CN103433933A - 能够提供非线性可变刚度的弹性组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种能够提供非线性可变刚度的弹性组件，包括壳体、与之连接并提供可变夹持力的夹持组件和被夹持件，夹持组件中设有提供全部或部分夹持力的弹性件，被夹持件设有使其被夹持厚度变化的被夹持面，被夹持件在夹持组件提供的可变夹持力作用下输出非线性变化的刚度/力。本发明结构紧凑，运行可靠，能够应用在需要非线性刚度的场合，一方面能提供固定的非线性刚度，另一方面又能主动地进行刚度调节；本发明便于布置于机器人关节，利用其弹性及变刚度性质，有助于解决机器人与人或未知环境接触的安全性问题以及模拟人或动物肢体的变刚度特性，使机器人在运动中呈现更接近人或动物的变刚度特性，提高机器人的运动能效性，实现动态高速运动。

Description

能够提供非线性可变刚度的弹性组件

技术领域

本发明涉及一种能够提供非线性可变刚度的弹性组件，属于直线运动刚度可调的弹性装置技术领域，可以用于机器人，尤其是可以用于机器人关节，也可以应用于与之有类似结构或技术要求的领域。

背景技术

研制外观特征与动物或人类似，具有高度智能、动作灵活，并能适应复杂环境的仿生机器人一直是人类的梦想。仿生机器人最引人关注的一个方面是它的移动技术：行走。和大多数传统的基于轮式或履带式的移动机器人相比，仿生机器人的特点是具有腿。尽管在通常条件下轮式或履带式移动机器人具有控制简单、效率高等特点，但是对于条件较差的环境，腿式步行机器人具有更好的适应性，并且仍具有很高的效率。

步行机器人研究涉及到仿生学、机械学、电子工程学、控制理论、人工智能、传感器等多个学科领域，是一个多学科融合的交叉学科。研究步行机器人一方面通过模拟人类或动物的行走探索步行的生理机制，对如行走辅助机器人系统等的设计提供帮助；另一方面，设计的行走机器人系统可以作为假肢帮助肢残人士行走，或作为外骨骼系统增强人类的长时间行走和负重能力。因此，步行机器人研究具有重要的学术价值和实用价值，已经成为机器人领域活跃的研究分支。

现有的能够稳定行走的机器人大部分采用高刚度关节，通过精确的伺服控制使机器人在步行过程中准确跟踪预定义的关节角度轨迹，实现稳定行走。这类机器人不仅能量效率低下，而且使机器人步态不自然，与真实的人类或动物行走存在差距，不利于揭示行走的本质特性。同时，刚性关节和高减速比的减速机导致的高反射惯量使机器人不能稳定地快速行走，而且无法有效的利用能量和容易损坏。要想真正使这类双足机器人应用于人类真实环境或人类不能到达的危险、复杂环境中，必须提高其行走能量效率及其环境适应性。被动动态步行机器人是一种类似人类行走的腿式机器人，仅在部分自由度施加驱动，通过被动关节对步行过程中的能耗进行补偿，能够得到高能效、自然的步态，且控制结构简单。实践证明，这类机器人能够获得更易控制、更高效率的稳定行走，且步态稳定。此外，通过配置能够提供非线性可变刚度的弹性组件，改变机器人关节刚度，可以解决机器人与人或未知环境接触时的安全性问题以及模拟人或动物肢体的变刚度特性。

由于机器人技术属于具有拟人化要求的高端机械，因此，机器人结构中的上述技术问题，同样存在于与之有类似结构或技术要求的领域。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种更加有效的能够提供非线性可变刚度的弹性组件，其具有非线性刚度，并能主动地进行调节，能够实现能量的存储/释放，有助于解决现有机器人的高能耗及环境适应性差的问题；此外，还能够避免机器人与未知环境的刚性碰撞，保证机器人与人或未知环境接触的安全性以及模拟人或动物肢体的变刚度特性，同时，其体积小巧，结构紧凑，安装方便、运行可靠，能用于对体积和质量有较高要求的场合。

本发明主要是通过以下技术方案实现的：

一种能够提供非线性可变刚度的弹性组件，其主要包括：

壳体；

夹持组件，与壳体连接，包括至少一组夹持力可变的夹持臂组，其中，所述夹持臂组包括至少一个弹性夹持臂，所述弹性夹持臂中设有弹性件，所述弹性件的弹性力构成所述夹持力的全部或一部分；

