一种完全约束柔索并联机器人变刚度装置的制作方法

本发明涉及柔索机器人领域，具体是一种完全约束柔索并联机器人变刚度装置。

背景技术：

近年来，随着机器人技术，特别是柔索并联机器人技术的发展，研究和开发人-机器人-环境共融交互的柔索并联机器人已成为该类机器人的研究热点，如穿戴式机器人、康复机器人等柔索并联机器人。该类机器人都具有共同的特点：都存在使用者与机器人本体接触的物理性人机交互。相对于传统的刚性并联机器人，柔索并联机器人虽具有较好的柔顺性，但相对于使用者而言，仍具有较高的刚度特性，人机交互操作时，可能会使使用者受到伤害，机器人的人机交互安全性已经受到广泛关注。而这类问题解决的关键是机器人在控制位置的同时，要具有良好的柔顺变刚度特性。由于柔索并联机器人本体的笛卡尔空间刚度难以进行大范围调整，因此需要将柔索串联一个具有非线性刚度特性的辅助机构，即变刚度装置。依据刚度的串联定理，通过调整易变刚度的变刚度装置，进而改变整个机器人笛卡尔空间刚度，进而满足人机交互安全性和环境适应性的要求。变刚度装置根据任务需求可简便调节系统笛卡尔空间刚度，可有效提高机器人人机亲切度和安全性，进而追求更高的人机环境和谐共融的机器人设计应用理念，其应用前景十分广阔。

目前，国内外关于变刚度装置的研究，已取得一些不错的成果，但针对的大多是确定的机器人或机构，而考虑到一类或可适应多种机器人或机构的变刚度装置的研究则相对较少。因此，如何设计一种适合完全约束柔索并联机器人变刚度装置，使机器人容易实现良好的柔顺变刚度特性，是目前人机交互性柔索并联机器人可靠性及安全性领域的一个研究重点。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种完全约束柔索并联机器人变刚度装置，以为柔索机器人提供良好的柔顺变刚度特性。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种完全约束柔索并联机器人变刚度装置，其特征在于：包括主机箱，主机箱底部设有两道均平行于前后方向的中空圆柱形直线导向槽，两道中空圆柱形直线导向槽整体在左右方向错开一段距离，且两道中空圆柱形直线导向槽在前后方向之间间隔一段距离，每道中空圆柱形直线导向槽中分别滑动安装有压缩弹簧，每道中空圆柱形直线导向槽中还分别设有圆形隔板，压缩弹簧的轴向平行于所在的中空圆柱形直线导向槽，压缩弹簧一端固定于主机箱对应侧内壁，压缩弹簧另一端嵌套于圆形隔板；

主机箱内设有活动导向轮支撑轴、活动导向轮及一对二力滑杆，两二力滑杆在前后方向呈对称倾斜，且两二力滑杆整体在左右方向错开一段距离，两二力滑杆倾斜下端一一对应于圆形隔板接触，圆形隔板被约束在圆柱形直线导向槽内并随二力滑杆倾斜下端的运动而沿着中空圆柱形导向槽轴向运动，使压缩弹簧受压变形。活动导向轮支撑轴轴向平行于左右方向，两二力滑杆倾斜上端共同转动连接至活动导向轮支撑轴，活动导向轮固定于两二力滑杆连接处之间的活动导向轮支撑轴中间位置，由活动导向轮支撑轴、两二力滑杆构成等腰三角形一，等腰三角形一中以活动导向轮支撑轴为顶点、两二力滑杆为腰部；

主机箱内还转动安装有一对固定导向轮支撑轴，两固定导向轮支撑轴轴向平行于活动导向轮支撑轴轴向，两固定导向轮支撑轴分别位于活动导向轮支撑轴前、后方并相互对称，每个固定导向轮支撑轴中间分别固定有固定导向轮，固定导向轮大小与活动导向轮大小相同，由活动导向轮中心与两固定导向轮中心构成等腰三角形二，等腰三角形二中以活动导向轮中心为顶点，活动导向轮中心与固定导向轮中心之间连线为腰部；

