本發明涉及機器人關節
技術領域：
：，特別涉及一種可實現剛度范圍為零到無窮大的機器人用的變剛度關節及其剛度調節方法。
背景技術：
：：傳統機器人為位置控制型的機器人，具有高定位精度、高速度、魯棒性(針對位置控制)等特點，但是位置控制機器人屬于一個孤立的系統，與其周邊的系統基本沒有信息和能量交互，一般只能應用在噴漆、搬運、焊接等不與環境接觸或接觸力相對較小的情況。在機器人操作一個物體或執行與環境直接交互等任務時，實現這種任務的一個重要方法是對機器人與環境的交互特性進行控制，在這種情況下，傳統的位置控制不能實現機器人與環境的交互。而機器人另一個廣受關注的問題則是安全問題，傳統位置控制型機器人安全性很低，其作業范圍常需要圍欄，防止工人被其打傷，位置控制型機器人不具有柔性，若機器人能夠像人的手臂一樣具有柔性，其安全性將提高。針對上述機器人與人或環境進行交互的問題和安全性問題，柔順性機器人一致被認為是解決這一問題的最佳方案。目前實現機器人的柔順性主要有兩種方法，一種是由控制實現的主動柔順，在過去幾十年研發中不斷成熟，已經在實際中不斷應用；另一種是主要通過硬件來實現柔性特征，通過在機械結構設計中引入柔順性，也被稱為固有柔順性或內在柔順性等，從機器人關節的角度看，稱為變剛度關節。學術論文ANewVariableStiffnessActuator(CompAct-VSA):DesignandModelling,2011IEEE/RSJInternationalConferenceonIntelligentRobotsandSystems(一種變剛度驅動器：設計和建模，2011年國際智能機器人和系統會議)和ANewActuatorWithAdjustableStiffnessBasedonaVariableRatioLeverMechanism,IEEE/ASMETRANSACTIONSONMECHATRONICS(一種基于可變比例杠桿原理的變剛度驅動器，IEEE/ASME機電一體化學報)均通過移動杠桿轉動軸位置的原理設計了兩種不同結構、不同形式的變剛度關節驅動器。然而，在其計算關節剛度的過程中，均忽略了一個問題，就是沒有考慮關節發生彈性位移時，杠桿一端曲面在垂直彈簧方向上的移動對彈簧能量的改變作用，該關節對抗型彈簧的能量不能簡單的直接用中心位移來計算，這導致很大的關節剛度誤差。依靠移動杠桿轉動軸原理設計的變剛度關節，其剛度調節特性存在缺點，關節剛度處于低剛度范圍時，剛度調整速度慢，即使調整很小的剛度變化值也需要剛度電機或減速機輸出很大的位移，非常不適合在需要關節剛度需要快速調整的情況；當關節剛度處于高剛度范圍時，關節剛度對剛度電機或減速機位移的變化速度過快，即使微小的電機或減速機角位移也能導致關節剛度劇烈變化，在實際物理系統中，由于編碼器分辨率、齒輪傳動間隙、閉環控制等原因，傳動誤差一定存在，減速機輸出角位移具有一定的分辨率，造成剛度調整準確率低或剛度調節失效，不能有效調整關節剛度。技術實現要素：本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種機器人用的變剛度關節，該結構的變剛度關節通過一種連桿機構來移動杠桿轉動軸位置，利用其機構奇異位型降低高剛度范圍內的剛度調節速度，并提高低剛度范圍內的剛度調節速度，從而得到一種剛度調節范圍為零調節到無窮大的剛度調節特性很好的變剛度關節。