基于非线性弹性元件的可调刚度驱动器及其驱动方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种控制算法和机械设计技术相结合的技术，特别设及一种基于非线 性弹性元件的可调刚度驱动器及其驱动方法，本发明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，运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W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黃会起到缓冲作用，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。 阳〇化]运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。该发明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 条发生不同程度的晓度变形，从而达到变刚度的目的。该发明能够精准的测量并调整刚度， 不过结构较为复杂，装配困难，且容易在高溫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。该发明中将 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。该发明可W 在受到较大外力冲击时改变关节刚度，不过此发明由于结构限制，仅仅可W起到初步调节 刚度的作用，并不能精准调节关节的刚度。
【发明内容】
[0008] 本发明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] 本发明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] 本发明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、非线性弹黃和齿轮蜗杆。 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 与非线性弹黃相连，两根非线性弹黃分别位于转杆的两侧，在未受力时处于松弛状态，转杆 中屯、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W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，进而控制非线性弹黃的伸缩 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 至IJ该模块中两根非线性弹黃的相应伸缩量，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PD控制。
[001引驱动电机：固定在微处理器旁，用来驱动非线性弹黃，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黃的伸缩度的控制量。
[0014] 非线性弹黃：非线性弹黃与普通弹黃有所不同，内在结构的不同（非线性弹黃在 其不同的位置疏密不同）决定了非线性弹黃产生的弹力大小是与非线性弹黃伸缩量的平 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黃。所W无论是在高溫情况还 是恶劣环境等各种特定的情况下，都有相应的非线性弹黃满足要求，运样就可W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：处于两根非线性弹黃相接处，用来输出模块产生的力矩和刚度。
[0016] 本发明的基于非线性弹性元件的可调刚度驱动器可W分为控制模块和机械构造 运两部分，在机械构造运部分中，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，拉动非线性弹黃，使非线性弹黃产生形变。两根非线性弹黃同时作用在转杆 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。本发明从控制模块入手，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] 本发明的另一目的通过W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W下步骤：
[001引步骤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黃的伸缩 量；
[0019] 步骤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；
[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 两根非线性弹黃的伸缩量；
[0021] 步骤4、驱动器通过两根非线性弹黃各自的伸缩量实时输出相应的可调刚度与力 矩。
[0022] 本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
[0023] 1.本发明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.本发明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。
[00对 3.本发明可变刚度的关节驱动器，在作用过程中非线性弹黃可W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。本发明注重于算法设计，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，并利用运种联系计 算得到相应的非线性弹黃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】
[00%]图1为本发明中非线性弹黃和转杆位置及工作原理示意图。
[0027] 图2为本发明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为本发明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为本发明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发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限 于此。 阳0川 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W下步骤：
[0033] 步骤1、如图1所示，本发明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黃1和第二根非线性弹黃2。运两个非线性弹黃与弹 黃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] 良P:
[0035]
(1)
[0036] 上式中，F为非线性弹黃产生的弹力，k为比例系数，是一个常量，X为非线性弹黃 的伸缩量。当微处理器输出非线性弹黃相应产生伸缩量Χ?和X2时，如图1第一根非线性弹 黃1和第二根非线性弹黃2分别产生的力的大小为：