CN110978046A - 一种基于圆柱凸轮的变刚度关节及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于圆柱凸轮的变刚度关节通过将筒形铁心电磁铁安装在圆柱凸轮筒上，环形衔铁安装在滚子盘滚子所在侧，电磁铁对环形衔铁产生电磁吸力，使滚子在圆柱凸轮筒壁上开设的曲面凹槽内运动，从而使圆柱凸轮筒旋转并产生回复力矩，增大电磁铁线圈电流，滚子盘所受轴向力增大，关节刚度增加，减小电磁铁线圈电流，滚子盘所受轴向力减小，关节刚度降低；变刚度关节的控制方法通过计算机输入目标刚度，将解算的实际刚度值作为反馈信号，通过PID控制算法计算刚度控制值，再由理论扭转刚度公式计算出所需的刚度下需施加的电流值，调节电流使关节达到所需的刚度，该关节及控制方法在省去电机及弹性元件调节机构的前提下实现了对转动关节扭转刚度的调节。

Description

一种基于圆柱凸轮的变刚度关节及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于圆柱凸轮的变刚度关节及其控制方法，属于机器人技术领域。

背景技术

机器人在自动化产业、应急救援、服务业、医疗康复产业等领域的应用愈发 广泛，然而传统刚性驱动器在服务类机器人及康复类机器人的应用中存在较大的 人机交互安全隐患，在仿生机器人及一些特种机器人上无法获得理想的扭矩特性， 这些缺陷极大地限制了机器人进入人们的日常生活。

近年来，为提高机器人人机交互过程中的安全性，同时适应不同工况条件的需求，设 计出了具有可变刚度的柔性关节，这种变刚度关节在面对外部环境的刚性冲击或不同工作 场合能够获得较为理想的刚度性能。

目前常见的变刚度关节主要有预紧力控制型变刚度关节、拮抗式变刚度关节、有效长 度控制型变刚度关节和传动比调节型变刚度关节，这些变刚度关节均是通过电机和减速器 驱动特定的机械结构的状态变化来调节关节刚度，存在结构复杂、刚度调节响应时间长以 及弹性元件变形时调节失效的缺点。例如，公开号为CN106182067A的发明专利公开了一 种刚度连续可调的机器人柔性关节，其通过电机改变圆截面弹性杆的有效长度实现刚度可 调，虽然其结构较为简单，但存在关节集成度低、空间利用率低，且需要电机参与导致响 应速度慢以及弹性杆变形时无法调节的缺点；公开号为CN 104985608A的发明专利公开了 一种刚度可调的柔性关节驱动器机构，该机构利用滚轮在上下两个圆柱凸轮盘上滚动引起 上下两个圆柱凸轮盘的轴向距离变化进而压缩轴向弹簧，通过调整上下两个圆柱凸轮盘的 周向角度改变接触点曲斜面斜率及弹簧预压缩量从而改变刚度，该机构要求调节电机的自 锁性能好，由于引入了刚度调节电机及减速机构，同样具有较长的刚度调节响应时间的缺 陷；公开号为CN106737824A的发明专利公开了一种电磁式可变刚度的柔性转轴关节，通 过调节定子上电磁铁产生的电磁力调节转子扭转刚度，但存在多套电磁铁协同控制难度较 大及平衡位置附近刚度较低的问题。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于圆柱凸轮的变刚度关节及其控制 方法，该变刚度关节及其控制方法能够在省去电机及弹性元件调节机构的前提下实现对转 动关节的扭转刚度的调节，结构简单紧凑，响应及时，在机器人面对不可预测的外力冲击 时能够迅速调节关节刚度，保护人员及设备安全；用于仿生机器人上也能随转角迅速调节 刚度，模拟出生物关节特性。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于圆柱凸轮的变刚度关节，包括关节外壳、圆 柱凸轮机构、电磁变刚度机构、输出轴和刚度控制系统，所述的关节外壳包括筒体和端盖， 所述的筒体一端贯通，贯通端端面周向开设多个螺纹孔a；筒体另一端的外壁上设有连接法 兰，筒体底板在靠近贯通端的一侧以筒体中心轴为圆心开设有圆凹台a；在圆凹台a外部的 筒体底板上开设有多个以圆凹台a为中心周向均匀设置的安装孔；

