CN114012715A

CN114012715A - 一种用于机器人关节的变刚度驱动系统

Info

Publication number: CN114012715A
Application number: CN202111436452.0A
Authority: CN
Inventors: 陈伟海; 李中一; 李启航; 杨尚; 王建华
Original assignee: Hangzhou Innovation Research Institute of Beihang University
Current assignee: Hangzhou Innovation Research Institute of Beihang University
Priority date: 2021-11-29
Filing date: 2021-11-29
Publication date: 2022-02-08
Anticipated expiration: 2041-11-29
Also published as: CN114012715B

Abstract

本发明公开了一种用于机器人关节的变刚度驱动系统，包括有A单边变刚度组件(1)、B单边变刚度组件(2)、对拉盘组件(3)和支撑组件(4)。其中，A单边变刚度组件(1)与B单边变刚度组件(2)相对放置在支撑组件(4)上，且保持在同一轴向上。A单边变刚度组件(1)中的A卷轮(1C)、B单边变刚度组件(2)中的B卷轮(2C)通过一条钢丝绳与对拉盘组件(3)中对拉盘(3A)实现连接。变刚度机构采用蜗轮蜗杆传动组件、滑轮绳绕组件和钢丝绳三者的运动，实现加载外力矩时两轴之间会产生一定的角度变形，并且其外力矩与角度变形之间并不是线性关系，从而实现变刚度功能。在机械臂或外骨骼机器人中使用本发明的变刚度驱动系统，可以有效的在碰撞时保护驱动系统和使用者，并能实现关节位置及刚度的独立控制。

Description

一种用于机器人关节的变刚度驱动系统

技术领域

本发明涉及机器人关节的变刚度驱动机构，更特别地说，是指一种采用绳索进行对拉式驱动的实现机器人关节变刚度的驱动系统。

背景技术

传统的机器人为了实现较高的位置精度，其关节多为刚性关节，这样很难实现安全舒适的人机交互功能。为了解决这个问题，人们提出并开发了变刚度关节。变刚度关节具有储能能力，这样有助于减少或消除在碰撞时对驱动系统和使用者的损伤，这对提高机器人的能效、安全性和舒适性具有重要意义。到目前为止，已经研究出各种变刚度关节，主要分为两种类型：固定变刚度关节和可调变刚度关节。所设计的对拉式变刚度关节为可调变刚度关节。与固定变刚度关节相比，可调变刚度关节能够动态改变刚度。根据执行机构设置，可调变刚度关节可进一步分为两组，即独立式变刚度关节和对拉式变刚度关节。

对于独立式变刚度关节，其通常包含两个独立的驱动器，一个用于控制关节位置，另一个用于刚度调节。目前已经有许多采用独立式变刚度关节设计的机构。它们可以通过以下三种方法实现：改变传动比，调整弹簧的物理特性以及改变弹簧的预紧力。然而，变刚度关节具有两个驱动器会导致变刚度关节的重量、尺寸和复杂性显著增加，这样会使得变刚度关节的应用范围降低。

对拉式变刚度关节的概念受生物学上动物肌肉骨骼系统的启发而来。如果使用绳索进行动力传输，可以使驱动系统远离关节，这样使得关节的机械结构紧凑且具有较低的重量。然而，上述装置在大多数情况下，其关节位置和刚度的调节是耦合的。通过理论分析表明，在对拉式变刚度关节中，具有二次扭矩－挠度/力－伸长关系的弹性元件能够实现位置和刚度的解耦控制。通过使用上文中设计的变刚度机构，可以建立一个能实现位置和刚度解耦控制的变刚度关节。该变刚度机构可以通过改变绳索预紧力、弹簧刚度等参数，改变变刚度机构的刚度变化特征，使其具有二次扭矩－挠度关系。通过使用该变刚度机构，设计了一种新型的绳驱动对拉式变刚度关节驱动系统，它具有两个对拉式的变刚度机构，每个机构都具有可调的转矩－挠度特性，以实现关节的位置及刚度的独立控制。

发明内容

为了使机械臂或外骨骼机器人在应用过程中，减少或消除在碰撞时对驱动系统和使用者的损伤，本发明设计了一种用于机器人关节的变刚度驱动系统。该驱动系统为绳驱动对拉式的变刚度关节。

本发明设计的一种用于机器人关节的变刚度驱动系统，其特征在于：包括有A单边变刚度组件(1)、B单边变刚度组件(2)、对拉盘组件(3)和支撑组件(4)；

其中，A单边变刚度组件(1)与B单边变刚度组件(2)的结构相同；

A单边变刚度组件(1)与B单边变刚度组件(2)相对放置在支撑组件(4)上，且保持在同一轴向上；

第一条钢丝绳缠绕在A单边变刚度组件(1)中的A卷轮(1C)、B单边变刚度组件(2)中的B卷轮(2C)、以及对拉盘组件(3)中的对拉盘(3A)上；

A单边变刚度组件(1)包括有A电机(1A)、A变刚度机构(1B)、A卷轮(1C)、A卷轮轴(1H)、A角度传感器(1G)、AA联轴器(1E)和AB联轴器(1F)；

B单边变刚度组件(2)包括有B电机(2A)、B变刚度机构(2B)、B卷轮(2C)、B卷轮轴(2H)、B角度传感器(2G)、BA联轴器(2E)和BB联轴器(2F)；

B变刚度机构(2B)与A变刚度机构(1B)的结构相同。

在本发明中，A变刚度机构(1B)串联在A电机(1A)和A卷轮(1C)之间，B变刚度机构(2B)串联在B电机(2A)和B卷轮(2C)之间，并配合对拉盘(3A)，能够降低绳驱动机械臂所需第一条钢丝绳的绳索张力。

