本發(fā)明涉及機(jī)器人關(guān)節(jié)
技術(shù)領(lǐng)域：
：，特別涉及一種可實(shí)現(xiàn)剛度范圍為零到無窮大的機(jī)器人用的變剛度關(guān)節(jié)及其剛度調(diào)節(jié)方法。
背景技術(shù)：
：：傳統(tǒng)機(jī)器人為位置控制型的機(jī)器人，具有高定位精度、高速度、魯棒性(針對(duì)位置控制)等特點(diǎn)，但是位置控制機(jī)器人屬于一個(gè)孤立的系統(tǒng)，與其周邊的系統(tǒng)基本沒有信息和能量交互，一般只能應(yīng)用在噴漆、搬運(yùn)、焊接等不與環(huán)境接觸或接觸力相對(duì)較小的情況。在機(jī)器人操作一個(gè)物體或執(zhí)行與環(huán)境直接交互等任務(wù)時(shí)，實(shí)現(xiàn)這種任務(wù)的一個(gè)重要方法是對(duì)機(jī)器人與環(huán)境的交互特性進(jìn)行控制，在這種情況下，傳統(tǒng)的位置控制不能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與環(huán)境的交互。而機(jī)器人另一個(gè)廣受關(guān)注的問題則是安全問題，傳統(tǒng)位置控制型機(jī)器人安全性很低，其作業(yè)范圍常需要圍欄，防止工人被其打傷，位置控制型機(jī)器人不具有柔性，若機(jī)器人能夠像人的手臂一樣具有柔性，其安全性將提高。針對(duì)上述機(jī)器人與人或環(huán)境進(jìn)行交互的問題和安全性問題，柔順性機(jī)器人一致被認(rèn)為是解決這一問題的最佳方案。目前實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的柔順性主要有兩種方法，一種是由控制實(shí)現(xiàn)的主動(dòng)柔順，在過去幾十年研發(fā)中不斷成熟，已經(jīng)在實(shí)際中不斷應(yīng)用；另一種是主要通過硬件來實(shí)現(xiàn)柔性特征，通過在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入柔順性，也被稱為固有柔順性或內(nèi)在柔順性等，從機(jī)器人關(guān)節(jié)的角度看，稱為變剛度關(guān)節(jié)。學(xué)術(shù)論文ANewVariableStiffnessActuator(CompAct-VSA):DesignandModelling,2011IEEE/RSJInternationalConferenceonIntelligentRobotsandSystems(一種變剛度驅(qū)動(dòng)器：設(shè)計(jì)和建模，2011年國(guó)際智能機(jī)器人和系統(tǒng)會(huì)議)和ANewActuatorWithAdjustableStiffnessBasedonaVariableRatioLeverMechanism,IEEE/ASMETRANSACTIONSONMECHATRONICS(一種基于可變比例杠桿原理的變剛度驅(qū)動(dòng)器，IEEE/ASME機(jī)電一體化學(xué)報(bào))均通過移動(dòng)杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸位置的原理設(shè)計(jì)了兩種不同結(jié)構(gòu)、不同形式的變剛度關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器。然而，在其計(jì)算關(guān)節(jié)剛度的過程中，均忽略了一個(gè)問題，就是沒有考慮關(guān)節(jié)發(fā)生彈性位移時(shí)，杠桿一端曲面在垂直彈簧方向上的移動(dòng)對(duì)彈簧能量的改變作用，該關(guān)節(jié)對(duì)抗型彈簧的能量不能簡(jiǎn)單的直接用中心位移來計(jì)算，這導(dǎo)致很大的關(guān)節(jié)剛度誤差。依靠移動(dòng)杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸原理設(shè)計(jì)的變剛度關(guān)節(jié)，其剛度調(diào)節(jié)特性存在缺點(diǎn)，關(guān)節(jié)剛度處于低剛度范圍時(shí)，剛度調(diào)整速度慢，即使調(diào)整很小的剛度變化值也需要?jiǎng)偠入姍C(jī)或減速機(jī)輸出很大的位移，非常不適合在需要關(guān)節(jié)剛度需要快速調(diào)整的情況；當(dāng)關(guān)節(jié)剛度處于高剛度范圍時(shí)，關(guān)節(jié)剛度對(duì)剛度電機(jī)或減速機(jī)位移的變化速度過快，即使微小的電機(jī)或減速機(jī)角位移也能導(dǎo)致關(guān)節(jié)剛度劇烈變化，在實(shí)際物理系統(tǒng)中，由于編碼器分辨率、齒輪傳動(dòng)間隙、閉環(huán)控制等原因，傳動(dòng)誤差一定存在，減速機(jī)輸出角位移具有一定的分辨率，造成剛度調(diào)整準(zhǔn)確率低或剛度調(diào)節(jié)失效，不能有效調(diào)整關(guān)節(jié)剛度。