基于电磁屈曲梁结构的变刚度柔性关节系统及控制方法与流程

本发明涉及一种基于电磁屈曲梁结构的变刚度柔性关节系统及控制方法，属于机器人技术领域。

背景技术：

机器人技术及其驱动器技术作为一种战略性高科技技术，对未来新兴产业具有极强的带动性与技术辐射性，发展机器人技术、驱动技术及感知技术，对促进经济社会发展、增强国防实力、提高突发事件应急处理能力、改善民生等具有深远意义。

目前，机器人在人机交互领域已得到了广泛应用，如在工业领域，机器人已经开始参与人类劳动，并与人协作完成任务；在服务行业，也已经推出了餐饮业服务机器人、人形机器人等；这表明机器人与人类的关系越来越密切，人机交互的可靠性、安全性也就会越来越受到人们的关注，因此机器人安全、高效参与人类活动也显得尤为重要。

而传统的刚性关节机器人无法满足人机交互的这些要求，因此研究新型的变刚度机器人柔性关节成为了人机交互领域的重要课题。

柔性关节作为机器人的重要组成部分，其由于装有柔性元件，故能有效地缓冲机器人在操作或者行走过程中产生的振动与冲击，减少关节损耗，保护机器人内部精密仪器免受影响，保障人机交互的安全性、可靠性；又由于柔性关节刚度可调，故而可以根据不同的要求调节关节刚度，以满足不同工作环境下的刚度要求；再者柔性关节由于体积小、质量轻、结构较为简单，所以实际应用适应性较强，可根据需求进行生产。

例如发明专利（公开号cn106142132a）公开了一种刚度连续可调的机器人柔性关节，其通过压缩浮动弹簧的预压缩量实现刚度可调，虽能够实现刚度连续可调，但其结构复杂、体积大，环境适应性差；发明专利（公开号cn104647397a）公开了一种可变刚度的柔性关节，其采用多级齿轮传动机构，传递过程复杂且精度低，不易控制刚度，且结构较为复杂，应用受限；发明专利（公开号cn108000554a）公开了一种基于片簧的可变刚度柔性关节及其控制方法，其通过控制刚度调节电机带动滑块，改变片簧的有效工作长度，从而改变柔性关节的刚度，但是刚度调节电机的使用，增加了柔性关节的体积和质量。

可见，上述的三个专利存在结构复杂，体积大，质量大，不易控制且控制精度低，环境适应性差等技术缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于电磁屈曲梁结构的变刚度柔性关节系统及控制方法，其能够省去刚度调节电机，减少柔性关节的体积和质量，实现柔性关节在不同工况条件下和复杂环境下，都具有良好适应性和刚度调节能力。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于电磁屈曲梁结构的变刚度柔性关节系统，它包括：

输入轴、输出机构、电磁屈曲梁结构以及控制系统；

所述的输入轴为台阶轴，在最大直径的轴端面上开有三个沿圆周等弧度分布的通孔；

所述输出机构包括通过扣合固定的输出端盖和输出外壳，输出外壳为一端封闭的筒状结构，并且内壁有一圈等厚凸台，凸台上等弧度分布着三个螺纹孔；

所述电磁屈曲梁结构的数量为三个呈风扇叶片形状分布，每个均包括两片屈曲梁和两个电磁模块，所述电磁模块固定在所述屈曲梁的中部，所述两片屈曲梁和两个电磁模块呈镜像安装，一端通过螺钉固定在所述输出外壳内壁上的凸台上，另一端通过紧固螺栓联接在所述输入轴上；

所述控制系统包括电流控制器和计算机，电流控制器分别连接所述电磁模块和所述计算机。

所述屈曲梁在安装时施加预紧力，所述电磁模块之间设有气隙。

所述的屈曲梁、螺钉和紧固螺栓均为非导磁的金属元件。

一种基于电磁屈曲梁结构的变刚度柔性关节控制方法，包括以下步骤：

1）根据不同工作条件下所需的不同刚度值，计算出满足不同刚度值时所述屈曲梁的中部挠度，从而可以得到所述电磁模块之间需要的气隙大小，通过电流控制器调节所述电磁模块中的电流大小和方向以改变电磁力和气隙的大小，得到满足工况条件下所需要的刚度；