本发明用于机器人关节的变刚度驱动系统的优点在于：

①本发明驱动系统中的变刚度机构，是基于二次非线性的扭矩－挠度特征设计的，由此实现变刚度关节位置和刚度的独立控制。

②本发明的驱动系统使用了绳驱动的方式，可以灵活的布置驱动模块。驱动系统固定在基座上，其输出的绳索通过如鲍登管一类的结构引导至带有对拉盘结构的机器人关节上，从而实现机械臂或外骨骼机器人的轻量化和紧凑设计。

③本发明驱动系统中使用的变刚度机构可以通过调整其各项参数，实现不同的二次非线性的扭矩－挠度特征，这样可以使对拉式变刚度关节的刚度具有较大的调整和适应范围，具有广阔的应用前景。

④安装使用了本发明驱动系统的变刚度关节具有储能功能，有助于减少或消除在碰撞时对驱动系统和使用者的损伤，对提高机器人的能效、安全性和舒适性具有重要意义。

附图说明

图1是本发明用于机器人关节的变刚度驱动系统的结构图。

图1A是本发明用于机器人关节的变刚度驱动系统的正视图。

图1B是本发明用于机器人关节的变刚度驱动系统的分解结构图。

图1C是本发明用于机器人关节的变刚度驱动系统的前视视角外部结构图。

图1D是本发明用于机器人关节的变刚度驱动系统的后视视角外部结构图。

图2是本发明用于机器人关节的变刚度驱动系统的支撑组件的结构图。

图3是本发明用于机器人关节的变刚度驱动系统的对拉盘组件的结构图。

图3A是本发明用于机器人关节的变刚度驱动系统的对拉盘组件的分解结构图。

图4是本发明用于机器人关节的变刚度驱动系统的A单边变刚度组件的结构图。

图4A是本发明用于机器人关节的变刚度驱动系统的A单边变刚度组件的另一视角结构图。

图4B是本发明用于机器人关节的变刚度驱动系统的A单边变刚度组件的剖面结构图。

图4C是本发明用于机器人关节的变刚度驱动系统的A单边变刚度组件的分解结构图。

图4D是本发明A变刚度机构的结构图。

图4E是本发明A变刚度机构的另一视角结构图。

图4F是本发明A变刚度机构的内部结构图。

图4G是本发明A变刚度机构的分解图。

图4H是本发明A变刚度机构的分解图。

图4I是本发明A变刚度机构的分解图。

图4J是本发明A变刚度机构的分解图。

图4K是本发明A变刚度机构的第二条钢丝绳与滑轮的缠绕图。

图5是本发明用于机器人关节的变刚度驱动系统的B单边变刚度组件的结构图。

图5A是本发明用于机器人关节的变刚度驱动系统的B单边变刚度组件的另一视角结构图。

图5B是本发明用于机器人关节的变刚度驱动系统的B单边变刚度组件的剖面结构图。

图5C是本发明用于机器人关节的变刚度驱动系统的B单边变刚度组件的分解结构图。

图6是本发明用于机器人关节的变刚度驱动系统在两个电机转角之和为0.8弧度时的关节扭矩关系图。

图7是本发明用于机器人关节的变刚度驱动系统在两个电机转角之和为1.0弧度时的关节扭矩关系图。

图8是本发明用于机器人关节的变刚度驱动系统在两个电机转角之和为1.2弧度时的关节扭矩关系图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

参见图1、图1A、图1B所示，本发明设计的一种用于机器人关节的变刚度驱动系统，包括有A单边变刚度组件1、B单边变刚度组件2、对拉盘组件3和支撑组件4。其中，A单边变刚度组件1与B单边变刚度组件2相对放置在支撑组件4上(如图1B所示)，且A单边变刚度组件1与B单边变刚度组件2保持在轴向中心线上，如图1A所示。

在本发明中，A单边变刚度组件1与B单边变刚度组件2的结构相同。

在本发明中，第一条钢丝绳缠绕在A单边变刚度组件1中的A卷轮1C、B单边变刚度组件2中的B卷轮2C、以及对拉盘组件3中的对拉盘3A上。

在本发明中，由于两个卷轮、对拉盘、角度传感器的固定件及变刚度机构外壳的结构比较复杂，因此其加工采用3D打印的方式，材料选择为光敏树脂，根据有限元仿真分析，其材料强度及变形满足要求。

在本发明中，电机用于驱动绳索上的张力不超过30N，取安全系数为4，则绳索的张力不超过120N，且卷轮半径为35mm，选用汇川MS1H1－75B30CB交流电机。电机直接驱动线轮可以提高输出端绳索的运动速度和相应速度，并能减少控制误差。

在本发明中，对扭矩传感器进行选型，由于对拉盘半径为65mm，当将单边的卷轮与对拉盘相连时，其扭矩会增大，考虑传感器量程，选择Forsentek公司的FTE－20NM扭矩传感器，并搭配对应的显示器，可以实时显示测量的扭矩。

在本发明中，对角度传感器进行选型，由于对两个卷轮的角度测量需要测量整周转动，即角度传感器量程需要0°～360°。为了测量方便，非接触式角度传感器为首先选择。选用台州量子电子科技有限公司的WXXY GT－F角度传感器，其体积质量较小，且为非接触式测量。

A单边变刚度组件1

参见图1、图1A、图1B、图4、图4A、图4B、图4C所示，A单边变刚度组件1包括有A电机1A、A变刚度机构1B、A卷轮1C、A卷轮轴1H、A角度传感器1G、AA联轴器1E和AB联轴器1F。A卷轮1C选用材料为304不锈钢，使得轴类零件具有较高的强度并能防止时间过长使得零件生锈。A变刚度机构1B中除了滑轮与滑轮轴(材料选择为304不锈钢)，其余选用的材料为6061铝合金，其质量较轻而强度较高，并对其表面进行阳极氧化处理，提高其表面硬度及使用寿命。