所述的端盖上与筒体贯通端端面上开设的多个螺纹孔a相对应地开设多个螺纹孔b；端 盖中部开设有轴孔b，并在靠近筒体的一侧开设有与轴孔b同轴心设置的圆凹台b；

所述的圆柱凸轮机构包括圆柱凸轮筒和滚子盘，圆柱凸轮筒的一端贯通，贯通端端面 沿圆柱凸轮筒壁周向等间距的开设多个曲面凹槽；圆柱凸轮筒的另一端底板上以圆柱凸轮 筒中心轴为圆心开设有轴孔c，在靠近贯通端的圆柱凸轮筒底板一侧设有与轴孔c同轴心设 置的圆凸台，在圆凸台内壁上开设有键槽；圆柱凸轮筒的内壁上还设有环形凸台a，所述环 形凸台a上沿其周向开设多个螺纹孔c；

所述的滚子盘包括圆柱状盘体，盘体的中部以其中心轴为圆心开设轴孔d，盘体一侧以 轴孔d为中心沿其周向开设多个通孔，各通孔内设置有与其滑动配合的导杆，各导杆上穿 设有支撑弹簧，导杆的另一端与筒体底板上开设的安装孔螺纹固接，并使支撑弹簧与盘体 接触配合；盘体的另一侧以轴孔d为中心沿其周向设有多个滚子，各滚子分别与圆柱凸轮 筒贯通端面上开设的各曲面凹槽接触配合；在滚子与轴孔d之间的盘体上周向开设有多个 螺纹孔d；

电磁变刚度机构包括筒形铁心电磁铁和环形衔铁，所述的环形衔铁为圆柱状盘体，盘 体以其中心轴为圆心开设轴孔e，以轴孔e为中心沿其周向开设多个螺纹孔e，螺钉通过螺 纹孔e和滚子盘上开设的螺纹孔d将环形衔铁连接于滚子所在一侧的滚子盘上；所述的筒 形铁心电磁铁一端贯通，另一端的底板上以其中心轴为圆心开设有轴孔f，筒形铁心电磁铁 的外壁上设有环形凸台b，环形凸台b上沿其周向开设多个螺纹孔f，螺钉通过螺纹孔f和 环形凸台a上开设的螺纹孔c将筒形铁心电磁铁连接在圆柱凸轮筒内；

所述的输出轴为中部和小径端均开设有键槽的阶梯轴，其大径端安装在圆凹台a内装 配的轴承a内，小径端安装在圆凹台b内装配的轴承b内，从大径端至小径端依次穿过轴 孔d、轴孔e、轴孔f、轴孔c和轴孔b，将圆柱凸轮机构和电磁变刚度机构装配于筒体内，筒体与端盖之间通过螺纹孔a和螺纹孔b进行螺纹连接；其中，轴孔d和轴孔e与输出轴 滑动配合；圆柱凸轮筒在轴向上通过阶梯轴的轴肩进行定位，圆凸台内壁上开设的键槽与 阶梯轴中部的键槽键连接；

刚度控制系统包括电力产生系统、stm32单片机、A/D转换模块、计算机、扭矩传感器 和角位移传感器，电力产生系统的一端连接筒形铁心电磁铁，另一端连接stm32单片机，stm32单片机还与A/D转换模块和计算机连接，A/D转换模块同时还与扭矩传感器和角位 移传感器连接，所述的扭矩传感器安装于输出轴上，角位移传感器内圈固定套装在输出轴上，外圈与端盖连接。

进一步地，所述的滚子和曲面凹槽的数量均为3个，所述的滚子包括支架和滚轮，支 架的一端固定连接于盘体上，另一端通过轮轴与滚轮连接；所述的曲面凹槽为圆弧形，其 轮廓为沿圆柱面展开的二次曲线，曲面凹槽两端与其两侧的端面之间设有纵向平直限位段。