本發明的另一目的在于提供一種上述機器人用的變剛度關節的剛度調節方法。本發明的技術方案為：一種機器人用的變剛度關節，包括依次連接的位置調整機構、剛度調整機構和輸出連桿機構，剛度調整機構采用三連桿機構和杠桿機構相配合的結構方式，剛度調整機構包括支架、三連桿、杠桿、杠桿轉動軸及杠桿擺動控制組件，三連桿、杠桿、杠桿轉動軸及杠桿擺動控制組件均設于支架內，三連桿一端設置杠桿轉動軸，三連桿另一端設置連桿驅動組件，杠桿中部設有長孔，杠桿轉動軸通過長孔與杠桿滑動連接，杠桿兩側分別設有杠桿擺動控制組件。該變剛度關節中，杠桿轉動軸作為杠桿的支點，通過改變杠桿轉動軸的位置來改變杠桿擺動控制組件所產生的彈簧作用力臂和輸出連桿機構的外力力臂。剛度調整機構是解決剛度調節特性缺點的核心，剛度調整部分通過一種三連桿機構(作為三關節)實現杠桿轉動軸的位置移動，杠桿轉動軸的位置移動量與剛度調整減速機輸出位移成非線性關系；并且當杠桿轉動軸移動到關節剛度處于無窮大的位置時，該三連桿機構處于奇異位形，當該三連桿處于奇異位形時，杠桿移動速度為零，并且與減速機輸出速度無關。當該連桿機構處于奇異位形附近時，即使剛度調整減速機速度很大，用于剛度調整的杠桿轉動軸速度也非常小，從而降低了關節高剛度范圍內的剛度調整速度，提高了剛度調整準確率。所述杠桿擺動控制組件包括滾輪、滾輪座、預壓縮彈簧和壓縮彈簧支座，滾輪設于滾輪座上，滾輪座一側設有預壓縮彈簧，預壓縮彈簧通過壓縮彈簧支座固定于支架內，滾輪的圓周側面與杠桿外側面相接觸。所述杠桿包括相連接的圓柱端部和矩形段，圓柱端部的直徑大于矩形段的寬度(因此圓柱端部的外周形成大于180°的扇形，該扇形與矩形段的長度方向外側圓滑連接，形成整體式的杠桿外側面，且該外側面與滾輪相接觸)，長孔貫穿于圓柱端部和矩形段中。其中，矩形段上與圓柱端部相對的一端設置輸出連桿機構中的第一軸承，杠桿通過第一軸承與輸出連桿機構連接。所述預壓縮彈簧兩側設有第一限位柱，滾輪座上設有第一限位塊，第一限位柱和第一限位塊相配合形成第一限位組件。所述杠桿與支架的相接面上設有導軌，杠桿轉動軸沿著導軌在杠桿的長孔內進行滑動。所述三連桿包括依次連接的第一連桿、第二連桿和第三連桿，第一連桿的輸入端與連桿驅動組件連接，第三連桿的輸出端設置杠桿轉動軸；連桿驅動組件包括依次連接的第一編碼器、剛度調整電機、剛度調整減速機和錐齒輪組，錐齒輪組的輸出端與第一連桿的輸入端連接。其中，第一編碼器實時測量剛度調整電機的角位移，剛度調整減速機通過錐齒輪組驅動第一連桿，第二連桿通過軸承與第一連桿構成旋轉關節，第三連桿也通過軸承與第二連桿構成旋轉關節，導軌固定在支架上，第三連桿與導軌構成直線運動副，第三連桿可沿導軌進行直線運動。連桿驅動組件中，剛度調整電機通過錐齒輪組驅動第一連桿，組成錐齒輪組的兩個錐齒輪軸線垂直相交，其中與第一連桿連接的錐齒輪中心線與杠桿的長孔中心線在同一直線上，設第一連桿的長度為l1，第二連桿的長度為l2，與第一連桿連接的錐齒輪和第二連桿末端的距離為l3，杠桿中長孔的長度為δ，上述各長度需滿足l1+l2＝δ+l3。所述位置調整機構包括主體機架、位置調整電機、第二編碼器和位置調整減速機，第二編碼器、位置調整電機和位置調整減速機依次連接，主體機架位置調整減速機外周，剛度調整機構中的支架設于主體機架上。