CN114922935A - 一种刚柔耦合位力复合执行机构及恒力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种刚柔耦合位力复合执行机构及恒力控制方法，属于机械精密制造技术领域，所述执行机构包括：机架，设置在机架上的刚柔耦合导向缓冲组合体和驱动组合体；刚柔耦合导向缓冲组合体包括：直线导向机构、弹簧片和输出轴；输出轴与驱动组合体柔性连接或刚性连接。本发明采用导轨导向刚柔耦合结构，在调整阶段用导轨导向，实现大范围位移调整；在力控制阶段靠柔性铰链导向，消除摩擦力对力反馈与传递的影响。为实现恒力控制，采用伺服电机驱动滚珠丝杠调节缓冲弹簧实现力控制，伺服驱动反应灵敏，缓冲弹簧能够降低位移偏差带来的力波动。为实现重力补偿，采用重力角度传感单元获得重力角度，从而实现在控制系统中进行重力补偿的效果。

Description

一种刚柔耦合位力复合执行机构及恒力控制方法

技术领域

本发明属于机械精密制造技术领域，更具体地，涉及一种刚柔耦合位力复合执行机构及恒力控制方法。

背景技术

恒力控制广泛用于锡膏丝网印刷，机器人力控制、抛光等领域。需要一定的行程来适应工件的变化，并通过位移或压力控制方式，实现恒力控制。另外，还需要用位姿传感器进行重力方向的计算和补偿。位移导向、力的感知、传递以及重力补偿是恒力控制的关键。现有恒力控制主要采用导轨导向，控制方式主要有力直接控制或位移间接控制方式，重力补偿主要采用姿态传感器计算重力方向并补偿。

在位移导向方面，由于存在导轨摩擦，导致位置控制不准确和力传递不准，精准控制困难。目前，主要采用叉滚柱导轨/交叉滚柱花键来降低摩擦，或者采用气浮平台消除摩擦影响。

在力控制方面，主要采用位移控制或者压力控制模式。其中，位移控制的执行器主要是滚柱丝杠或者音圈电机，优点是响应快，缺点是位移过冲会产生较大的力波动。压力控制主要是采用执行气缸作为驱动器。优点是具有缓冲功能，力波动较小，适合于作用于位移波动比较小的光滑曲面上的力控制。缺点是压力变化响应较慢。

此外，不管采用哪一种驱动形式，运动副(直线导轨、花键套，滑套等)的摩擦都是制约力控制精度的重要影响因素。对于机器人力控制，机械手的不同位姿所导致的重力影响程度不同，还需要通过传感器和控制器的复杂计算，消除重力影响。现有高精度力控制方案严重依赖于硬件成本，造成高精度力控制单元价格昂贵。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种刚柔耦合位力复合执行机构及恒力控制方法，其目的在于，实现更优的恒定机械力控制。具体的，在位移导向方面，导轨产生大位移，通过弹性变形导向，克服摩擦影响；在力控制方面，降低位移变化带来的力波动；同时还具备重力补偿的效果。

为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种刚柔耦合位力复合执行机构(简称“恒力执行机构”)，包括：机架，设置在所述机架上的刚柔耦合导向缓冲组合体和驱动组合体；所述刚柔耦合导向缓冲组合体包括：第一直线导向机构、第一弹簧片单元和输出轴；所述第一直线导向机构设置在所述机架上，所述第一直线导向机构与所述输出轴之间通过所述第一弹簧片单元实现柔性连接；所述输出轴还与所述驱动组合体柔性连接或刚性连接；在执行力控制工作时，所述驱动组合体向所述刚柔耦合导向缓冲组合体施加外部作用力，进而使得所述刚柔耦合导向缓冲组合体产生作用于待力控制工件上的控制输出力；其中，所述输出轴在外部力的作用下使所述第一弹簧片单元产生连续弹性变形；当所述第一弹簧片单元的弹性变形力足以克服所述第一直线导向机构与所述机架的最大静摩擦力影响时，所述刚柔耦合导向缓冲组合体沿所述机架实现大范围运动。

可选的，所述第一弹簧片单元上设置有第一应变传感单元，用于在所述第一弹簧片单元产生连续弹性变形时，测量所述第一弹簧片单元的应变值，以获得由所述第一弹簧片单元的弹性变形施加于所述输出轴在运动方向上的作用力。

可选的，所述驱动组合体包括：第二直线导向机构、第一连接体和驱动模组；所述第二直线导向机构设置在所述机架上，所述第二直线导向机构与所述驱动模组之间通过所述第一连接体连接；其中，所述第一连接体为刚性连接体或柔性连接体。