被夹持件，被至少一组所述夹持臂组夹持，并能够在被夹持臂组夹持的状态下相对夹持臂组运动，包括至少一个被夹持面和一个工作面，所述被夹持面被所述弹性夹持臂的夹持面接触压紧，所述被夹持面和夹持面之间的压力随被夹持件在夹持臂组中的运动位置的改变而改变，所述工作面输出变化的输出刚度/力，所述输出刚度/力的大小随被夹持件在夹持臂组中的运动位置的改变而非线性改变，所述压力与所述输出力不共线且不平行。

优选为，所述被夹持件被夹持臂组夹持的位置的厚度随被夹持件在夹持臂组中的运动位置的改变而改变，所述被夹持面和夹持面之间的压力随被夹持件的厚度的改变而改变。

优选为，所述被夹持面为平面或曲面，使得所述被夹持件的厚度连续增大或连续减小，所述曲面的母线上的相邻点的斜率相同或不同，使得所述被夹持件的厚度均匀或不均匀的连续增大/连续减小。

优选为，所述曲面的母线为直线、圆弧、椭圆弧、双曲线和抛物线中的任一部分，或任几部分的组合。所述曲面的导线为直线或曲线，并且，母线和导线不同时为直线。

优选为，所述被夹持件一端的厚度最大，另一端的厚度最小；或者，所述被夹持件的中部位置厚度最小，两端位置厚度最大。

优选为，上述任一种能够提供非线性可变刚度的弹性组件，还包括第一导向装置，所述第一导向装置包括第一导槽和与之配合的第一导轨，所述第一导轨和第一导槽的延伸方向与被夹持件在夹持臂组中的运动方向平行，保证被夹持件在夹持臂组中稳定运动，所述第一导轨和第一导槽的具体设置方式包括：

所述第一导轨设于壳体，所述第一导槽设于被夹持件；或者，

所述第一导轨设于被夹持件，所述第一导槽设于壳体。。

优选为，上述任一种能够提供非线性可变刚度的弹性组件，所述弹性夹持臂包括圆柱螺旋弹簧以及设于圆柱螺旋弹簧一端的第一基座，所述圆柱螺旋弹簧构成所述弹性件，所述夹持面设于第一基座。

优选为，所述夹持组件还包括第二导向装置和第二基座，所述第二基座设于圆柱螺旋弹簧远离第一基座的一端，所述第二导向装置的延伸方向与圆柱螺旋弹簧的延伸方向平行，以保证圆柱螺旋弹簧压紧/放松时弹性夹持臂运动的稳定性，所述第二导向装置包括第二导轨和第二导槽，第二导轨的一端或两端与壳体固定连接，所述第二导槽的一部分设于第一基座，另一部分设于第二基座，所述第二导轨依次穿过第一基座上的一部分第二导槽、圆柱螺旋弹簧的中心以及第二基座上的一部分第二导槽，并可滑动的设于第二导槽中。

优选为，所述被夹持面与所述夹持面紧密接触，二者间为滑动接触或滚动接触，当为滚动接触时，所述弹性夹持臂的第一基座还设有滚子，该滚子的表面构成所述夹持面并压紧于所述被夹持面。所述滚子包括滚子轴承和凸轮轴承。

优选为，上述任一种能够提供非线性可变刚度的弹性组件，所述能够提供非线性可变刚度的弹性组件以被夹持件的中心线为轴前后对称且左右对称。

优选为，上述任一种能够提供非线性可变刚度的弹性组件，所述夹持组件设有能够通过驱动所述弹性夹持臂来主动调整夹持面压紧相应被夹持面的压力大小的主动刚度调节装置，所述主动刚度调节装置驱动所述弹性夹持臂的方式为直线直接驱动所述弹性夹持臂或将旋转运动转换为直线运动间接驱动所述弹性夹持臂。