其中，第二編碼器對位置調整電機的角位移進行位置閉環控制。所述輸出連桿機構包括輸出連桿、第一軸承、第二軸承和第三編碼器，第二軸承安裝于支架的圓周邊沿上，輸出連桿通過第二軸承與支架連接，輸出連桿底部設置第一軸承并通過第一軸承與杠桿連接，輸出連桿與支架的相接面上還設有第三編碼器。其中，第三編碼器用于測量輸出連桿相對于支架的彈性位移，位置調整機構通過支架和第二軸承對輸出連桿的位置進行調節，剛度調整機構通過杠桿和第一軸承對輸出連桿的關節剛度進行調節。所述輸出連桿底部設有兩個第二限位柱，兩個第二限位柱分別位于杠桿的兩側。兩個第二限位柱限制了輸出連桿相對于支架的彈性位移。由上述機器人用的變剛度關節實現的剛度調節方法是：通過三連桿帶動杠桿轉動軸在杠桿中部的長孔中滑動，長孔的兩端分別為輸出連桿機構連接端和輸出連桿機構遠離端(該端點與關節中心重合)，杠桿轉動軸作為杠桿的支點；當杠桿轉動軸位于長孔的輸出連桿機構遠離端時，輸出連桿機構的關節剛度為零；當杠桿轉動軸位于長孔的輸出連桿機構連接端時，輸出連桿機構的關節剛度為無窮大，此時三連桿處于奇異位形，第一連桿、第二連桿和第三連桿形成同一直線；當杠桿轉動軸位于長孔的中部時，輸出連桿機構的關節剛度為零到無窮大之間的某一數值。其具體計算方法如下：假設P為杠桿轉動軸中心，O為關節中心(即下述杠桿曲面中心或輸出連桿機構遠離端)，A為第一軸承中心(即輸出連桿機構連接端)，Φ為經過P點的支架直徑與經過A點的長孔中線之間形成的夾角。假設關節有彈性轉動位移，為參數θs，設為逆時針方向，由關節彈性轉動位移θs可求得杠桿曲面中心O點的水平位移σ為：假設δ1為杠桿轉動軸與關節中心的距離，δ為杠桿中長孔的長度，利用三角形余弦公式求得可求出sinφ為：杠桿上，輸出連桿機構遠離端的O點垂直彈簧方向的位移ζ為：設ε0為預壓縮彈簧的初始壓縮量，r為杠桿上輸出連桿機構遠離端的O點半圓面的半徑，rg為與預壓縮彈簧的滾輪的半徑，在O點垂直彈簧方向位移為為ζ的情況下，則杠桿上輸出連桿機構遠離端的半圓面圓心O點與滾輪中心的水平距離為并得到杠桿一側預壓縮彈簧的壓縮量為：杠桿另一側預壓縮彈簧的壓縮量為：設預壓縮彈簧的初始彈性勢能為ks為彈簧剛度系數，關節有彈性位移θs時增加的彈簧能量ΔE為設第一連桿和第二連桿的長度分別為l1和l2，杠桿中的通孔長度為δ，設第一連桿的角位移為α，α為第一連桿中心線和與剛度調整減速機連接的錐齒輪中心線的夾角，第三連桿的移動位移為δ1，可求出δ1與α的關系為：由上式可得到ΔE與α的函數關系，將增加的彈簧能量ΔE對角位移α求二階偏導得到關節剛度為Ks為：再根據需要的剛度范圍和精度要求將關節剛度Ks在α＝α0，θs＝0處展開為n階多項式級數階數n由剛度范圍和精度要求確定，根據多項式級數計算關節剛度即可。本發明相對于現有技術，具有以下有益效果：1、本變剛度關節中，當三連桿中第一連桿、第二連桿和第三連桿處于一條直線上，連桿機構處于奇異位型，杠桿轉動軸的速度為零，其速度與剛度調整電機的速度無關，即使剛度調整電機的速度很高，杠桿轉動軸的速度依然為零。而在連桿機構奇異位型附近，杠桿轉動軸的速度與零接近，即使剛度調整電機的速度很高，杠桿轉動軸的速度依然很小，所以，在奇異位型附近，同樣的剛度調整電機角位移分辨率可以獲得更大的杠桿轉動軸直線位移分辨率。