本发明涉及机器人关节
技术领域：
：，特别涉及一种可实现刚度范围为零到无穷大的机器人用的变刚度关节及其刚度调节方法。
背景技术：
：：传统机器人为位置控制型的机器人，具有高定位精度、高速度、鲁棒性(针对位置控制)等特点，但是位置控制机器人属于一个孤立的系统，与其周边的系统基本没有信息和能量交互，一般只能应用在喷漆、搬运、焊接等不与环境接触或接触力相对较小的情况。在机器人操作一个物体或执行与环境直接交互等任务时，实现这种任务的一个重要方法是对机器人与环境的交互特性进行控制，在这种情况下，传统的位置控制不能实现机器人与环境的交互。而机器人另一个广受关注的问题则是安全问题，传统位置控制型机器人安全性很低，其作业范围常需要围栏，防止工人被其打伤，位置控制型机器人不具有柔性，若机器人能够像人的手臂一样具有柔性，其安全性将提高。针对上述机器人与人或环境进行交互的问题和安全性问题，柔顺性机器人一致被认为是解决这一问题的最佳方案。目前实现机器人的柔顺性主要有两种方法，一种是由控制实现的主动柔顺，在过去几十年研发中不断成熟，已经在实际中不断应用；另一种是主要通过硬件来实现柔性特征，通过在机械结构设计中引入柔顺性，也被称为固有柔顺性或内在柔顺性等，从机器人关节的角度看，称为变刚度关节。学术论文ANewVariableStiffnessActuator(CompAct-VSA):DesignandModelling,2011IEEE/RSJInternationalConferenceonIntelligentRobotsandSystems(一种变刚度驱动器：设计和建模，2011年国际智能机器人和系统会议)和ANewActuatorWithAdjustableStiffnessBasedonaVariableRatioLeverMechanism,IEEE/ASMETRANSACTIONSONMECHATRONICS(一种基于可变比例杠杆原理的变刚度驱动器，IEEE/ASME机电一体化学报)均通过移动杠杆转动轴位置的原理设计了两种不同结构、不同形式的变刚度关节驱动器。然而，在其计算关节刚度的过程中，均忽略了一个问题，就是没有考虑关节发生弹性位移时，杠杆一端曲面在垂直弹簧方向上的移动对弹簧能量的改变作用，该关节对抗型弹簧的能量不能简单的直接用中心位移来计算，这导致很大的关节刚度误差。依靠移动杠杆转动轴原理设计的变刚度关节，其刚度调节特性存在缺点，关节刚度处于低刚度范围时，刚度调整速度慢，即使调整很小的刚度变化值也需要刚度电机或减速机输出很大的位移，非常不适合在需要关节刚度需要快速调整的情况；当关节刚度处于高刚度范围时，关节刚度对刚度电机或减速机位移的变化速度过快，即使微小的电机或减速机角位移也能导致关节刚度剧烈变化，在实际物理系统中，由于编码器分辨率、齿轮传动间隙、闭环控制等原因，传动误差一定存在，减速机输出角位移具有一定的分辨率，造成刚度调整准确率低或刚度调节失效，不能有效调整关节刚度。技术实现要素：本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种机器人用的变刚度关节，该结构的变刚度关节通过一种连杆机构来移动杠杆转动轴位置，利用其机构奇异位型降低高刚度范围内的刚度调节速度，并提高低刚度范围内的刚度调节速度，从而得到一种刚度调节范围为零调节到无穷大的刚度调节特性很好的变刚度关节。本发明的另一目的在于提供一种上述机器人用的变刚度关节的刚度调节方法。本发明的技术方案为：一种机器人用的变刚度关节，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，三连杆一端设置杠杆转动轴，三连杆另一端设置连杆驱动组件，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。该变刚度关节中，杠杆转动轴作为杠杆的支点，通过改变杠杆转动轴的位置来改变杠杆摆动控制组件所产生的弹簧作用力臂和输出连杆机构的外力力臂。刚度调整机构是解决刚度调节特性缺点的核心，刚度调整部分通过一种三连杆机构(作为三关节)实现杠杆转动轴的位置移动，杠杆转动轴的位置移动量与刚度调整减速机输出位移成非线性关系；并且当杠杆转动轴移动到关节刚度处于无穷大的位置时，该三连杆机构处于奇异位形，当该三连杆处于奇异位形时，杠杆移动速度为零，并且与减速机输出速度无关。当该连杆机构处于奇异位形附近时，即使刚度调整减速机速度很大，用于刚度调整的杠杆转动轴速度也非常小，从而降低了关节高刚度范围内的刚度调整速度，提高了刚度调整准确率。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，滚轮的圆周侧面与杠杆外侧面相接触。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(因此圆柱端部的外周形成大于180°的扇形，该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，且该外侧面与滚轮相接触)，长孔贯穿于圆柱端部和矩形段中。