基于非線性彈性元件的可調(diào)剛度驅(qū)動(dòng)器及其驅(qū)動(dòng)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種控制算法和機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)，特別設(shè)及一種基于非線 性彈性元件的可調(diào)剛度驅(qū)動(dòng)器及其驅(qū)動(dòng)方法，本發(fā)明通過控制模塊設(shè)計(jì)相關(guān)控制算法控制 機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)給定力矩，最終實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)剛度的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器。
【背景技術(shù)】
[0002] 如今，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，需求量大、設(shè)計(jì)周期長。迫切需要開發(fā)出一套標(biāo)準(zhǔn)化 的、集合常用機(jī)器人應(yīng)用模塊的硬件平臺(tái)，運(yùn)樣有利于降低機(jī)器人應(yīng)用的成本和研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。 因此機(jī)器人模塊化的研究成為了重點(diǎn)，特別是機(jī)器人模塊化的設(shè)計(jì)。根據(jù)機(jī)器人常用功能， 將其從機(jī)構(gòu)和控制上進(jìn)行分解，形成多個(gè)具有獨(dú)立功能的功能模塊，通過重構(gòu)，組成應(yīng)用所 需機(jī)器人構(gòu)型。
[0003] 同樣，隨著機(jī)器人在工業(yè)、航天、醫(yī)療、服務(wù)等各個(gè)行業(yè)應(yīng)用越來越廣泛，與人交互 的機(jī)會(huì)也越來越多，保障機(jī)器人在與環(huán)境或人類交互時(shí)的安全性成為國內(nèi)外重點(diǎn)研究目 標(biāo)。
[0004] 傳統(tǒng)機(jī)器人設(shè)計(jì)為了保證末端位置操作精確，多采用剛性的高增益控制，按照預(yù) 先規(guī)劃好的路線進(jìn)行動(dòng)作，完成單調(diào)而重復(fù)的工作。但是，當(dāng)機(jī)器人末端執(zhí)行器與周圍環(huán)境 發(fā)生接觸時(shí)，很容易受到周圍環(huán)境的影響，其人機(jī)交互安全性不高。如果結(jié)合了接觸力控制 后，就可W放松對位置精度控制的要求。同時(shí)，當(dāng)機(jī)器人突然受到較強(qiáng)力的作用的時(shí)候，傳 統(tǒng)機(jī)器人可能因?yàn)槠鋭傂詸C(jī)器人的特性會(huì)讓機(jī)器人關(guān)節(jié)處受到一定的磨損，而如果采用變 剛度關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)和關(guān)節(jié)連桿間的彈黃會(huì)起到緩沖作用，有效保護(hù)機(jī)器人各部件的安 全，完成對機(jī)器人的柔性控制。因此，科學(xué)家提出了變剛度的設(shè)計(jì)，同時(shí)具有柔性機(jī)構(gòu)的被 動(dòng)安全，又具有控制精度，保證了人機(jī)交互的安全性。 陽〇化]運(yùn)些年來也很多專利把關(guān)注點(diǎn)放在機(jī)器人的變剛度關(guān)節(jié)上，分別如下：
[0006] 中國公開專利號(hào)：CN104669261A，名稱：一種可同步調(diào)整位移式變剛度關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng) 器和機(jī)器人關(guān)節(jié)剛度的一種調(diào)整方法。該發(fā)明采用一種可同步調(diào)整位移式變剛度關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng) 器，利用剛度調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪在柔性齒條上滾動(dòng)，改變?nèi)嵝札X條的受力點(diǎn)，使柔性齒 條發(fā)生不同程度的曉度變形，從而達(dá)到變剛度的目的。該發(fā)明能夠精準(zhǔn)的測量并調(diào)整剛度， 不過結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，裝配困難，且容易在高溫等極端環(huán)境下變形出現(xiàn)偏差，適用范圍不廣。
