[實用新型]基于非線性彈性元件的可調剛度驅動器

有效

• 申請號: 201520977545.8
• 申請日: 2015-11-30
• 公開（公告）號: CN205201526U
• 公開（公告）日: 2016-05-04
• 發明（設計）人: 楊辰光;王行健;梁培棟;李智軍;宋嶸
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: B25J9/10
• 分類號: B25J9/10;B25J17/00
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 羅觀祥

技術領域

本實用新型涉及一種控制算法和機械設計技術相結合的技術，特別涉及一 種基于非線性彈性元件的可調剛度驅動器，本實用新型通過控制模塊設計相關 控制算法控制機械結構實現給定力矩，最終實現可調節剛度的關節驅動器。

背景技術

如今，機器人產業發展迅速，需求量大、設計周期長。迫切需要開發出一 套標準化的、集合常用機器人應用模塊的硬件平臺，這樣有利于降低機器人應 用的成本和研發風險。因此機器人模塊化的研究成為了重點，特別是機器人模 塊化的設計。根據機器人常用功能，將其從機構和控制上進行分解，形成多個 具有獨立功能的功能模塊，通過重構，組成應用所需機器人構型。

同樣，隨著機器人在工業、航天、醫療、服務等各個行業應用越來越廣泛， 與人交互的機會也越來越多，保障機器人在與環境或人類交互時的安全性成為 國內外重點研究目標。

傳統機器人設計為了保證末端位置操作精確，多采用剛性的高增益控制， 按照預先規劃好的路線進行動作，完成單調而重復的工作。但是，當機器人末 端執行器與周圍環境發生接觸時，很容易受到周圍環境的影響，其人機交互安 全性不高。如果結合了接觸力控制后，就可以放松對位置精度控制的要求。同 時，當機器人突然受到較強力的作用的時候，傳統機器人可能因為其剛性機器 人的特性會讓機器人關節處受到一定的磨損，而如果采用變剛度關節驅動器， 電機和關節連桿間的彈簧會起到緩沖作用，有效保護機器人各部件的安全，完 成對機器人的柔性控制。因此，科學家提出了變剛度的設計，同時具有柔性機 構的被動安全，又具有控制精度，保證了人機交互的安全性。

這些年來也很多專利把關注點放在機器人的變剛度關節上，分別如下：

中國公開專利號：CN104669261A，名稱：一種可同步調整位移式變剛度關 節驅動器和機器人關節剛度的一種調整方法。該實用新型采用一種可同步調整 位移式變剛度關節驅動器，利用剛度調整驅動電機驅動齒輪在柔性齒條上滾動， 改變柔性齒條的受力點，使柔性齒條發生不同程度的撓度變形，從而達到變剛 度的目的。該實用新型能夠精準的測量并調整剛度，不過結構較為復雜，裝配 困難，且容易在高溫等極端環境下變形出現偏差，適用范圍不廣。

中國公開專利號：CN104440936A，名稱：一種可變剛度的機器人關節。該 實用新型中將外力通過摩擦片裝置產生相應摩擦力，利用摩擦片的摩擦特性進 行剛度調節。該實用新型可以在受到較大外力沖擊時改變關節剛度，不過此實 用新型由于結構限制，僅僅可以起到初步調節剛度的作用，并不能精準調節關 節的剛度。

實用新型內容

本實用新型的首要目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種基于非 線性彈性元件的可調剛度驅動器，該可調剛度驅動器根據變剛度關節驅動器的 設計，通過相關計算算法控制，結構簡單，對裝配硬件裝置要求不高，而且便 于控制。

本實用新型的另一目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種驅動所 述基于非線性彈性元件的可調剛度驅動器的驅動方法。

本實用新型的首要目的通過下述技術方案實現：一種基于非線性彈性元件 的可調剛度驅動器，主要包括控制電路、微處理器、驅動電機、轉軸、減速機 構、非線性彈簧和齒輪蝸桿。所述微處理器接在兩個驅動電機旁，微處理器和 驅動電機通過轉軸，減速機構和齒輪蝸桿與非線性彈簧相連，兩根非線性彈簧 分別位于轉桿的兩側，在未受力時處于松弛狀態，轉桿中心接有連桿，連接下 一個關節驅動器；每個關節驅動器的模塊末端均有一個連桿部分用來輸出變化 的剛度和力矩并傳遞給下一模塊；

所述的基于非線性彈性元件的可調剛度驅動器主要包括以下各功能組件：

微處理器：連于驅動電機附近，用來控制驅動電機，進而控制非線性彈簧 的伸縮度。每次當外力作用的時候，微處理器傳來由上一模塊輸出的力矩和剛 度，通過相應計算得到該模塊中兩根非線性彈簧的相應伸縮量，并將得到的數 據傳到驅動電機中。為達到更迅速精確的控制，微處理器使用PD控制。

驅動電機：固定在微處理器旁，用來驅動非線性彈簧，驅動電機將微處理 器計算得到的相應的信息輸出到減速機構中，然后通過齒輪蝸桿將之前電機軸 上的扭矩轉換為橫向拉力，即轉化成控制非線性彈簧的伸縮度的控制量。