本发明具有以下优点及特殊性效果：本发明的能够提供非线性可变刚度的弹性组件能够根据实际需要获得丰富的非线性刚度。能够依据应用场合等的不同需求，主动地进行刚度的调节，能获得不同范围的非线性刚度，也是本发明区别于已有研究成果的重要特征；本发明体积小巧，结构紧凑，安装方便，运行可靠，便于集成于机器人关节；尤其是可布置于步行机器人关节，并能对步行过程中的能耗进行补偿，充分利用机器人自身固有的特性，使机器人具有与人类行走相近的能量效率，实现在平地、上坡和下坡的动态行走，有利于进一步探索步行机理；同时，在具有非线性被动变刚度特性的基础上，引入主动刚度调节装置，通过不断的调整弹簧压缩量来改变机构的刚度，以适应不同步行阶段或不同环境关节刚度需要，并且能够存储/释放能量和吸收冲击；具有较高的抗冲击性能及安全性，为外骨骼等辅助行走设备的研制，提供了新的解决办法。

附图说明

图1为本发明一个实施例的整体结构主视图（其中，两个弹性夹持臂构成一个夹持臂组）。

图2为图1的A-A剖视图。

图3为本发明一个实施例中的弹性夹持臂的立体示意图。

图4为图3的右侧视图。

图5为图3的正面视图。

图6为图3的左侧视图。

图7为本发明一个实施例中的被夹持件的立体示意图（主要在于示出被夹持面，被夹持面的母线为抛物线）。

图8为图7的侧视图。

图9为本发明一个实施例中的被夹持件的立体示意图（主要在于示出被夹持面，被夹持面的母线为椭圆的一部分）。

图10为图9的侧视图。

图11为本发明一个实施例中的被夹持件的立体示意图（主要在于示出被夹持面，被夹持面为平面）。

图12为图11的侧视图。

图13为本发明一个实施例中由四个夹持臂构成的夹持臂组的结构示意图（同时示出了左右前后挡板、电机和调节丝杠）。

图14为本发明一种实施例的原理图：（a）为平衡位置；（b）为变形后位置。

图15为本发明一个实施例的输出力和输出刚度与位移的关系图。

【主要元件符号说明】

1.调节丝杠，2.电机，3.左挡板，4.基座，5.水平导轨，6.弹簧基座滑块，7.圆柱螺旋弹簧，8.滚子基座，9.凸轮轴承，10.输出板，11.竖直导轨，12.上盖板，13.右挡板，17.弹性夹持臂，18.后挡板，19.前挡板，20.被夹持面，30.夹持面，40.工作面，60.第二基座上的一部分第二导槽61.螺母80.第一基座上的一部分第二导槽。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

参见图1至图15，本发明提供了一种能够提供非线性可变刚度的弹性组件，其主要包括夹持组件和被夹持件。

其中，所述夹持组件，包括由若干夹持臂构成的夹持臂组，夹持臂组中的至少一组为夹持力可变的，其中，夹持力可变的所述夹持臂组包括至少一个弹性夹持臂17；

所述被夹持件，被至少一组所述夹持臂组夹持，并能够在被夹持臂组夹持的状态下相对夹持臂组直线运动，包括至少一个被夹持面20和一个工作面40，所述被夹持面被所述弹性夹持臂17的夹持面30接触压紧，所述被夹持面20和夹持面30之间的压力随被夹持件在夹持臂组中的运动位置的改变而改变，所述工作面40输出变化的输出刚度/力，所述输出刚度/力的大小随被夹持件在夹持臂组中的运动位置的改变而非线性改变，所述压力与所述输出力不共线且不平行。

通过上述结构设置，使得所述被夹持件的工作面既可以根据外界加载于其上的作用力/反作用力被动调整实际输出刚度/力的大小，又可以根据外界需要加载的输出刚度/作用力主动调整所需输出刚度/力。

尤其是，在工作状态转变时的实际输出刚度/力大小可以根据实际需要进行调整，而且该时间段内的实际输出刚度/力的大小可以与工作持续进行时的实际输出刚度/力大小不同，即，在实际场合需要变刚度时，既可以满足作业时的高刚度的需求，又可以满足冲击缓冲时的低刚度的需求。

例如，在工作状态持续时需要较大刚度输出，而在工作开始时又需要较小的刚度输出，或者在刚度转换过程中需要一定的缓冲阶段时，本发明的上述技术方案可以较好的解决该问题。

所述的可变的夹持力主要是通过如下三种方式实现的：

方式一、随着被夹持件在夹持臂组中的运动，改变被夹持件的被夹持位置的厚度，该厚度指的是被夹持位置的两个被夹持面之间的距离，或者，指的是对被夹持件形成夹持的夹持臂之间的跨度；

