[發(fā)明專利]一種可變剛度驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器及機(jī)器人

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910277764.8
• 申請(qǐng)日: 2019-04-08
• 公開（公告）號(hào): CN109877808B
• 公開（公告）日: 2019-09-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 國凱;許亞鵬;孫杰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 山東大學(xué)
• 主分類號(hào): B25J9/00
• 分類號(hào): B25J9/00;B25J9/10;B25J9/12
• 代理公司: 濟(jì)南圣達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221
• 代理人: 趙敏玲

本發(fā)明公開了一種可變剛度驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器及機(jī)器人，包括支撐組件、剛度調(diào)節(jié)組件、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)組件和傳感系統(tǒng)；所述支撐組件為剛度調(diào)節(jié)組件、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)組件和傳感系統(tǒng)提供支撐；所述傳感系統(tǒng)獲取動(dòng)力驅(qū)動(dòng)組件輸出端的轉(zhuǎn)角，用于反饋控制校正；所述剛度調(diào)節(jié)組件對(duì)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)組件的輸出端的輸出剛度進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用行星布局的同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)合蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)，不僅避免了傳統(tǒng)減速器的重量和尺寸缺點(diǎn)，也在極為緊湊的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立地對(duì)彈性元件的同步調(diào)節(jié)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于機(jī)器人執(zhí)行器領(lǐng)域，具體涉及一種可變剛度驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器及機(jī)器人。

背景技術(shù)

隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的機(jī)器人已無法滿足各行各業(yè)對(duì)自動(dòng)化裝備所提出的新要求。機(jī)器人也從傳統(tǒng)的汽車制造、生產(chǎn)搬運(yùn)等應(yīng)用場景，越來越多地拓展至生活服務(wù)、醫(yī)療康復(fù)、軍事協(xié)作等領(lǐng)域。這些新的機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域?qū)儆诟叨鹊娜藱C(jī)交互場合，對(duì)機(jī)器人的安全性和柔順性要求極高。機(jī)器人可以從兩大方向滿足安全性和柔順性的兩大要求，其一，利用傳統(tǒng)的高剛性機(jī)器人及多點(diǎn)傳感器結(jié)合阻抗控制等復(fù)雜的控制算法，機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)一定程度的柔順運(yùn)動(dòng)，屬于算法(軟件)層面的解決方案；但是，該方向不僅對(duì)硬件(機(jī)器人本體+傳感系統(tǒng))的精度要求較高，其關(guān)鍵的柔順控制算法性能(自適應(yīng)性+高可靠性+高速實(shí)時(shí)性)更是極為難以實(shí)現(xiàn)；綜合難度和成本極高，極大地限制了其發(fā)展與應(yīng)用。其二，在硬件層面開發(fā)新型可變剛度驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人執(zhí)行器，通過獨(dú)立調(diào)節(jié)機(jī)器人的剛度，使得機(jī)器人能夠在人機(jī)交互過程中實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)交互作用力，即交互力較大時(shí)，機(jī)器人適當(dāng)減小自身輸出剛度，反之則適當(dāng)增加輸出剛度，從而實(shí)現(xiàn)安全的柔順交互運(yùn)動(dòng)；機(jī)器人變剛度驅(qū)動(dòng)主要從硬件層面實(shí)現(xiàn)，具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)特性，自適應(yīng)性能較好，控制難度較低，成本低廉；此外，變剛度機(jī)構(gòu)中的彈性元件還具有能量儲(chǔ)存與釋放的機(jī)械優(yōu)點(diǎn)，可顯著降低系統(tǒng)能耗；因此，變剛度驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人得到了國內(nèi)外研究人員的追捧。

現(xiàn)有的變剛度驅(qū)動(dòng)器依據(jù)原理主要分為四大類：(1)變彈性元件平衡位置(結(jié)構(gòu))，(2)變傳動(dòng)杠桿比率，(3)變彈性元件預(yù)緊力，(4)拮抗作用變剛度。盡管變剛度驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器應(yīng)用在機(jī)器人上面具有諸多優(yōu)點(diǎn)；

但是，申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)有的變剛度驅(qū)動(dòng)器均存在不同的缺點(diǎn)，如基于變彈性元件平衡位置的非線性彈性元件屬于被動(dòng)變剛度的范疇，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后則剛度特性完全取決于非線性彈性元件本身，機(jī)構(gòu)的適應(yīng)性十分有限；變彈性元件預(yù)緊力的執(zhí)行器大多受制于預(yù)緊機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)余量，雖然結(jié)構(gòu)上相對(duì)較為緊湊，但運(yùn)動(dòng)柔順性較差，預(yù)緊力的精確獲取較為困難；拮抗作用變剛度執(zhí)行器是模仿人體肌肉特性的一類仿生裝置，但機(jī)構(gòu)極為臃腫，拮抗作用力的控制比較困難，耦合干擾難以消除，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，精確控制最為困難；變傳動(dòng)杠桿比率原理的變剛度驅(qū)動(dòng)器大多基于懸臂梁理論，通過改變作用在彈性元件(多為葉片彈簧)上的力作用點(diǎn)或杠桿支撐點(diǎn)或彈性元件固定支點(diǎn)實(shí)現(xiàn)輸出剛度調(diào)節(jié)，控制簡單，實(shí)現(xiàn)方式相對(duì)容易；但是，現(xiàn)有變傳動(dòng)杠桿比率原理的變剛度驅(qū)動(dòng)器均存在：變剛度單元存在寄生運(yùn)動(dòng)、體積、重量較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、外觀不具美感、摩擦較大、調(diào)節(jié)剛度有限、關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度較小等問題，限制了其在機(jī)器人上的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明第一目的是提供一種可變剛度驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器，特別適用于機(jī)器人在人機(jī)交互時(shí)適時(shí)調(diào)節(jié)交互作用力，能夠滿足人機(jī)交互場合的安全性和柔順性需求；本發(fā)明的第二目的是提供一種利用上述可變剛度執(zhí)行器的機(jī)器人。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種可變剛度驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器，包括支撐組件、剛度調(diào)節(jié)組件、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)組件和傳感系統(tǒng)；

所述支撐組件為剛度調(diào)節(jié)組件、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)組件和傳感系統(tǒng)提供支撐；

所述傳感系統(tǒng)獲取動(dòng)力驅(qū)動(dòng)組件輸出端的轉(zhuǎn)角，用于反饋控制校正；

所述動(dòng)力驅(qū)動(dòng)組件通過動(dòng)力輸出元件轉(zhuǎn)動(dòng)從而驅(qū)動(dòng)負(fù)載；