A变刚度机构1B的输出轴1B2上套接有A圆柱滚子轴承1L。所述A圆柱滚子轴承1L安装在AB支撑架4B的立板上的DB通孔4B1中。

A卷轮1C的中心部位是AA中心通孔1C1，AA中心通孔1C1用于放置A卷轮轴1H；A卷轮1C的圆盘体上设有用于缠绕绳索的A绳索槽1C2。

A卷轮轴1H上设有A圆盘1H1；A圆盘1H1的一端设有AD轴段1H6、AC轴段1H4；所述AC轴段1H4上设有键槽1H5；A圆盘1H1的另一端设有AA轴段1H2、AB轴段1H3、AE轴段1H7。所述AA轴段1H2上套接有A卷轮1C。所述AB轴段1H3上套接有AA滚珠轴承1J，AA滚珠轴承1J安装在AC支撑架4C的立板上的DC通孔4C1中。所述AD轴段1H6上套接有AB滚珠轴承1K，AB滚珠轴承1K安装在AD支撑架4D的立板上的DD通孔4D1中。A卷轮轴1H的AC轴段1H4安装在AB联轴器1F的另一端的盲孔中，并在键槽1H5中放置键实现AB联轴器1F的另一端与A卷轮轴1H的AC轴段1H4的连接。A卷轮轴1H的AE轴段1H7上安装有A角度传感器1G，A角度传感器1G通过A传感器安装座1D固定，且A传感器安装座1D安装在AD支撑架4D的上端。

AA联轴器1E一端的盲孔中安装有A电机1A的输出轴，AA联轴器1E另一端的盲孔中安装有A变刚度机构1B的输入轴1B1。

AB联轴器1F一端的盲孔中安装有A变刚度机构1B的输出轴1B2的轴段端部，输出轴1B2的圆盘放置在A法兰盘109的沉头腔109A中，AB联轴器1F另一端的盲孔中安装有A卷轮轴1H的AC轴段1H4。

A变刚度机构1B

参见图4D、图4E、图4F、图4G所示，A变刚度机构1B是蜗轮蜗杆传动组件105与滑轮绳绕组件106的组合。A变刚度机构1B包括有蜗轮蜗杆传动组件105、滑轮绳绕组件106、AA固定盘107、AB固定盘108、A法兰盘109、A滑轮固定圆盘110、壳体(101、102、103、104)。

参见图4D、图4F、图4G、图4H所示，蜗轮蜗杆传动组件105包括有蜗轮蜗杆105F、预紧卷轮105E、传动轴105B；蜗轮蜗杆105F通过连接件固定在AA固定盘107上；预紧卷轮105E与蜗轮蜗杆105F中的蜗杆啮合；传动轴105B的轴盘固定在A法兰盘109的沉头腔109A中，传动轴105B一端的轴段上套接有AF滚珠轴105D(AF滚珠轴105D安装在AA固定盘107的JI通孔107I中)，且端部与预紧卷轮105E连接；传动轴105B另一端的轴段上套接有AE滚珠轴105C，AE滚珠轴105C安装在传动盖105A的腔中，传动盖105A通过凸耳固定在AB固定盘108上。

参见图4F、图4G、图4I、图4J、图4K所示，滑轮绳绕组件106包括有A滑轮106A、A滑轮轴106B、B滑轮106C、B滑轮轴106D、C滑轮106E、C滑轮轴106F、D滑轮106G、D滑轮轴106H、E滑轮106I、E滑轮轴106J、F滑轮106K、F滑轮轴106L、G滑轮106M、G滑轮轴106N、H滑轮106O、H滑轮轴106P、I滑轮106Q、I滑轮轴106R、J滑轮106S、J滑轮轴106T、第二条钢丝绳106U、弹簧106V。在本发明中，第二条钢丝绳106U的缠绕方式为：第二条钢丝绳106U的一端连接在弹簧106V的一端上，弹簧106V的另一端活动套接在锁钉上，锁钉的一端安装在AA固定盘107的JH通孔107H中，锁钉的另一端安装在AB固定盘108的KH通孔108H中。第二条钢丝绳106U的另一端顺次经过G滑轮106M→F滑轮106K→J滑轮106S→Q滑轮106I→D滑轮106G→I滑轮106Q→G滑轮106E→F滑轮106C→G滑轮106O→F滑轮106A，最后固定在传动轴105B上。

参见图4G所示，AA固定盘107的中心凸台107L用于固定输入轴1B1的圆盘。中心凸台107L的中心是J中心通孔107J，J中心通孔107J内安装有AD滚珠轴承110A。AD滚珠轴承110A套接在A滑轮固定圆盘110的凸轴110B上。A滑轮固定圆盘110安装在中心凸台107L的腔中，如图4B所示。AA固定盘107的AA盘体107K上设有JA通孔107A、JB通孔107B、JC通孔107C、JD通孔107D、JE通孔107E、JF通孔107F、JG通孔107G、JH通孔107H、JI通孔107I。

参见图4G所示，AB固定盘108的中心是K中心通孔108J，K中心通孔108J用于输出轴1B2穿过。AB固定盘108的AB盘体108K上设有KA通孔108A、KB通孔108B、KC通孔108C、KD通孔108D、KE通孔108E、KF通孔108F、KG通孔108G、KH通孔108H、KI通孔108I。