其中，矩形段上与圆柱端部相对的一端设置输出连杆机构中的第一轴承，杠杆通过第一轴承与输出连杆机构连接。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。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。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。其中，第一编码器实时测量刚度调整电机的角位移，刚度调整减速机通过锥齿轮组驱动第一连杆，第二连杆通过轴承与第一连杆构成旋转关节，第三连杆也通过轴承与第二连杆构成旋转关节，导轨固定在支架上，第三连杆与导轨构成直线运动副，第三连杆可沿导轨进行直线运动。连杆驱动组件中，刚度调整电机通过锥齿轮组驱动第一连杆，组成锥齿轮组的两个锥齿轮轴线垂直相交，其中与第一连杆连接的锥齿轮中心线与杠杆的长孔中心线在同一直线上，设第一连杆的长度为l1，第二连杆的长度为l2，与第一连杆连接的锥齿轮和第二连杆末端的距离为l3，杠杆中长孔的长度为δ，上述各长度需满足l1+l2＝δ+l3。所述位置调整机构包括主体机架、位置调整电机、第二编码器和位置调整减速机，第二编码器、位置调整电机和位置调整减速机依次连接，主体机架位置调整减速机外周，刚度调整机构中的支架设于主体机架上。其中，第二编码器对位置调整电机的角位移进行位置闭环控制。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。其中，第三编码器用于测量输出连杆相对于支架的弹性位移，位置调整机构通过支架和第二轴承对输出连杆的位置进行调节，刚度调整机构通过杠杆和第一轴承对输出连杆的关节刚度进行调节。所述输出连杆底部设有两个第二限位柱，两个第二限位柱分别位于杠杆的两侧。两个第二限位柱限制了输出连杆相对于支架的弹性位移。由上述机器人用的变刚度关节实现的刚度调节方法是：通过三连杆带动杠杆转动轴在杠杆中部的长孔中滑动，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(该端点与关节中心重合)，杠杆转动轴作为杠杆的支点；当杠杆转动轴位于长孔的输出连杆机构远离端时，输出连杆机构的关节刚度为零；当杠杆转动轴位于长孔的输出连杆机构连接端时，输出连杆机构的关节刚度为无穷大，此时三连杆处于奇异位形，第一连杆、第二连杆和第三连杆形成同一直线；当杠杆转动轴位于长孔的中部时，输出连杆机构的关节刚度为零到无穷大之间的某一数值。其具体计算方法如下：假设P为杠杆转动轴中心，O为关节中心(即下述杠杆曲面中心或输出连杆机构远离端)，A为第一轴承中心(即输出连杆机构连接端)，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。假设关节有弹性转动位移，为参数θs，设为逆时针方向，由关节弹性转动位移θs可求得杠杆曲面中心O点的水平位移σ为：假设δ1为杠杆转动轴与关节中心的距离，δ为杠杆中长孔的长度，利用三角形余弦公式求得可求出sinφ为：杠杆上，输出连杆机构远离端的O点垂直弹簧方向的位移ζ为：设ε0为预压缩弹簧的初始压缩量，r为杠杆上输出连杆机构远离端的O点半圆面的半径，rg为与预压缩弹簧的滚轮的半径，在O点垂直弹簧方向位移为为ζ的情况下，则杠杆上输出连杆机构远离端的半圆面圆心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ks为弹簧刚度系数，关节有弹性位移θs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，杠杆中的通孔长度为δ，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，第三连杆的移动位移为δ1，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求二阶偏导得到关节刚度为Ks为：再根据需要的刚度范围和精度要求将关节刚度Ks在α＝α0，θs＝0处展开为n阶多项式级数阶数n由刚度范围和精度要求确定，根据多项式级数计算关节刚度即可。本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：1、本变刚度关节中，当三连杆中第一连杆、第二连杆和第三连杆处于一条直线上，连杆机构处于奇异位型，杠杆转动轴的速度为零，其速度与刚度调整电机的速度无关，即使刚度调整电机的速度很高，杠杆转动轴的速度依然为零。而在连杆机构奇异位型附近，杠杆转动轴的速度与零接近，即使刚度调整电机的速度很高，杠杆转动轴的速度依然很小，所以，在奇异位型附近，同样的刚度调整电机角位移分辨率可以获得更大的杠杆转动轴直线位移分辨率。