进一步地，所述的导杆数量为3个。

进一步地，所述的轴承a和轴承b均为圆锥滚子轴承。

进一步地，所述的筒形铁心电磁铁和环形衔铁的材质均为硅钢。

本变刚度关节通过将筒形铁心电磁铁安装在圆柱凸轮筒上，环形衔铁安装在滚子盘滚 子所在侧，电磁铁对环形衔铁产生电磁吸力，使滚子在圆柱凸轮筒壁上开设的曲面凹槽内 运动，从而使圆柱凸轮筒旋转并产生回复力矩，当增大电磁铁线圈电流时，滚子盘所受的 轴向力增大，输出力矩相应增大，关节刚度增加；当减小电磁铁线圈电流时，滚子盘所受 的轴向力减小，输出力矩相应减小，关节刚度降低；若需保持特定的刚度曲线，则根据关节变形的角度变化按照PID控制原理调节电流使关节表现出预期刚度，既可保持刚度恒定，也能在一定范围内自由调整刚度曲线，在仿生机器人上能灵活准确地模拟出生物关节刚度随转角发生变化的特性。该关节通过连接法兰与动力输入机构连接，输出轴的端部与被驱动机构连接，并在动力传递过程中通过电流的加载改变传递过程中的关节刚度，本发明省去了传统的弹性元件调节结构及电机，结构简单紧凑，减小了关节体积和重量，在面对不可预测的外力冲击时，电磁铁电流调节速度快，能迅速改变关节刚度，保护操作人员及机器人本体免受伤害或破坏。

一种基于圆柱凸轮的变刚度关节的控制方法，包括如下步骤：

(1)将需要的关节扭转刚度值输入计算机，并将该输入的扭转刚度值记为K_d；

(2)stm32单片机通过A/D转换模块读取扭矩传感器值T、角位移传感器值α，并计算当前的实际扭转刚度值K_i，计算公式为：K_i＝T/α；

(3)以实际扭转刚度值K_i为反馈信号，通过PID控制算法计算刚度控制值，通过理论扭转刚度计算公式：

解算为电流值后，调节电流使关节达到所需刚度K_d；

式中：u₀为真空磁导率，N为筒形铁心电磁铁线圈匝数，S₁为筒形铁心内环面积，S₂为筒 形铁心外环面积，δ为筒形铁心电磁铁与衔铁初始距离，a为圆柱凸轮筒轮廓曲线 f(αR)＝a(αR)²中的系数，α为关节扭转变形角度，R为圆柱凸轮筒半径，K₀为初始支撑弹 簧刚度。

本控制方法通过计算机输入目标刚度，将解算的实际刚度值作为反馈信号，通过PID 控制算法计算刚度控制值，再由理论扭转刚度公式计算出所需的刚度下需施加的电流值， 调节电流使关节达到所需的刚度，该控制方法简单，易于操作，对电磁铁电流调节速度快， 能迅速改变关节刚度，保护操作人员及机器人本体的安全，用于仿生机器人上也能随转角 迅速调节刚度，模拟出生物关节特性。

附图说明

图1是本发明的爆炸结构示意图；

图2是本发明关节外壳的结构示意图；

图3是本发明圆柱凸轮机构的结构示意图；

图4是本发明电磁变刚度机构的结构示意图；

图5是本发明输出轴的结构示意图；

图6是圆柱凸轮筒、端盖和输出轴的配合结构示意图；

图7是本发明控制方法的控制原理框图。

图中：1、关节外壳，2、圆柱凸轮机构，3、电磁变刚度机构，4、输出轴，5、刚度控 制系统，1-1、筒体，1-11、螺纹孔a，1-12、连接法兰，1-14，圆凹台a，1-15、安装孔， 1-2、端盖，1-21、螺纹孔b，1-22、轴孔b，1-23、圆凹台b，2-1、圆柱凸轮筒，2-11、 曲面凹槽，2-12、轴孔c，2-13、圆凸台，2-15、环形凸台a，2-16、螺纹孔c，2-17、 限位段，2-2、滚子盘，2-21、盘体a，2-22、轴孔d，2-23、通孔，2-24、导杆，2-25、 支撑弹簧，2-26、滚子，2-27、螺纹孔d，3-1、筒形铁心电磁铁，3-11、轴孔f，3-12、 环形凸台b，3-13、螺纹孔f，3-2、环形衔铁，3-21、盘体b，3-22、轴孔e，3-23、螺纹 孔e，4-1、轴承a，4-2、轴承b，4-3、键槽，5-1、电力产生系统，5-2、stm32单片机， 5-3、A/D转换模块，5-4、计算机，5-5、扭矩传感器，5-6、角位移传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1至6所示，一种基于圆柱凸轮的变刚度关节，包括关节外壳1、圆柱凸轮机构2、 电磁变刚度机构3、输出轴4和刚度控制系统5，所述的关节外壳1包括筒体1-1和端盖1-2， 所述的筒体1-1一端贯通，贯通端端面周向开设多个螺纹孔a1-11；筒体1-1另一端的外壁 上设有连接法兰1-12，筒体1-1底板在靠近贯通端的一侧以筒体中心轴为圆心开设有圆凹 台a1-14；在圆凹台a1-14外部的筒体底板上开设有多个以圆凹台a1-14为中心周向均匀设 置的安装孔1-15；

