, (2)
[0038] fi = kx] , (3)
[0039] 式(2)和式(3)中，分别表示第一根非线性弹簧1与第二根弹非线性簧2产生 的力，χι和X2分别表不第一根非线性弹簧1与第二根非线性弹簧2的伸缩量，而k为第一根非 线性弹簧1与第二根非线性弹簧2的比例系数。
[0040] 步骤2、如图3所示，包括微处理器4和机械构造第一部分，机械构造第一部分包括 第一个电机5和第二个电机6作为驱动电机，第一根转轴7和第二根转轴8负责驱动电机产生 的扭矩输出，第一个减速机构9和第二个减速机构10负责降速并提高输出扭矩，第一个齿轮 11，第一根蜗杆13和第二个齿轮12，第二根蜗杆14组成两个齿轮蜗杆，将输出扭矩转换为水 平拉力，控制非线性弹簧的伸缩量。
[0041] 如图4所示，包括机械构造第二部分，包括第一根蜗杆13和第二根蜗杆14,第一根 非线性弹簧15和第二根非线性弹簧16和输出转杆17。
[0042]下面将详细介绍微处理器和输出力矩和刚度之间的关系。
[0043]对于关节驱动器给定输出力矩τ，它与两根非线性弹簧产生的弹力心和5的关系如 下：
[0044] T = fiLi-f2L2, (4)
[0045]上式中，τ为转杆17处输出力矩，fi和f2分别表不第一根非线性弹簧15和第二根非 线性弹簧16所受弹力，而LjPL2分别表示第一根非线性弹簧15和第二根非线性弹簧16受力 处到转轴的距离，即分别是第一根非线性弹簧15和第二根非线性弹簧16的力臂。
[0046]而两个力臂分别可以表示为：
[0047] Li = L+xi， (5)
[0048] L2 = L+X2， (6)
[0049] 上式中，如图3所示，LjPL2分别表示第一根非线性弹簧15和第二根非线性弹簧16 受力处到转轴的距离，L为第一根非线性弹簧15和第二根非线性弹簧16的原长， XjPX2分别 表示第一根非线性弹簧15与第二根非线性弹簧16的伸缩量。
[0050] 则整理上面各式，将转杆处输出力矩表示为：
[0051 ] τ ~ kx^：(/> + ^i') ~ kx^ (? + ^ j (7)
[0052]上式中，τ为转杆17处输出力矩，k为第一根非线性弹簧15与第二根非线性弹簧16 的比例系数，L为第一根非线性弹簧15和第二根非线性弹簧16的原长，xdPx2分别表示第一 根非线性弹簧15与第二根非线性弹簧16的伸缩量。
[0053]步骤3、给定输出刚度f是给定输出力矩τ和转角Θ的导数，BP:
[0054] Γ = Τθ , (8)
[0055] 上式中，f为输出刚度，τ和Θ分别表示输出力矩和转角。
[0056] 考虑到转杆处转角Θ与两根非线性弹簧伸缩量之间的关系：
[0057] 0 = (X1-X2)/R， (9)
[0058] 上式中Θ为转杆17处转角，R为转杆17自身的半径，x^X2分别表示第一根非线性弹 簧15与第二根非线性弹簧16的伸缩量。则给定输出刚度K'和第一根非线性弹簧15和第二根 非线性弹簧16的伸缩量xdPx 2之间的关系：
[0059] K' = {kxi{L + jr^ - kx\{L + x..)) ?θ ' (Iu )
[0060] 艮p :
[0061] (ii)
[0062] (12)
[0063] 上式中，f为给定输出刚度，XjPX2分别为第一根非线性弹簧15和第二根非线性弹 簧16的伸缩量，R为转杆17自身的半径，k为第一根非线性弹簧15与第二根非线性弹簧16的 比例系数，L为第一根非线性弹簧15和第二根非线性弹簧16的原长。可以得到机械构造的输 出连杆17处的两个量:输出力矩τ和输出刚度f。
[0064] 步骤4、控制模块可以利用给定输出力矩和刚度设计算法得到相应两根非线性弹 簧的伸缩量，进而控制输出。如图2所示，当产生较大力或者力矩的情况下，微处理器4能立 即作出相应的控制指令，起到保护驱动电机、关节和连杆的作用，为保证控制迅速准确，微 处理器采用ro控制。
[0065] 微处理器可根据给定输出力矩τ和输出刚度f计算得到两根非线性弹簧的伸缩量 XI矛口X2 :
[0066] x^Rt/K7 +X2, (13)
[0067] u - b + 抓- 1 2 a , (14)
[0068] 式（13)和（14)中，χι和X2分别为第一根非线性弹簧15和第二根非线性弹簧16的伸 缩量，f为给定输出刚度，R为转杆17自身的半径，τ为转杆17处的输出力矩;a，b，c分别表 示：