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種機(jī)器人用的變剛度關(guān)節(jié)，該結(jié)構(gòu)的變剛度關(guān)節(jié)通過一種連桿機(jī)構(gòu)來移動(dòng)杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸位置，利用其機(jī)構(gòu)奇異位型降低高剛度范圍內(nèi)的剛度調(diào)節(jié)速度，并提高低剛度范圍內(nèi)的剛度調(diào)節(jié)速度，從而得到一種剛度調(diào)節(jié)范圍為零調(diào)節(jié)到無窮大的剛度調(diào)節(jié)特性很好的變剛度關(guān)節(jié)。本發(fā)明的另一目的在于提供一種上述機(jī)器人用的變剛度關(guān)節(jié)的剛度調(diào)節(jié)方法。本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種機(jī)器人用的變剛度關(guān)節(jié)，包括依次連接的位置調(diào)整機(jī)構(gòu)、剛度調(diào)整機(jī)構(gòu)和輸出連桿機(jī)構(gòu)，剛度調(diào)整機(jī)構(gòu)采用三連桿機(jī)構(gòu)和杠桿機(jī)構(gòu)相配合的結(jié)構(gòu)方式，剛度調(diào)整機(jī)構(gòu)包括支架、三連桿、杠桿、杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸及杠桿擺動(dòng)控制組件，三連桿、杠桿、杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸及杠桿擺動(dòng)控制組件均設(shè)于支架內(nèi)，三連桿一端設(shè)置杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸，三連桿另一端設(shè)置連桿驅(qū)動(dòng)組件，杠桿中部設(shè)有長(zhǎng)孔，杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸通過長(zhǎng)孔與杠桿滑動(dòng)連接，杠桿兩側(cè)分別設(shè)有杠桿擺動(dòng)控制組件。該變剛度關(guān)節(jié)中，杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸作為杠桿的支點(diǎn)，通過改變杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸的位置來改變杠桿擺動(dòng)控制組件所產(chǎn)生的彈簧作用力臂和輸出連桿機(jī)構(gòu)的外力力臂。剛度調(diào)整機(jī)構(gòu)是解決剛度調(diào)節(jié)特性缺點(diǎn)的核心，剛度調(diào)整部分通過一種三連桿機(jī)構(gòu)(作為三關(guān)節(jié))實(shí)現(xiàn)杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸的位置移動(dòng)，杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸的位置移動(dòng)量與剛度調(diào)整減速機(jī)輸出位移成非線性關(guān)系；并且當(dāng)杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸移動(dòng)到關(guān)節(jié)剛度處于無窮大的位置時(shí)，該三連桿機(jī)構(gòu)處于奇異位形，當(dāng)該三連桿處于奇異位形時(shí)，杠桿移動(dòng)速度為零，并且與減速機(jī)輸出速度無關(guān)。當(dāng)該連桿機(jī)構(gòu)處于奇異位形附近時(shí)，即使剛度調(diào)整減速機(jī)速度很大，用于剛度調(diào)整的杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸速度也非常小，從而降低了關(guān)節(jié)高剛度范圍內(nèi)的剛度調(diào)整速度，提高了剛度調(diào)整準(zhǔn)確率。所述杠桿擺動(dòng)控制組件包括滾輪、滾輪座、預(yù)壓縮彈簧和壓縮彈簧支座，滾輪設(shè)于滾輪座上，滾輪座一側(cè)設(shè)有預(yù)壓縮彈簧，預(yù)壓縮彈簧通過壓縮彈簧支座固定于支架內(nèi)，滾輪的圓周側(cè)面與杠桿外側(cè)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(zhǎng)度方向外側(cè)圓滑連接，形成整體式的杠桿外側(cè)面，且該外側(cè)面與滾輪相接觸)，長(zhǎng)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(duì)的一端設(shè)置輸出連桿機(jī)構(gòu)中的第一軸承，杠桿通過第一軸承與輸出連桿機(jī)構(gòu)連接。