方式二、主动调整夹持臂施加于被夹持面的压力；

方式三、将方式一和方式二相结合。在本发明的一个实施例中，还包括壳体，该壳体包括基座4和挡板。该壳体可以为左右对称结构，挡板包括左挡板3和右挡板13，基座4连接于左挡板3和右挡板13的同一端，构成U型（三个板）的方盒状。该壳体还可以包括上盖板12，形成口字形（如图1所示）；也可以还包括前挡板19和后挡板18，形成封闭的壳体。当设有上盖板12时，优选为在上盖板12上开设有通孔，以便被夹持件的工作面露出，从而与其他装置连接。

每组所述夹持臂组可以包括两个、三个、四个、五个或更多个夹持臂，并分别构成一个对被夹持件构成稳定夹持的夹持臂组，其中，每组夹持臂组中的夹持臂可以均匀分布也可以非均匀分布。优选为，夹持臂组中的夹持臂均匀的分布于被夹持件周围。

本发明的一个实施例中，两个夹持臂构成一组所述夹持臂组，该两个夹持臂分别与左/右两个挡板连接，并形成对被夹持件的夹持，该两个夹持臂相对设置于一条直线上，并形成以被夹持件为对称轴的左右对称结构（如图1所示）。

在本发明的一个实施例中，每组所述夹持臂组包括三个夹持臂，该三个夹持臂彼此间呈120度分布于同一圆面上，形成对被夹持件的稳定夹持。

在本发明的一个实施例中，每组所述夹持臂组包括四个夹持臂，该四个夹持臂可以间隔90度呈十字形设置，也可以呈X形设置，形成对被夹持件的稳定夹持，如图13所示。

在本发明的一个实施例中，每组所述夹持臂组包括五个夹持臂，该五个夹持臂可以间隔72度均匀分布于同一圆面上，形成对被夹持件的稳定夹持。

在本发明的一个实施例中，所述被夹持件被夹持臂组夹持的位置的厚度随被夹持件在夹持臂组中的运动位置的改变而改变。该被夹持位置可以为实心也可以为空心，如蜂窝结构。

优选为，所述被夹持面20和夹持面30之间的压力随被夹持件的厚度的改变而改变。

所述被夹持面可以为平面（如图11和图12）或曲面。

优选为，所述被夹持面为曲面，以使得所述被夹持件的厚度连续增大或连续减小。

优选为，所述被夹持面上的相邻点的斜率相同或不同，使得所述被夹持件的厚度均匀或不均匀的增大/减小。

所述曲面可以为以直线、圆弧（如图1和图14）、椭圆弧（如图9和图10）、双曲线和抛物线（如图7和图8）中的任一部分，或任几部分的组合构成的母线移动形成的，其移动的导线可以为直线或曲线。所述曲面包括球面。

优选为，所述被夹持件一端的厚度最大，另一端的厚度最小；或者，所述被夹持件的中部位置厚度最小，两端位置厚度最大（如图1、图7、图8、图9、图10和图14）。

如图1所示，本发明的一个实施例中，所述被夹持件为输出板10，该输出板10设有曲面凹槽，曲面凹槽的槽底面构成所述被压紧面，该曲面凹槽为渐进凹槽，其槽底面为曲面（如圆弧半径为R的圆弧面）。

在本发明的一个实施例中，所述被夹持面与所述夹持面为滚动接触。

其中，可以在被夹持面和/或夹持面设置滚子。

所述滚子包括滚子轴承和凸轮轴承9。

例如所述被夹持件可以为若干凸轮轴承9排列组合成的凸轮轴承组。并由若干凸轮轴承9的部分或全部表面构成被夹持面。

优选为，所述夹持臂设有凸轮轴承9，该凸轮轴承9的表面构成所述夹持面并滚动压紧于所述被夹持面。

在本发明的一个实施例中，两个所述夹持臂分别设有两个凸轮轴承9，该两个凸轮轴承9设于被夹持件（输出板10）的同一厚度位置，并同步运动，凸轮轴承9表面始终与输出板10的曲面凹槽的槽底面接触（如图1所示）。