参见图4K所示，A滑轮106A套接在A滑轮轴106B上，A滑轮轴106B的一端安装在JA通孔107A上，A滑轮轴106B的另一端安装在KA通孔108A上。

B滑轮106C套接在B滑轮轴106D上，B滑轮轴106D的一端安装在JB通孔107B上，B滑轮轴106D的另一端安装在KB通孔108B上。

C滑轮106E套接在C滑轮轴106F上，C滑轮轴106F的一端安装在JC通孔107C上，C滑轮轴106F的另一端安装在KC通孔108C上。

D滑轮106G套接在D滑轮轴106H上，D滑轮轴106H的一端安装在JD通孔107D上，D滑轮轴106H的另一端安装在KD通孔108D上。

E滑轮106I套接在E滑轮轴106J上，E滑轮轴106J的一端安装在JE通孔107E上，E滑轮轴106J的另一端安装在KE通孔108E上。

F滑轮106K套接在F滑轮轴106L上，F滑轮轴106L的一端安装在JF通孔107F上，F滑轮轴106L的另一端安装在KF通孔108F上。

G滑轮106M套接在G滑轮轴106N上，G滑轮轴106N的一端安装在JG通孔107G上，G滑轮轴106N的另一端安装在KG通孔108G上。

H滑轮106O套接在H滑轮轴106P上，H滑轮轴106P的一端安装在A滑轮固定圆盘110的AD通孔110C上，H滑轮轴106P的另一端安装在输出轴1B2的AA通孔1B2A上。

I滑轮106Q套接在I滑轮轴106R上，I滑轮轴106R的一端安装在A滑轮固定圆盘110的AE通孔110D上，I滑轮轴106R的另一端安装在输出轴1B2的AB通孔1B2B上。

J滑轮106S套接在J滑轮轴106T上，J滑轮轴106T的一端安装在A滑轮固定圆盘110的AF通孔110E上，J滑轮轴106T的另一端安装在输出轴1B2的AC通孔1B2C上。

A法兰盘109通过凸耳109B固定在AB固定盘108上。A法兰盘109的L中心通孔109C中安装有AC滚珠轴承1B21。AC滚珠轴承1B21套接在输出轴1B2的轴段上。A法兰盘109的沉头腔109A中放置有输出轴1B2的圆盘。

参见图4D、图4E、图4G所示，AB壳体102固定在AB固定盘108的一端。

AC壳体103固定在AA固定盘107的一端。

AD壳体104固定在AA固定盘107的另一端和AB固定盘108的另一端。

AA壳体101固定在AB壳体102和AC壳体103的外部。

在绳驱动机械臂的变刚度控制中，通过采用拉紧绳索的方式实现机械臂刚度改变，需要对绳索施加非常大的拉力，同时其刚度调整的范围也非常有限。这种方式会严重增加驱动电机的负荷，还可能因绳索的张力过大导致其过度磨损甚至拉断。通过使用本发明设计的变刚度机构，可以很好地解决这一问题，使得机械臂在提高刚度调整范围的同时不需要使用过大的绳索张力。

本发明设计的变刚度机构一方面采用滑轮绳绕组件106与第二条钢丝绳106U的缠绕配合，另一方面采用蜗轮蜗杆传动组件105、滑轮绳绕组件106和第二条钢丝绳106U三者的运动，实现加载外力矩时两轴之间会产生一定的角度变形，并且其外力矩与角度变形之间并不是线性关系，从而实现变刚度功能。变刚度机构借助输入轴1B1与电机驱动端(即A电机1A的输出轴上连接有AA联轴器1E，AA联轴器1E的另一端上的盲孔中安装有输入轴1B1的一端)连接，实现驱动力的输入；变刚度机构借助输出轴1B2实现变形一个角度输出，进而使A卷轮1V运动，所述A卷轮1V运动的角度通过A角度传感器1G采集。在AA固定盘107和AB固定盘108上安装多个滑轮(7个滑轮)，并通过缠绕在滑轮上的第二条钢丝绳耦合输入和输出的运动。第二条钢丝绳的一端连接到弹簧106V，另一端连接在传动轴105B上，预紧卷轮105E与可自锁的蜗轮蜗杆相连，这样可以通过手动方式调节第二条弹簧的预紧力。

B单边变刚度组件2

参见图1、图1A、图1B、图5、图5A、图5B、图5C所示，B单边变刚度组件2包括有B电机2A、B变刚度机构2B、B卷轮2C、B卷轮轴2H、B角度传感器2G、BA联轴器2E和BB联轴器2F。B卷轮2C选用材料为304不锈钢，使得轴类零件具有较高的强度并能防止时间过长使得零件生锈。B变刚度机构2B中除了滑轮与滑轮轴(材料选择为304不锈钢)，其余选用的材料为6061铝合金，其质量较轻而强度较高，并对其表面进行阳极氧化处理，提高其表面硬度及使用寿命。

在本发明中，B变刚度机构2B与A变刚度机构1B的结构相同。

B变刚度机构2B的输出轴2B2上套接有B圆柱滚子轴承2L。所述B圆柱滚子轴承2L安装在BB支撑架4B的立板上的DB通孔4B1中。

B卷轮2C的中心部位是BA中心通孔2C1，BA中心通孔2C1用于放置B卷轮轴2H；B卷轮2C的圆盘体上设有用于缠绕绳索的B绳索槽2C2。

B卷轮轴2H上设有B圆盘2H1；B圆盘2H1的一端设有BD轴段2H6、BC轴段2H4；所述BC轴段2H4上设有键槽2H5；B圆盘2H1的另一端设有BA轴段2H2、BB轴段2H3、BE轴段2H7。所述BA轴段2H2上套接有B卷轮2C。所述BB轴段2H3上套接有BA滚珠轴承2J，BA滚珠轴承2J安装在BC支撑架4C的立板上的DC通孔4C1中。所述BD轴段2H6上套接有BB滚珠轴承2K，BB滚珠轴承2K安装在BD支撑架4D的立板上的DD通孔4D1中。B卷轮轴2H的BC轴段2H4安装在BB联轴器2F的另一端的盲孔中，并在键槽2H5中放置键实现BB联轴器2F的另一端与B卷轮轴2H的BC轴段2H4的连接。B卷轮轴2H的BE轴段2H7上安装有B角度传感器2G，B角度传感器2G通过B传感器安装座2D固定，且B传感器安装座2D安装在BD支撑架4D的上端。