主机箱前、后侧分别设有柔索进出口，两侧柔索进出口确定的直线位于两固定导向轮中心确定的直线正下方，还包括柔索，柔索从一侧柔索进出口穿入主机箱，然后绕过对应侧固定导向轮底部后再绕过活动导向轮顶部，最后绕过另一个固定导向轮底部后从另一侧柔索进出口穿出。

所述的一种完全约束柔索并联机器人变刚度装置，其特征在于：主机箱底部，位于两道中空圆柱形直线导向槽前后方向间隔位置设有二力滑杆挡块，由二力滑杆挡块限位约束两二力滑杆的运动，使两二力滑杆始终与活动导向轮支撑轴构成等腰三角形一。

所述的一种完全约束柔索并联机器人变刚度装置，其特征在于：主机箱左、右侧其中一侧设为敞口，敞口处盖合连接盖板，轴向平行于左右方向的固定导向轮支撑轴各自一端转动连接于盖板，另一端转动连接于主机箱相对于盖板的侧面。

所述的一种完全约束柔索并联机器人变刚度装置，其特征在于：所述盖板及盖板相对的主机箱侧面设有圆柱形凹槽，通过圆柱形凹槽转动连接固定导向轮支撑轴的轴端。

所述的一种完全约束柔索并联机器人变刚度装置，其特征在于：所述活动导向轮由轴向两侧开口挡圈夹持限位于活动导向轮支撑轴中间位置，两二力滑杆倾斜上端由开口挡圈单侧夹持限位于活动导向轮支撑轴两端，固定导向轮由轴向两侧开口挡圈夹持限位于固定导向轮支撑轴中间位置。

与现有技术相比，本发明的优点为：

1、本发明设计的对称二力滑杆——直线导向槽及两固定导向轮——柔索——活动导向轮构成的两组可变等腰三角形机构配合压缩弹簧，使得所述变刚度装置获得良好的非线性正刚度特性，驱动柔索张力越大，变刚度装置的刚度越大。