在本发明的一个实施例中，还包括第一导向装置，所述第一导向装置设于被夹持件和壳体之间，以使被夹持件在夹持臂组中稳定运动。

所述第一导向装置优选为设于对称轴或对称中心位置。

在本发明的一个实施例中，所述第一导向装置包括与壳体固定连接的第一导轨（或称为竖直导轨11）以及设于被夹持件的第一导槽，所述第一导轨滑动设于该第一导槽中。

当所述夹持臂组中设有两个夹持臂时，所述第一导向装置可以包括两个平行的第一导轨，相应的，被夹持件设有两个第一导槽。

当所述夹持臂组中设有两个夹持臂时，所述第一导向装置可以包括一个第一导轨，相应的，被夹持件设有一个第一导槽。

在本发明的一个实施例中，所述两个平行的第一导轨与基座4固定连接，输出板10的直线运动方向上开设有两个第一导槽，导轨/导槽配合使得输出板10在直线方向运动平稳（如图1所示）。

当所述夹持臂组中设有三个、四个或五个夹持臂时：所述第一导向装置可以只设置一个第一导轨或者不设置第一导轨，相应的，被夹持件设置有一个第一导槽或设置导槽；或者，不设置所述第一导向装置（如图13）。

在本发明的一个实施例中，所述夹持组件设有主动刚度调节装置，所述主动刚度调节装置与至少一个所述弹性夹持臂连接，并能通过驱动弹性夹持臂来主动调整夹持面压紧相应被夹持面的压力大小。

所述主动刚度调节装置既可以直线直接驱动，也可以旋转转直线驱动。

在本发明的一个实施例中，所述主动刚度调节装置直线直接驱动夹持臂。例如，可以手动直接调节，也可以通过直线驱动电机来调节。

在本发明的一个实施例中，所述主动刚度调节装置连接螺旋传动装置，所述螺旋传动装置包括旋转部和平移部，旋转部设于壳体，平移部与至少一个所述弹性夹持臂连接，通过旋转该旋转部驱动该平移部驱动弹性夹持臂来主动调整夹持面压紧相应被夹持面的压力大小。

所述螺旋传动装置可以是蜗轮蜗杆结构，也可以是丝杠螺母机构，还可以是齿轮齿条机构，即，所述旋转部可以为调节丝杠、蜗轮或齿轮，所述平移部相应的为螺母、蜗杆或齿条。

在本发明的一个实施例中，所述螺旋传动装置是丝杠螺母机构，所述丝杠螺母机构包括调节丝杠1和螺母61，二者螺纹配合。

调节丝杠既可以手动调节，也可以通过电机2自动调节。优选地，通过电机2驱动调节丝杠。在本发明的一个实施例中，所述主动刚度调节装置为电机2，电机2的输出端连接所述调节丝杠，螺母与弹性夹持臂固定连接，电机2驱动调节丝杠来调节螺母的位置以调整夹持面压紧相应被夹持面的压力大小。

丝杠螺母机构可以完全对称，即，使用相同的左/右两个调节丝杠和相对应的左/右两个螺母；亦可以不完全对称，即，调节丝杠为一个，一端为左螺纹，另一端为右螺纹，并配合左/右两个螺母，通过调整调节丝杠可以同步调节左/右螺母同时向内/外位移。

优选地，丝杠螺母机构完全对称（如图1所示）。

在本发明的一个实施例中，夹持组件还包括第二导向装置，第二导向装置设于弹性夹持臂和壳体之间，其延伸方向与调节丝杠的延伸方向平行，以保证调节时夹持臂运动的稳定性。

所述第二导向装置包括第二导轨（或称为水平导轨5）和第二导槽，第二导轨的一端或两端与壳体固定连接，所述第二导槽设于弹性夹持臂，所述第二导槽为连续的槽或断续的槽，第二导轨滑动设于第二导槽中。

