CN113927627A - 基于关节刚度放大装置的主动变刚度欠驱动冗余机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于关节刚度放大装置的主动变刚度欠驱动冗余机器人，涉及冗余机器人技术领域，包括对立设置的第一机架和第二机架、关节基座、安装于第一机架和第二机架之间的驱动机构和沿周向均布设置的各绳索牵引机构，以及依次连接固定的至少六个关节单元；每个关节单元包括至少三个连杆和至少三个刚度放大机构，各连杆沿周向均布设置，连杆的两端与关节基座偏置铰接。本发明采用多组通过偏置虎克铰与关节基座铰接的连杆作为欠驱动冗余机器人的关节的并联结构，使关节能够实现球面滚动动作，运动灵活性高，并联结构本身负载较大，并能配合驱动机构和刚度放大机构实现关节单元的主动变刚度调节，使欠驱动冗余机器人能适应各种工况的需要。

Description

基于关节刚度放大装置的主动变刚度欠驱动冗余机器人

技术领域

本发明涉及冗余机器人技术领域，具体涉及一种基于关节刚度放大装置的主动变刚度欠驱动冗余机器人。

背景技术

机器人是一种能够半自主或全自主工作的智能机器，具有感知、决策、执行等基本特征，可以辅助甚至替代人类完成危险、繁重、复杂的工作，提高工作效率与质量，服务人类生活，扩大或延伸人的活动及能力范围。

随着工业机器人技术的广泛应用，当代工业生产的生产效率和质量得到了极大的提升，但传统的工业机器人在从事工业生产的过程中，仍存在一些问题：如传统的工业机器人多为刚性机器人，柔顺性较差，刚性机器人在人机协作领域的应用中存在较大的安全隐患；同时，传统的工业机器人关节处的驱动电机和减速器自重较大，极大地增加了工业机器人的重量，导致工业机器人的运动灵活性降低，难以在复杂的环境中工作。

相较于传统的刚性机器人，冗余机器人以驱动电机后置的结构形式降低自身重量，提高自身运动的灵活性，更适用于复杂环境的工作。现有的冗余机器人中，关节处通常采用绳传动的结构，虽灵活性较好，但刚度普遍较低；同时，冗余机器人多采用记忆合金实现变刚度，导致机器人的控制难度较高且难以大规模生产并在生产和生活中普及使用；此外，现有的冗余机器人需要通过多个驱动器分别控制多个关节，导致机器人的结构复杂、能耗大。

通过现有技术检索，存在以下已知的技术方案：

现有技术1：基于闭环驱动绳索的超冗余联动柔性机械臂

申请号：201910748747.8，申请日：2019.08.14，公开(公告)日：2019.12.13，该现有技术公开了一种基于闭环驱动绳索的超冗余联动柔性机械臂，包括机械臂组(1)、驱动绳索组(2)和驱动部(3)，驱动部(3)牵引驱动绳索组(2)，驱动绳索组(2)拉动机械臂组(1)并使其摆动；驱动绳索组(2)包括第一驱动绳索(21)和第二驱动绳索(22)，第一驱动绳索(21)的首端(21a)和第二驱动绳索(22)的首端(22a)分别与机械臂组(1)连接；第一驱动绳索(21)的末端(21b)与驱动部(3)连接，第二驱动绳索(22)的末端(22b)穿过绳索中转部(4)与驱动部(3)连接；绳索中转部(4)使第二驱动绳索(22)牵引机械臂组(1)的方向和第一驱动绳索(21)牵引机械臂组(1)的方向相反。该现有技术能够一定程度上减少驱动部(3)的数量。

该现有技术为了一定程度上解决超冗余机械臂上的电机数目过多的技术问题，提出了一种基于闭环驱动绳索的超冗余联动柔性机械臂，一定程度上降低了驱动电机数目，但是与欠驱动冗余机器人相比，该现有技术驱动数目依旧较多；此外，该现有技术关节没有刚度放大装置，关节刚度较低；同时，由于缺乏变刚度机制，该现有技术无法实现机器人末端变刚度控制。