所述的端盖1-2上与筒体1-1贯通端端面上开设的多个螺纹孔a1-11相对应地开设多 个螺纹孔b1-21；端盖1-2中部开设有轴孔b1-22，并在靠近筒体1-1的一侧开设有与轴孔b1-22同轴心设置的圆凹台b1-23；

所述的圆柱凸轮机构2包括圆柱凸轮筒2-1和滚子盘2-2，圆柱凸轮筒2-1的一端贯通，贯通端端面沿圆柱凸轮筒壁周向等间距的开设多个曲面凹槽2-11；圆柱凸轮筒2-1的另一端底板上以圆柱凸轮筒2-1中心轴为圆心开设有轴孔c2-12，在靠近贯通端的圆柱凸轮筒底板一侧设有与轴孔c2-12同轴心设置的圆凸台2-13，在圆凸台2-13内壁上开设有键槽；圆柱凸轮筒2-1的内壁上还设有环形凸台a2-15，所述环形凸台a2-15上沿其周向开设多个螺纹孔c2-16；

所述的滚子盘2-2包括圆柱状盘体a2-21，盘体a2-21的中部以其中心轴为圆心开设轴 孔d2-22，盘体2-21一侧以轴孔d2-22为中心沿其周向开设多个通孔2-23，各通孔2-23内设置有与其滑动配合的导杆2-24，各导杆2-24上穿设有支撑弹簧2-25，导杆2-24的另 一端与筒体1-1底板上开设的安装孔1-15螺纹固接，并使支撑弹簧2-25与盘体a2-21接 触配合；盘体a2-21的另一侧以轴孔d2-22为中心沿其周向设有多个滚子2-26，各滚子2-26 分别与圆柱凸轮筒2-1贯通端面上开设的各曲面凹槽2-11接触配合；在滚子2-26与轴孔 d2-22之间的盘体a2-21上周向开设有多个螺纹孔d2-27；

电磁变刚度机构3包括筒形铁心电磁铁3-1和环形衔铁3-2，所述的环形衔铁3-2为圆 柱状盘体b3-21，盘体b3-21以其中心轴为圆心开设轴孔e3-22，以轴孔e3-22为中心沿其周 向开设多个螺纹孔e3-23，螺钉通过螺纹孔e3-23和滚子盘2-2上开设的螺纹孔d2-22将环 形衔铁3-2连接于滚子2-26所在一侧的滚子盘2-2上；所述的筒形铁心电磁铁3-1一端贯通， 另一端的底板上以其中心轴为圆心开设有轴孔f3-11，筒形铁心电磁铁3-1的外壁上设有环 形凸台b3-12，环形凸台b3-12上沿其周向开设多个螺纹孔f3-13，螺钉通过螺纹孔f3-13和 环形凸台a2-15上开设的螺纹孔c2-16将筒形铁心电磁铁3-1连接在圆柱凸轮筒2-1内；

所述的输出轴4为中部和小径端均开设有键槽4-3的阶梯轴，其大径端安装在圆凹台 a1-14内装配的轴承a4-1内，小径端安装在圆凹台b1-23内装配的轴承b4-2内，从大径端至小径端依次穿过轴孔d2-22、轴孔e3-22、轴孔f3-11、轴孔c2-12和轴孔b1-22，将圆柱 凸轮机构2和电磁变刚度机构3装配于筒体1-1内，筒体1-1与端盖1-2之间通过螺纹孔 a1-11和螺纹孔b1-21进行螺纹连接；其中，轴孔d2-22和轴孔e3-22与输出轴4滑动配合； 圆柱凸轮筒2-1在轴向上通过阶梯轴的轴肩进行定位，圆凸台2-13内壁上开设有的键槽与 阶梯轴中部的键槽4-3键连接；