在连杆机构处于奇异位型时，关节刚度为无穷大，在奇异位型附近，微小的杠杆转动轴位移可以导致很大的关节刚度变化，改进后的变刚度关节减小了刚度对刚度调整减速机输出角位移的导数，在输出角位移分辨率一定时，刚度调整准确度更高。2、与传统的刚度调节机构相比，在刚度调节范围为零到无穷大且刚度调整减速机的角位移相同的情况下，本变刚度关节及其刚度调节方法提高了低刚度范围的刚度调节速度，改善了在低刚度范围内调节速度较低的缺点，有效提高刚度调节速度。3、在关节具有弹性位移量时，与预压缩弹簧相连的滚轮关于O点对称并随O点移动，虽然杠杆两侧的预压缩弹簧始终关于O点对称，但预压缩弹簧的能量不能仅仅用O点位移表示，需考虑O点在预压缩弹簧垂直方向上的位移，该位移对关节刚度影响很大，因此在计算关节刚度的过程中必须考虑O点在预压缩弹簧垂直方向上的位移。本刚度调节方法的计算过程没有进行简化，能够得到更准确的刚度计算公式，然后根据实际刚度范围要求和精度要求将刚度展开为多项式级数，并可以根据余项精确知道误差的范围，与现有计算方法相比，其准确度更高，通过多项式函数计算刚度速度更快。附图说明图1为本变刚度关节的整体结构示意图。图2为本变刚度关节中刚度调整机构的结构示意图。。图3为进行刚度计算时的结构原理图。图4为实施例中刚度Ks与第一连杆的角位移为α的归一化曲线函数图。图5为实施例中刚度Ks与关节弹性位移θs的归一化曲线函数图。具体实施方式下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。实施例本实施例一种机器人用的变刚度关节，其刚度可实现从零到无穷大的调节。如图1所示，变刚度关节包括依次连接的位置调整机构1、刚度调整机构2和输出连杆机构3，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，如图2所示，刚度调整机构包括支架4、三连杆(即由下述第一连杆5、第二连杆6和第三连杆7组成)、杠杆8、杠杆转动轴9及杠杆摆动控制组件(即由下述滚轮10、滚轮座11、预压缩弹簧12、压缩弹簧支座13、第一限位柱14和第一限位块15组成)，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，三连杆一端设置杠杆转动轴，三连杆另一端设置连杆驱动组件，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。该变刚度关节中，杠杆转动轴作为杠杆的支点，通过改变杠杆转动轴的位置来改变杠杆摆动控制组件所产生的弹簧作用力臂和输出连杆机构的外力力臂。刚度调整机构是解决刚度调节特性缺点的核心，刚度调整部分通过一种三连杆机构(作为三关节)实现杠杆转动轴的位置移动，杠杆转动轴的位置移动量与刚度调整减速机输出位移成非线性关系；并且当杠杆转动轴移动到关节刚度处于无穷大的位置时，该三连杆机构处于奇异位形，当该三连杆处于奇异位形时，杠杆移动速度为零，并且与减速机输出速度无关。当该连杆机构处于奇异位形附近时，即使刚度调整减速机速度很大，用于刚度调整的杠杆转动轴速度也非常小，从而降低了关节高刚度范围内的刚度调整速度，提高了刚度调整准确率。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，滚轮的圆周侧面与杠杆外侧面相接触。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(因此圆柱端部的外周形成大于180°的扇形，该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，且该外侧面与滚轮相接触)，长孔贯穿于圆柱端部和矩形段中。其中，矩形段上与圆柱端部相对的一端设置输出连杆机构中的第一轴承16，杠杆通过第一轴承与输出连杆机构连接。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。杠杆与支架的相接面上设有导轨17，杠杆转动轴沿着导轨在杠杆的长孔内进行滑动。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18、刚度调整电机19、刚度调整减速机20和锥齿轮组21，锥齿轮组的输出端与第一连杆的输入端连接。其中，第一编码器实时测量刚度调整电机的角位移，刚度调整减速机通过锥齿轮组驱动第一连杆，第二连杆通过轴承与第一连杆构成旋转关节，第三连杆也通过轴承与第二连杆构成旋转关节，导轨固定在支架上，第三连杆与导轨构成直线运动副，第三连杆可沿导轨进行直线运动。连杆驱动组件中，刚度调整电机通过锥齿轮组驱动第一连杆，组成锥齿轮组的两个锥齿轮轴线垂直相交，其中与第一连杆连接的锥齿轮中心线与杠杆的长孔中心线在同一直线上，设第一连杆的长度为l1，第二连杆的长度为l2，与第一连杆连接的锥齿轮和第二连杆末端的距离为l3，杠杆中长孔的长度为δ，上述各长度需满足l1+l2＝δ+l3。本实施例中，第一连杆、第二连杆和杠杆内长孔的长度相等。