现有技术2：一种模块化力位双闭环控制的超冗余绳驱动机器人

申请号：202011602173.2，申请日：2020.12.30，公开(公告)日：2021.04.27，该现有技术属于机械臂技术领域，特别涉及一种模块化力位双闭环控制的超冗余绳驱动机器人。包括机械臂、驱动绳、驱动装置、支撑框架及线性运动组件，其中支撑框架设置于线性运动组件上，驱动装置设置于支撑框架上，机械臂包括固定段及设置于固定段前端的柔性段，固定段设置于驱动装置上，柔性段的各关节通过多个驱动绳与驱动装置连接。该现有技术不同编号的驱动单元具有不同的传动系数，能够实现合理的传动比匹配，能够在不影响机械臂负载能力的前提下，提高了机械臂的运行速度。该现有技术驱动单元中的直接或间接绳张力测量装置能够配合控制系统实现力位双闭环控制，能够有效补偿机械臂传动系统弱刚性结构的运动精度。

该现有技术针对现有超冗余绳驱动机器人存在负载能力差，运动速度低，控制精度低，安装拆卸不便等问题，通过力位双闭环控制提高机械臂的运行速度，与传统冗余机械臂相比，该现有技术能够提高一定的运动性能，但是驱动电机数目仍然较多；此外，该现有技术关节没有刚度放大装置，关节刚度较低；同时，由于缺乏变刚度机制，该发明无法实现机器人末端变刚度控制。

现有技术3：一种柔性驱动的欠驱动超冗余连续体机器人

申请号：202010859988.2，申请日：2020.08.24，公开(公告)日：2020.12.18，该现有技术涉及一种柔性板驱动的欠驱动超冗余连续体机器人，包含柔性板连续型机械臂驱动部分和可锁紧被动桁架部分，机械臂驱动部分包含机架、滚珠丝杆滑台模组和伺服电机组成的两个驱动单元、两块柔性长板以及柔性长板末端的刚性平台，通过控制电机转动来驱动柔性长板的移动，以此使末端刚性平台到达指定位置。可锁紧被动桁架部分由多段结构完全相同的可变形桁架关节组成，初始段的可变形桁架关节与机架铰接，末尾段与末端刚性平台铰接，每段可变形桁架关节之间通过支撑板进行铰接。该现有技术仅利用两个驱动器控制串并联机构的超冗余自由度，且变形桁架的可被动锁紧大大提高了连续体机器人刚度，使得整个机器人既能实现弯曲运动，又具有较强承载能力。

该现有技术使用柔性板驱动和可变性桁架的被动锁紧和解锁，使得该机器人既能实现连续弯曲，又具有较强的承载能力，与传统冗余机械臂相比，该现有技术驱动装置得到了简化，同时具有较强的承载能力；然而，该现有技术没有主动变刚度机制，无法实现末端刚度的自适应变化，同时没有关节刚度放大装置，末端承载能力较弱。

通过以上的检索发现，以上技术方案没有影响本发明的新颖性；并且以上现有技术的相互组合没有破坏本发明的创造性。

发明内容

本发明正是为了避免上述现有技术所存在的不足之处，提供了一种基于关节刚度放大装置的主动变刚度欠驱动冗余机器人。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：一种基于关节刚度放大装置的主动变刚度欠驱动冗余机器人，包括对立设置的第一机架和第二机架、关节基座、安装于所述第一机架和所述第二机架之间的驱动机构和至少三个沿周向均布设置的绳索牵引机构，以及依次连接固定的至少六个关节单元，位于最前端的一个所述关节单元安装固定至所述第二机架上，所述驱动机构和各所述绳索牵引机构的输出端均位于靠近所述第二机架的一端；