所述預(yù)壓縮彈簧兩側(cè)設(shè)有第一限位柱，滾輪座上設(shè)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(shè)有導(dǎo)軌，杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸沿著導(dǎo)軌在杠桿的長(zhǎng)孔內(nèi)進(jìn)行滑動(dòng)。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(qū)動(dòng)組件連接，第三連桿的輸出端設(shè)置杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸；連桿驅(qū)動(dòng)組件包括依次連接的第一編碼器、剛度調(diào)整電機(jī)、剛度調(diào)整減速機(jī)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(shí)時(shí)測(cè)量剛度調(diào)整電機(jī)的角位移，剛度調(diào)整減速機(jī)通過錐齒輪組驅(qū)動(dòng)第一連桿，第二連桿通過軸承與第一連桿構(gòu)成旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，第三連桿也通過軸承與第二連桿構(gòu)成旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，導(dǎo)軌固定在支架上，第三連桿與導(dǎo)軌構(gòu)成直線運(yùn)動(dòng)副，第三連桿可沿導(dǎo)軌進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。連桿驅(qū)動(dòng)組件中，剛度調(diào)整電機(jī)通過錐齒輪組驅(qū)動(dòng)第一連桿，組成錐齒輪組的兩個(gè)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(zhǎng)孔中心線在同一直線上，設(shè)第一連桿的長(zhǎng)度為l1，第二連桿的長(zhǎng)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(zhǎng)孔的長(zhǎng)度為δ，上述各長(zhǎng)度需滿足l1+l2＝δ+l3。所述位置調(diào)整機(jī)構(gòu)包括主體機(jī)架、位置調(diào)整電機(jī)、第二編碼器和位置調(diào)整減速機(jī)，第二編碼器、位置調(diào)整電機(jī)和位置調(diào)整減速機(jī)依次連接，主體機(jī)架位置調(diào)整減速機(jī)外周，剛度調(diào)整機(jī)構(gòu)中的支架設(shè)于主體機(jī)架上。其中，第二編碼器對(duì)位置調(diào)整電機(jī)的角位移進(jìn)行位置閉環(huán)控制。所述輸出連桿機(jī)構(gòu)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(shè)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(shè)有第三編碼器。其中，第三編碼器用于測(cè)量輸出連桿相對(duì)于支架的彈性位移，位置調(diào)整機(jī)構(gòu)通過支架和第二軸承對(duì)輸出連桿的位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，剛度調(diào)整機(jī)構(gòu)通過杠桿和第一軸承對(duì)輸出連桿的關(guān)節(jié)剛度進(jìn)行調(diào)節(jié)。所述輸出連桿底部設(shè)有兩個(gè)第二限位柱，兩個(gè)第二限位柱分別位于杠桿的兩側(cè)。兩個(gè)第二限位柱限制了輸出連桿相對(duì)于支架的彈性位移。由上述機(jī)器人用的變剛度關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)的剛度調(diào)節(jié)方法是：通過三連桿帶動(dòng)杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸在杠桿中部的長(zhǎng)孔中滑動(dòng)，長(zhǎng)孔的兩端分別為輸出連桿機(jī)構(gòu)連接端和輸出連桿機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)離端(該端點(diǎn)與關(guān)節(jié)中心重合)，杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸作為杠桿的支點(diǎn)；當(dāng)杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸位于長(zhǎng)孔的輸出連桿機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)離端時(shí)，輸出連桿機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)剛度為零；當(dāng)杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸位于長(zhǎng)孔的輸出連桿機(jī)構(gòu)連接端時(shí)，輸出連桿機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)剛度為無窮大，此時(shí)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(dāng)杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸位于長(zhǎng)孔的中部時(shí)，輸出連桿機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)剛度為零到無窮大之間的某一數(shù)值。