所述第二导向装置包括至少一个所述第二导轨。

优选为，所述第二导向装置包括两个互相平行的第二导轨。

在本发明的一个实施例中，至少一个所述夹持臂为弹性夹持臂，所述弹性夹持臂中设有弹性件，所述弹性件的弹性力构成所述夹持力的全部或一部分。

所述弹性件可以为圆柱螺旋弹簧，也可以为产生夹持力的任意装置。

所述圆柱螺旋弹簧可以为压缩弹簧7或拉伸弹簧。

所述圆柱螺旋弹簧优选为压缩弹簧7。

优选为，所述压缩弹簧7的一端设有一个第一基座（或称为滚子基座8），所述夹持面设于所述第一基座。

在本发明的一个实施例中，设有第二导向装置，对应的夹持臂为弹性夹持臂，全部或部分所述第二导槽设于第一基座。

在本发明的一个实施例中，弹性夹持臂连接有所述凸轮轴承9，所述凸轮轴承9设于第一基座，并且，所述凸轮轴承9的表面构成夹持面。

优选为，在被夹持件的同一厚度位置，所述凸轮轴承9的数量为两个以上。两个以上的凸轮轴承9优选为对称设置。

在本发明的一个实施例中，所述压缩弹簧7的一端设有一个第二基座（或称为弹簧基座滑块6），所述第二基座与夹持组件连接。

在本发明的一个实施例中，设有第二导向装置，对应的夹持臂为弹性夹持臂，全部或部分所述第二导槽设于所述第二基座。

在本发明的一个实施例中，所述压缩弹簧7的一端设有一个第一基座（或称为滚子基座8），所述压缩弹簧7的另一端设有一个第二基座（或称为弹簧基座滑块6），优选为，设有第二导向装置，对应的夹持臂为弹性夹持臂，所述第二导槽的一部分设于第一基座，一部分设于第二基座，所述第二导轨依次穿过第一基座上的一部分第二导槽80、压缩弹簧7的中心以及第二基座上的一部分第二导槽60。

在本发明的一个实施例中，所述能够提供非线性可变刚度的弹性组件以被夹持件的中心线为轴前后对称且左右对称。

上述各个实施例，均可以根据需要任意组合或替换。

在本发明的一个实施例中，能够提供非线性可变刚度的弹性组件为完全对称结构：

其包括壳体、输出板10、弹性夹持臂组、丝杠螺母机构、第一导向装置和第二导向装置。

其中，

所述输出板10为左右、前后、上下对称结构，其上左右对称设置有两个渐进凹槽，该两个渐进凹槽的槽底面均为直径R的弧形面；

所述弹性夹持臂组包括左右两个弹性夹持臂，两个所述弹性夹持臂对称设于被夹持件的左右两侧，每个所述弹性夹持臂为前后对称结构，包括前后对称设置的两个压缩弹簧7，压缩弹簧7的左右两端分别设有弹簧基座滑块6和滚子基座8，所述弹簧基座滑块6与两个压缩弹簧7的左端连接，并且在两个压缩弹簧7的中部位置各设有一个第一导向孔（即水平导向槽的一部分），所述滚子基座8与两个压缩弹簧7的右端连接，并且在两个压缩弹簧7的中部位置各设有一个第二导向孔（即水平导向槽的一部分），所述滚子基座8前后对称设有两个凸轮轴承9，两个凸轮轴承9压紧于渐进凹槽的同一高度位置；

所述丝杠螺母机构为左右对称设置的两组，每组包括一个调节丝杠和一个螺母，所述螺母固定于弹簧基座滑块6的中部位置，所述调节丝杠与电机2的输出轴连接，电机2本体固定于壳体（左/右挡板3、12）；

所述壳体包括左挡板3、右挡板12和基座4，左/右挡板3、12的一端分别与基座4连接，并对称设置于基座4的左右两端；

所述第一导向装置包括两条互相平行的竖直导轨11，两条竖直导轨11各自的一端与基座4连接，并前后对称固定于基座4的中部位置；

所述第二导向装置包括两条互相平行的水平导轨5，两条水平导轨5各自的两端分别固定于左挡板3和右挡板12，并前后对称设置，所述两个水平导轨5由左到右分别依次穿过左侧的弹簧基座滑块6的第一导向孔、左侧的压缩弹簧7、左侧的滚子基座8的第二导向孔、右侧的滚子基座8的第二导向孔、右侧的压缩弹簧7、右侧的弹簧基座滑块6的第一导向孔。