各所述关节单元中，位于最前端和最末端的所述关节单元包括两个关节基座，其余所述关节单元包括一个所述关节基座，各所述关节基座呈共轴且平行设置的板状结构；所述驱动机构包括安装于所述第一机架中心的直线电机、依次连接固定至所述直线电机输出端的硬管和软管以及通长设于所述软管内的弹簧，所述软管于各所述关节基座的中心依次贯穿各所述关节基座设置，其末端与位于最末端的一个所述关节基座连接固定；

所述关节单元包括至少三个连杆和至少三个刚度放大机构，各所述连杆沿周向均布设置于所述软管外侧，所述连杆的两端分别通过偏置虎克铰与位于其两侧的两个所述关节基座铰接，所述连杆的前端和后端错位偏置，各所述连杆的偏置角度一致且总合为360°；

所述刚度放大机构的数量和位置对应所述绳索牵引机构设置，所述刚度放大机构包括两对刚度放大装置支架、两个滑轮支架和两个滑轮，两对刚度放大装置支架相对安装固定至该关节单元对应的两个关节基座上，每对所述刚度放大装置支架之间安装固定一个所述滑轮支架，两个所述滑轮分别转动安装至两个所述滑轮支架上；还包括对应所述绳索牵引机构数量设置的驱动绳组，所述驱动绳组前端与对应的一个所述绳索牵引机构的输出端连接固定，中部于每个所述关节单元内，依次穿过对应的所述关节基座上开设的导引孔并于该关节单元的两个所述滑轮上绕设两圈，末端固定至最末端的一个所述关节基座上；各所述驱动绳组设置的驱动绳根数一致。

进一步的，所述绳索牵引机构包括两端分别与所述第一机架和所述第二机架安装固定的牵引支架、安装于所述牵引支架上的牵引电机、两端分别与所述牵引电机的输出端连接固定以及与所述牵引支架转动连接的牵引丝杠、平行于所述牵引丝杠的轴线设于所述牵引支架上的牵引导轨、与所述牵引导轨滑动配合连接的牵引滑块以及螺纹配合连接于所述牵引丝杠上的绳索牵引块，所述牵引滑块与所述绳索牵引块连接固定为整体，所述驱动绳的前端与所述牵引滑块和所述绳索牵引块构成的整体连接固定。

进一步的，所述驱动绳与所述牵引滑块和所述绳索牵引块构成的整体连接处设有拉力传感器。

进一步的，所述驱动绳前端与所述拉力传感器上连接的花篮螺栓栓接。

进一步的，还包括设于所述绳索牵引机构和对应的所述刚度放大机构之间的张紧结构，所述张紧结构包括安装固定于所述牵引支架上的张紧基座，所述张紧基座上对称开设两个张紧滑槽，所述张紧滑槽内滑动配合连接有张紧滑块，所述张紧滑块与所述张紧滑槽之间形成平行于所述直线电机输出向的线性滑动副，所述张紧滑块上转动连接有张紧滑轮，对应的所述驱动绳还张紧绕设于对应的两个所述张紧滑轮上；两个张紧调节螺钉分别对应两个所述张紧滑槽的位置设置，所述张紧调节螺钉与所述张紧基座螺纹配合连接，其轴线与对应的线性滑动副同向设置，其末端穿入对应的所述张紧滑槽内，并与对应的所述张紧滑块连接固定。

进一步的，所述软管为橡胶软管。

进一步的，所述绳索牵引机构的数量为四个。

进一步的，所述连杆的数量为三个。

本发明提供了一种基于关节刚度放大装置的主动变刚度欠驱动冗余机器人，具有以下有益效果：

1、本发明采用多组通过偏置虎克铰与关节基座铰接的连杆作为冗余机器人的关节的并联结构，使关节能够实现球面滚动动作，同时并联结构负载较大，能适应各种工况的需要，关节结构呈中空状，利于欠驱动冗余机器人的布线；

2、本发明通过刚度放大机构有效提高关节单元的刚度，相较于传统的冗余机器人，大大改善了冗余机器人整体刚度低的缺陷，同时，通过直线电机调节弹簧的压缩程度，实现冗余机器人末端刚度的主动调节，能适应不同工作环境的需要；

