[0039] 式似和式（3)中，f郝f2分別表示第一根非線(xiàn)性彈黃1與第二根彈非線(xiàn)性黃2 產(chǎn)生的力，XI和X2分別表示第一根非線(xiàn)性彈黃1與第二根非線(xiàn)性彈黃2的伸縮量，而k為 第一根非線(xiàn)性彈黃1與第二根非線(xiàn)性彈黃2的比例系數(shù)。
[0040] 步驟2、如圖3所示，包括微處理器4和機(jī)械構(gòu)造第一部分，機(jī)械構(gòu)造第一部分包括 第一個(gè)電機(jī)5和第二個(gè)電機(jī)6作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，第一根轉(zhuǎn)軸7和第二根轉(zhuǎn)軸8負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)電機(jī) 產(chǎn)生的扭矩輸出，第一個(gè)減速機(jī)構(gòu)9和第二個(gè)減速機(jī)構(gòu)10負(fù)責(zé)降速并提高輸出扭矩，第一 個(gè)齒輪11，第一根蝸桿13和第二個(gè)齒輪12,第二根蝸桿14組成兩個(gè)齒輪蝸桿，將輸出扭矩 轉(zhuǎn)換為水平拉力，控制非線(xiàn)性彈黃的伸縮量。
[0041] 如圖4所示，包括機(jī)械構(gòu)造第二部分，包括第一根蝸桿13和第二根蝸桿14,第一根 非線(xiàn)性彈黃15和第二根非線(xiàn)性彈黃16和輸出轉(zhuǎn)桿17。
[0042] 下面將詳細(xì)介紹微處理器和輸出力矩和剛度之間的關(guān)系。
[0043] 對(duì)于關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器給定輸出力矩τ，它與兩根非線(xiàn)性彈黃產(chǎn)生的彈力和f2的關(guān) 系如下： 陽(yáng)044] τ=fiLi-fzLz， (4) W45] 上式中，τ為轉(zhuǎn)桿17處輸出力矩，和f2分別表示第一根非線(xiàn)性彈黃15和第二 根非線(xiàn)性彈黃16所受彈力，而Li和L2分別表示第一根非線(xiàn)性彈黃15和第二根非線(xiàn)性彈黃 16受力處到轉(zhuǎn)軸的距離，即分別是第一根非線(xiàn)性彈黃15和第二根非線(xiàn)性彈黃16的力臂。 [0046] 而兩個(gè)力臂分別可W表示為： 陽(yáng)047] Li=L+X1， (5)
[0048] L2=L+x2. 巧） W例上式中，如圖3所示，Li和Lz分別表示第一根非線(xiàn)性彈黃15和第二根非線(xiàn)性彈黃 16受力處到轉(zhuǎn)軸的距離，L為第一根非線(xiàn)性彈黃15和第二根非線(xiàn)性彈黃16的原長(zhǎng)，XI和 X2分別表示第一根非線(xiàn)性彈黃15與第二根非線(xiàn)性彈黃16的伸縮量。
[0050] 則整理上面各式，將轉(zhuǎn)桿處輸出力矩表示為： W川
（7)
[0052] 上式中，τ為轉(zhuǎn)桿17處輸出力矩，k為第一根非線(xiàn)性彈黃15與第二根非線(xiàn)性彈黃 16的比例系數(shù)，L為第一根非線(xiàn)性彈黃15和第二根非線(xiàn)性彈黃16的原長(zhǎng)，和X2分別表 示第一根非線(xiàn)性彈黃15與第二根非線(xiàn)性彈黃16的伸縮量。
[0053] 步驟3、給定輸出剛度K'是給定輸出力矩τ和轉(zhuǎn)角Θ的導(dǎo)數(shù)，即： 幽
(8) 陽(yáng)化5] 上式中，Κ'為輸出剛度，τ和Θ分別表示輸出力矩和轉(zhuǎn)角。
[0056] 考慮到轉(zhuǎn)桿處轉(zhuǎn)角Θ與兩根非線(xiàn)性彈黃伸縮量之間的關(guān)系：
[0057] 目=(Xi-X2)/R， (9)
[0058] 上式中Θ為轉(zhuǎn)桿17處轉(zhuǎn)角，R為轉(zhuǎn)桿17自身的半徑，和X2分別表示第一根非 線(xiàn)性彈黃15與第二根非線(xiàn)性彈黃16的伸縮量。則給定輸出剛度K'和第一根非線(xiàn)性彈黃 15和第二根非線(xiàn)性彈黃16的伸縮量和X2之間的關(guān)系： 蜘9]
， 纖
[0060]良P:
[0063] 上式中，Κ'為給定輸出剛度，xi和X2分別為第一根非線(xiàn)性彈黃15和第二根非線(xiàn) 性彈黃16的伸縮量，R為轉(zhuǎn)桿17自身的半徑，k為第一根非線(xiàn)性彈黃15與第二根非線(xiàn)性彈 黃16的比例系數(shù)，L為第一根非線(xiàn)性彈黃15和第二根非線(xiàn)性彈黃16的原長(zhǎng)?？蒞得到機(jī) 械構(gòu)造的輸出連桿17處的兩個(gè)量：輸出力矩τ和輸出剛度K'。