刚度控制系统5包括电力产生系统5-1、stm32单片机5-2、A/D转换模块5-3、计算机5-4、扭矩传感器5-5和角位移传感器5-6，电力产生系统5-1的一端连接筒形铁心电磁铁 3-1，另一端连接stm32单片机5-2，stm32单片机5-2还与A/D转换模块5-3和计算机5-4 连接，A/D转换模块5-3同时还与扭矩传感器5-5和角位移传感器5-6连接，所述的扭矩传 感器5-5安装于输出轴4上，角位移传感器5-6内圈固定套装在输出轴4上，外圈与端盖1-2连接。

为了保证滚子2-26带动滚子盘2-2稳固运动，所述的滚子2-26和曲面凹槽2-11的数 量均为3个；所述的滚子2-26包括支架和滚轮，支架的一端固定连接于盘体上，另一端通过轮轴与滚轮连接；所述的曲面凹槽2-11圆弧形，其轮廓为沿圆柱面展开的二次曲线，其曲线符合公式f(αR)＝a(αR)²；为防止滚子2-26从曲面凹槽2-11中滑出，凹槽两端与其两侧的端面之间设有纵向平直限位段2-17。

为了保证导杆2-24的平稳导向，所述的导杆2-24数量为3个。

圆锥滚子轴承能够承受一个方向的轴向载荷，能够限制轴或外壳一个方向的轴向位移, 故轴承a4-1和轴承b4-2均优先选用圆锥滚子轴承。

为保证较小的磁滞损失涡流损失，筒形铁心电磁铁3-1和环形衔铁3-2均选用具有导 磁率高、矫顽力低、电阻系数大特性的硅钢。

本变刚度关节通过将筒形铁心电磁铁安装在圆柱凸轮筒上，环形衔铁安装在滚子盘滚 子所在侧，电磁铁对环形衔铁产生电磁吸力，使滚子在圆柱凸轮筒壁上开设的曲面凹槽内 运动，从而使圆柱凸轮筒旋转并产生回复力矩，当增大电磁铁线圈电流时，滚子盘所受的 轴向力增大，输出力矩相应增大，关节刚度增加；当减小电磁铁线圈电流时，滚子盘所受 的轴向力减小，输出力矩相应减小，关节刚度降低；若需保持特定的刚度曲线，则根据关节变形的角度变化按照PID控制原理调节电流使关节表现出预期刚度，既可保持刚度恒定，也能在一定范围内自由调整刚度曲线，在仿生机器人上能灵活准确地模拟出生物关节刚度随转角发生变化的特性，该关节通过连接法兰与动力输入机构连接，输出轴的端部与被驱动机构连接，并在动力传递过程中通过电流的加载改变传递过程中的关节刚度。本发明省去了传统的弹性元件调节结构及电机，结构简单紧凑，减小了关节体积和重量，在面对不可预测的外力冲击时，电磁铁电流调节速度快，能迅速改变关节刚度，保护操作人员及机器人本体免受伤害或破坏。

如图7所示，一种基于圆柱凸轮的变刚度关节的控制方法，包括如下步骤：

(1)将需要的关节扭转刚度值输入计算机5-4，并将该输入的扭转刚度值记为K_d；

(2)stm32单片机5-2通过A/D转换模块5-3读取扭矩传感器值T、角位移传感器值α，并计算当前的实际扭转刚度值K_i，计算公式为：K_i＝T/α；

(3)以实际扭转刚度值K_i为反馈信号，通过PID控制算法计算刚度控制值，通过理论扭转刚度计算公式：

解算为电流值后，调节电流使关节达到所需刚度K_d；

式中：u₀为真空磁导率，N为筒形铁心电磁铁线圈匝数，S₁为筒形铁心内环面积，S₂为筒 形铁心外环面积，δ为筒形铁心电磁铁与衔铁初始距离，a为圆柱凸轮筒轮廓曲线 f(αR)＝a(αR)²中的系数，α为关节扭转变形角度，R为圆柱凸轮筒半径，K₀为初始支撑弹 簧刚度；