BA联轴器2E一端的盲孔中安装有B电机2A的输出轴，BA联轴器2E另一端的盲孔中安装有B变刚度机构2B的输入轴2B1。

BB联轴器2F一端的盲孔中安装有B变刚度机构2B的输出轴2B2，BB联轴器2F另一端的盲孔中安装有B卷轮轴2H的BC轴段2H4。

在本发明中，A变刚度机构1B串联在A电机1A和A卷轮1C之间，B变刚度机构2B串联在B电机2A和B卷轮2C之间，并配合对拉盘3A，能够降低绳驱动机械臂所需第一条钢丝绳的绳索张力。

对拉盘组件3

参见图1、图1A、图1B、图3所示，对拉盘组件3包括有对拉盘3A、轴接机构3B、CA滚珠轴承3C和CB滚珠轴承3D。对拉盘3A上安装有扭矩传感器。对拉盘3A和轴接机构3B选用材料为304不锈钢，使得轴类零件具有较高的强度并能防止时间过长使得零件生锈。

对拉盘3A的中部是C中心通孔3A1，对拉盘3A的盘体上设有CA开口槽3A2和CB开口槽3A3。CA开口槽3A2内用于放置绳索。CB开口槽3A3内用于放置绳索。

轴接机构3B上设有C圆盘3B1，C圆盘3B1的下方设有CD轴段3B6，C圆盘3B1的上方设有CA轴段3B2、CB轴段3B3、CB轴段3B4；所述CB轴段3B4上设有键槽3B5。

CD轴段3B6上套接有CB滚珠轴承3D。CB滚珠轴承3D安装在基板4G的DG通孔中，如图1B所示。

CA轴段3B2上套接有对拉盘3A。

CB轴段3B3上套接有CA滚珠轴承3C。CA滚珠轴承3C安装在压板4H的DH通孔4H1中。

在对拉盘组件3中，对拉盘3A固定安装在轴接机构3B的C圆盘3B1上，且轴接机构3B的上端穿过C中心通孔3A1。

支撑组件4

参见图1、图1A、图1B、图2所示，支撑组件4包括有基板4G、压板4H、以及用于支撑A单边变刚度组件1的支撑架(4A－4F)、以及用于支撑B单边变刚度组件2的支撑架(41A－41F)。支撑组件4选用的材料为6061铝合金，其质量较轻而强度较高，并对其表面进行阳极氧化处理，提高其表面硬度及使用寿命。

基板4G，用于实现A单边变刚度组件1、B单边变刚度组件2和对拉盘组件3的空间位置分布。安装在所述基板4G上的支撑架(4A－4F)、支撑架(41A－41F)用于实现A单边变刚度组件1、B单边变刚度组件2和对拉盘组件3在同一高度进行绳索带动，达到平稳运动。

压板4H，压板4H的两端安装在AE支撑架4E与BE支撑架41E上。压板4H上的DH通孔4H1用于对拉盘组件3的轴接机构3B的一端穿过。

AA支撑架4A，AA支撑架4A的底部安装在基板4G上，AA支撑架4A的立板上安装有A电机1A的机壳，AA支撑架4A的立板上的DA通孔4A1用于A电机1A的输出轴穿过。

AB支撑架4B，AB支撑架4B的底部安装在基板4G上，AB支撑架4B的立板上的DB通孔4B1中安装有A圆柱滚子轴承1L。

AC支撑架4C，AC支撑架4C的底部安装在基板4G上，AC支撑架4C的立板上的DC通孔4C1中安装有AA滚珠轴承1J。

AD支撑架4D，AD支撑架4D的底部安装在基板4G上，AD支撑架4D的立板上的DD通孔4D1中安装有AB滚珠轴承1K。

AE支撑架4E，AE支撑架4E的底部安装在基板4G上，AE支撑架4E的顶部与压板4H的一端固定安装。

AF支撑架4F，AF支撑架4F的底部安装在基板4G上，AF支撑架4F的立板上的DF通孔4F1用于绳索穿过。

BA支撑架41A，BA支撑架41A的底部安装在基板4G上，BA支撑架41A的立板上安装有B电机2A的机壳，BA支撑架41A的立板上的DI通孔41A1用于B电机2A的输出轴穿过。

BB支撑架41B，BB支撑架41B的底部安装在基板4G上，BB支撑架41B的立板上的DJ通孔41B1中安装有B圆柱滚子轴承2L。

BC支撑架41C，BC支撑架41C的底部安装在基板4G上，BC支撑架41C的立板上的DK通孔41C中安装有BA滚珠轴承2J。

BD支撑架41D，BD支撑架41D的底部安装在基板4G上，BD支撑架41D的立板上的DL通孔41D1中安装有BB滚珠轴承2K。

BE支撑架41E，BE支撑架41E的底部安装在基板4G上，BE支撑架41E的顶部与压板4H的另一端固定安装。

BF支撑架41F，BF支撑架41F的底部安装在基板4G上，BF支撑架41F的立板上的DN通孔41F1用于绳索穿过。

性能分析

通过理论分析表明，在对拉式变刚度关节中，具有二次扭矩－挠度关系的弹性元件能够实现位置和刚度的解耦控制。为了实现本发明中的对拉式变刚度关节能够位置和刚度独立控制，需要通过优化设计的方式得到变刚度机构中弹簧刚度及预紧力等参数，使其具有二次非线性扭矩－挠度特征。通过优化设计可以得到，在N＝1时，最优解为弹簧刚度k＝4.445N/mm，弹簧预紧力F₀＝15.035N。计算其均方根误差为8.58×10^-3Nm。可以看到，通过对变刚度机构进行参数优化，其扭矩－挠度关系能比较好的拟合二次非线性关系。将该参数下的变刚度机构用在本发明中，可以实现本发明的位置及刚度解耦控制功能。