其具體計(jì)算方法如下：假設(shè)P為杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸中心，O為關(guān)節(jié)中心(即下述杠桿曲面中心或輸出連桿機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)離端)，A為第一軸承中心(即輸出連桿機(jī)構(gòu)連接端)，Φ為經(jīng)過P點(diǎn)的支架直徑與經(jīng)過A點(diǎn)的長(zhǎng)孔中線之間形成的夾角。假設(shè)關(guān)節(jié)有彈性轉(zhuǎn)動(dòng)位移，為參數(shù)θs，設(shè)為逆時(shí)針方向，由關(guān)節(jié)彈性轉(zhuǎn)動(dòng)位移θs可求得杠桿曲面中心O點(diǎn)的水平位移σ為：假設(shè)δ1為杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸與關(guān)節(jié)中心的距離，δ為杠桿中長(zhǎng)孔的長(zhǎng)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(jī)構(gòu)遠(yuǎn)離端的O點(diǎn)垂直彈簧方向的位移ζ為：設(shè)ε0為預(yù)壓縮彈簧的初始?jí)嚎s量，r為杠桿上輸出連桿機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)離端的O點(diǎn)半圓面的半徑，rg為與預(yù)壓縮彈簧的滾輪的半徑，在O點(diǎn)垂直彈簧方向位移為為ζ的情況下，則杠桿上輸出連桿機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)離端的半圓面圓心O點(diǎn)與滾輪中心的水平距離為并得到杠桿一側(cè)預(yù)壓縮彈簧的壓縮量為：杠桿另一側(cè)預(yù)壓縮彈簧的壓縮量為：設(shè)預(yù)壓縮彈簧的初始彈性勢(shì)能為ks為彈簧剛度系數(shù)，關(guān)節(jié)有彈性位移θs時(shí)增加的彈簧能量ΔE為設(shè)第一連桿和第二連桿的長(zhǎng)度分別為l1和l2，杠桿中的通孔長(zhǎng)度為δ，設(shè)第一連桿的角位移為α，α為第一連桿中心線和與剛度調(diào)整減速機(jī)連接的錐齒輪中心線的夾角，第三連桿的移動(dòng)位移為δ1，可求出δ1與α的關(guān)系為：由上式可得到ΔE與α的函數(shù)關(guān)系，將增加的彈簧能量ΔE對(duì)角位移α求二階偏導(dǎo)得到關(guān)節(jié)剛度為Ks為：再根據(jù)需要的剛度范圍和精度要求將關(guān)節(jié)剛度Ks在α＝α0，θs＝0處展開為n階多項(xiàng)式級(jí)數(shù)階數(shù)n由剛度范圍和精度要求確定，根據(jù)多項(xiàng)式級(jí)數(shù)計(jì)算關(guān)節(jié)剛度即可。本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果：1、本變剛度關(guān)節(jié)中，當(dāng)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(jī)構(gòu)處于奇異位型，杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸的速度為零，其速度與剛度調(diào)整電機(jī)的速度無關(guān)，即使剛度調(diào)整電機(jī)的速度很高，杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸的速度依然為零。而在連桿機(jī)構(gòu)奇異位型附近，杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸的速度與零接近，即使剛度調(diào)整電機(jī)的速度很高，杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸的速度依然很小，所以，在奇異位型附近，同樣的剛度調(diào)整電機(jī)角位移分辨率可以獲得更大的杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸直線位移分辨率。