3、本发明于绳索牵引机构和刚度放大机构之间设有张紧结构，当冗余机器人运行较长时间且驱动绳发生磨损并出现松弛时，可通过张紧结构实现对应的驱动绳的再张紧，确保驱动绳始终处于张紧状态，进而保证冗余机器人的运动精度；

4、本发明采用欠驱动的方式实现冗余机器人的控制，且每个绳索牵引机构均对应设置拉力传感器，可独立为机器人动力学控制提供信号，利于冗余机器人控制程序的简化，降低了冗余机器人的控制难度；

5、本发明设有刚度放大机构，进一步提高了欠驱动冗余机器人关节的刚度，使欠驱动冗余机器人能够满足更多工况的需要；

6、本发明通过驱动绳组和各关节单元的滑轮的合理布局，可即可以四个驱动机构便捷地实现欠驱动冗余机器人的运动控制；

7、本发明负载能力大，具备主动变刚度的功能，运动灵活性高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明关节单元的结构示意图；

图3为本发明刚度放大机构的结构示意图；

图4为本发明刚度放大机构的原理图；

图5a为平面反平行四边形运动机构的示意图；

图5b为P_c点到P₀点的距离随角度的变化曲线图；

图6为本发明驱动机构的结构示意图；

图7a为本发明驱动机构主动变刚度的调整原理图；

图7b为本发明实施例中驱动机构的刚度调整曲线；

图8为本发明绳索牵引机构的结构示意图；

图9为本发明绳索牵引机构的结构示意图。

图中：

1-1、第一机架，1-2、第二机架，1-3、关节基座；2、驱动机构，2-1、直线电机，2-2、硬管，2-3、软管，2-4、弹簧；3、刚度放大机构，3-1、刚度放大装置支架，3-2、滑轮支架，3-3、滑轮，3-4、驱动绳组；4、绳索牵引机构，4-1、牵引支架，4-2、牵引电机，4-3、牵引丝杠，4-5、牵引导轨，4-6、牵引滑块，4-7、绳索牵引块，4-8、拉力传感器，4-9、花篮螺栓；5-1、连杆，5-2、偏置虎克铰；6、张紧结构，6-1、张紧基座，6-2、张紧滑槽，6-3、张紧滑块，6-4、张紧滑轮，6-5、张紧调节螺钉。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～图3、图6以及图8～图9所示，其结构关系为：包括对立设置的第一机架1-1和第二机架1-2、关节基座1-3、安装于第一机架1-1和第二机架1-2之间的驱动机构2和至少三个沿周向均布设置的绳索牵引机构4，以及依次连接固定的至少六个关节单元，位于最前端的一个关节单元安装固定至第二机架1-2上，驱动机构2和各绳索牵引机构4的输出端均位于靠近第二机架1-2的一端；

各关节单元中，位于最前端和最末端的关节单元包括两个关节基座1-3，其余关节单元包括一个关节基座1-3，各关节基座1-3呈共轴且平行设置的板状结构；驱动机构2包括安装于第一机架1-1中心的直线电机2-1、依次连接固定至直线电机2-1输出端的硬管2-2和软管2-3以及通长设于软管2-3内的弹簧2-4，软管2-3于各关节基座1-3的中心依次贯穿各关节基座1-3设置，其末端与位于最末端的一个关节基座1-3连接固定；

驱动机构2通过弹簧2-4的轴向压缩实现主动变刚度，该原理如图7a所示：弹簧2-4弯曲的过程中，刚度会随着弯曲角的变化而变化，同时，在相同的弯曲角下，弹簧2-4压缩程度的不同也会使其刚度不同；实际使用时，可通过直线电机2-1调整弹簧2-4的压缩程度，以实现冗余机器人刚度的主动调节，即主动变刚度；