可选的，当所述第一连接体为柔性连接体时，所述第一连接体具体为第二弹簧片单元；其中，在执行力控制工作时，所述驱动模组在驱动力的作用下使所述第二弹簧片单元产生连续弹性变形，当所述第二弹簧片单元的弹性变形力足以克服所述第二直线导向机构与所述机架的最大静摩擦力影响时，所述驱动组合体沿所述机架实现大范围运动，进而驱动所述刚柔耦合导向缓冲组合体。

可选的，所述驱动模组包括：驱动单元和驱动块；

所述驱动单元包括：旋转电机、第一电机支架、驱动结构；所述第一电机支架固定在所述机架上，所述旋转电机固定在所述第一电机支架上，所述驱动结构与所述旋转电机连接；所述旋转电机工作时带动所述驱动结构运动进而带动所述驱动块直线运动。

可选的，所述驱动结构包括：第一丝杆和第一丝杆螺母；

所述旋转电机工作时带动所述第一丝杠旋转，将所述第一丝杠的旋转运动转换为所述第一丝杠螺母的直线运动，以使所述第一丝杆螺母带动所述驱动块直线运动。

可选的，所述驱动结构包括：第二丝杆和第二丝杆螺母；

所述旋转电机工作时带动所述第二丝杠螺母旋转，将所述第二丝杠螺母的旋转运动转换为所述第二丝杠的直线运动，以使所述第二丝杆带动所述驱动块直线运动。

可选的，所述第一直线导向机构与所述机架之间的直线运动幅中采用滚珠接触连接形式。

可选的，所述第一直线导向机构与所述机架之间采用导向限位槽形式的直线运动幅。

可选的，所述第一直线导向机构与所述机架之间采用导轨与滑块配体组合的直线运动幅。

可选的，所述第一直线导向机构与所述机架之间采用导向柱与滑套配体组合的直线运动幅。

可选的，所述驱动组合体包括直驱形式的第二直线驱动器；所述第二直线驱动器包括非接触形式的运动执行部分与固定部分，所述运动执行部分与所述输出轴连接，所述固定部分与所述机架刚性连接。

可选的，当所述刚柔耦合导向缓冲组合体与所述驱动组合体为柔性连接时，所述执行机构还包括：弹性连接体，用于连接所述刚柔耦合导向缓冲组合体与所述驱动组合体。

可选的，所述弹性连接体上设置有第二应变传感单元，用于在所述弹性连接体产生连续弹性变形时获取所述弹性连接体的弹性输出力。

可选的，所述刚柔耦合位力复合执行机构还包括重力角度传感单元；所述重力角度传感单元包括：传感器本体、第三弹簧片单元、第三应变传感单元和质量块；

所述传感器本体与所述执行机构上的待测对象刚性连接，所述质量块通过所述第三弹簧片单元与所述传感器本体相连接；

所述第三弹簧片单元相对于所述质量块对称布置，使得所述质量块在所述第三弹簧片单元的约束下进行单一方向的运动；

所述第三应变传感单元设置在所述第三弹簧片单元上，用于在所述第三弹簧片单元发生弹性变形时，测量所述第三弹簧片单元的应变值，以获得由所述第三弹簧片单元的弹性变形施加于所述质量块在其运动方向上的作用力，所述作用力为所述质量块自身重力在其运动方向上的重力分量；根据获得的所述重力分量与所述质量块自身重力的比值，获得所述质量块的运动方向与重力方向之间的夹角。

可选的，所述待测对象具体为所述输出轴；其中，通过所述重力角度传感单元获取所述输出轴的运动受力方向与重力方向之间的重力角度值，基于所述重力角度值获得所述输出轴自身重力在其运动受力方向上的分量，补偿重力对所述输出轴的输出力影响。

另一方面，本发明还提供了一种刚柔耦合位力复合执行机构的恒力控制方法，包括如下步骤：

当力控制任务启动时，控制驱动组合体运动，进而向刚柔耦合导向缓冲组合体施加外部作用力，以使所述刚柔耦合导向缓冲组合体中输出轴在外部力的作用下使第一弹簧片单元产生连续弹性变形，同时所述输出轴相对于待力控制工件发生位移；当所述第一弹簧片单元的弹性变形力足以克服所述第一直线导向机构与所述机架的最大静摩擦力影响时，所述刚柔耦合导向缓冲组合体沿所述机架大范围运动，实现对所述待力控制工件的大范围恒力控制。

可选的，当力控制任务启动时，控制驱动组合体运动，具体为：

当力控制任务启动时，控制驱动组合体中的驱动模组运动，以使第二弹簧片单元产生连续弹性变形，同时向刚柔耦合导向缓冲组合体施加外部作用力；其中，当所述第二弹簧片单元的弹性变形力足以克服第二直线导向机构与机架的最大静摩擦力影响时，所述驱动组合体沿所述机架实现大范围运动。