[0007]中國公開專利號(hào)：CN104440936A，名稱：一種可變剛度的機(jī)器人關(guān)節(jié)。該發(fā)明中將 外力通過摩擦片裝置產(chǎn)生相應(yīng)摩擦力，利用摩擦片的摩擦特性進(jìn)行剛度調(diào)節(jié)。該發(fā)明可W 在受到較大外力沖擊時(shí)改變關(guān)節(jié)剛度，不過此發(fā)明由于結(jié)構(gòu)限制，僅僅可W起到初步調(diào)節(jié) 剛度的作用，并不能精準(zhǔn)調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)的剛度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的首要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種基于非線性彈性元 件的可調(diào)剛度驅(qū)動(dòng)器，該可調(diào)剛度驅(qū)動(dòng)器根據(jù)變剛度關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)，通過相關(guān)計(jì)算算 法控制，結(jié)構(gòu)簡單，對裝配硬件裝置要求不高，而且便于控制。
[0009] 本發(fā)明的另一目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種驅(qū)動(dòng)所述基于非線 性彈性元件的可調(diào)剛度驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)方法。
[0010] 本發(fā)明的首要目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種基于非線性彈性元件的可調(diào)剛度 驅(qū)動(dòng)器，主要包括控制電路、微處理器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、轉(zhuǎn)軸、減速機(jī)構(gòu)、非線性彈黃和齒輪蝸桿。 所述微處理器接在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)旁，微處理器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過轉(zhuǎn)軸，減速機(jī)構(gòu)和齒輪蝸桿 與非線性彈黃相連，兩根非線性彈黃分別位于轉(zhuǎn)桿的兩側(cè)，在未受力時(shí)處于松弛狀態(tài)，轉(zhuǎn)桿 中屯、接有連桿，連接下一個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器；每個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的模塊末端均有一個(gè)連桿部分用 來輸出變化的剛度和力矩并傳遞給下一模塊；
[0011] 所述的基于非線性彈性元件的可調(diào)剛度驅(qū)動(dòng)器主要包括W下各功能組件：
[0012] 微處理器：連于驅(qū)動(dòng)電機(jī)附近，用來控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)，進(jìn)而控制非線性彈黃的伸縮 度。每次當(dāng)外力作用的時(shí)候，微處理器傳來由上一模塊輸出的力矩和剛度，通過相應(yīng)計(jì)算得 至IJ該模塊中兩根非線性彈黃的相應(yīng)伸縮量，并將得到的數(shù)據(jù)傳到驅(qū)動(dòng)電機(jī)中。為達(dá)到更迅 速精確的控制，微處理器使用PD控制。
[001引驅(qū)動(dòng)電機(jī)：固定在微處理器旁，用來驅(qū)動(dòng)非線性彈黃，驅(qū)動(dòng)電機(jī)將微處理器計(jì)算得 到的相應(yīng)的信息輸出到減速機(jī)構(gòu)中，然后通過齒輪蝸桿將之前電機(jī)軸上的扭矩轉(zhuǎn)換為橫向 拉力，即轉(zhuǎn)化成控制非線性彈黃的伸縮度的控制量。
[0014] 非線性彈黃：非線性彈黃與普通彈黃有所不同，內(nèi)在結(jié)構(gòu)的不同（非線性彈黃在 其不同的位置疏密不同）決定了非線性彈黃產(chǎn)生的彈力大小是與非線性彈黃伸縮量的平 方成正比。如今市場上已經(jīng)有適用于各種場合下的非線性彈黃。所W無論是在高溫情況還 是惡劣環(huán)境等各種特定的情況下，都有相應(yīng)的非線性彈黃滿足要求，運(yùn)樣就可W使本專利 適用于各種情況各種環(huán)境，并且很容易維修。
[0015] 連桿：處于兩根非線性彈黃相接處，用來輸出模塊產(chǎn)生的力矩和剛度。
[0016] 本發(fā)明的基于非線性彈性元件的可調(diào)剛度驅(qū)動(dòng)器可W分為控制模塊和機(jī)械構(gòu)造 運(yùn)兩部分，在機(jī)械構(gòu)造運(yùn)部分中，通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)提供相關(guān)轉(zhuǎn)矩，再通過齒輪蝸桿將扭矩 轉(zhuǎn)化為拉力，拉動(dòng)非線性彈黃，使非線性彈黃產(chǎn)生形變。兩根非線性彈黃同時(shí)作用在轉(zhuǎn)桿 上，產(chǎn)生輸出力矩，同時(shí)輸出可調(diào)節(jié)剛度?？刂颇K通過算法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)給定輸出剛度和力 矩。本發(fā)明從控制模塊入手，利用相關(guān)控制算法，與機(jī)械構(gòu)造共同作用，不僅簡化了硬件裝 置，節(jié)省空間，降低了對裝配的要求，而且關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的剛度變化隨著外界變化而平穩(wěn)改 變，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。