2、本发明理论上可以实现从零刚度到完全刚性的可调刚度输出，通过柔索的串联效应，可以显著地调整机器人的笛卡尔空间刚度，提高了人机交互的安全性。

3、本发明的可调刚度值是关于柔索张力的函数，即通过调整柔索张力即可调整其刚度，对于完全约束柔索并联机器人，实现其刚度调整简单方便。

4、本发明可采用不同刚度的线性压缩弹簧可获得不同的可调刚度范围。

附图说明

图1是本发明的外观图。

图2是本发明去盖板后的正视及轴侧图，其中：

图2a为正视图，图2b为轴侧图。

图3是本发明主机箱正视及剖视图，其中：

图3a是正视图，图3b是剖视图。

图4是本发明盖板正视图。

图5是本发明对称二力滑杆和活动导向轮组机构及固定导向轮轴测图，其中：

图5a是对称二力滑杆和活动导向轮组机构轴测图，图5b是固定导向轮轴测图。

图6是本发明去主机箱及盖板后轴测图。

图7是本发明串接柔索后去盖板正视图。

图8是完全约束柔索并联机器人结构简图。

图9是本发明变刚度实现原理图。

图10是本发明单个弹簧受力简图。

图11是柔索-变刚度装置的受力变形特性曲线。

图12是本发明的力-刚度特性曲线。

图中标号说明：

图中：1:主机箱，2:盖板，3:内六角螺钉，21:活动导向轮，22:固定导向轮一，23:固定导向轮二，24:二力滑杆，25:二力滑杆挡块，26:压缩弹簧，27:圆形隔板，31:柔索进出口，32:圆柱形凹槽，33:二力滑杆挡块固定槽，34:中空圆柱形直线导向槽，51:活动导向轮支撑轴，52:开口挡圈，61:固定导向轮支撑轴，71:柔索。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，一种完全约束柔索并联机器人变刚度装置，包括主机箱1，主机箱1底部设有两道均平行于前后方向的中空圆柱形直线导向槽34，两道中空圆柱形直线导向槽34整体在左右方向错开一段距离，且两道中空圆柱形直线导向槽34在前后方向之间间隔一段距离，每道中空圆柱形直线导向槽34中分别滑动安装有圆形隔板27，每道中空圆柱形直线导向槽34中还分别设有压缩弹簧26，压缩弹簧26的轴向平行于所在的中空圆柱形直线导向槽34，压缩弹簧26一端固定于圆形隔板27，压缩弹簧26另一端固定于主机箱1对应侧内壁；

主机箱1内设有活动导向轮支撑轴51、活动导向轮21及一对二力滑杆24，两二力滑杆24在前后方向呈对称倾斜，且两二力滑杆24整体在左右方向错开一段距离，两二力滑杆24倾斜下端一一对应与圆形隔板27接触，圆形隔板27被约束在圆柱形直线导向槽34内并随二力滑杆24倾斜下端的运动而沿着中空圆柱形导向槽34轴向运动，使压缩弹簧26受压变形。活动导向轮支撑轴51轴向平行于左右方向，两二力滑杆24倾斜上端共同转动连接至活动导向轮支撑轴51，活动导向轮21固定于两二力滑杆24连接处之间的活动导向轮支撑轴51中间位置，由活动导向轮支撑轴51、两二力滑杆24构成等腰三角形一，等腰三角形一中以活动导向轮支撑轴51为顶点、两二力滑杆24为腰部；

主机箱1内还转动安装有一对固定导向轮支撑轴61，两固定导向轮支撑轴61轴向平行于活动导向轮支撑轴51轴向，两固定导向轮支撑轴61分别位于活动导向轮支撑轴51前、后方并相互对称，每个固定导向轮支撑轴61中间分别固定有固定导向轮，固定导向轮大小与活动导向轮21大小相同，由活动导向轮21中心与固定导向轮一22、固定导向轮二23中心构成等腰三角形二，等腰三角形二中以活动导向轮21中心为顶点，活动导向轮21中心分别与固定导向轮一22、固定导向轮二23中心之间连线为腰部；

主机箱1前、后侧分别设有柔索进出口31，两侧柔索进出口31确定的直线位于固定导向轮一22、固定导向轮二23中心确定的直线正下方，还包括柔索71，柔索71从一侧柔索进出口穿入主机箱1，然后绕过固定导向轮一22底部后再绕过活动导向轮21顶部，最后绕过固定导向轮二23底部后从另一侧柔索进出口穿出。

主机箱1底部，位于两道中空圆柱形直线导向槽34前后方向间隔位置设有二力滑杆挡块25，由二力滑杆挡块25限位约束两二力滑杆24的运动，使两二力滑杆24始终与活动导向轮支撑轴51构成等腰三角形一。

主机箱1左、右侧其中一侧设为敞口，敞口处盖合连接盖板2，轴向平行于左右方向的活动导向轮支撑轴51、固定导向轮支撑轴61各自一端转动连接于盖板2，活动导向轮支撑轴51、固定导向轮支撑轴61各自另一端转动连接于主机箱1相对于盖板2的侧面。

盖板2及盖板2相对的主机箱1侧面设有圆柱形凹槽32，通过圆柱形凹槽32转动连接活动导向轮支撑轴51、固定导向轮支撑轴61的轴端。

活动导向轮21由轴向两侧开口挡圈夹持限位于活动导向轮支撑轴51，两二力滑杆24倾斜上端由开口挡圈52单侧夹持限位于活动导向轮支撑轴51，固定导向轮由轴向两侧开口挡圈52夹持限位于固定导向轮支撑轴61。