可选的，所述驱动组合体和所述刚柔耦合导向缓冲组合体之间通过弹性连接体连接；所述驱动组合体向刚柔耦合导向缓冲组合体施加外部作用力，具体为，所述驱动组合体运动，使得所述弹性连接体发生变形，进而使与所述弹性连接体相连接的刚柔耦合导向缓冲组合体获取到外部作用力。

可选的，所述第一弹簧片单元上设置有第一应变传感单元，用于在所述第一弹簧片单元产生连续弹性变形时，测量所述第一弹簧片单元的应变值，以获得由所述第一弹簧片单元的弹性变形施加于所述输出轴在运动方向上的作用力；所述弹性连接体上设置有第二应变传感单元，用于在所述弹性连接体产生连续弹性变形时获取所述弹性连接体的弹性输出力。

可选的，所述恒力控制方法还包括：通过重力角度传感单元获取所述输出轴的运动受力方向与重力方向之间的重力角度值，基于所述重力角度值获得所述输出轴自身重力在其运动受力方向上的分量，补偿重力对所述输出轴的输出力影响。

总体而言，通过本发明所构思的上述技术方案，能够取得以下的有益效果：

(1)本发明恒力执行机构在刚柔耦合导向缓冲组合体中设置第一弹簧片单元，用于连接第一直线导向机构与输出轴，在执行力控制工作时，所述输出轴在外部力的作用下使所述第一弹簧片单元产生连续弹性变形；当所述第一弹簧片单元的弹性变形力足以克服所述第一直线导向机构与所述机架的最大静摩擦力影响时，所述刚柔耦合导向缓冲组合体沿所述机架实现大范围运动。也就是说，通过在恒力控制端的导轨上安装柔性铰链机构，解决行程和摩擦问题。在运动阶段，导轨产生大位移；在力控制阶段，弹性变形导向，无摩擦影响。

(2)本发明恒力执行机构在驱动组合体中设置第二弹簧片单元，用于连接第二直线导向机构和驱动模组，在执行力控制工作时，所述驱动模组在驱动力的作用下使所述第二弹簧片单元产生连续弹性变形，当所述第二弹簧片单元的弹性变形力足以克服所述第二直线导向机构与所述机架的最大静摩擦力影响时，所述驱动组合体沿所述机架实现大范围运动。也就是说，通过在驱动端的导轨上安装柔性铰链机构，进一步解决行程和摩擦问题。在运动阶段，导轨产生大位移；在恒力控制阶段，弹性变形导向，无摩擦影响。

(3)本发明恒力执行机构在刚柔耦合导向缓冲组合体和驱动组合体之间设置弹性连接体(如弹簧)以实现柔性连接，采用伺服电机驱动滚珠丝杠调节缓冲弹簧实现力控制，伺服驱动反应灵敏，缓冲弹簧能够降低位移变化带来的力波动。

(4)本发明恒力执行机构在连接第一直线导向机构和输出轴的第一弹簧片单元上设置第一应变传感单元，在连接驱动组合体和刚柔耦合导向缓冲组合体的弹性连接体上设置第二应变传感单元，利用上述应变传感单元获得的应变值来计算执行机构的受力情况。同时，在执行机构中还设置了重力角度传感单元来获取执行机构的受力运动方向与重力方向之间的夹角，利用上述重力角度信息，可以进一步获得所述输出轴自身重力在其运动受力方向上的分量，实现重力补偿。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其它的附图。

图1为本申请实施例提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的第一应变传感单元安装方式的整体与局部放大示意图；

图3为本申请实施例提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的重力角度传感单元的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的重力角度传感单元的工作过程示意图；

图5为本申请实施例提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构在实施原理A情形下的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构在实施原理A情形下的工作过程示意图；

图7为本申请实施例提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构在实施原理B情形下的结构示意图；

图8为本申请实施例提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构在实施原理B情形下的工作过程示意图；

图9为本申请实施例提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构在实施原理C情形下的结构示意图；

图10为本申请实施例提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构在实施原理C情形下的工作过程示意图；

图11为本申请实施例提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构在实施原理D情形下的结构示意图；

图12为本申请实施例提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构在实施原理D情形下的工作过程示意图；

图13为本申请实施例一提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的整体外部示意图；

图14为本申请实施例一提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的各模块爆炸示意图；

图15为本申请实施例一提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的第一导向单元的部件爆炸示意图；

图16为本申请实施例一提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的第二导向单元的部件爆炸示意图；

图17为本申请实施例一提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的驱动单元的单独装配体示意图；

图18为本申请实施例一提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的轴测立体局部剖视图；

图19为本申请实施例一提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的前剖视图；

图20为本申请实施例一提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的横向立体局部剖视图；

图21为本申请实施例一提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的横向全剖视图；

图22为本申请实施例二提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的轴测立体局部剖视图；

图23为本申请实施例二提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的前剖视图；

图24为本申请实施例三提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的轴测立体局部剖视图；

图25为本申请实施例三提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的前剖视图；

图26为本申请实施例四提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的第一导向单元的部件爆炸示意图；

