[發(fā)明專利]能夠提供非線性可變剛度的彈性組件

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310295834.5
• 申請(qǐng)日: 2013-07-15
• 公開（公告）號(hào): CN103433933A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃遠(yuǎn)燦;姚利明;李國棟;李帥
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): B25J17/00
• 分類號(hào): B25J17/00;B25J19/00
• 代理公司: 北京匯智英財(cái)專利代理事務(wù)所(普通合伙) 11301
• 代理人: 牟長(zhǎng)林

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種能夠提供非線性可變剛度的彈性組件，屬于直線運(yùn)動(dòng)剛度可調(diào)的彈性裝置技術(shù)領(lǐng)域，可以用于機(jī)器人，尤其是可以用于機(jī)器人關(guān)節(jié)，也可以應(yīng)用于與之有類似結(jié)構(gòu)或技術(shù)要求的領(lǐng)域。

背景技術(shù)

研制外觀特征與動(dòng)物或人類似，具有高度智能、動(dòng)作靈活，并能適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的仿生機(jī)器人一直是人類的夢(mèng)想。仿生機(jī)器人最引人關(guān)注的一個(gè)方面是它的移動(dòng)技術(shù)：行走。和大多數(shù)傳統(tǒng)的基于輪式或履帶式的移動(dòng)機(jī)器人相比，仿生機(jī)器人的特點(diǎn)是具有腿。盡管在通常條件下輪式或履帶式移動(dòng)機(jī)器人具有控制簡(jiǎn)單、效率高等特點(diǎn)，但是對(duì)于條件較差的環(huán)境，腿式步行機(jī)器人具有更好的適應(yīng)性，并且仍具有很高的效率。

步行機(jī)器人研究涉及到仿生學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子工程學(xué)、控制理論、人工智能、傳感器等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，是一個(gè)多學(xué)科融合的交叉學(xué)科。研究步行機(jī)器人一方面通過模擬人類或動(dòng)物的行走探索步行的生理機(jī)制，對(duì)如行走輔助機(jī)器人系統(tǒng)等的設(shè)計(jì)提供幫助；另一方面，設(shè)計(jì)的行走機(jī)器人系統(tǒng)可以作為假肢幫助肢殘人士行走，或作為外骨骼系統(tǒng)增強(qiáng)人類的長(zhǎng)時(shí)間行走和負(fù)重能力。因此，步行機(jī)器人研究具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)用價(jià)值，已經(jīng)成為機(jī)器人領(lǐng)域活躍的研究分支。

現(xiàn)有的能夠穩(wěn)定行走的機(jī)器人大部分采用高剛度關(guān)節(jié)，通過精確的伺服控制使機(jī)器人在步行過程中準(zhǔn)確跟蹤預(yù)定義的關(guān)節(jié)角度軌跡，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行走。這類機(jī)器人不僅能量效率低下，而且使機(jī)器人步態(tài)不自然，與真實(shí)的人類或動(dòng)物行走存在差距，不利于揭示行走的本質(zhì)特性。同時(shí)，剛性關(guān)節(jié)和高減速比的減速機(jī)導(dǎo)致的高反射慣量使機(jī)器人不能穩(wěn)定地快速行走，而且無法有效的利用能量和容易損壞。要想真正使這類雙足機(jī)器人應(yīng)用于人類真實(shí)環(huán)境或人類不能到達(dá)的危險(xiǎn)、復(fù)雜環(huán)境中，必須提高其行走能量效率及其環(huán)境適應(yīng)性。被動(dòng)動(dòng)態(tài)步行機(jī)器人是一種類似人類行走的腿式機(jī)器人，僅在部分自由度施加驅(qū)動(dòng)，通過被動(dòng)關(guān)節(jié)對(duì)步行過程中的能耗進(jìn)行補(bǔ)償，能夠得到高能效、自然的步態(tài)，且控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。實(shí)踐證明，這類機(jī)器人能夠獲得更易控制、更高效率的穩(wěn)定行走，且步態(tài)穩(wěn)定。此外，通過配置能夠提供非線性可變剛度的彈性組件，改變機(jī)器人關(guān)節(jié)剛度，可以解決機(jī)器人與人或未知環(huán)境接觸時(shí)的安全性問題以及模擬人或動(dòng)物肢體的變剛度特性。

由于機(jī)器人技術(shù)屬于具有擬人化要求的高端機(jī)械，因此，機(jī)器人結(jié)構(gòu)中的上述技術(shù)問題，同樣存在于與之有類似結(jié)構(gòu)或技術(shù)要求的領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種更加有效的能夠提供非線性可變剛度的彈性組件，其具有非線性剛度，并能主動(dòng)地進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)能量的存儲(chǔ)/釋放，有助于解決現(xiàn)有機(jī)器人的高能耗及環(huán)境適應(yīng)性差的問題；此外，還能夠避免機(jī)器人與未知環(huán)境的剛性碰撞，保證機(jī)器人與人或未知環(huán)境接觸的安全性以及模擬人或動(dòng)物肢體的變剛度特性，同時(shí)，其體積小巧，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便、運(yùn)行可靠，能用于對(duì)體積和質(zhì)量有較高要求的場(chǎng)合。

本發(fā)明主要是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種能夠提供非線性可變剛度的彈性組件，其主要包括：

殼體；

夾持組件，與殼體連接，包括至少一組夾持力可變的夾持臂組，其中，所述夾持臂組包括至少一個(gè)彈性夾持臂，所述彈性夾持臂中設(shè)有彈性件，所述彈性件的彈性力構(gòu)成所述夾持力的全部或一部分；

被夾持件，被至少一組所述夾持臂組夾持，并能夠在被夾持臂組夾持的狀態(tài)下相對(duì)夾持臂組運(yùn)動(dòng)，包括至少一個(gè)被夾持面和一個(gè)工作面，所述被夾持面被所述彈性夾持臂的夾持面接觸壓緊，所述被夾持面和夾持面之間的壓力隨被夾持件在夾持臂組中的運(yùn)動(dòng)位置的改變而改變，所述工作面輸出變化的輸出剛度/力，所述輸出剛度/力的大小隨被夾持件在夾持臂組中的運(yùn)動(dòng)位置的改變而非線性改變，所述壓力與所述輸出力不共線且不平行。

優(yōu)選為，所述被夾持件被夾持臂組夾持的位置的厚度隨被夾持件在夾持臂組中的運(yùn)動(dòng)位置的改變而改變，所述被夾持面和夾持面之間的壓力隨被夾持件的厚度的改變而改變。

優(yōu)選為，所述被夾持面為平面或曲面，使得所述被夾持件的厚度連續(xù)增大或連續(xù)減小，所述曲面的母線上的相鄰點(diǎn)的斜率相同或不同，使得所述被夾持件的厚度均勻或不均勻的連續(xù)增大/連續(xù)減小。

優(yōu)選為，所述曲面的母線為直線、圓弧、橢圓弧、雙曲線和拋物線中的任一部分，或任幾部分的組合。所述曲面的導(dǎo)線為直線或曲線，并且，母線和導(dǎo)線不同時(shí)為直線。

優(yōu)選為，所述被夾持件一端的厚度最大，另一端的厚度最小；或者，所述被夾持件的中部位置厚度最小，兩端位置厚度最大。