驱动机构2中，弹簧2-4的刚度满足：

其中，h_s为弹簧2-4弯曲后的垂直高度，

为弹簧2-4的初始长度，Δη为弹簧2-4的预张紧长度；

h₀为弹簧2-4未弯曲时的长度，满足：

为弹簧2-4的初始抗弯刚度，满足：

其中，E为弹簧2-4的弹性模量，G为弹簧2-4的剪切模量，I为弹簧2-4的转动惯量，d为弹簧的外径，ρ为弹簧的节距。

作用在弹簧2-4末端的外力分为力和力矩M，力又分为水平力F₁和垂直力F₂，弹簧2-4在F₁、F₂和M作用下满足：

其中，h_s满足：

h_s＝h₀cos(θ/2)；

s_s满足：

s_s＝h₀sin(θ/2)；

h_s为弹簧弯曲后的垂直高度，s_s为弹簧弯曲后的水平长度。

替换初始条件为：

得到：

基于虚功原理可得：

其中，δΔl_i是驱动绳绳长无限小运动，δθ为弯曲角；

驱动绳的刚度为k_cable，驱动绳拉力为t_i，则：

其中，sgn(cable_i)＝1表示驱动绳处于张紧状态，sgn(cable_i)＝-1表示驱动绳处于松弛状态。

弹簧2-4的弯曲刚度M_s[1]可以通过弹性理论得到：

关节单元包括至少三个连杆5-1和至少三个刚度放大机构3，各连杆5-1沿周向均布设置于软管2-3外侧，连杆5-1的两端分别通过偏置虎克铰5-2与位于其两侧的两个关节基座1-3铰接，连杆5-1的前端和后端错位偏置，各连杆5-1的偏置角度一致且总合为360°；

该关节单元构成三连杆并联关节机构，是一种将平面反平行四边形扩展到空间反平行四边形得到的机构，通过调整该机构的结构参数可使其尽可能模拟球面滚动关节的运动。

该机构模拟圆形滚动的原理如图5a所示：其中，w_c为短连杆，l_c为长连杆，h_c为上下短连杆之间的间距；该机构长连杆交叉点p_c(x_c，y_c)的轨迹为椭圆轨迹，其轨迹方程为：

p₀(0，-h₀)是被模拟圆的圆心坐标，则交叉点p_c(x_c，y_c)满足：

y_c＝(1/tanψ)x_c-h₀，r(ψ)＝x_c/sinψ；

其中，ψ为倾斜角；

交叉点p_c到圆心的坐标为：

当取l_c＝121.1mm、w_c＝40mm、h_c＝6mm时，p_c点轨迹的计算结果如图5b所示，该计算结果基于椭球滚动模拟球面滚动的理论模型，与实际运动轨迹的误差在0.2mm内。

实际设置时，也可根据需要调整连杆5-1数量，单个关节单元包含的连杆5-1数量越多，关节的承重能力越强，但自重也相对增加；

刚度放大机构3的数量和位置对应绳索牵引机构4设置，刚度放大机构3包括两对刚度放大装置支架3-1、两个滑轮支架3-2和两个滑轮3-3，两对刚度放大装置支架3-1相对安装固定至该关节单元对应的两个关节基座1-3上，每对刚度放大装置支架3-1之间安装固定一个滑轮支架3-2，两个滑轮3-3分别转动安装至两个滑轮支架3-2上；还包括对应绳索牵引机构4数量设置的驱动绳组3-4，驱动绳组3-4前端与对应的一个绳索牵引机构4的输出端连接固定，中部于每个关节单元内，依次穿过对应的关节基座1-3上开设的导引孔并于该关节单元的两个滑轮3-3上绕设两圈，末端固定至最末端的一个关节基座1-3上；各驱动绳组3-4设置的驱动绳根数一致；实际使用时，可通过调整驱动绳组3-4设置的驱动绳根数实现欠驱动冗余机器人关节刚度的调节。