本发明包括主机箱、对称二力滑杆机构、活动导向轮、固定导向轮、盖板以及压缩弹簧。主机箱1底部开有2组相错开的中空圆柱形直线导向槽34，中空圆柱形直线导向槽34里安装有压缩弹簧26，压缩弹簧26一端与主机箱1内侧接触，另一端与圆形隔板27相接，圆形隔板27与二力滑杆24的倾斜下端相接，二力滑杆24的倾斜下端与圆形隔板27接触的同时还与中空圆柱形直线导向槽34底部接触，通过沿着中空圆柱形直线导向槽34挤压圆形隔板27，进而使得压缩弹簧26受压变形，倾斜上端则通过活动导向轮支撑轴51与另一根二力滑杆的一端相连，活动导向轮21安装在活动导向轮支撑轴51中间，通过两侧的开口挡圈52固定，两边则是与支撑轴相连的两组二力滑杆24，同样的两组二力滑杆亦通过外侧的开口挡圈52固定，同时与支撑轴及活动导向轮构成活动导向轮组机构，所述的活动导向轮组机构通过二力滑杆挡块25约束使之与主机箱1底部的中空圆柱形直线导向槽34始终呈等腰三角形，二力滑杆挡块25通过固定槽33固定，等腰三角形通过两组二力滑杆为等腰三角型的固定腰，连接两组二力滑杆的支撑轴为顶点，两组二力滑杆与中空圆柱形直线导向槽的接触点为底边两点，两点位置随压缩弹簧的压缩变形而对称变化。

主机箱1侧边内壁上还开有两个圆柱形凹槽32，固定导向轮支撑轴61一端卡在圆柱形凹槽32内，另一端卡在盖板2相对应的凹槽内，盖板2为一长方形薄板，为主机箱1的封装盖板，通过螺钉3与主机箱1固定；固定导向轮22则固定在固定导向轮支撑轴61中间，通过两侧的开口挡圈52固定，两组固定导向轮22与活动导向轮21大小一致且位置上呈等腰三角形，活动导向轮21随着对称二力滑杆24沿中空圆柱形直线导向槽34的滑动，可竖直上下活动，为等腰三角的顶点，两组固定导向轮22通过支撑轴固定在主机箱1内，构成等腰三角形的固定底边。

主机箱1正面及背面中间开有柔索进出口31，柔索进出口31位置与两组固定导向轮22及的中心直线的正下方，柔索71沿着进口进入主机箱1内，穿过一组固定导向轮22的底部，绕过固定导向轮22底部后连到活动导向轮21的顶部，绕过活动导向轮21顶部后连到另一组固定导向轮22的底部，绕过固定导向轮22底部后沿着柔索进出口31穿出主机箱1。柔索71在固定导向轮22底部至活动导向轮21顶部及在活动导向轮21顶部至另一固定导向轮底部这两段构成等腰三角形的腰，其长度随活动导向轮21位置的变化而变化。

本发明实现原理如下：

图8所示为一种由m(m＝n+1)根柔索驱动的n自由度的完全约束柔索并联机器人的结构简图，机器人由定平台、动平台以及连接定动平台的柔索三部分组成.柔索与定平台连接点为ai(i＝1,2,…,m)，与动平台的连接点为bi，长度矢量由li表示.建立固结于动平台的全局坐标系og-xyz，固结于运动平台质心p的动坐标系oe-xyz，矢量ai和p分别表示柔索与定平台的连接点ai和运动平台质心在全局坐标系下的位置，计算柔索长度矢量：

li＝p+rbi-ai

其中r表示从动坐标系oe-xyz到全局坐标系og-xyz的旋转矩阵.矢量f和m分别表示末端所受外力和外力矩，建立末端执行器力和力矩平衡方程：

w＝jt

其中mp和ip分别表示动平台质量和质心惯性张量，v和ω分别表示动平台质心速度和角速度矢量，g为重力加速度矢量，t＝[t1,t2,…,tm]^t为柔柔索张力矢量，为机器人的结构矩阵，表示柔索位置矢量，si＝li/||li||为柔索的单位矢量.当作用在末端执行器的广义外力发生微小变化δw时，导致末端执行器发生微小位移δx，柔索长度也将发生微小位移δl，柔索张力变化δt，由胡克定律得：