在連桿機(jī)構(gòu)處于奇異位型時(shí)，關(guān)節(jié)剛度為無窮大，在奇異位型附近，微小的杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸位移可以導(dǎo)致很大的關(guān)節(jié)剛度變化，改進(jìn)后的變剛度關(guān)節(jié)減小了剛度對(duì)剛度調(diào)整減速機(jī)輸出角位移的導(dǎo)數(shù)，在輸出角位移分辨率一定時(shí)，剛度調(diào)整準(zhǔn)確度更高。2、與傳統(tǒng)的剛度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)相比，在剛度調(diào)節(jié)范圍為零到無窮大且剛度調(diào)整減速機(jī)的角位移相同的情況下，本變剛度關(guān)節(jié)及其剛度調(diào)節(jié)方法提高了低剛度范圍的剛度調(diào)節(jié)速度，改善了在低剛度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)速度較低的缺點(diǎn)，有效提高剛度調(diào)節(jié)速度。3、在關(guān)節(jié)具有彈性位移量時(shí)，與預(yù)壓縮彈簧相連的滾輪關(guān)于O點(diǎn)對(duì)稱并隨O點(diǎn)移動(dòng)，雖然杠桿兩側(cè)的預(yù)壓縮彈簧始終關(guān)于O點(diǎn)對(duì)稱，但預(yù)壓縮彈簧的能量不能僅僅用O點(diǎn)位移表示，需考慮O點(diǎn)在預(yù)壓縮彈簧垂直方向上的位移，該位移對(duì)關(guān)節(jié)剛度影響很大，因此在計(jì)算關(guān)節(jié)剛度的過程中必須考慮O點(diǎn)在預(yù)壓縮彈簧垂直方向上的位移。本剛度調(diào)節(jié)方法的計(jì)算過程沒有進(jìn)行簡(jiǎn)化，能夠得到更準(zhǔn)確的剛度計(jì)算公式，然后根據(jù)實(shí)際剛度范圍要求和精度要求將剛度展開為多項(xiàng)式級(jí)數(shù)，并可以根據(jù)余項(xiàng)精確知道誤差的范圍，與現(xiàn)有計(jì)算方法相比，其準(zhǔn)確度更高，通過多項(xiàng)式函數(shù)計(jì)算剛度速度更快。附圖說明圖1為本變剛度關(guān)節(jié)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本變剛度關(guān)節(jié)中剛度調(diào)整機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。。圖3為進(jìn)行剛度計(jì)算時(shí)的結(jié)構(gòu)原理圖。圖4為實(shí)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(shù)圖。圖5為實(shí)施例中剛度Ks與關(guān)節(jié)彈性位移θs的歸一化曲線函數(shù)圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。實(shí)施例本實(shí)施例一種機(jī)器人用的變剛度關(guān)節(jié)，其剛度可實(shí)現(xiàn)從零到無窮大的調(diào)節(jié)。如圖1所示，變剛度關(guān)節(jié)包括依次連接的位置調(diào)整機(jī)構(gòu)1、剛度調(diào)整機(jī)構(gòu)2和輸出連桿機(jī)構(gòu)3，剛度調(diào)整機(jī)構(gòu)采用三連桿機(jī)構(gòu)和杠桿機(jī)構(gòu)相配合的結(jié)構(gòu)方式，如圖2所示，剛度調(diào)整機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)動(dòng)軸9及杠桿擺動(dòng)控制組件(即由下述滾輪10、滾輪座11、預(yù)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(zhuǎn)動(dòng)軸及杠桿擺動(dòng)控制組件均設(shè)于支架內(nèi)，三連桿一端設(shè)置杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸，三連桿另一端設(shè)置連桿驅(qū)動(dòng)組件，杠桿中部設(shè)有長(zhǎng)孔，杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸通過長(zhǎng)孔與杠桿滑動(dòng)連接，杠桿兩側(cè)分別設(shè)有杠桿擺動(dòng)控制組件。該變剛度關(guān)節(jié)中，杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸作為杠桿的支點(diǎn)，通過改變杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸的位置來改變杠桿擺動(dòng)控制組件所產(chǎn)生的彈簧作用力臂和輸出連桿機(jī)構(gòu)的外力力臂。