刚度放大机构3是一种基于动滑轮的组的刚度放大机构，其原理如图4所示，刚度放大机构3的输出刚度K_out满足：

K_out＝T_out/Δx_out＝n²K；

其中，n为驱动绳组3-4的驱动绳根数，K为驱动绳的刚度；

T_out为刚度放大机构3的输出力，满足：

T_out＝nT_in；

其中，T_in为绳索牵引机构4对驱动绳组3-4的输入力；

Δx_out为一组滑轮3-3的整体位移，满足：

Δx_in＝nΔx_out；

其中，Δx_in为驱动绳的位移量。

关节单元受到的扭矩满足：

τ＝τ₁+τ₂；

其中，τ₁为刚度放大机构3的驱动绳作用于关节单元的扭矩，满足：

通过绳索变化的几何关系，可以简化为：

因此，驱动绳提供的刚度k₁满足：

τ₂为弹簧2-4弯曲产生的作用于关节单元的扭矩，则弹簧2-4弯曲提供的刚度k₂满足：

可进一步简化为：

其中：

可以发现k₂不仅和弯曲角度δθ有关，还和弹簧2-4的初始长度h₀有关，通过主动调整弹簧2-4的长度即可实现其刚度的主动调节。

考虑弹簧2-4的压缩性能与弹簧2-4的劲度系数有关，当弹簧2-4的劲度系数k_s＝3330N/m、剪切模量G＝1×10⁹Pa、弹性模量E＝206×10⁹Pa、转动惯量I＝0.375×10^-12m⁴、转动角度为30°时，单个关节单元的刚度调整曲线如图8所示，其中位于底部的一个关节基座1-3为该关节单元中相对固定的一个关节基座1-3，位于顶部的一个关节基座1-3为该关节单元中跟随弹簧2-4形变运动的一个关节基座1-3。

优选的，绳索牵引机构4包括两端分别与第一机架1-1和第二机架1-2安装固定的牵引支架4-1、安装于牵引支架4-1上的牵引电机4-2、两端分别与牵引电机4-2的输出端连接固定以及与牵引支架4-1转动连接的牵引丝杠4-3、平行于牵引丝杠4-3的轴线设于牵引支架4-1上的牵引导轨4-5、与牵引导轨4-5滑动配合连接的牵引滑块4-6以及螺纹配合连接于牵引丝杠4-3上的绳索牵引块4-7，牵引滑块4-6与绳索牵引块4-7连接固定为整体，驱动绳3-4的前端与牵引滑块4-6和绳索牵引块4-7构成的整体连接固定。

优选的，驱动绳3-4与牵引滑块4-6和绳索牵引块4-7构成的整体连接处设有拉力传感器4-8；拉力传感器4-8能够实时测量对应的驱动绳3-4的拉力，为机器人的动力学控制提供信号。

优选的，驱动绳3-4前端与拉力传感器4-8上连接的花篮螺栓4-9栓接。

优选的，还包括设于绳索牵引机构4和对应的刚度放大机构3之间的张紧结构6，张紧结构6包括安装固定于牵引支架4-1上的张紧基座6-1，张紧基座6-1上对称开设两个张紧滑槽6-2，张紧滑槽6-2内滑动配合连接有张紧滑块6-3，张紧滑块6-3与张紧滑槽6-2之间形成平行于直线电机2-1输出向的线性滑动副，张紧滑块6-3上转动连接有张紧滑轮6-4，对应的驱动绳3-4还张紧绕设于对应的两个张紧滑轮6-4上；两个张紧调节螺钉6-5分别对应两个张紧滑槽6-2的位置设置，张紧调节螺钉6-5与张紧基座6-1螺纹配合连接，其轴线与对应的线性滑动副同向设置，其末端穿入对应的张紧滑槽6-2内，并与对应的张紧滑块6-3连接固定；实际使用时，如驱动绳3-4松弛或过紧，可通过于对应的张紧结构6中调节张紧调节螺钉6-5，带动张紧滑块6-3及其上的张紧滑轮6-4沿张紧滑槽6-2滑动，来张紧或放松对应的驱动绳3-4，确保驱动绳3-4上的张力在合适范围内。