[0017] 本發(fā)明的另一目的通過W下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種驅(qū)動(dòng)所述基于非線性彈性元件的 可調(diào)剛度驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)方法，包括W下步驟：
[001引步驟1、微處理器根據(jù)給定輸出力矩和輸出剛度計(jì)算得到兩根非線性彈黃的伸縮 量；
[0019] 步驟2、微處理器通過PD控制將相應(yīng)計(jì)算結(jié)果傳給兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出 相應(yīng)的力矩于各自轉(zhuǎn)軸中；
[0020] 步驟3、兩個(gè)齒輪蝸桿分別將兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的力矩轉(zhuǎn)換為水平拉力，分別改變 兩根非線性彈黃的伸縮量；
[0021] 步驟4、驅(qū)動(dòng)器通過兩根非線性彈黃各自的伸縮量實(shí)時(shí)輸出相應(yīng)的可調(diào)剛度與力 矩。
[0022] 本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果：
[0023] 1.本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的剛度可調(diào)節(jié)化，相較傳統(tǒng)的剛性關(guān)節(jié)，能夠在瞬時(shí) 高強(qiáng)度沖擊力作用時(shí)，利用自身柔順特性，保護(hù)關(guān)節(jié)連桿，對整個(gè)機(jī)器人的各部位起到很好 的保護(hù)作用。
[0024] 2.本發(fā)明可變剛度的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，外觀小巧，能滿足空間約束情況 下的使用需求。
[00對 3.本發(fā)明可變剛度的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器，在作用過程中非線性彈黃可W儲(chǔ)存能量，微處 理器計(jì)算快速，是一種節(jié)能高效的新型驅(qū)動(dòng)器。本發(fā)明注重于算法設(shè)計(jì)，不再是純機(jī)械設(shè) 計(jì)，通過設(shè)計(jì)相應(yīng)算法得到輸入位置和輸出力矩剛度之間的相互聯(lián)系，并利用運(yùn)種聯(lián)系計(jì) 算得到相應(yīng)的非線性彈黃伸縮度進(jìn)而得到較為理想的輸出力矩和輸出剛度。
【附圖說明】
[00%]圖1為本發(fā)明中非線性彈黃和轉(zhuǎn)桿位置及工作原理示意圖。
[0027] 圖2為本發(fā)明中基于非線性彈性元件構(gòu)建變剛度關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器機(jī)械結(jié)構(gòu)第一部分 示意圖。
[0028] 圖3為本發(fā)明中基于非線性彈性元件構(gòu)建變剛度關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器機(jī)械結(jié)構(gòu)第二部分 示意圖。
[0029] 圖4為本發(fā)明基于非線性彈性元件構(gòu)建變剛度關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的算法流程。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限 于此。 陽0川 實(shí)施例
[0032] 如圖4所示，一種驅(qū)動(dòng)所述基于非線性彈性元件的可調(diào)剛度驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)方法， 主要包括W下步驟：
[0033] 步驟1、如圖1所示，本發(fā)明所述的是一種基于非線性彈性元件的可調(diào)剛度驅(qū)動(dòng) 器，主要基于圖1中的第一根非線性彈黃1和第二根非線性彈黃2。運(yùn)兩個(gè)非線性彈黃與彈 黃伸縮量的關(guān)系不再是簡單的線性關(guān)系，而是與伸縮量的平方呈線性關(guān)系。
[0034] 良P:
[0035]
(1)
[0036] 上式中，F(xiàn)為非線性彈黃產(chǎn)生的彈力，k為比例系數(shù)，是一個(gè)常量，X為非線性彈黃 的伸縮量。當(dāng)微處理器輸出非線性彈黃相應(yīng)產(chǎn)生伸縮量Χ?和X2時(shí)，如圖1第一根非線性彈 黃1和第二根非線性彈黃2分別產(chǎn)生的力的大小為：