上述结构，具体工作过程可以包括：

一、初始位置（输出板10的被夹持臂组夹持的厚度最小）开始，当输出板10受到向上/向下的拉力/压力时，输出板10在竖直导轨11的作用下稳定向上或向下运动，随着输出板10的移动，被夹持臂组夹持的输出板10的厚度增大，由于，压缩弹簧7处于预压缩状态，使得夹持臂上的凸轮轴承9表面与输出板10凹槽的槽底面始终保持接触，因此输出板10厚度的增加使得输出板10受到的压力增大，相当于提高了输出板10在其直线运动方向上的刚度/力。此时，在水平导轨5的作用下，滚子基座8向外侧运动，压缩弹簧7被压缩，起到一定的缓冲作用；当输出板10受到的外力减少或撤销时，弹簧被放松，推动滚子基座8向内侧运动，输出板10在凸轮轴承9的压力下回复，亦起到一定的缓冲作用。可以根据需要设置不同形状的渐进凹槽，以获得不同的刚度。

二、通过电机2驱动调节丝杠，以驱动弹簧基座滑块6沿水平导轨5移动，压紧/放松压缩弹簧7，压缩弹簧7压紧/放松滚子基座8和凸轮轴承9，以改变凸轮轴承9作用于输出板10上的压力，使输出板10输出作用力与位移的比值保持动态关系，即机构刚度，借以改变输出板10在竖直导轨11方向的输出刚度/力范围，当输出板10受到向上/向下的拉力/压力时，通过压紧/放松压缩弹簧7来改变竖直方向的刚度/力。

三、通过设计不同的凹槽形状，再通过调节丝杠调节弹簧的预紧量，实现输出板10竖直方向上不同范围的刚度输出。可以实现更大范围的调节，也可以实现更精准的调节。

根据实际需要，能够提供非线性可变刚度的弹性组件既可以实现单向能够提供非线性可变刚度的弹性组件，也可以实现双向能够提供非线性可变刚度的弹性组件。

为了实现对输出板10刚度的精确控制，可以按如下方法确定控制参数（仅以圆弧形凹槽为例进行说明，如图14所示）。

输出刚度S可以按式1计算：

$S=\frac{{\mathrm{dF}}_k}{\mathrm{dx}}=k[-1+\frac{R-r+\mathrm{\σ}}{{(R-r)}^3{\cos }^3\mathrm{\α}}]$          式1

其中，k为弹簧总刚度，R为圆弧形凹槽半径，r为凸轮轴承9半径，σ为弹簧压缩量，x为输出板10位移，α为弹簧力与夹持力之间的夹角，y为凸轮轴承9竖直方向上的位移，F为总的弹簧力，F_k为中心力。

其中，

在外力作用下，输出板10位移为x，那么角α可以按式2计算，

$\mathrm{\α}={\sin }^{-1}\left(\frac{x}{R-r}\right)$          式2

凸轮轴承9在竖直方向上的位移y可以按式3计算，

y=(R-r)(1-cosα)             式3

加上弹簧基座滑块6压紧弹簧产生的位移，总的弹簧力F可以按式4计算，

|F=k[(R-r)(1-cosα)+σ]          式4

中心力F_k可以按式5计算：

F_k=Ftanα=k[(R-r)(1-cosα)+σ]tanα         式5

本实施例中，能够提供非线性可变刚度的弹性组件的各参数可以选取为：弹簧总刚度k=70N/mm，圆弧形凹槽半径R=170mm，凸轮轴承9半径r=8mm，弹簧最大压缩量σ=6πmm。

本发明的能够提供非线性可变刚度的弹性组件，通过调节夹持件对被夹持件的夹紧力，使得被夹持件在其直线运动方向上具有可调节的非线性刚度，并且其刚度范围不仅可以通过不同形状的压紧面实现相应的被动刚度变化，还可以根据实际需要通过调整螺旋传动装置进行一定的主动调节，获得主动刚度变化；并且，本发明的能够提供非线性可变刚度的弹性组件具有结构紧凑、体积小巧、重量轻、安装方便、运行可靠的优点；本发明尤其适用于步行机器人领域，实现机器人行走功能多样化，同时能避免机器人与未知环境的碰撞，保证了机器人与未知环境接触的安全性以及模拟人或动物肢体的变刚度特性。

本发明中表示方向的上、下、左、右、前、后等，仅为表述方便，并非对实际结构的限制。

其中，上、下、左、右指的是常态下纸面的上下左右，“前”指垂直纸面朝外的方向，“后”指垂直纸面朝内的方向。

Claims (10)