如图1所示，位置调整机构包括主体机架22、位置调整电机23、第二编码器24和位置调整减速机25，第二编码器、位置调整电机和位置调整减速机依次连接，主体机架位置调整减速机外周，刚度调整机构中的支架设于主体机架上。其中，第二编码器对位置调整电机的角位移进行位置闭环控制。输出连杆机构包括输出连杆26、第一轴承16、第二轴承27和第三编码器28，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。其中，第三编码器用于测量输出连杆相对于支架的弹性位移，位置调整机构通过支架和第二轴承对输出连杆的位置进行调节，刚度调整机构通过杠杆和第一轴承对输出连杆的关节刚度进行调节。输出连杆底部设有两个第二限位柱29，两个第二限位柱分别位于杠杆的两侧。两个第二限位柱限制了输出连杆相对于支架的弹性位移。由上述机器人用的变刚度关节实现的刚度调节方法是：通过三连杆带动杠杆转动轴在杠杆中部的长孔中滑动，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(该端点与关节中心重合)，杠杆转动轴作为杠杆的支点；当杠杆转动轴位于长孔的输出连杆机构远离端时，输出连杆机构的关节刚度为零；当杠杆转动轴位于长孔的输出连杆机构连接端时，输出连杆机构的关节刚度为无穷大，此时三连杆处于奇异位形，第一连杆、第二连杆和第三连杆形成同一直线；当杠杆转动轴位于长孔的中部时，输出连杆机构的关节刚度为零到无穷大之间的某一数值。即：如图2所示，杠杆左端(即输出连杆机构远离端)的曲面为一个圆，右端(即输出连杆机构连接端)安装有第一轴承，通过第一轴承与输出连杆构成转动连接。杠杆中部切有槽口(即上述长孔)，槽口两端分别为半圆弧，圆弧直径与杠杆转动轴的直径相等，左端槽口位置位于关节中心位置，杠杆转动轴可在槽口中进行运动，杠杆绕杠杆转动轴进行转动，随着杠杆转动轴位置的不同，杠杆的转动中心不断变化。当杠杆转动轴在槽口左端位置时，因为杠杆转动时并不对预压缩弹簧进行压缩，所以杠杆在机械限位内可以自由转动，与杠杆通过第一轴承连接的输出连杆在机械限位内也能自由转动，此时关节刚度为零；当杠杆转动轴在槽口右端位置时，则杠杆右端位置固定，也即第一轴承的位置不能移动，那么与轴承连接的输出连杆也不能移动，此时关节刚度为无穷大；当杠杆转动轴不在杠杆槽口的左右两端极限位置时，其处于槽口中部的某位置，第一轴承安装在输出连杆中，在外力作用下输出连杆带动第一轴承逆时针转动，杠杆绕杠杆转动轴转动并有微小移动，进而压缩位于其下方的预压缩弹簧，所以关节形成一定的刚度；当输出连杆带动第一轴承顺时针转动时，杠杆压缩位于其上方的预压缩弹簧，关节形成一定刚度，关节顺时针和逆时针方向都能形成一定刚度，因为杠杆两边的预压缩弹簧成对称布置，所以关节顺时针和逆时针方向刚度相同。上述变刚度关节的刚度具体计算方法如下：如图3所示，设关节有弹性转动位移，为参数θs，设为逆时针方向，P为杠杆转动轴中心，O为关节中心(即下述杠杆曲面中心或输出连杆机构远离端)，A为第一轴承中心(即输出连杆机构连接端)，由关节弹性转动位移θs可求得杠杆曲面中心O点的水平位移σ为：其中关节弹性转动位移θs是关节发生的弹性变形量。假设δ1为杠杆转动轴与关节中心的距离，δ为杠杆中长孔的长度，利用三角形余弦公式求得可求出sinφ为：杠杆上，输出连杆机构远离端的O点垂直弹簧方向的位移ζ为：设ε0为预压缩弹簧的初始压缩量，r为杠杆上输出连杆机构远离端的O点半圆面的半径，rg为与预压缩弹簧的滚轮的半径，在O点垂直弹簧方向位移为为ζ的情况下，则杠杆上输出连杆机构远离端的半圆面圆心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ks为弹簧刚度系数，关节有弹性位移θs时增加的弹簧能量ΔE为本实施例中，由于第一连杆和第二连杆的长度均与长孔长度相等，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，α初始值为π/6，第三连杆的移动位移为δ1，可求出δ1与α的关系为：δ1＝2δsinα-δ，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求二阶偏导得到关节刚度为Ks为：设ks＝10000N/m，r＝3mm，rg＝7mm，δ＝35mm，∈0＝10mm，l1＝l2＝35mm，刚度Ks与第一连杆的角位移为α的归一化曲线函数如图4所示；在δ1＝20mm时，刚度Ks与关节弹性位移θs的归一化曲线函数如图5所示。在实际应用中，刚度精度要求不高时，将上式中的刚度Ks在α＝π/6和θs＝0处展开为7阶多项式和为：通过该多项式级数计算关节刚度即可。如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本
发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。当前第1页1 2 3 当前第1页1 2 3