件、滑轮绳绕组件和钢丝绳三者的运动，实现加载外力矩时两轴之间会产生一定的角度变形，并且其外力矩与角度变形之间并不是线性关系，从而实现变刚度功能。在机械臂或外骨骼机器人中使用本发明的变刚度驱动系统，可以有效的在碰撞时保护驱动系统和使用者，并能实现关节位置及刚度的独立控制。

技术领域

本发明涉及机器人关节的变刚度驱动机构，更特别地说，是指一种采用绳索进行对拉式驱动的实现机器人关节变刚度的驱动系统。

背景技术

传统的机器人为了实现较高的位置精度，其关节多为刚性关节，这样很难实现安全舒适的人机交互功能。为了解决这个问题，人们提出并开发了变刚度关节。变刚度关节具有储能能力，这样有助于减少或消除在碰撞时对驱动系统和使用者的损伤，这对提高机器人的能效、安全性和舒适性具有重要意义。到目前为止，已经研究出各种变刚度关节，主要分为两种类型：固定变刚度关节和可调变刚度关节。所设计的对拉式变刚度关节为可调变刚度关节。与固定变刚度关节相比，可调变刚度关节能够动态改变刚度。根据执行机构设置，可调变刚度关节可进一步分为两组，即独立式变刚度关节和对拉式变刚度关节。

对于独立式变刚度关节，其通常包含两个独立的驱动器，一个用于控制关节位置，另一个用于刚度调节。目前已经有许多采用独立式变刚度关节设计的机构。它们可以通过以下三种方法实现：改变传动比，调整弹簧的物理特性以及改变弹簧的预紧力。然而，变刚度关节具有两个驱动器会导致变刚度关节的重量、尺寸和复杂性显著增加，这样会使得变刚度关节的应用范围降低。

对拉式变刚度关节的概念受生物学上动物肌肉骨骼系统的启发而来。如果使用绳索进行动力传输，可以使驱动系统远离关节，这样使得关节的机械结构紧凑且具有较低的重量。然而，上述装置在大多数情况下，其关节位置和刚度的调节是耦合的。通过理论分析表明，在对拉式变刚度关节中，具有二次扭矩－挠度/力－伸长关系的弹性元件能够实现位置和刚度的解耦控制。通过使用上文中设计的变刚度机构，可以建立一个能实现位置和刚度解耦控制的变刚度关节。该变刚度机构可以通过改变绳索预紧力、弹簧刚度等参数，改变变刚度机构的刚度变化特征，使其具有二次扭矩－挠度关系。通过使用该变刚度机构，设计了一种新型的绳驱动对拉式变刚度关节驱动系统，它具有两个对拉式的变刚度机构，每个机构都具有可调的转矩－挠度特性，以实现关节的位置及刚度的独立控制。

发明内容

为了使机械臂或外骨骼机器人在应用过程中，减少或消除在碰撞时对驱动系统和使用者的损伤，本发明设计了一种用于机器人关节的变刚度驱动系统。该驱动系统为绳驱动对拉式的变刚度关节。

本发明设计的一种用于机器人关节的变刚度驱动系统，其特征在于：包括有A单边变刚度组件(1)、B单边变刚度组件(2)、对拉盘组件(3)和支撑组件(4)；

其中，A单边变刚度组件(1)与B单边变刚度组件(2)的结构相同；

其中，A单边变刚度组件(1)与B单边变刚度组件(2)的结构相同；

A单边变刚度组件(1)与B单边变刚度组件(2)相对放置在支撑组件(4)上，且保持在同一轴向上；

第一条钢丝绳缠绕在A单边变刚度组件(1)中的A卷轮(1C)、B单边变刚度组件(2)中的B卷轮(2C)、以及对拉盘组件(3)中的对拉盘(3A)上；

A单边变刚度组件(1)包括有A电机(1A)、A变刚度机构(1B)、A卷轮(1C)、A卷轮轴(1H)、A角度传感器(1G)、AA联轴器(1E)和AB联轴器(1F)；