[0069] a = 3Rk， (15)
[0070] b = 2RkL+3R2ik/K/ , (16)
[0071] 〇 = )2-K7 , (17)
[0072] 式（15)，（16)和（17)中，a，b，c表示式（14)中的各未知量，R为转杆17自身的半径，k 为第一根非线性弹簧15与第二根非线性弹簧16的比例系数，L为第一根非线性弹簧15和第 二根非线性弹簧16的原长，f为给定输出刚度，τ为转杆17处的输出力矩。
[0073] 如图4所示，微处理器就可以按照给定力矩和给定输出刚度，通过相应算法计算和 PD控制，及时准确地控制两根非线性弹簧的伸缩量，最终通过控制非线性弹簧伸缩量达到 输出可调节刚度，实现柔性控制，保护关节驱动器，提高人机交互的安全性。
[0074] 上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述 实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替 代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于非线性弹性元件的可调刚度驱动器，其特征在于，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； 所述微处理器根据输出的刚度和力矩，计算出非线性弹簧的伸缩量，并控制驱动电机； 所述驱动电机在微处理器的控制下，通过转轴输出产生的扭矩，经过减速机构降速同 时提高输出扭矩，经过齿轮蜗杆转换为拉力后，控制非线性弹簧的伸缩量，从而控制输出刚 度和力矩的变化。2. 如权力要求1所述的基于非线性弹性元件的可调刚度驱动器，其特征在于，所述控制 模块利用非线性弹簧伸缩量和输出力矩与刚度之间的关系，设计特定控制算法控制输出刚 度和力矩。3. 如权力要求1所述的基于非线性弹性元件的可调刚度驱动器，其特征在于，所述非线 性弹簧为的数量为两根，两根非线性弹簧分别在转杆两侧，并联的两根非线性弹簧连同转 杆整体的弹性系数正比于两根非线性弹簧的弹性系数之和；当关节驱动器在作用过程中， 所述非线性弹簧整体的弹性系数采用其输出力矩与时间转角的导数来表示，两根非线性弹 簧的输出力矩正比于两根非线性弹簧产生的弹力之差。4. 如权力要求3所述的基于非线性弹性元件的可调刚度驱动器，其特征在于，所述两根 非线性弹簧与相应位置的平方呈正相关。5. 如权力要求3所述的基于非线性弹性元件的可调刚度驱动器，其特征在于，所述两根 非线性弹簧均连着驱动电机，在控制模块的作用下，控制输出刚度的大小。6. 如权力要求3所述的基于非线性弹性元件的可调刚度驱动器，其特征在于，所述两根 非线性弹簧完全相同，所述两根非线性弹簧均通过连杆连接齿轮蜗杆，两根非线性弹簧受 驱动电机和微处理器的驱动与控制，连杆输出可调节的刚度大小以及力矩大小。
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于非线性弹性元件的可调刚度驱动器，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；本实用新型还公开一种驱动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：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；2、微处理器通过PD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；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；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。具有简化了硬件装置和节省了空间等优点。
【IPC分类】B25J9/10, B25J17/00
【公开号】CN205201526
【申请号】CN201520977545
【发明人】杨辰光, 王行健, 梁培栋, 李智军, 宋嵘
【申请人】华南理工大学
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2015年11月30日