基于非线性弹性元件的可调刚度驱动器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种控制算法和机械设计技术相结合的技术，特别涉及一种基于 非线性弹性元件的可调刚度驱动器，本实用新型通过控制模块设计相关控制算法控制机械 结构实现给定力矩，最终实现可调节刚度的关节驱动器。
【背景技术】
[0002] 如今，机器人产业发展迅速，需求量大、设计周期长。迫切需要开发出一套标准化 的、集合常用机器人应用模块的硬件平台，这样有利于降低机器人应用的成本和研发风险。 因此机器人模块化的研究成为了重点，特别是机器人模块化的设计。根据机器人常用功能， 将其从机构和控制上进行分解，形成多个具有独立功能的功能模块，通过重构，组成应用所 需机器人构型。
[0003] 同样，随着机器人在工业、航天、医疗、服务等各个行业应用越来越广泛，与人交互 的机会也越来越多，保障机器人在与环境或人类交互时的安全性成为国内外重点研究目 标。
[0004] 传统机器人设计为了保证末端位置操作精确，多采用刚性的高增益控制，按照预 先规划好的路线进行动作，完成单调而重复的工作。但是，当机器人末端执行器与周围环境 发生接触时，很容易受到周围环境的影响，其人机交互安全性不高。如果结合了接触力控制 后，就可以放松对位置精度控制的要求。同时，当机器人突然受到较强力的作用的时候，传 统机器人可能因为其刚性机器人的特性会让机器人关节处受到一定的磨损，而如果采用变 刚度关节驱动器，电机和关节连杆间的弹簧会起到缓冲作用，有效保护机器人各部件的安 全，完成对机器人的柔性控制。因此，科学家提出了变刚度的设计，同时具有柔性机构的被 动安全，又具有控制精度，保证了人机交互的安全性。
[0005] 这些年来也很多专利把关注点放在机器人的变刚度关节上，分别如下：
[0006] 中国公开专利号:CN104669261A，名称:一种可同步调整位移式变刚度关节驱动器 和机器人关节刚度的一种调整方法。该实用新型采用一种可同步调整位移式变刚度关节驱 动器，利用刚度调整驱动电机驱动齿轮在柔性齿条上滚动，改变柔性齿条的受力点，使柔性 齿条发生不同程度的挠度变形，从而达到变刚度的目的。该实用新型能够精准的测量并调 整刚度，不过结构较为复杂，装配困难，且容易在高温等极端环境下变形出现偏差，适用范 围不广。
[0007] 中国公开专利号：CN104440936A，名称：一种可变刚度的机器人关节。该实用新型 中将外力通过摩擦片装置产生相应摩擦力，利用摩擦片的摩擦特性进行刚度调节。该实用 新型可以在受到较大外力冲击时改变关节刚度，不过此实用新型由于结构限制，仅仅可以 起到初步调节刚度的作用，并不能精准调节关节的刚度。 【实用新型内容】
[0008] 本实用新型的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于非线性弹 性元件的可调刚度驱动器，该可调刚度驱动器根据变刚度关节驱动器的设计，通过相关计 算算法控制，结构简单，对装配硬件装置要求不高，而且便于控制。
[0009] 本实用新型的另一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种驱动所述基于 非线性弹性元件的可调刚度驱动器的驱动方法。
[0010] 本实用新型的首要目的通过下述技术方案实现:一种基于非线性弹性元件的可调 刚度驱动器，主要包括控制电路、微处理器、驱动电机、转轴、减速机构、非线性弹簧和齿轮 蜗杆。所述微处理器接在两个驱动电机旁，微处理器和驱动电机通过转轴，减速机构和齿轮 蜗杆与非线性弹簧相连，两根非线性弹簧分别位于转杆的两侧，在未受力时处于松弛状态， 转杆中心接有连杆，连接下一个关节驱动器;每个关节驱动器的模块末端均有一个连杆部 分用来输出变化的刚度和力矩并传递给下一模块；
[0011] 所述的基于非线性弹性元件的可调刚度驱动器主要包括以下各功能组件：
[0012] 微处理器:连于驱动电机附近，用来控制驱动电机，进而控制非线性弹簧的伸缩 度。每次当外力作用的时候，微处理器传来由上一模块输出的力矩和刚度，通过相应计算得 到该模块中两根非线性弹簧的相应伸缩量，并将得到的数据传到驱动电机中。为达到更迅 速精确的控制，微处理器使用ro控制。