为了验证对拉式变刚度关节其刚度与位姿可以解耦，设置变刚度机构的参数为弹簧刚度k＝4.42N/mm、N＝1以及弹簧预紧力F₀＝15N。

此时通过设置两个电机转角之和β₁+β₂分别为0.8rad、1rad和1.2rad，通过计算得出关节刚度为15.89Nm/rad、19.12Nm/rad和22.34Nm/rad。通过设置不同的β₁和β₂，来改变β₁-β₂的值可以调整变刚度关节的在外部负载为零时的关节位置，直到调整到方便加载的位置。接着通过加载扭矩对变刚度关节进行加载并记录施加的扭矩和关节挠度，对不同关节刚度的情况下进行了多次实验，实验结果如图6、图7、图8所示。

图6、图7、图8显示了对拉式变刚度关节理论结果与实验测量的扭矩－挠度曲线之间的比较。从图中可以看出，测量数据非常接近线性，即可证明此时变刚度关节的刚度保持稳定。当关节刚度分别为15.89Nm/rad、19.12Nm/rad和22.34Nm/rad时，根据线性拟合曲线的斜率，可获得本发明驱动系统中变刚度关节的刚度，分别14.64Nm/rad、17.54Nm/rad和20.37Nm/rad。这样可以证明所设计的对拉式变刚度关节可以进行刚度及位置的分别控制。

传统的刚性关节在发生碰撞时会对驱动系统和使用者产生损伤，这样很难实现机械臂或外骨骼机器人安全舒适的人机交互功能。为了解决以上技术问题，本发明设计的新型绳驱动对拉式变刚度驱动系统，使得关节具有储能作用，能有效的在碰撞时保护驱动系统和使用者。本发明通过使用具有可调二次扭矩－挠度关系的变刚度机构，实现了变刚度关节的位置和刚度分别控制以及较大的刚度调节范围，因此本发明具有广泛的应用范围。由于本发明使用绳驱动的方式，可以将驱动系统与关节分离，实现机械臂或外骨骼机器人的轻量化和紧凑设计。通过使用本发明，可以有效的解决现有的刚性关节中存在的问题，提高机械臂或外骨骼机器人的人机交互功能。

Claims

1.一种用于机器人关节的变刚度驱动系统，其特征在于：包括有A单边变刚度组件(1)、B单边变刚度组件(2)、对拉盘组件(3)和支撑组件(4)；

A变刚度机构(1B)的输出轴(1B2)上套接有A圆柱滚子轴承(1L)；所述A圆柱滚子轴承(1L)安装在AB支撑架(4B)的立板上的DB通孔(4B1)中；

A卷轮(1C)的中心部位是AA中心通孔(1C1)，AA中心通孔(1C1)用于放置A卷轮轴(1H)；A卷轮(1C)的圆盘体上设有用于缠绕绳索的A绳索槽(1C2)；

A卷轮轴(1H)上设有A圆盘(1H1)；A圆盘(1H1)的一端设有AD轴段1H6、AC轴段(1H4)；所述AC轴段1H4上设有键槽(1H5)；A圆盘(1H1)的另一端设有AA轴段(1H2)、AB轴段(1H3)、AE轴段(1H7)；所述AA轴段(1H2)上套接有A卷轮(1C)；所述AB轴段(1H3)上套接有AA滚珠轴承(1J)，AA滚珠轴承(1J)安装在AC支撑架(4C)的立板上的DC通孔(4C1)中；所述AD轴段(1H6)上套接有AB滚珠轴承(1K)，AB滚珠轴承(1K)安装在AD支撑架(4D)的立板上的DD通孔(4D1)中；A卷轮轴(1H)的AC轴段(1H4)安装在AB联轴器(1F)的另一端的盲孔中，并在键槽(1H5)中放置键实现AB联轴器(1F)的另一端与A卷轮轴(1H)的AC轴段(1H4)的连接；A卷轮轴(1H)的AE轴段(1H7)上安装有A角度传感器(1G)，A角度传感器(1G)通过A传感器安装座(1D)固定，且A传感器安装座(1D)安装在AD支撑架(4D)的上端；

AA联轴器(1E)一端的盲孔中安装有A电机(1A)的输出轴，AA联轴器(1E)另一端的盲孔中安装有A变刚度机构(1B)的输入轴(1B1)；

AB联轴器(1F)一端的盲孔中安装有A变刚度机构(1B)的输出轴(1B2)的轴段端部，输出轴(1B2)的圆盘放置在A法兰盘(109)的沉头腔(109A)中，AB联轴器(1F)另一端的盲孔中安装有A卷轮轴(1H)的AC轴段(1H4)；

A变刚度机构(1B)是蜗轮蜗杆传动组件(105)与滑轮绳绕组件(106)的组合；A变刚度机构(1B)包括有蜗轮蜗杆传动组件(105)、滑轮绳绕组件(106)、AA固定盘(107)、AB固定盘(108)、A法兰盘(109)、A滑轮固定圆盘(110)、壳体(101、102、103、104)；

蜗轮蜗杆传动组件105包括有蜗轮蜗杆105F、预紧卷轮105E、传动轴105B；蜗轮蜗杆105F通过连接件固定在AA固定盘107上；预紧卷轮105E与蜗轮蜗杆105F中的蜗杆啮合；传动轴105B的轴盘固定在A法兰盘109的沉头腔109A中，传动轴105B一端的轴段上套接有AF滚珠轴105D(AF滚珠轴105D安装在AA固定盘107的JI通孔107I中)，且端部与预紧卷轮105E连接；传动轴105B另一端的轴段上套接有AE滚珠轴105C，AE滚珠轴105C安装在传动盖105A的腔中，传动盖105A通过凸耳固定在AB固定盘108上；