[0064] 步驟4、控制模塊可W利用給定輸出力矩和剛度設(shè)計(jì)算法得到相應(yīng)兩根非線(xiàn)性彈 黃的伸縮量，進(jìn)而控制輸出。如圖2所示，當(dāng)產(chǎn)生較大力或者力矩的情況下，微處理器4能 立即作出相應(yīng)的控制指令，起到保護(hù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、關(guān)節(jié)和連桿的作用，為保證控制迅速準(zhǔn)確， 微處理器采用PD控制。 W65] 微處理器可根據(jù)給定輸出力矩τ和輸出剛度Κ'計(jì)算得到兩根非線(xiàn)性彈黃的伸 縮量和X2:
W側(cè)式（蝴和（14)中，X郝X2分別為第一根非線(xiàn)性彈黃15和第二根非線(xiàn)性彈黃16 的伸縮量，K'為給定輸出剛度，R為轉(zhuǎn)桿17自身的半徑，τ為轉(zhuǎn)桿17處的輸出力矩；a,b， c分別表不：
[0069]a= 3Rk， （巧）
[0070] b= 2RkL+3R2τk/K'， (16)
[0071]c=R'TkL/K' +αΛτ2/^(κ' )2-Κ'， (17) 陽(yáng)0巧式（15)，（16)和（17)中，a,b，c表不式（14)中的各未知量，R為轉(zhuǎn)桿17自身的 半徑，k為第一根非線(xiàn)性彈黃15與第二根非線(xiàn)性彈黃16的比例系數(shù)，L為第一根非線(xiàn)性彈 黃15和第二根非線(xiàn)性彈黃16的原長(zhǎng)，K'為給定輸出剛度，τ為轉(zhuǎn)桿17處的輸出力矩。
[0073] 如圖4所示，微處理器就可W按照給定力矩和給定輸出剛度，通過(guò)相應(yīng)算法計(jì)算 和PD控制，及時(shí)準(zhǔn)確地控制兩根非線(xiàn)性彈黃的伸縮量，最終通過(guò)控制非線(xiàn)性彈黃伸縮量達(dá) 到輸出可調(diào)節(jié)剛度，實(shí)現(xiàn)柔性控制，保護(hù)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器，提高人機(jī)交互的安全性。
[0074] 上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的 限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化， 均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于非線(xiàn)性彈性元件的可調(diào)剛度驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，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(xiàn)性彈簧和齒輪蝸桿； 所述微處理器根據(jù)輸出的剛度和力矩，計(jì)算出非線(xiàn)性彈簧的伸縮量，并控制驅(qū)動(dòng)電 機(jī)； 所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)在微處理器的控制下，通過(guò)轉(zhuǎn)軸輸出產(chǎn)生的扭矩，經(jīng)過(guò)減速機(jī)構(gòu)降速同 時(shí)提高輸出扭矩，經(jīng)過(guò)齒輪蝸桿轉(zhuǎn)換為拉力后，控制非線(xiàn)性彈簧的伸縮量，從而控制輸出剛 度和力矩的變化。2. 如權(quán)利要求1所述的基于非線(xiàn)性彈性元件的可調(diào)剛度驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，所述控 制模塊利用非線(xiàn)性彈簧伸縮量和輸出力矩與剛度之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)特定控制算法控制輸出 剛度和力矩。3. 如權(quán)利要求1所述的基于非線(xiàn)性彈性元件的可調(diào)剛度驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，所述非 線(xiàn)性彈簧為的數(shù)量為兩根，兩根非線(xiàn)性彈簧分別在轉(zhuǎn)桿兩側(cè)，并聯(lián)的兩根非線(xiàn)性彈簧連同 轉(zhuǎn)桿整體的彈性系數(shù)正比于兩根非線(xiàn)性彈簧的彈性系數(shù)之和；當(dāng)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器在作用過(guò)程 中，所述非線(xiàn)性彈簧整體的彈性系數(shù)采用其輸出力矩與時(shí)間轉(zhuǎn)角的導(dǎo)數(shù)來(lái)表示，兩根非線(xiàn) 性彈簧的輸出力矩正比于兩根非線(xiàn)性彈簧產(chǎn)生的彈力之差。