[0013] 驱动电机：固定在微处理器旁，用来驱动非线性弹簧，驱动电机将微处理器计算得 到的相应的信息输出到减速机构中，然后通过齿轮蜗杆将之前电机轴上的扭矩转换为横向 拉力，即转化成控制非线性弹簧的伸缩度的控制量。
[0014] 非线性弹簧:非线性弹簧与普通弹簧有所不同，内在结构的不同（非线性弹簧在其 不同的位置疏密不同）决定了非线性弹簧产生的弹力大小是与非线性弹簧伸缩量的平方成 正比。如今市场上已经有适用于各种场合下的非线性弹簧。所以无论是在高温情况还是恶 劣环境等各种特定的情况下，都有相应的非线性弹簧满足要求，这样就可以使本专利适用 于各种情况各种环境，并且很容易维修。
[0015] 连杆:处于两根非线性弹簧相接处，用来输出模块产生的力矩和刚度。
[0016] 本实用新型的基于非线性弹性元件的可调刚度驱动器可以分为控制模块和机械 构造这两部分，在机械构造这部分中，通过驱动电机转动提供相关转矩，再通过齿轮蜗杆将 扭矩转化为拉力，拉动非线性弹簧，使非线性弹簧产生形变。两根非线性弹簧同时作用在转 杆上，产生输出力矩，同时输出可调节刚度。控制模块通过算法设计，实现给定输出刚度和 力矩。本实用新型从控制模块入手，利用相关控制算法，与机械构造共同作用，不仅简化了 硬件装置，节省空间，降低了对装配的要求，而且关节驱动器的刚度变化随着外界变化而平 稳改变，具有很强的实用性。
[0017] 本实用新型的另一目的通过以下技术方案实现:一种驱动所述基于非线性弹性元 件的可调刚度驱动器的驱动方法，包括以下步骤：
[0018] 步骤1、微处理器根据给定输出力矩和输出刚度计算得到两根非线性弹簧的伸缩 量；
[0019] 步骤2、微处理器通过ro控制将相应计算结果传给两个驱动电机，驱动电机输出相 应的力矩于各自转轴中；
[0020] 步骤3、两个齿轮蜗杆分别将两个驱动电机输出的力矩转换为水平拉力，分别改变 两根非线性弹簧的伸缩量；
[0021] 步骤4、驱动器通过两根非线性弹簧各自的伸缩量实时输出相应的可调刚度与力 矩。
[0022] 本实用新型相对于现有技术具有如下的优点及效果：
[0023] 1.本实用新型实现了关节驱动器的刚度可调节化，相较传统的刚性关节，能够在 瞬时高强度冲击力作用时，利用自身柔顺特性，保护关节连杆，对整个机器人的各部位起到 很好的保护作用。
[0024] 2.本实用新型可变刚度的关节驱动器，结构设计紧凑，外观小巧，能满足空间约束 情况下的使用需求。
[0025] 3.本实用新型可变刚度的关节驱动器，在作用过程中非线性弹簧可以储存能量， 微处理器计算快速，是一种节能高效的新型驱动器。本实用新型注重于算法设计，不再是纯 机械设计，通过设计相应算法得到输入位置和输出力矩刚度之间的相互联系，并利用这种 联系计算得到相应的非线性弹簧伸缩度进而得到较为理想的输出力矩和输出刚度。
【附图说明】
[0026]图1为本实用新型中非线性弹簧和转杆位置及工作原理示意图。
[0027] 图2为本实用新型中基于非线性弹性元件构建变刚度关节驱动器机械结构第一部 分示意图。
[0028] 图3为本实用新型中基于非线性弹性元件构建变刚度关节驱动器机械结构第二部 分示意图。
[0029] 图4为本实用新型基于非线性弹性元件构建变刚度关节驱动器的算法流程。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施 方式不限于此。
[0031] 实施例
[0032] 如图4所示，一种驱动所述基于非线性弹性元件的可调刚度驱动器的驱动方法，主 要包括以下步骤：
[0033] 步骤1、如图1所示，本实用新型所述的是一种基于非线性弹性元件的可调刚度驱 动器，主要基于图1中的第一根非线性弹簧1和第二根非线性弹簧2。这两个非线性弹簧与弹 簧伸缩量的关系不再是简单的线性关系，而是与伸缩量的平方呈线性关系。
[0034] 即：
[0035] F = kx2， （1)
[0036] 上式中，F为非线性弹簧产生的弹力，k为比例系数，是一个常量，X为非线性弹簧的 伸缩量。当微处理器输出非线性弹簧相应产生伸缩量xdPx 2时，如图1第一根非线性弹簧1和 第二根非线性弹簧2分别产生的力的大小为：
[0037] A = tx；