剛度調(diào)整機(jī)構(gòu)是解決剛度調(diào)節(jié)特性缺點(diǎn)的核心，剛度調(diào)整部分通過一種三連桿機(jī)構(gòu)(作為三關(guān)節(jié))實(shí)現(xiàn)杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸的位置移動(dòng)，杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸的位置移動(dòng)量與剛度調(diào)整減速機(jī)輸出位移成非線性關(guān)系；并且當(dāng)杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸移動(dòng)到關(guān)節(jié)剛度處于無窮大的位置時(shí)，該三連桿機(jī)構(gòu)處于奇異位形，當(dāng)該三連桿處于奇異位形時(shí)，杠桿移動(dòng)速度為零，并且與減速機(jī)輸出速度無關(guān)。當(dāng)該連桿機(jī)構(gòu)處于奇異位形附近時(shí)，即使剛度調(diào)整減速機(jī)速度很大，用于剛度調(diào)整的杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸速度也非常小，從而降低了關(guān)節(jié)高剛度范圍內(nèi)的剛度調(diào)整速度，提高了剛度調(diào)整準(zhǔn)確率。杠桿擺動(dòng)控制組件包括滾輪、滾輪座、預(yù)壓縮彈簧和壓縮彈簧支座，滾輪設(shè)于滾輪座上，滾輪座一側(cè)設(shè)有預(yù)壓縮彈簧，預(yù)壓縮彈簧通過壓縮彈簧支座固定于支架內(nèi)，滾輪的圓周側(cè)面與杠桿外側(cè)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(zhǎng)度方向外側(cè)圓滑連接，形成整體式的杠桿外側(cè)面，且該外側(cè)面與滾輪相接觸)，長(zhǎng)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(duì)的一端設(shè)置輸出連桿機(jī)構(gòu)中的第一軸承16，杠桿通過第一軸承與輸出連桿機(jī)構(gòu)連接。預(yù)壓縮彈簧兩側(cè)設(shè)有第一限位柱，滾輪座上設(shè)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(shè)有導(dǎo)軌17，杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸沿著導(dǎo)軌在杠桿的長(zhǎng)孔內(nèi)進(jìn)行滑動(dòng)。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(qū)動(dòng)組件連接，第三連桿的輸出端設(shè)置杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸；連桿驅(qū)動(dòng)組件包括依次連接的第一編碼器18、剛度調(diào)整電機(jī)19、剛度調(diào)整減速機(jī)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(shí)時(shí)測(cè)量剛度調(diào)整電機(jī)的角位移，剛度調(diào)整減速機(jī)通過錐齒輪組驅(qū)動(dòng)第一連桿，第二連桿通過軸承與第一連桿構(gòu)成旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，第三連桿也通過軸承與第二連桿構(gòu)成旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，導(dǎo)軌固定在支架上，第三連桿與導(dǎo)軌構(gòu)成直線運(yùn)動(dòng)副，第三連桿可沿導(dǎo)軌進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。連桿驅(qū)動(dòng)組件中，剛度調(diào)整電機(jī)通過錐齒輪組驅(qū)動(dòng)第一連桿，組成錐齒輪組的兩個(gè)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(zhǎng)孔中心線在同一直線上，設(shè)第一連桿的長(zhǎng)度為l1，第二連桿的長(zhǎng)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(zhǎng)孔的長(zhǎng)度為δ，上述各長(zhǎng)度需滿足l1+l2＝δ+l3。本實(shí)施例中，第一連桿、第二連桿和杠桿內(nèi)長(zhǎng)孔的長(zhǎng)度相等。如圖1所示，位置調(diào)整機(jī)構(gòu)包括主體機(jī)架22、位置調(diào)整電機(jī)23、第二編碼器24和位置調(diào)整減速機(jī)25，第二編碼器、位置調(diào)整電機(jī)和位置調(diào)整減速機(jī)依次連接，主體機(jī)架位置調(diào)整減速機(jī)外周，剛度調(diào)整機(jī)構(gòu)中的支架設(shè)于主體機(jī)架上。其中，第二編碼器對(duì)位置調(diào)整電機(jī)的角位移進(jìn)行位置閉環(huán)控制。