优选的，软管2-3为橡胶软管。

优选的，绳索牵引机构4的数量为四个，此时，机器人的动作控制程序编写最为简单。

优选的，连杆5-1的数量为三个，此时，关节单元呈反平行四边形机构，其运动轮廓近似为球面，具备两个运动自由度；同时，连杆5-1的两端通过偏置虎克铰5-2与关节基座1-3铰接，形成共十二个旋转副，通过优化连杆5-1的几何参数可以有效提高关节单元的运动精度；同时，连杆5-1的数量设置为三个时，机器人关节单元的强度可以满足大部分工作环境的要求，同时自身重量较轻，动作较为灵活。

具体使用时，牵引电机4-2驱动牵引丝杠4-3转动，带动螺纹配合连接于牵引丝杠4-3上的牵引滑块4-6沿牵引丝杠4-3的轴线滑动，以拉动对应的驱动绳，使冗余机器人倾向于做向该驱动绳方向的弯曲动作；通过统筹规划调整各牵引滑块4-6于对应的丝杠4-3上的位置，可以实现各驱动绳张紧程度的调节，进而实现冗余机器人的运动控制。

冗余机器人的运动控制算法设计可参考：J.Wan,J.Yao,L.Zhang,and H.Wu,“Aweighted gradient projection method for inverse kinematics of redundantmanipulators considering multiple performance Criteria,”J.Mech.Eng.,vol.64,no.7–8,pp.475–487,2018.

控制中的实施拉力信息由各拉力传感器4-8收集反馈。

冗余机器人自身刚度调节的可通过直线电机2-1的伸缩实现，直线电机2-1伸长或缩短可实现弹簧2-4压缩量的调节，使弹簧2-4的刚度发生变化，进而实现冗余机器人刚度的调节。

当驱动绳发生松弛现象时，应当转动对应的张紧调节螺钉6-5，使张紧滑块6-3在张紧滑槽6-2中滑动，将对应的驱动绳重新张紧。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种基于关节刚度放大装置的主动变刚度欠驱动冗余机器人，其特征在于：包括对立设置的第一机架(1-1)和第二机架(1-2)、关节基座(1-3)、安装于所述第一机架(1-1)和所述第二机架(1-2)之间的驱动机构(2)和至少三个沿周向均布设置的绳索牵引机构(4)，以及依次连接固定的至少六个关节单元，位于最前端的一个所述关节单元安装固定至所述第二机架(1-2)上，所述驱动机构(2)和各所述绳索牵引机构(4)的输出端均位于靠近所述第二机架(1-2)的一端；

各所述关节单元中，位于最前端和最末端的所述关节单元包括两个关节基座(1-3)，其余所述关节单元包括一个所述关节基座(1-3)，各所述关节基座(1-3)呈共轴且平行设置的板状结构；所述驱动机构(2)包括安装于所述第一机架(1-1)中心的直线电机(2-1)、依次连接固定至所述直线电机(2-1)输出端的硬管(2-2)和软管(2-3)以及通长设于所述软管(2-3)内的弹簧(2-4)，所述软管(2-3)于各所述关节基座(1-3)的中心依次贯穿各所述关节基座(1-3)设置，其末端与位于最末端的一个所述关节基座(1-3)连接固定；

所述关节单元包括至少三个连杆(5-1)和至少三个刚度放大机构(3)，各所述连杆(5-1)沿周向均布设置于所述软管(2-3)外侧，所述连杆(5-1)的两端分别通过偏置虎克铰(5-2)与位于其两侧的两个所述关节基座(1-3)铰接，所述连杆(5-1)的前端和后端错位偏置，各所述连杆(5-1)的偏置角度一致且总合为360°；