2）当所述电磁模块中加入相同方向的电流时，会产生相互吸引的电磁力，使得气隙减小，同时所述屈曲梁的中部挠度减小，刚度减小；

3）当所述电磁模块中加入相反方向的电流时，会产生相互排斥的电磁力，使得气隙增大，同时所述屈梁的中部挠度增大，刚度增大。

所述电流控制器的调节过程通过传统pid控制来实现。

与现有柔性关节相比，本发明有以下优点：

1．在不同工况条件下和复杂环境下，具有良好的适应性和刚度调节能力，抗干扰能力强；

2．柔性关节采用电磁力来间接调节屈曲梁的刚度，通过控制电流的大小和方向来改变电磁模块之间的电磁力和气隙，耗能小，可实现刚度的大范围调节；

3．本发明控制方法简单，省去了刚度调节电机，结构简紧凑，体积小，质量轻，易于小型化，便于安装，调节精度高，误差小，应用前景广泛的优点。

附图说明

图1为本发明的结构整体示意图；

图2为本发明的输入轴结构示意图；

图3为本发明的输出机构示意图；

图4为本发明的电磁屈曲梁结构示意图；

图5为本发明的控制流程图。

图中：1、输入轴，2、输出机构，2-1、输出端盖，2-2、输出外壳，3、电磁屈曲梁结构，3-1、屈曲梁，3-2、电磁模块，4、控制系统，4-1、电流控制器，4-2、计算机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图4，本发明提出一种基于电磁屈曲梁结构的变刚度柔性关节系统,它包括：

输入轴1、输出机构2、电磁屈曲梁结构3以及控制系统4；

如图2所示：所述的输入轴1为台阶轴，在最大直径的轴端面上开有三个沿圆周等弧度分布的通孔；

如图1和3所示：所述输出机构2包括通过扣合固定的输出端盖2-1和输出外壳2-2，输出外壳2-2为一端封闭的筒状结构，并且内壁有一圈等厚凸台，凸台上等弧度分布着三个螺纹孔；

如图1和图4所示，所述电磁屈曲梁结构3的数量为三个呈风扇叶片形状分布，每个均包括两片屈曲梁3-1和两个电磁模块3-2，所述电磁模块3-2固定在所述屈曲梁3-1的中部，所述两片屈曲梁3-1和两个电磁模块3-2呈镜像安装，一端通过螺钉固定在所述输出外壳2-2内壁上的凸台上，另一端通过紧固螺栓联接在所述输入轴1上；

如图1所示，所述控制系统4包括电流控制器4-1和计算机4-2，电流控制器4-1分别连接所述电磁模块3-2和所述计算机4-2。

其中，所述屈曲梁3-1在安装时施加预紧力，所述电磁模块3-2之间设有气隙。

其中，所述的屈曲梁3-1、螺钉和紧固螺栓均为非导磁的金属元件。

如图5所示：本发明还公开了一种基于电磁屈曲梁结构的变刚度柔性关节控制方法，包括以下步骤：

1）根据不同工作条件下所需的不同刚度值，计算出满足不同刚度值时所述屈曲梁3-1的中部挠度，从而可以得到所述电磁模块3-2之间需要的气隙大小，通过电流控制器4-1调节所述电磁模块3-2中的电流大小和方向以改变电磁力和气隙的大小，得到满足工况条件下所需要的刚度；

2）当所述电磁模块3-2中加入相同方向的电流时，会产生相互吸引的电磁力，使得气隙减小，同时所述屈曲梁3-1的中部挠度减小，刚度减小；

3）当所述电磁模块3-2中加入相反方向的电流时，会产生相互排斥的电磁力，使得气隙增大，同时所述屈梁3-1的中部挠度增大，刚度增大。

其中，所述电流控制器4-1的调节过程通过传统pid控制来实现。

与现有柔性关节相比，本发明有以下优点：

1．在不同工况条件下和复杂环境下，具有良好的适应性和刚度调节能力，抗干扰能力强；

2．柔性关节采用电磁力来间接调节屈曲梁的刚度，通过控制电流的大小和方向来改变电磁模块3-2之间的电磁力和气隙，耗能小，可实现刚度的大范围调节；

3．本发明控制方法简单，省去了刚度调节电机，结构简紧凑，体积小，质量轻，易于小型化，便于安装，调节精度高，误差小，应用前景广泛的优点。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。