1.一种能够提供非线性可变刚度的弹性组件，其特征在于，包括：

壳体；

夹持组件，与壳体连接，包括至少一组夹持力可变的夹持臂组，其中，所述夹持臂组包括至少一个弹性夹持臂，所述弹性夹持臂中设有弹性件，所述弹性件的弹性力构成所述夹持力的全部或一部分；

被夹持件，被至少一组所述夹持臂组夹持，并能够在被夹持臂组夹持的状态下相对夹持臂组运动，包括至少一个被夹持面和一个工作面，所述被夹持面被所述弹性夹持臂的夹持面接触压紧，所述被夹持面和夹持面之间的压力随被夹持件在夹持臂组中的运动位置的改变而改变，所述工作面输出变化的刚度/力，所述输出刚度/力的大小随被夹持件在夹持臂组中的运动位置的改变而非线性地改变，所述压力与所述输出力不共线且不平行。

2.如权利要求1所述的能够提供非线性可变刚度的弹性组件，其特征在于：所述被夹持件被夹持臂组夹持的位置的厚度随被夹持件在夹持臂组中的运动位置的改变而改变，所述被夹持面和夹持面之间的压力随被夹持件的厚度的改变而改变。

3.如权利要求2所述的能够提供非线性可变刚度的弹性组件，其特征在于：所述被夹持面为平面或曲面，使得所述被夹持件的厚度连续增大或连续减小，所述曲面的母线上的相邻点的斜率相同或不同，使得所述被夹持件的厚度均匀或不均匀的连续增大或连续减小。

4.如权利要求3所述的能够提供非线性可变刚度的弹性组件，其特征在于：所述曲面的母线为直线、圆弧、椭圆弧、双曲线和抛物线中的任一部分，或几部分的组合。

5.如权利要求4所述的能够提供非线性可变刚度的弹性组件，其特征在于：所述被夹持件一端的厚度最大，另一端的厚度最小；或者，所述被夹持件的中部位置厚度最小，两端位置厚度最大。

6.如权利要求1所述的能够提供非线性可变刚度的弹性组件，其特征在于：还包括第一导向装置，所述第一导向装置包括第一导槽和与之配合的第一导轨，所述第一导轨和第一导槽的延伸方向与被夹持件在夹持臂组中的运动方向平行，保证被夹持件在夹持臂组中稳定运动，所述第一导轨和第一导槽的具体设置方式包括：

所述第一导轨设于壳体，所述第一导槽设于被夹持件；或者，

所述第一导轨设于被夹持件，所述第一导槽设于壳体。

7.如权利要求1所述的能够提供非线性可变刚度的弹性组件，其特征在于：所述弹性夹持臂包括圆柱螺旋弹簧以及设于圆柱螺旋弹簧一端的第一基座，所述圆柱螺旋弹簧构成所述弹性件，所述夹持面设于第一基座。

8.如权利要求7所述的能够提供非线性可变刚度的弹性组件，其特征在于：所述夹持组件还包括第二导向装置和第二基座，所述第二基座设于圆柱螺旋弹簧远离第一基座的一端，所述第二导向装置的延伸方向与圆柱螺旋弹簧的延伸方向平行，以保证圆柱螺旋弹簧压紧/放松时弹性夹持臂运动的稳定性，所述第二导向装置包括第二导轨和第二导槽，第二导轨的一端或两端与壳体固定连接，所述第二导槽的一部分设于第一基座，另一部分设于第二基座，所述第二导轨依次穿过第一基座上的一部分第二导槽、圆柱螺旋弹簧的中心以及第二基座上的一部分第二导槽，并可滑动地设于第二导槽中。

9.如权利要求8所述的能够提供非线性可变刚度的弹性组件，其特征在于：所述被夹持面与所述夹持面紧密接触，二者间为滑动接触或滚动接触，当为滚动接触时，所述弹性夹持臂的第一基座还设有滚子，该滚子的表面构成所述夹持面并压紧于所述被夹持面。

10.如权利要求1至9中任一项所述的能够提供非线性可变刚度的弹性组件，其特征在于：所述夹持组件设有能够通过驱动所述弹性夹持臂来主动调整夹持面压紧相应被夹持面的压力大小的主动刚度调节装置，所述主动刚度调节装置驱动所述弹性夹持臂的方式为直线直接驱动所述弹性夹持臂或将旋转运动转换为直线运动间接驱动所述弹性夹持臂。

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