滑轮绳绕组件106包括有A滑轮106A、A滑轮轴106B、B滑轮106C、B滑轮轴106D、C滑轮106E、C滑轮轴106F、D滑轮106G、D滑轮轴106H、E滑轮106I、E滑轮轴106J、F滑轮106K、F滑轮轴106L、G滑轮106M、G滑轮轴106N、H滑轮106O、H滑轮轴106P、I滑轮106Q、I滑轮轴106R、J滑轮106S、J滑轮轴106T、第二条钢丝绳106U、弹簧106V；第二条钢丝绳106U的缠绕方式为：第二条钢丝绳106U的一端连接在弹簧106V的一端上，弹簧106V的另一端活动套接在锁钉上，锁钉的一端安装在AA固定盘107的JH通孔107H中，锁钉的另一端安装在AB固定盘108的KH通孔108H中；第二条钢丝绳106U的另一端顺次经过G滑轮106M→F滑轮106K→J滑轮106S→Q滑轮106I→D滑轮106G→I滑轮106Q→G滑轮106E→F滑轮106C→G滑轮106O→F滑轮106A，最后固定在传动轴105B上；

AA固定盘107的中心凸台107L用于固定输入轴1B1的圆盘；中心凸台107L的中心是J中心通孔107J，J中心通孔107J内安装有AD滚珠轴承110A；AD滚珠轴承110A套接在A滑轮固定圆盘110的凸轴110B上；A滑轮固定圆盘110安装在中心凸台107L的腔中，AA固定盘107的AA盘体107K上设有JA通孔107A、JB通孔107B、JC通孔107C、JD通孔107D、JE通孔107E、JF通孔107F、JG通孔107G、JH通孔107H、JI通孔107I；

AB固定盘108的中心是K中心通孔108J，K中心通孔108J用于输出轴1B2穿过；AB固定盘108的AB盘体108K上设有KA通孔108A、KB通孔108B、KC通孔108C、KD通孔108D、KE通孔108E、KF通孔108F、KG通孔108G、KH通孔108H、KI通孔108I；

A滑轮106A套接在A滑轮轴106B上，A滑轮轴106B的一端安装在JA通孔107A上，A滑轮轴106B的另一端安装在KA通孔108A上；

B滑轮106C套接在B滑轮轴106D上，B滑轮轴106D的一端安装在JB通孔107B上，B滑轮轴106D的另一端安装在KB通孔108B上；

C滑轮106E套接在C滑轮轴106F上，C滑轮轴106F的一端安装在JC通孔107C上，C滑轮轴106F的另一端安装在KC通孔108C上；

D滑轮106G套接在D滑轮轴106H上，D滑轮轴106H的一端安装在JD通孔107D上，D滑轮轴106H的另一端安装在KD通孔108D上；

E滑轮106I套接在E滑轮轴106J上，E滑轮轴106J的一端安装在JE通孔107E上，E滑轮轴106J的另一端安装在KE通孔108E上；

F滑轮106K套接在F滑轮轴106L上，F滑轮轴106L的一端安装在JF通孔107F上，F滑轮轴106L的另一端安装在KF通孔108F上；

G滑轮106M套接在G滑轮轴106N上，G滑轮轴106N的一端安装在JG通孔107G上，G滑轮轴106N的另一端安装在KG通孔108G上；

H滑轮106O套接在H滑轮轴106P上，H滑轮轴106P的一端安装在A滑轮固定圆盘110的AD通孔110C上，H滑轮轴106P的另一端安装在输出轴1B2的AA通孔1B2A上；

I滑轮106Q套接在I滑轮轴106R上，I滑轮轴106R的一端安装在A滑轮固定圆盘110的AE通孔110D上，I滑轮轴106R的另一端安装在输出轴1B2的AB通孔1B2B上；

J滑轮106S套接在J滑轮轴106T上，J滑轮轴106T的一端安装在A滑轮固定圆盘110的AF通孔110E上，J滑轮轴106T的另一端安装在输出轴1B2的AC通孔1B2C上；

A法兰盘109通过凸耳109B固定在AB固定盘108上；A法兰盘109的L中心通孔109C中安装有AC滚珠轴承1B21；AC滚珠轴承1B21套接在输出轴1B2的轴段上；A法兰盘109的沉头腔109A中放置有输出轴1B2的圆盘；

AB壳体102固定在AB固定盘108的一端；

AC壳体103固定在AA固定盘107的一端；

AD壳体104固定在AA固定盘107的另一端和AB固定盘108的另一端；

AA壳体101固定在AB壳体102和AC壳体103的外部；

B变刚度机构(2B)与A变刚度机构(1B)的结构相同；

B变刚度机构(2B)的输出轴(2B2)上套接有B圆柱滚子轴承(2L)；所述B圆柱滚子轴承(2L)安装在BB支撑架(4B)的立板上的DB通孔(4B1)中；

B卷轮2C的中心部位是BA中心通孔2C1，BA中心通孔2C1用于放置B卷轮轴2H；B卷轮2C的圆盘体上设有用于缠绕绳索的B绳索槽2C2；

B卷轮轴2H上设有B圆盘2H1；B圆盘2H1的一端设有BD轴段2H6、BC轴段2H4；所述BC轴段2H4上设有键槽2H5；B圆盘2H1的另一端设有BA轴段2H2、BB轴段2H3、BE轴段2H7；所述BA轴段2H2上套接有B卷轮2C；所述BB轴段2H3上套接有BA滚珠轴承2J，BA滚珠轴承2J安装在BC支撑架4C的立板上的DC通孔4C1中；所述BD轴段2H6上套接有BB滚珠轴承2K，BB滚珠轴承2K安装在BD支撑架4D的立板上的DD通孔4D1中；B卷轮轴2H的BC轴段2H4安装在BB联轴器2F的另一端的盲孔中，并在键槽2H5中放置键实现BB联轴器2F的另一端与B卷轮轴2H的BC轴段2H4的连接；B卷轮轴2H的BE轴段2H7上安装有B角度传感器2G，B角度传感器2G通过B传感器安装座2D固定，且B传感器安装座2D安装在BD支撑架4D的上端；