其中kc＝diag[kc1,kc2,…,kcm]和kci柔索刚度，ks表示机器人的笛卡尔空间刚度，联合式(1)、式(3)计算笛卡尔刚度：

注意到，机器人的笛卡尔空间刚度矩阵ks的值由柔索张力t及柔索系统刚度kc共同决定的.这为设计柔索并联机器人笛卡尔空间变刚度装置提供了重要的理论依据.与此同时，相对于k2，k1对于总体刚度的贡献可以忽略不计，由此可得柔索并联机器人笛卡尔空间刚度：

ks＝jkcj^t

因此为能调节柔索并联机器人的笛卡尔空间刚度，则要对柔索刚度进行控制.一般而言，柔索的刚度非常大，要获得显著的变化刚度，需要施加非常大的驱动力或者采用小刚度的柔索，前者增加无用的动力消耗，后者影响机器人负载及运动性能，基于此，为获得显著的变化刚度，本发明的变刚度装置是一种具有非线性刚度特性辅助装备，其实现柔索大范围变刚度的原理如图9所示.对于单根柔索未添加变刚度装置时，其刚度为：

k＝kc

安装变刚度装置后，其刚度为：

式中kv(t)为变刚度装置的刚度，值得注意的是，其值是关于柔索张力t的函数，进而可通过控制柔索的张力来控制柔索的刚度.对于完全约束柔索并联机器人，具有一阶驱动冗余，在给定姿态下，柔索张力的解不唯一.进而在变刚度装置的辅助作用下，通过控制机器人柔索张力可以显著地调整机器人笛卡尔空间刚度。

本发明的变刚度装置的单个压缩弹簧受力如图10所示，忽略柔索与导向轮、二力滑杆的滑动摩擦力，依据δabc和δdeg的几何关系及受力平衡计算得：

其中，t为柔索张力，f为二力滑杆下压力，ft为二力滑杆所受压缩弹簧反力，l为两导向轮间绳索缠绕长度(为简化计算，令l＝||ab||).计算弹簧反力：

ft＝kt(y-y0)

其中，kt为压缩弹簧刚度，y0和y分别表示压缩弹簧初始位置和当前位置.计算得柔索张力得：

其中，

其中，l0和l分别表示初始状态(t＝0n)柔索长度和柔索长度变化量，a、b、d和r分别为cf、bc、de和ad的长度，均为变刚度装置的常数参数.对柔索张力t关于柔索长度变化量l求一阶导数可得：

引入一组变刚度装置的参数如表1所示，按照所建的变刚度装置的刚度模型将参数输入到matlab程序中，获得柔索-变刚度装置的受力变形特性曲线，如图11所示。

表1变刚度装置的基本参数

对该装置的受力变形特性曲线求导，可得本发明所述的变刚度装置的力-刚度特性曲线，如图12所示，由图可知，该装置具有良好的非线性正刚度特性，即柔索力越大，刚度越大，且可调刚度范围较大，在理想状态下可从0n/m变化到最大的7.7×10⁴n/m。柔索力增加到50n时达到最大调整刚度，此时两固定导向轮轮槽底部与活动导向轮轮槽顶部共线，柔索被完全拉直。对图12进行曲线拟合可得该装置的刚度表达式：

kv(t)＝0.0031t⁴+0.4094t³+2.346t²+32.61t

那么机器人柔索系统刚度为

kc_v＝[kc^-1+kv^-1]^-1

其中kv＝diag[kv1(t1),kv2(t2),…,kvm(tm)]表示变刚度装置的刚度矩阵，注意到，柔索系统的刚度矩阵kc_v是关于变刚度装置刚度的函数，而本发明所述的变刚度装置具有良好的非线性正刚度特性，且其可调刚度范围较大，因此本发明对于完全约束柔索并联机器人刚度调整具有重要意义，能提高机器人的人机交互安全性。