在連桿機構處于奇異位型時，關節剛度為無窮大，在奇異位型附近，微小的杠桿轉動軸位移可以導致很大的關節剛度變化，改進后的變剛度關節減小了剛度對剛度調整減速機輸出角位移的導數，在輸出角位移分辨率一定時，剛度調整準確度更高。2、與傳統的剛度調節機構相比，在剛度調節范圍為零到無窮大且剛度調整減速機的角位移相同的情況下，本變剛度關節及其剛度調節方法提高了低剛度范圍的剛度調節速度，改善了在低剛度范圍內調節速度較低的缺點，有效提高剛度調節速度。3、在關節具有彈性位移量時，與預壓縮彈簧相連的滾輪關于O點對稱并隨O點移動，雖然杠桿兩側的預壓縮彈簧始終關于O點對稱，但預壓縮彈簧的能量不能僅僅用O點位移表示，需考慮O點在預壓縮彈簧垂直方向上的位移，該位移對關節剛度影響很大，因此在計算關節剛度的過程中必須考慮O點在預壓縮彈簧垂直方向上的位移。本剛度調節方法的計算過程沒有進行簡化，能夠得到更準確的剛度計算公式，然后根據實際剛度范圍要求和精度要求將剛度展開為多項式級數，并可以根據余項精確知道誤差的范圍，與現有計算方法相比，其準確度更高，通過多項式函數計算剛度速度更快。附圖說明圖1為本變剛度關節的整體結構示意圖。圖2為本變剛度關節中剛度調整機構的結構示意圖。。圖3為進行剛度計算時的結構原理圖。圖4為實施例中剛度Ks與第一連桿的角位移為α的歸一化曲線函數圖。圖5為實施例中剛度Ks與關節彈性位移θs的歸一化曲線函數圖。具體實施方式下面結合實施例，對本發明作進一步的詳細說明，但本發明的實施方式不限于此。實施例本實施例一種機器人用的變剛度關節，其剛度可實現從零到無窮大的調節。如圖1所示，變剛度關節包括依次連接的位置調整機構1、剛度調整機構2和輸出連桿機構3，剛度調整機構采用三連桿機構和杠桿機構相配合的結構方式，如圖2所示，剛度調整機構包括支架4、三連桿(即由下述第一連桿5、第二連桿6和第三連桿7組成)、杠桿8、杠桿轉動軸9及杠桿擺動控制組件(即由下述滾輪10、滾輪座11、預壓縮彈簧12、壓縮彈簧支座13、第一限位柱14和第一限位塊15組成)，三連桿、杠桿、杠桿轉動軸及杠桿擺動控制組件均設于支架內，三連桿一端設置杠桿轉動軸，三連桿另一端設置連桿驅動組件，杠桿中部設有長孔，杠桿轉動軸通過長孔與杠桿滑動連接，杠桿兩側分別設有杠桿擺動控制組件。該變剛度關節中，杠桿轉動軸作為杠桿的支點，通過改變杠桿轉動軸的位置來改變杠桿擺動控制組件所產生的彈簧作用力臂和輸出連桿機構的外力力臂。剛度調整機構是解決剛度調節特性缺點的核心，剛度調整部分通過一種三連桿機構(作為三關節)實現杠桿轉動軸的位置移動，杠桿轉動軸的位置移動量與剛度調整減速機輸出位移成非線性關系；并且當杠桿轉動軸移動到關節剛度處于無窮大的位置時，該三連桿機構處于奇異位形，當該三連桿處于奇異位形時，杠桿移動速度為零，并且與減速機輸出速度無關。當該連桿機構處于奇異位形附近時，即使剛度調整減速機速度很大，用于剛度調整的杠桿轉動軸速度也非常小，從而降低了關節高剛度范圍內的剛度調整速度，提高了剛度調整準確率。杠桿擺動控制組件包括滾輪、滾輪座、預壓縮彈簧和壓縮彈簧支座，滾輪設于滾輪座上，滾輪座一側設有預壓縮彈簧，預壓縮彈簧通過壓縮彈簧支座固定于支架內，滾輪的圓周側面與杠桿外側面相接觸。