BA联轴器2E一端的盲孔中安装有B电机2A的输出轴，BA联轴器2E另一端的盲孔中安装有B变刚度机构2B的输入轴2B1；

BB联轴器2F一端的盲孔中安装有B变刚度机构2B的输出轴2B2，BB联轴器2F另一端的盲孔中安装有B卷轮轴2H的BC轴段2H4；

对拉盘组件3包括有对拉盘3A、轴接机构3B、CA滚珠轴承3C和CB滚珠轴承3D；

对拉盘3A的中部是C中心通孔3A1，对拉盘3A的盘体上设有CA开口槽3A2和CB开口槽3A3；CA开口槽3A2内用于放置绳索；CB开口槽3A3内用于放置绳索；

轴接机构3B上设有C圆盘3B1，C圆盘3B1的下方设有CD轴段3B6，C圆盘3B1的上方设有CA轴段3B2、CB轴段3B3、CB轴段3B4；所述CB轴段3B4上设有键槽3B5；

CD轴段3B6上套接有CB滚珠轴承3D；CB滚珠轴承3D安装在基板4G的DG通孔中；

CA轴段3B2上套接有对拉盘3A；

CB轴段3B3上套接有CA滚珠轴承3C；CA滚珠轴承3C安装在压板4H的DH通孔4H1中；

在对拉盘组件(3)中，对拉盘(3A)固定安装在轴接机构(3B)的C圆盘(3B1)上，且轴接机构(3B)的上端穿过C中心通孔(3A1)；

支撑组件(4)包括有基板(4G)、压板(4H)、以及用于支撑A单边变刚度组件(1)的支撑架(4A－4F)、以及用于支撑B单边变刚度组件(2)的支撑架(41A－41F)；

基板(4G)，用于实现A单边变刚度组件(1)、B单边变刚度组件(2)和对拉盘组件(3)的空间位置分布；安装在所述基板(4G)上的支撑架(4A－4F)、支撑架(41A－41F)用于实现A单边变刚度组件(1)、B单边变刚度组件(2)和对拉盘组件(3)在同一高度进行绳索带动，达到平稳运动；

压板(4H)，压板(4H)的两端安装在AE支撑架(4E)与BE支撑架(41E)上；压板(4H)上的DH通孔(4H1)用于对拉盘组件(3)的轴接机构(3B)的一端穿过；

AA支撑架(4A)，AA支撑架(4A)的底部安装在基板(4G)上，AA支撑架(4A)的立板上安装有A电机(1A)的机壳，AA支撑架(4A)的立板上的DA通孔(4A1)用于A电机(1A)的输出轴穿过；

AB支撑架(4B)，AB支撑架(4B)的底部安装在基板(4G)上，AB支撑架(4B)的立板上的DB通孔(4B1)中安装有A圆柱滚子轴承(1L)；

AC支撑架(4C)，AC支撑架(4C)的底部安装在基板(4G)上，AC支撑架(4C)的立板上的DC通孔(4C1)中安装有AA滚珠轴承(1J)；

AD支撑架(4D)，AD支撑架(4D)的底部安装在基板(4G)上，AD支撑架(4D)的立板上的DD通孔(4D1)中安装有AB滚珠轴承(1K)；

AE支撑架(4E)，AE支撑架(4E)的底部安装在基板(4G)上，AE支撑架(4E)的顶部与压板(4H)的一端固定安装；

AF支撑架(4F)，AF支撑架(4F)的底部安装在基板(4G)上，AF支撑架(4F)的立板上的DF通孔(4F1)用于第一钢丝绳索穿过；

BA支撑架(41A)，BA支撑架(41A)的底部安装在基板(4G)上，BA支撑架(41A)的立板上安装有B电机(2A)的机壳，BA支撑架(41A)的立板上的DI通孔(41A1)用于B电机(2A)的输出轴穿过；

BB支撑架(41B)，BB支撑架(41B)的底部安装在基板(4G)上，BB支撑架(41B)的立板上的DJ通孔(41B1)中安装有B圆柱滚子轴承(2L)；

BC支撑架(41C)，BC支撑架(41C)的底部安装在基板(4G)上，BC支撑架(41C)的立板上的DK通孔(41C)中安装有BA滚珠轴承(2J)；

BD支撑架(41D)，BD支撑架(41D)的底部安装在基板(4G)上，BD支撑架(41D)的立板上的DL通孔(41D1)中安装有BB滚珠轴承(2K)；

BE支撑架(41E)，BE支撑架(41E)的底部安装在基板(4G)上，BE支撑架(41E)的顶部与压板(4H)的另一端固定安装；

BF支撑架(41F)，BF支撑架(41F)的底部安装在基板(4G)上，BF支撑架(41F)的立板上的DN通孔(41F1)用于第一钢丝绳索穿过。

2.根据权利要求1所述的用于机器人关节的变刚度驱动系统，其特征在于：A变刚度机构(1B)串联在A电机(1A)和A卷轮(1C)之间，B变刚度机构(2B)串联在B电机(2A)和B卷轮(2C)之间，并配合对拉盘(3A)，能够降低绳驱动机械臂所需第一条钢丝绳的绳索张力。

3.根据权利要求1所述的用于机器人关节的变刚度驱动系统，其特征在于：A卷轮(1C)、B卷轮(2C)、对拉盘(3A)、滑轮与滑轮轴为304不锈钢。

4.根据权利要求1所述的用于机器人关节的变刚度驱动系统，其特征在于：A电机(1A)和B电机(2A)为交流电机。

5.根据权利要求1所述的用于机器人关节的变刚度驱动系统，其特征在于：对拉盘(3A)上安装有扭矩传感器。