輸出連桿機(jī)構(gòu)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(shè)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(shè)有第三編碼器。其中，第三編碼器用于測(cè)量輸出連桿相對(duì)于支架的彈性位移，位置調(diào)整機(jī)構(gòu)通過支架和第二軸承對(duì)輸出連桿的位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，剛度調(diào)整機(jī)構(gòu)通過杠桿和第一軸承對(duì)輸出連桿的關(guān)節(jié)剛度進(jìn)行調(diào)節(jié)。輸出連桿底部設(shè)有兩個(gè)第二限位柱29，兩個(gè)第二限位柱分別位于杠桿的兩側(cè)。兩個(gè)第二限位柱限制了輸出連桿相對(duì)于支架的彈性位移。由上述機(jī)器人用的變剛度關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)的剛度調(diào)節(jié)方法是：通過三連桿帶動(dòng)杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸在杠桿中部的長(zhǎng)孔中滑動(dòng)，長(zhǎng)孔的兩端分別為輸出連桿機(jī)構(gòu)連接端和輸出連桿機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)離端(該端點(diǎn)與關(guān)節(jié)中心重合)，杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸作為杠桿的支點(diǎn)；當(dāng)杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸位于長(zhǎng)孔的輸出連桿機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)離端時(shí)，輸出連桿機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)剛度為零；當(dāng)杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸位于長(zhǎng)孔的輸出連桿機(jī)構(gòu)連接端時(shí)，輸出連桿機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)剛度為無窮大，此時(shí)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(dāng)杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸位于長(zhǎng)孔的中部時(shí)，輸出連桿機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)剛度為零到無窮大之間的某一數(shù)值。即：如圖2所示，杠桿左端(即輸出連桿機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)離端)的曲面為一個(gè)圓，右端(即輸出連桿機(jī)構(gòu)連接端)安裝有第一軸承，通過第一軸承與輸出連桿構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)連接。杠桿中部切有槽口(即上述長(zhǎng)孔)，槽口兩端分別為半圓弧，圓弧直徑與杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸的直徑相等，左端槽口位置位于關(guān)節(jié)中心位置，杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸可在槽口中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，杠桿繞杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸位置的不同，杠桿的轉(zhuǎn)動(dòng)中心不斷變化。當(dāng)杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸在槽口左端位置時(shí)，因?yàn)楦軛U轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)并不對(duì)預(yù)壓縮彈簧進(jìn)行壓縮，所以杠桿在機(jī)械限位內(nèi)可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，與杠桿通過第一軸承連接的輸出連桿在機(jī)械限位內(nèi)也能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)關(guān)節(jié)剛度為零；當(dāng)杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸在槽口右端位置時(shí)，則杠桿右端位置固定，也即第一軸承的位置不能移動(dòng)，那么與軸承連接的