杠桿包括相連接的圓柱端部和矩形段，圓柱端部的直徑大于矩形段的寬度(因此圓柱端部的外周形成大于180°的扇形，該扇形與矩形段的長度方向外側圓滑連接，形成整體式的杠桿外側面，且該外側面與滾輪相接觸)，長孔貫穿于圓柱端部和矩形段中。其中，矩形段上與圓柱端部相對的一端設置輸出連桿機構中的第一軸承16，杠桿通過第一軸承與輸出連桿機構連接。預壓縮彈簧兩側設有第一限位柱，滾輪座上設有第一限位塊，第一限位柱和第一限位塊相配合形成第一限位組件。杠桿與支架的相接面上設有導軌17，杠桿轉動軸沿著導軌在杠桿的長孔內進行滑動。三連桿包括依次連接的第一連桿、第二連桿和第三連桿，第一連桿的輸入端與連桿驅動組件連接，第三連桿的輸出端設置杠桿轉動軸；連桿驅動組件包括依次連接的第一編碼器18、剛度調整電機19、剛度調整減速機20和錐齒輪組21，錐齒輪組的輸出端與第一連桿的輸入端連接。其中，第一編碼器實時測量剛度調整電機的角位移，剛度調整減速機通過錐齒輪組驅動第一連桿，第二連桿通過軸承與第一連桿構成旋轉關節，第三連桿也通過軸承與第二連桿構成旋轉關節，導軌固定在支架上，第三連桿與導軌構成直線運動副，第三連桿可沿導軌進行直線運動。連桿驅動組件中，剛度調整電機通過錐齒輪組驅動第一連桿，組成錐齒輪組的兩個錐齒輪軸線垂直相交，其中與第一連桿連接的錐齒輪中心線與杠桿的長孔中心線在同一直線上，設第一連桿的長度為l1，第二連桿的長度為l2，與第一連桿連接的錐齒輪和第二連桿末端的距離為l3，杠桿中長孔的長度為δ，上述各長度需滿足l1+l2＝δ+l3。本實施例中，第一連桿、第二連桿和杠桿內長孔的長度相等。如圖1所示，位置調整機構包括主體機架22、位置調整電機23、第二編碼器24和位置調整減速機25，第二編碼器、位置調整電機和位置調整減速機依次連接，主體機架位置調整減速機外周，剛度調整機構中的支架設于主體機架上。其中，第二編碼器對位置調整電機的角位移進行位置閉環控制。輸出連桿機構包括輸出連桿26、第一軸承16、第二軸承27和第三編碼器28，第二軸承安裝于支架的圓周邊沿上，輸出連桿通過第二軸承與支架連接，輸出連桿底部設置第一軸承并通過第一軸承與杠桿連接，輸出連桿與支架的相接面上還設有第三編碼器。其中，第三編碼器用于測量輸出連桿相對于支架的彈性位移，位置調整機構通過支架和第二軸承對輸出連桿的位置進行調節，剛度調整機構通過杠桿和第一軸承對輸出連桿的關節剛度進行調節。輸出連桿底部設有兩個第二限位柱29，兩個第二限位柱分別位于杠桿的兩側。兩個第二限位柱限制了輸出連桿相對于支架的彈性位移。由上述機器人用的變剛度關節實現的剛度調節方法是：通過三連桿帶動杠桿轉動軸在杠桿中部的長孔中滑動，長孔的兩端分別為輸出連桿機構連接端和輸出連桿機構遠離端(該端點與關節中心重合)，杠桿轉動軸作為杠桿的支點；當杠桿轉動軸位于長孔的輸出連桿機構遠離端時，輸出連桿機構的關節剛度為零；當杠桿轉動軸位于長孔的輸出連桿機構連接端時，輸出連桿機構的關節剛度為無窮大，此時三連桿處于奇異位形，第一連桿、第二連桿和第三連桿形成同一直線；當杠桿轉動軸位于長孔的中部時，輸出連桿機構的關節剛度為零到無窮大之間的某一數值。即：如圖2所示，杠桿左端(即輸出連桿機構遠離端)的曲面為一個圓，右端(即輸出連桿機構連接端)安裝有第一軸承，通過第一軸承與輸出連桿構成轉動連接。