一种压电式变刚度弹性关节的制作方法

本发明涉及一种压电式变刚度弹性关节，可用于对航天器、机器人的电机与负载之间的扭转刚度进行动态调节，提高电机的控制精度和稳定度，使之可以完成更为精细的人机交互操作。

背景技术：

目前的航天器大多都属于大型柔性展开式机构，且带有大量的光学元件，它们对指向精度和稳定度均提出了很高的要求。这种大型柔性展开机构由于尺寸大、刚度低、阻尼小的特点，在受到外部扰动时，产生的振动难以衰减并会与执行机构发生耦合，经结构传递至卫星后，将影响卫星中精密光学仪器的性能指标。同时，现代机器人将更多地融入到人们生活中，需要参与更多人机交互任务，传统机器人关节由于扭转刚度无法调节，导致其完成人机交互过程中的精细操作时，精度、稳定度较差，安全性不足。

为了提高航天器中柔性结构的控制精度，为了提高机器人的调节精度和稳定度，保证人机交互时的安全性，需在使用过程中动态调节关节的扭转刚度，以适应不同的应用场景和作业要求。

目前，国内外尚未见有关此类压电式变刚度弹性关节的文献报导。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种压电式变刚度弹性关节，可在电机驱动负载过程中动态调节柔性关节的扭转刚度，从而提高电机的控制精度和稳定度，保证人机交互任务中的安全性。

本发明要解决其技术问题所采用的技术方案是：一种压电式变刚度弹性关节；该机构由上外壳(1)、内连接环(2)、四组压电作动单元、弹性环(3)、下外壳(4)和控制计算器(9)；四组压电作动单元由压电作动器(6)、刚性外壳(7)、垫片(8)和盖板(5)组成；弹性环(3)通过四个螺钉与下外壳(4)连接；四组压电做动单元的压电作动器(6)安置于刚性外壳(7)的凹槽内，垫片(8)套在刚性外壳(7)外侧的较细一端，再通过四个螺钉由盖板(5)压紧并连接在弹性环(3)上，通过螺钉与内连接环(2)连接；内连接环(2)通过螺钉与上外壳(1)连接；压电作动器(6)通过信号传输线与控制计算器(9)连接，由控制计算器(9)给出控制信号并解算放大，以动态调节变刚度弹性关节的扭转刚度；弹性环(3)采用中空折叠结构，并具备八个薄片结构；八个薄片结构均分为四组沿径向均匀布置在弹性环(3)中部；变刚度弹性关节在工作时，控制计算器(9)给出经解算放大的信号后，压电作动器(6)产生沿径向的力，改变弹性环(3)的八个薄片结构所受拉力的大小，使弹性环(3)的刚度发生改变，进而改变了变刚度弹性关节的扭转刚度；同时弹性环(3)采用中空折叠结构，使整体结构紧凑。

所述压电作动器(6)沿径向安装在刚性外壳(7)中，使压电作动器(6)只产生沿径向的力，保证了变刚度效率；同时压电作动器(6)通过螺钉由盖板(5)压紧在弹性环(3)上，使压电作动器(6)有一定的预紧力，可使弹性环(3)的薄片结构能受到拉力或压力，提高了刚度调节范围。

所述上外壳(1)和下外壳(4)布置多种接口，使结构接口灵活，连接多种电机和负载。

本发明的原理是：本发明包括上外壳、内连接环、四组压电作动单元、弹性环、下外壳和控制计算器组成，其中四组压电作动单元由压电做动器、刚性外壳、垫片和盖板组成；过上外壳和下外壳的接口连接负载和驱动电机；压电做动器通过信号传输线与控制计算器连接，由控制计算器给出控制信号，经解算放大后，压电做动器可产生径向的力，改变八个弹性环的薄片结构所受拉力的大小，进而改变了弹性关节的扭转刚度。弹性环采用折叠结构，使整体结构紧凑。上外壳和下外壳可布置多种接口，使结构接口灵活，可连接多种电机和负载。

所述的压电作动器沿径向安装在刚性外壳中，使压电作动器只产生沿径向的力，保证了变刚度效率；同时压电作动器通过螺钉由盖板压紧在弹性环上，使压电作动器有一定的预紧力，可使弹性环的薄片结构能受到拉力或压力，提高了刚度调节范围。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)现有技术多采用各类电机作为变刚度执行机构，本发明采用压电作动器作为执行机构，相比于电机压电作动器体积小，布置灵活，使结构紧凑小巧。

(2)现有技术多采用拮抗原理设计变刚度环节，至少需使用两个执行电机同时调节关节转速和刚度，控制系统复杂，且无法独立使用，本发明采用压电作动器调节弹性环刚度的方式独立调节关节刚度，相较于现有技术可直接安装于各类电机驱动负载的场景，刚度调节控制简单，可靠性高。

(3)本发明采用中空的折叠结构，使电机驱动的同时方便电缆等其他部件从中间穿过，保证了电机驱动负载的信号传递和能量传输。这种结构设计方案是现有技术所不具备的，同时变刚度关节的上下外壳可布置多种接口，可应用于多种场景。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2和图3为本发明实施例1的结构分解图。

具体实施方式

下面以太阳翼帆板驱动机构为例，说明压电式变刚度弹性关节的实施方式。

如图1、图2和图3所示，一种压电式变刚度弹性关节由上外壳1、内连接环2、四组压电作动单元、弹性环3、下外壳4和控制计算器9；四组压电作动单元由压电作动器6、刚性外壳7、垫片8和盖板5组成；弹性环3通过四个螺钉与下外壳4连接；四组压电做动单元的压电作动器6安置于刚性外壳7的凹槽内，垫片8套在刚性外壳7较细一端，再通过四个螺钉由盖板5压紧并连接在弹性环3上，通过螺钉与内连接环2连接；内连接环2通过螺钉与上外壳1连接；上外壳1和下外壳4布置不同的接口，用于连接多种负载和驱动电机；压电作动器6通过信号传输线与控制计算器9连接，由控制计算器9给出控制信号并解算放大，以动态调节变刚度弹性关节的扭转刚度。弹性环3具备八个薄片结构，均分为四组沿径向均匀布置在弹性环3中部；变刚度弹性关节在工作时，控制计算器9给出经解算放大的信号后，压电作动器6产生沿径向的力，改变弹性环3的八个薄片结构所受拉力的大小，使弹性环的刚度发生改变，进而改变了变刚度弹性关节的扭转刚度。具体实施时，使用螺钉连接下外壳4与太阳翼帆板驱动机构，将太阳翼帆板驱动机构电缆从内连接环2中央方孔穿过，再使用螺钉连接上外壳1和太阳翼帆板或其他负载，压电式变刚度弹性关节的中空结构给电缆留出了足够安装空间，保证了太阳翼帆板的信号传递和能量传输。安装完成后，由控制计算器9给出经解算放大的信号后，压电作动器6产生沿径向的力，改变弹性环3的八个薄片结构所受拉力的大小，改变了变刚度弹性关节的扭转刚度，进而可以实时调节太阳翼帆板驱动机构与太阳翼帆板之间的扭转刚度，提高了太阳翼帆板驱动机构的控制精度和稳定性，保证了人机交互作业安全性。其他同类电机驱动负载的机构可采用相似形式具体实施。

总之，本发明能实时调节电机和负载之间的扭转刚度，结构紧凑，接口灵活，通过实时调节驱动电机和负载之间的扭转刚度，提高了电机的控制精度和稳定性，保证了人机交互作业安全性。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。