本控制方法通过计算机输入目标刚度，将解算的实际刚度值作为反馈信号，通过PID 控制算法计算刚度控制值，再由理论扭转刚度公式计算出所需的刚度下需施加的电流值， 调节电流使关节达到所需的刚度。该控制方法简单，易于操作，对电磁铁电流调节速度快， 能迅速改变关节刚度，保护操作人员及机器人本体的安全，用于仿生机器人上也能随转角 迅速调节刚度，模拟出生物关节特性。

Claims (6)

1.一种基于圆柱凸轮的变刚度关节，其特征在于，包括关节外壳(1)、圆柱凸轮机构(2)、电磁变刚度机构(3)、输出轴(4)和刚度控制系统(5)，所述的关节外壳(1)包括筒体(1-1)和端盖(1-2)，所述的筒体(1-1)一端贯通，贯通端端面周向开设多个螺纹孔a(1-11)；筒体(1-1)另一端的外壁上设有连接法兰(1-12)，筒体(1-1)底板在靠近贯通端的一侧以筒体(1-1)中心轴为圆心开设有圆凹台a(1-14)；在圆凹台a(1-14)外部的筒体(1-1)底板上开设有多个以圆凹台a(1-14)为中心周向均匀设置的安装孔(1-15)；

所述的端盖(1-2)上与筒体(1-1)贯通端端面上开设的多个螺纹孔a(1-11)相对应地开设多个螺纹孔b(1-21)；端盖(1-2)中部开设有轴孔b(1-22)，并在靠近筒体(1-1)的一侧开设有与轴孔b(1-22)同轴心设置的圆凹台b(1-23)；

所述的圆柱凸轮机构(2)包括圆柱凸轮筒(2-1)和滚子盘(2-2)，圆柱凸轮筒(2-1)的一端贯通，贯通端端面沿圆柱凸轮筒(2-1)壁周向等间距的开设多个曲面凹槽(2-11)；圆柱凸轮筒(2-1)的另一端底板上以圆柱凸轮筒(2-1)中心轴为圆心开设有轴孔c(2-12)，在靠近贯通端的圆柱凸轮筒(2-1)底板一侧设有与轴孔c(2-12)同轴心设置的圆凸台(2-13)，在圆凸台(2-13)内壁上开设有键槽；圆柱凸轮筒(2-1)的内壁上还设有环形凸台a(2-15)，所述环形凸台a(2-15)上沿其周向开设多个螺纹孔c(2-16)；

所述的滚子盘(2-2)包括圆柱状盘体a(2-21)，盘体a(2-21)的中部以其中心轴为圆心开设轴孔d(2-22)，盘体一侧以轴孔d(2-22)为中心沿其周向开设多个通孔(2-23)，各通孔(2-23)内设置有与其滑动配合的导杆(2-24)，各导杆(2-24)上穿设有支撑弹簧(2-25)，导杆(2-24)的另一端与筒体(1-1)底板上开设的安装孔(1-15)螺纹固接，并使支撑弹簧(2-25)与盘体a(2-21)接触配合；盘体a(2-21)的另一侧以轴孔d(2-22)为中心沿其周向设有多个滚子(2-26)，各滚子(2-26)分别与圆柱凸轮筒(2-1)贯通端面上开设的各曲面凹槽(2-11)接触配合；在滚子(2-26)与轴孔d(2-22)之间的盘体a(2-21)上周向开设有多个螺纹孔d(2-27)；

电磁变刚度机构(3)包括筒形铁心电磁铁(3-1)和环形衔铁(3-2)，所述的环形衔铁(3-2)为圆柱状盘体b(3-21)，盘体b(3-21)以其中心轴为圆心开设轴孔e(3-22)，以轴孔e(3-22)为中心沿其周向开设多个螺纹孔e(3-23)，螺钉通过螺纹孔e(3-23)和滚子盘(2-2)上开设的螺纹孔d(2-27)将环形衔铁(3-2)连接于滚子(2-26)所在一侧的滚子盘(2-2)上；所述的筒形铁心电磁铁(3-1)一端贯通，另一端的底板上以其中心轴为圆心开设有轴孔f(3-11)，筒形铁心电磁铁(3-1)的外壁上设有环形凸台b(3-12)，环形凸台b(3-12)上沿其周向开设多个螺纹孔f(3-13)，螺钉通过螺纹孔f(3-13)和环形凸台a(2-15)上开设的螺纹孔c(2-16)将筒形铁心电磁铁(3-1)连接在圆柱凸轮筒(2-1)内；

