[發(fā)明專(zhuān)利]一種用于機(jī)器人關(guān)節(jié)的變剛度驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111436452.0
• 申請(qǐng)日: 2021-11-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114012715B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-03-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳偉海;李中一;李啟航;楊尚;王建華
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)杭州創(chuàng)新研究院
• 主分類(lèi)號(hào): B25J9/12
• 分類(lèi)號(hào): B25J9/12;B25J13/08
• 代理公司: 北京代代志同知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 16004
• 代理人: 冀學(xué)軍

本發(fā)明公開(kāi)了一種用于機(jī)器人關(guān)節(jié)的變剛度驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括有A單邊變剛度組件(1)、B單邊變剛度組件(2)、對(duì)拉盤(pán)組件(3)和支撐組件(4)。其中，A單邊變剛度組件(1)與B單邊變剛度組件(2)相對(duì)放置在支撐組件(4)上，且保持在同一軸向上。A單邊變剛度組件(1)中的A卷輪(1C)、B單邊變剛度組件(2)中的B卷輪(2C)通過(guò)一條鋼絲繩與對(duì)拉盤(pán)組件(3)中對(duì)拉盤(pán)(3A)實(shí)現(xiàn)連接。變剛度機(jī)構(gòu)采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)組件、滑輪繩繞組件和鋼絲繩三者的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)加載外力矩時(shí)兩軸之間會(huì)產(chǎn)生一定的角度變形，并且其外力矩與角度變形之間并不是線性關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)變剛度功能。在機(jī)械臂或外骨骼機(jī)器人中使用本發(fā)明的變剛度驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以有效的在碰撞時(shí)保護(hù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和使用者，并能實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)位置及剛度的獨(dú)立控制。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機(jī)器人關(guān)節(jié)的變剛度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，更特別地說(shuō)，是指一種采用繩索進(jìn)行對(duì)拉式驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)變剛度的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)的機(jī)器人為了實(shí)現(xiàn)較高的位置精度，其關(guān)節(jié)多為剛性關(guān)節(jié)，這樣很難實(shí)現(xiàn)安全舒適的人機(jī)交互功能。為了解決這個(gè)問(wèn)題，人們提出并開(kāi)發(fā)了變剛度關(guān)節(jié)。變剛度關(guān)節(jié)具有儲(chǔ)能能力，這樣有助于減少或消除在碰撞時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和使用者的損傷，這對(duì)提高機(jī)器人的能效、安全性和舒適性具有重要意義。到目前為止，已經(jīng)研究出各種變剛度關(guān)節(jié)，主要分為兩種類(lèi)型：固定變剛度關(guān)節(jié)和可調(diào)變剛度關(guān)節(jié)。所設(shè)計(jì)的對(duì)拉式變剛度關(guān)節(jié)為可調(diào)變剛度關(guān)節(jié)。與固定變剛度關(guān)節(jié)相比，可調(diào)變剛度關(guān)節(jié)能夠動(dòng)態(tài)改變剛度。根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)置，可調(diào)變剛度關(guān)節(jié)可進(jìn)一步分為兩組，即獨(dú)立式變剛度關(guān)節(jié)和對(duì)拉式變剛度關(guān)節(jié)。

對(duì)于獨(dú)立式變剛度關(guān)節(jié)，其通常包含兩個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器，一個(gè)用于控制關(guān)節(jié)位置，另一個(gè)用于剛度調(diào)節(jié)。目前已經(jīng)有許多采用獨(dú)立式變剛度關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)。它們可以通過(guò)以下三種方法實(shí)現(xiàn)：改變傳動(dòng)比，調(diào)整彈簧的物理特性以及改變彈簧的預(yù)緊力。然而，變剛度關(guān)節(jié)具有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器會(huì)導(dǎo)致變剛度關(guān)節(jié)的重量、尺寸和復(fù)雜性顯著增加，這樣會(huì)使得變剛度關(guān)節(jié)的應(yīng)用范圍降低。

對(duì)拉式變剛度關(guān)節(jié)的概念受生物學(xué)上動(dòng)物肌肉骨骼系統(tǒng)的啟發(fā)而來(lái)。如果使用繩索進(jìn)行動(dòng)力傳輸，可以使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)遠(yuǎn)離關(guān)節(jié)，這樣使得關(guān)節(jié)的機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊且具有較低的重量。然而，上述裝置在大多數(shù)情況下，其關(guān)節(jié)位置和剛度的調(diào)節(jié)是耦合的。通過(guò)理論分析表明，在對(duì)拉式變剛度關(guān)節(jié)中，具有二次扭矩－撓度/力－伸長(zhǎng)關(guān)系的彈性元件能夠?qū)崿F(xiàn)位置和剛度的解耦控制。通過(guò)使用上文中設(shè)計(jì)的變剛度機(jī)構(gòu)，可以建立一個(gè)能實(shí)現(xiàn)位置和剛度解耦控制的變剛度關(guān)節(jié)。該變剛度機(jī)構(gòu)可以通過(guò)改變繩索預(yù)緊力、彈簧剛度等參數(shù)，改變變剛度機(jī)構(gòu)的剛度變化特征，使其具有二次扭矩－撓度關(guān)系。通過(guò)使用該變剛度機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種新型的繩驅(qū)動(dòng)對(duì)拉式變剛度關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它具有兩個(gè)對(duì)拉式的變剛度機(jī)構(gòu)，每個(gè)機(jī)構(gòu)都具有可調(diào)的轉(zhuǎn)矩－撓度特性，以實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的位置及剛度的獨(dú)立控制。

發(fā)明內(nèi)容

為了使機(jī)械臂或外骨骼機(jī)器人在應(yīng)用過(guò)程中，減少或消除在碰撞時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和使用者的損傷，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種用于機(jī)器人關(guān)節(jié)的變剛度驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為繩驅(qū)動(dòng)對(duì)拉式的變剛度關(guān)節(jié)。

本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種用于機(jī)器人關(guān)節(jié)的變剛度驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于：包括有A單邊變剛度組件(1)、B單邊變剛度組件(2)、對(duì)拉盤(pán)組件(3)和支撐組件(4)；

其中，A單邊變剛度組件(1)與B單邊變剛度組件(2)的結(jié)構(gòu)相同；

其中，A單邊變剛度組件(1)與B單邊變剛度組件(2)的結(jié)構(gòu)相同；

A單邊變剛度組件(1)與B單邊變剛度組件(2)相對(duì)放置在支撐組件(4)上，且保持在同一軸向上；

第一條鋼絲繩纏繞在A單邊變剛度組件(1)中的A卷輪(1C)、B單邊變剛度組件(2)中的B卷輪(2C)、以及對(duì)拉盤(pán)組件(3)中的對(duì)拉盤(pán)(3A)上；

A單邊變剛度組件(1)包括有A電機(jī)(1A)、A變剛度機(jī)構(gòu)(1B)、A卷輪(1C)、A卷輪軸(1H)、A角度傳感器(1G)、AA聯(lián)軸器(1E)和AB聯(lián)軸器(1F)；