杠桿中部切有槽口(即上述長孔)，槽口兩端分別為半圓弧，圓弧直徑與杠桿轉動軸的直徑相等，左端槽口位置位于關節中心位置，杠桿轉動軸可在槽口中進行運動，杠桿繞杠桿轉動軸進行轉動，隨著杠桿轉動軸位置的不同，杠桿的轉動中心不斷變化。當杠桿轉動軸在槽口左端位置時，因為杠桿轉動時并不對預壓縮彈簧進行壓縮，所以杠桿在機械限位內可以自由轉動，與杠桿通過第一軸承連接的輸出連桿在機械限位內也能自由轉動，此時關節剛度為零；當杠桿轉動軸在槽口右端位置時，則杠桿右端位置固定，也即第一軸承的位置不能移動，那么與軸承連接的輸出連桿也不能移動，此時關節剛度為無窮大；當杠桿轉動軸不在杠桿槽口的左右兩端極限位置時，其處于槽口中部的某位置，第一軸承安裝在輸出連桿中，在外力作用下輸出連桿帶動第一軸承逆時針轉動，杠桿繞杠桿轉動軸轉動并有微小移動，進而壓縮位于其下方的預壓縮彈簧，所以關節形成一定的剛度；當輸出連桿帶動第一軸承順時針轉動時，杠桿壓縮位于其上方的預壓縮彈簧，關節形成一定剛度，關節順時針和逆時針方向都能形成一定剛度，因為杠桿兩邊的預壓縮彈簧成對稱布置，所以關節順時針和逆時針方向剛度相同。上述變剛度關節的剛度具體計算方法如下：如圖3所示，設關節有彈性轉動位移，為參數θs，設為逆時針方向，P為杠桿轉動軸中心，O為關節中心(即下述杠桿曲面中心或輸出連桿機構遠離端)，A為第一軸承中心(即輸出連桿機構連接端)，由關節彈性轉動位移θs可求得杠桿曲面中心O點的水平位移σ為：其中關節彈性轉動位移θs是關節發生的彈性變形量。假設δ1為杠桿轉動軸與關節中心的距離，δ為杠桿中長孔的長度，利用三角形余弦公式求得可求出sinφ為：杠桿上，輸出連桿機構遠離端的O點垂直彈簧方向的位移ζ為：設ε0為預壓縮彈簧的初始壓縮量，r為杠桿上輸出連桿機構遠離端的O點半圓面的半徑，rg為與預壓縮彈簧的滾輪的半徑，在O點垂直彈簧方向位移為為ζ的情況下，則杠桿上輸出連桿機構遠離端的半圓面圓心O點與滾輪中心的水平距離為并得到杠桿一側預壓縮彈簧的壓縮量為：杠桿另一側預壓縮彈簧的壓縮量為：設預壓縮彈簧的初始彈性勢能為ks為彈簧剛度系數，關節有彈性位移θs時增加的彈簧能量ΔE為本實施例中，由于第一連桿和第二連桿的長度均與長孔長度相等，設第一連桿的角位移為α，α為第一連桿中心線和與剛度調整減速機連接的錐齒輪中心線的夾角，α初始值為π/6，第三連桿的移動位移為δ1，可求出δ1與α的關系為：δ1＝2δsinα-δ，由上式可得到ΔE與α的函數關系，將增加的彈簧能量ΔE對角位移α求二階偏導得到關節剛度為Ks為：設ks＝10000N/m，r＝3mm，rg＝7mm，δ＝35mm，∈0＝10mm，l1＝l2＝35mm，剛度Ks與第一連桿的角位移為α的歸一化曲線函數如圖4所示；在δ1＝20mm時，剛度Ks與關節彈性位移θs的歸一化曲線函數如圖5所示。在實際應用中，剛度精度要求不高時，將上式中的剛度Ks在α＝π/6和θs＝0處展開為7階多項式和為：通過該多項式級數計算關節剛度即可。如上所述，便可較好地實現本發明，上述實施例僅為本發明的較佳實施例，并非用來限定本發明的實施范圍；即凡依本
發明內容所作的均等變化與修飾，都為本發明權利要求所要求保護的范圍所涵蓋。當前第1頁1 2 3 當前第1頁1 2 3