輸出連桿也不能移動(dòng)，此時(shí)關(guān)節(jié)剛度為無窮大；當(dāng)杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸不在杠桿槽口的左右兩端極限位置時(shí)，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(dòng)第一軸承逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，杠桿繞杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)并有微小移動(dòng)，進(jìn)而壓縮位于其下方的預(yù)壓縮彈簧，所以關(guān)節(jié)形成一定的剛度；當(dāng)輸出連桿帶動(dòng)第一軸承順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，杠桿壓縮位于其上方的預(yù)壓縮彈簧，關(guān)節(jié)形成一定剛度，關(guān)節(jié)順時(shí)針和逆時(shí)針方向都能形成一定剛度，因?yàn)楦軛U兩邊的預(yù)壓縮彈簧成對(duì)稱布置，所以關(guān)節(jié)順時(shí)針和逆時(shí)針方向剛度相同。上述變剛度關(guān)節(jié)的剛度具體計(jì)算方法如下：如圖3所示，設(shè)關(guān)節(jié)有彈性轉(zhuǎn)動(dòng)位移，為參數(shù)θs，設(shè)為逆時(shí)針方向，P為杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸中心，O為關(guān)節(jié)中心(即下述杠桿曲面中心或輸出連桿機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)離端)，A為第一軸承中心(即輸出連桿機(jī)構(gòu)連接端)，由關(guān)節(jié)彈性轉(zhuǎn)動(dòng)位移θs可求得杠桿曲面中心O點(diǎn)的水平位移σ為：其中關(guān)節(jié)彈性轉(zhuǎn)動(dòng)位移θs是關(guān)節(jié)發(fā)生的彈性變形量。假設(shè)δ1為杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸與關(guān)節(jié)中心的距離，δ為杠桿中長(zhǎng)孔的長(zhǎng)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(jī)構(gòu)遠(yuǎn)離端的O點(diǎn)垂直彈簧方向的位移ζ為：設(shè)ε0為預(yù)壓縮彈簧的初始?jí)嚎s量，r為杠桿上輸出連桿機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)離端的O點(diǎn)半圓面的半徑，rg為與預(yù)壓縮彈簧的滾輪的半徑，在O點(diǎn)垂直彈簧方向位移為為ζ的情況下，則杠桿上輸出連桿機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)離端的半圓面圓心O點(diǎn)與滾輪中心的水平距離為并得到杠桿一側(cè)預(yù)壓縮彈簧的壓縮量為：杠桿另一側(cè)預(yù)壓縮彈簧的壓縮量為：設(shè)預(yù)壓縮彈簧的初始彈性勢(shì)能為ks為彈簧剛度系數(shù)，關(guān)節(jié)有彈性位移θs時(shí)增加的彈簧能量ΔE為本實(shí)施例中，由于第一連桿和第二連桿的長(zhǎng)度均與長(zhǎng)孔長(zhǎng)度相等，設(shè)第一連桿的角位移為α，α為第一連桿中心線和與剛度調(diào)整減速機(jī)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(dòng)位移為δ1，可求出δ1與α的關(guān)系為：δ1＝2δsinα-δ，由上式可得到ΔE與α的函數(shù)關(guān)系，將增加的彈簧能量ΔE對(duì)角位移α求二階偏導(dǎo)得到關(guān)節(jié)剛度為Ks為：設(shè)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(shù)如圖4所示；在δ1＝20mm時(shí)，剛度Ks與關(guān)節(jié)彈性位移θs的歸一化曲線函數(shù)如圖5所示。在實(shí)際應(yīng)用中，剛度精度要求不高時(shí)，將上式中的剛度Ks在α＝π/6和θs＝0處展開為7階多項(xiàng)式和為：通過該多項(xiàng)式級(jí)數(shù)計(jì)算關(guān)節(jié)剛度即可。如上所述，便可較好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，上述實(shí)施例僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非用來限定本發(fā)明的實(shí)施范圍；即凡依本
發(fā)明內(nèi)容所作的均等變化與修飾，都為本發(fā)明權(quán)利要求所要求保護(hù)的范圍所涵蓋。當(dāng)前第1頁1 2 3 當(dāng)前第1頁1 2 3