所述的输出轴(4)为中部和小径端均开设有键槽(4-3)的阶梯轴，其大径端安装在圆凹台a(1-14)内装配的轴承a(4-1)内，小径端安装在圆凹台b(1-23)内装配的轴承b(4-2)内，从大径端至小径端依次穿过轴孔d(2-22)、轴孔e(3-22)、轴孔f(3-11)、轴孔c(2-12)和轴孔b(1-22)，将圆柱凸轮机构(2)和电磁变刚度机构(3)装配于筒体(1-1)内，筒体(1-1)与端盖(1-2)之间通过螺纹孔a(1-11)和螺纹孔b(1-21)进行螺纹连接；其中，轴孔d(2-22)和轴孔e(3-22)与输出轴(4)滑动配合；圆柱凸轮筒(2-1)在轴向上通过阶梯轴的轴肩进行定位，圆凸台(2-13)内壁上开设的键槽与阶梯轴中部的键槽(4-3)键连接；

刚度控制系统(5)包括电力产生系统(5-1)、stm32单片机(5-2)、A/D转换模块(5-3)、计算机(5-4)、扭矩传感器(5-5)和角位移传感器(5-6)，电力产生系统(5-1)的一端连接筒形铁心电磁铁(3-1)，另一端连接stm32单片机(5-2)，stm32单片机(5-2)还与A/D转换模块(5-3)和计算机(5-4)连接，A/D转换模块(5-3)同时还与扭矩传感器(5-5)和角位移传感器(5-6)连接，所述的扭矩传感器(5-5)安装于输出轴(4)上，角位移传感器(5-6)内圈固定套装在输出轴(4)上，外圈与端盖(1-2)连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于圆柱凸轮的变刚度关节，其特征在于，所述的滚子(2-26)和曲面凹槽(2-11)的数量均为3个，所述的滚子(2-26)包括支架和滚轮，支架的一端固定连接于盘体上，另一端通过轮轴与滚轮连接；所述的曲面凹槽(2-11)为圆弧形，其轮廓为沿圆柱面展开的二次曲线，曲面凹槽(2-11)两端与其两侧的端面之间设有纵向平直限位段(2-17)。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于圆柱凸轮的变刚度关节，其特征在于，所述的导杆(2-24)数量为3个。

4.根据权利要求3所述的一种基于圆柱凸轮的变刚度关节，其特征在于，所述的轴承a(4-1)和轴承b(4-2)均为圆锥滚子轴承。

5.根据权利要求5所述的一种基于圆柱凸轮的变刚度关节，其特征在于，所述的筒形铁心电磁铁(3-1)和环形衔铁(3-2)的材质均为硅钢。

6.一种基于圆柱凸轮的变刚度关节的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将需要的关节扭转刚度值输入计算机(5-4)，并将该输入的扭转刚度值记为K_d；

(2)stm32单片机(5-2)通过A/D转换模块(5-3)读取扭矩传感器值T、角位移传感器值α，并计算当前的实际扭转刚度值K_i，计算公式为：K_i＝T/α；

(3)以实际扭转刚度值K_i为反馈信号，通过PID控制算法计算刚度控制值，通过理论扭转刚度计算公式：

解算为电流值后，调节电流使关节达到所需刚度K_d；

式中：u₀为真空磁导率，N为筒形铁心电磁铁(3-1)线圈匝数，S₁为筒形铁心内环面积，S₂为筒形铁心外环面积，δ为筒形铁心电磁铁(3-1)与衔铁初始距离，a为圆柱凸轮筒(2-1)轮廓曲线f(αR)＝a(αR)²中的系数，α为关节扭转变形角度，R为圆柱凸轮筒(2-1)半径，K₀为初始支撑弹簧(2-25)刚度。

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