[發(fā)明專利]一種基于可控粘度介質(zhì)的多自由度主被動變剛度柔性關(guān)節(jié)

在審

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• 申請日: 2020-08-21
• 公開（公告）號: CN111890409A
• 公開（公告）日: 2020-11-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李滿宏;陳俊杰;王哲;張明路;曹鑒
• 申請（專利權(quán)）人: 河北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: B25J17/00
• 分類號: B25J17/00
• 代理公司: 天津翰林知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 12210
• 代理人: 付長杰;張國榮

本發(fā)明一種基于可控粘度介質(zhì)的多自由度主被動變剛度柔性關(guān)節(jié)，包括主被動變剛度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、關(guān)節(jié)多自由度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和輸入殼體結(jié)構(gòu)，主被動變剛度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和關(guān)節(jié)多自由度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)均安裝在輸入殼體結(jié)構(gòu)內(nèi)；所述主被動變剛度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括減速器輸出盤、外部激勵發(fā)生器和輸出盤接合器；所述關(guān)節(jié)多自由度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括氣壓伸縮缸、連接鉸鏈、連接法蘭、減速器和電機(jī)；在電機(jī)的作用下使得關(guān)節(jié)在周向上具有一個轉(zhuǎn)動自由度，在四個氣壓伸縮缸的協(xié)同作用下關(guān)節(jié)具有一個球面轉(zhuǎn)動自由度。該關(guān)節(jié)通過可控粘度介質(zhì)實現(xiàn)周向上的變剛度，通過四個氣壓伸縮缸的共同作用實現(xiàn)球面轉(zhuǎn)動自由度方向的變剛度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及智能機(jī)器人領(lǐng)域，具體為一種基于可控粘度介質(zhì)的多自由度主被動變剛度柔性關(guān)節(jié)。

背景技術(shù)

關(guān)節(jié)作為機(jī)器人的連接部件，是保障其環(huán)境適應(yīng)性與步態(tài)機(jī)動性的關(guān)鍵。傳統(tǒng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)通常采用剛性連接的方式連接兩個活動部件，即硬連接，這種連接方式適用于簡單機(jī)械結(jié)構(gòu)下對關(guān)節(jié)驅(qū)動的控制，但剛性連接易引發(fā)機(jī)器人活動部件的振動傳遞，進(jìn)而影響機(jī)器人運(yùn)動的控制精度，嚴(yán)重時還將引起部件損壞，進(jìn)而影響機(jī)器人的工作穩(wěn)定性與使用壽命。特別是足式機(jī)器人的足端與地面剛性接觸會導(dǎo)致能量的大量損失，同時也降低了能量的利用率。此外，采用硬連接方式的關(guān)節(jié)不能根據(jù)外界環(huán)境和機(jī)器人自身負(fù)載的變化對關(guān)節(jié)剛度進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)，無法滿足復(fù)雜多變環(huán)境下機(jī)器人運(yùn)動過程中關(guān)節(jié)剛度的動態(tài)調(diào)整需求，容易產(chǎn)生時變剛性沖擊，從而導(dǎo)致機(jī)器人發(fā)生根本性的損壞。因此，具有可變剛度特性的柔性關(guān)節(jié)已成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點。

目前國內(nèi)外學(xué)者們針對變剛度機(jī)器人關(guān)節(jié)開展了廣泛深入的研究，研發(fā)了多款典型關(guān)節(jié)。如專利文獻(xiàn)“一種變剛度柔性關(guān)節(jié)裝置(CN109227596A)”，提供了一種變剛度柔性關(guān)節(jié)裝置，通過主動調(diào)整滾柱架與片簧的相對位置實現(xiàn)關(guān)節(jié)剛度調(diào)整，由于其采用絲杠滑塊的結(jié)構(gòu)調(diào)整滾柱架與片簧的相對位置，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，同時受定位零件布置形式的影響，以致難以進(jìn)行高精度關(guān)節(jié)運(yùn)動定位滿足關(guān)節(jié)運(yùn)動高精度控制的要求。專利文獻(xiàn)“空間可控時變剛度柔性關(guān)節(jié)裝置(CN109483590A)”公開了一種空間可控時變剛度柔性關(guān)節(jié)裝置，利用從動齒輪與端曲面齒輪的嚙合來壓縮彈簧，以實現(xiàn)變剛度；該關(guān)節(jié)裝置只能實現(xiàn)一個轉(zhuǎn)動自由度，而且齒輪嚙合處存在磨損和間隙，難以實現(xiàn)剛度的精確調(diào)節(jié)。專利文獻(xiàn)“一種基于對稱式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的變剛度關(guān)節(jié)(CN109877874A)”利用剛度調(diào)節(jié)電機(jī)主動驅(qū)動曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實現(xiàn)關(guān)節(jié)剛度調(diào)節(jié)，雖然該關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)簡單，可實現(xiàn)剛度的大范圍調(diào)節(jié)，但這種剛度調(diào)節(jié)方式對關(guān)節(jié)剛度調(diào)整結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及調(diào)整力矩要求較高，且難以實現(xiàn)關(guān)節(jié)被動剛度的有效調(diào)節(jié)。

綜上所述，現(xiàn)有柔性關(guān)節(jié)雖能初步實現(xiàn)關(guān)節(jié)剛度的調(diào)整，但普遍存在關(guān)節(jié)運(yùn)動與剛度控制自由度單一，主動與被動剛度調(diào)節(jié)方式復(fù)雜，運(yùn)動定位與剛度調(diào)節(jié)精度欠佳，頻響特性差，結(jié)構(gòu)控制復(fù)雜等突出問題。因此，亟需設(shè)計一種具備多自由度，能夠被動自適應(yīng)各方向外部剛性沖擊，同時也能主動調(diào)節(jié)剛度的柔性關(guān)節(jié)。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明擬解決的技術(shù)問題是，提供一種基于可控粘度介質(zhì)的多自由度主被動變剛度柔性關(guān)節(jié)；該關(guān)節(jié)具有一個球面轉(zhuǎn)動自由度和一個關(guān)節(jié)周向上的轉(zhuǎn)動自由度，可實現(xiàn)關(guān)節(jié)在任意運(yùn)動方向上的主被動調(diào)節(jié)剛度，能夠被動自適應(yīng)各個方向的外部剛性沖擊。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種基于可控粘度介質(zhì)的多自由度主被動變剛度柔性關(guān)節(jié)，包括主被動變剛度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、關(guān)節(jié)多自由度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和輸入殼體結(jié)構(gòu)，主被動變剛度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和關(guān)節(jié)多自由度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)均安裝在輸入殼體結(jié)構(gòu)內(nèi)；其特征在于，

所述主被動變剛度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括減速器輸出盤、外部激勵發(fā)生器和輸出盤接合器；所述關(guān)節(jié)多自由度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括氣壓伸縮缸、連接鉸鏈、連接法蘭、減速器和電機(jī)；