所述刚度放大机构(3)的数量和位置对应所述绳索牵引机构(4)设置，所述刚度放大机构(3)包括两对刚度放大装置支架(3-1)、两个滑轮支架(3-2)和两个滑轮(3-3)，两对刚度放大装置支架(3-1)相对安装固定至该关节单元对应的两个关节基座(1-3)上，每对所述刚度放大装置支架(3-1)之间安装固定一个所述滑轮支架(3-2)，两个所述滑轮(3-3)分别转动安装至两个所述滑轮支架(3-2)上；还包括对应所述绳索牵引机构(4)数量设置的驱动绳组(3-4)，所述驱动绳组(3-4)前端与对应的一个所述绳索牵引机构(4)的输出端连接固定，中部于每个所述关节单元内，依次穿过对应的所述关节基座(1-3)上开设的导引孔并于该关节单元的两个所述滑轮(3-3)上绕设两圈，末端固定至最末端的一个所述关节基座(1-3)上；各所述驱动绳组(3-4)设置的驱动绳根数一致。

2.根据权利要求1所述的基于关节刚度放大装置的主动变刚度欠驱动冗余机器人，其特征在于：所述绳索牵引机构(4)包括两端分别与所述第一机架(1-1)和所述第二机架(1-2)安装固定的牵引支架(4-1)、安装于所述牵引支架(4-1)上的牵引电机(4-2)、两端分别与所述牵引电机(4-2)的输出端连接固定以及与所述牵引支架(4-1)转动连接的牵引丝杠(4-3)、平行于所述牵引丝杠(4-3)的轴线设于所述牵引支架(4-1)上的牵引导轨(4-5)、与所述牵引导轨(4-5)滑动配合连接的牵引滑块(4-6)以及螺纹配合连接于所述牵引丝杠(4-3)上的绳索牵引块(4-7)，所述牵引滑块(4-6)与所述绳索牵引块(4-7)连接固定为整体，所述驱动绳(3-4)的前端与所述牵引滑块(4-6)和所述绳索牵引块(4-7)构成的整体连接固定。

3.根据权利要求2所述的基于关节刚度放大装置的主动变刚度欠驱动冗余机器人，其特征在于：所述驱动绳(3-4)与所述牵引滑块(4-6)和所述绳索牵引块(4-7)构成的整体连接处设有拉力传感器(4-8)。

4.根据权利要求3所述的基于关节刚度放大装置的主动变刚度欠驱动冗余机器人，其特征在于：所述驱动绳(3-4)前端与所述拉力传感器(4-8)上连接的花篮螺栓(4-9)栓接。

5.根据权利要求3所述的基于关节刚度放大装置的主动变刚度欠驱动冗余机器人，其特征在于：还包括设于所述绳索牵引机构(4)和对应的所述刚度放大机构(3)之间的张紧结构(6)，所述张紧结构(6)包括安装固定于所述牵引支架(4-1)上的张紧基座(6-1)，所述张紧基座(6-1)上对称开设两个张紧滑槽(6-2)，所述张紧滑槽(6-2)内滑动配合连接有张紧滑块(6-3)，所述张紧滑块(6-3)与所述张紧滑槽(6-2)之间形成平行于所述直线电机(2-1)输出向的线性滑动副，所述张紧滑块(6-3)上转动连接有张紧滑轮(6-4)，对应的所述驱动绳(3-4)还张紧绕设于对应的两个所述张紧滑轮(6-4)上；两个张紧调节螺钉(6-5)分别对应两个所述张紧滑槽(6-2)的位置设置，所述张紧调节螺钉(6-5)与所述张紧基座(6-1)螺纹配合连接，其轴线与对应的线性滑动副同向设置，其末端穿入对应的所述张紧滑槽(6-2)内，并与对应的所述张紧滑块(6-3)连接固定。

6.根据权利要求5所述的基于关节刚度放大装置的主动变刚度欠驱动冗余机器人，其特征在于：所述软管(2-3)为橡胶软管。

7.根据权利要求1所述的基于关节刚度放大装置的主动变刚度欠驱动冗余机器人，其特征在于：所述绳索牵引机构(4)的数量为四个。

8.根据权利要求1所述的基于关节刚度放大装置的主动变刚度欠驱动冗余机器人，其特征在于：所述连杆(5-1)的数量为三个。

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