4. 如權(quán)利要求3所述的基于非線(xiàn)性彈性元件的可調(diào)剛度驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，所述兩 根非線(xiàn)性彈簧與相應(yīng)位置的平方呈正相關(guān)。5. 如權(quán)利要求3所述的基于非線(xiàn)性彈性元件的可調(diào)剛度驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，所述兩 根非線(xiàn)性彈簧均連著驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在控制模塊的作用下，控制輸出剛度的大小。6. 如權(quán)利要求3所述的基于非線(xiàn)性彈性元件的可調(diào)剛度驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，所述兩 根非線(xiàn)性彈簧完全相同，所述兩根非線(xiàn)性彈簧均通過(guò)連桿連接齒輪蝸桿，兩根非線(xiàn)性彈簧 受驅(qū)動(dòng)電機(jī)和微處理器的驅(qū)動(dòng)與控制，連桿輸出可調(diào)節(jié)的剛度大小以及力矩大小。7. -種驅(qū)動(dòng)權(quán)利要求1所述的基于非線(xiàn)性彈性元件的可調(diào)剛度驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)方法，其 特征在于，包括以下步驟： 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(xiàn)性彈簧的伸縮量； 步驟2、微處理器通過(guò)ro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； 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(xiàn)性彈簧的伸縮量； 步驟4、驅(qū)動(dòng)器通過(guò)兩根非線(xiàn)性彈簧各自的伸縮量實(shí)時(shí)輸出相應(yīng)的可調(diào)剛度與力矩。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于非線(xiàn)性彈性元件的可調(diào)剛度驅(qū)動(dòng)器，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(xiàn)性彈簧和齒輪蝸桿；本發(fā)明還公開(kāi)一種驅(qū)動(dòng)基于非線(xiàn)性彈性元件的可調(diào)剛度驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)方法，包括以下步驟：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(xiàn)性彈簧的伸縮量；2、微處理器通過(guò)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；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(xiàn)性彈簧的伸縮量；4、驅(qū)動(dòng)器通過(guò)兩根非線(xiàn)性彈簧各自的伸縮量實(shí)時(shí)輸出相應(yīng)的可調(diào)剛度與力矩。具有簡(jiǎn)化了硬件裝置和節(jié)省了空間等優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類(lèi)】B25J9/10, B25J17/00
【公開(kāi)號(hào)】CN105313117
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510862809
【發(fā)明人】楊辰光, 王行健, 梁培棟, 李智軍, 宋嶸
【申請(qǐng)人】華南理工大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年2月10日
【申請(qǐng)日】2015年11月30日