图27为本申请实施例四提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的第二导向单元的部件爆炸示意图；

图28为本申请实施例四提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的横向立体局部剖视图；

图29为本申请实施例四提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的横向全剖视图；

图30为本申请实施例五提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的第一导向单元的部件爆炸示意图；

图31为本申请实施例五提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的第二导向单元的部件爆炸示意图；

图32为本申请实施例五提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的横向立体局部剖视图；

图33为本申请实施例五提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的横向全剖视图；

图34为本申请实施例六提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的横向立体局部剖视图；

图35为本申请实施例六提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的横向全剖视图；

图36为本申请实施例六提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的轴测立体局部剖视图；

图37为本申请实施例六提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的前剖视图；

图38为本申请实施例实施例七提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的轴测立体局部剖视图；

图39为本申请实施例实施例七提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的前剖视图；

图40为本申请实施例八提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的轴测立体局部剖视图；

图41为本申请实施例八提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的前剖视图；

图42为本申请实施例九提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的轴测立体局部剖视图；

图43为本申请实施例九提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的前剖视图；

图44为本申请实施例十提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的轴测立体局部剖视图；

图45为本申请实施例十提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的前剖视图；

图46为本申请实施例十一提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的轴测立体局部剖视图；

图47为本申请实施例十一提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的前剖视图；

图48为本申请实施例十二提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的轴测立体局部剖视图；

图49为本申请实施例十二提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的前剖视图；

图50为本申请实施例十三提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的各模块爆炸示意图；

图51为本申请实施例十三提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的轴测示意图；

图52为本申请实施例十三提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的立体局部剖视图；

图53为本申请实施例十四提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的轴测示意图；

图54为本申请实施例十四提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的立体局部剖视图；

图55为本申请实施例十五提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的轴测示意图；

图56为本申请实施例十五提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的轴测局部剖视图；

图57为本申请实施例十五提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构的全剖视图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，并获得其它的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

下面以具体实施例详细介绍本发明的技术方案。

请参考图1，本申请实施例提供了一种刚柔耦合位力复合执行机构(以下简称“恒力执行机构”)，包括：机架100，设置在机架100上的刚柔耦合导向缓冲组合体200和驱动组合体300；刚柔耦合导向缓冲组合体200包括：第一直线导向机构201、第一弹簧片单元202和输出轴203；第一直线导向机构201设置在机架100上，第一直线导向机构201与输出轴203之间通过第一弹簧片单元202实现柔性连接。

在执行力控制工作时，驱动组合体300向刚柔耦合导向缓冲组合体200施加外部作用力，进而使得刚柔耦合导向缓冲组合体200产生作用于待力控制工件上的控制输出力；其中，输出轴203在外部力的作用下使第一弹簧片单元202产生连续弹性变形；当第一弹簧片单元202的弹性变形力足以克服第一直线导向机构201与机架100的最大静摩擦力影响时，刚柔耦合导向缓冲组合体200沿机架100实现大范围运动。

进一步，仍请参考图1，第一弹簧片单元202上设置有第一应变传感单元400，用于在第一弹簧片单元202产生连续弹性变形时，测量第一弹簧片单元202的应变值，以获得由第一弹簧片单元202的弹性变形施加于输出轴203在运动方向上的作用力。

进一步，请参考图2，第一弹簧片单元202上设置的第一应变传感单元400还可以采用在第一弹簧片单元202的弹性变形面两侧对称的安装形式。当第一弹簧片单元202发生弹性变形时，位于第一弹簧片单元202的变形面第一侧2021和与其相对的第二侧2022的第一应变传感单元400分别产生相反的应变变化，位于第一弹簧片单元202的变形面第一侧2021和第二侧2022的成对第一应变传感单元400可以共同组成差分应变测量传感器，以减少由温度、零漂等因素导致的应变测量误差。

请参考图3-图4，为了实现重力补偿，本申请实施例提供的一种刚柔耦合位力复合执行机构中设置有重力角度传感单元500，采用的重力角度传感单元500可以为如下形式：

重力角度传感单元500包括：传感器本体501、第三弹簧片单元502、第三应变传感单元503、质量块504。传感器本体501与所述执行机构上的待测对象刚性连接，质量块504通过第三弹簧片单元502与传感器本体501相连接。第三弹簧片单元502相对于质量块504对称布置，使得质量块504在第三弹簧片单元502的约束下只能进行单一方向的运动。第三应变传感单元503设置在第三弹簧片单元502上。如图4所示，当第三弹簧片单元502发生弹性变形时，测量第三弹簧片单元502的应变值，以获得由第三弹簧片单元502的弹性变形施加于质量块504在其运动方向上的作用力，所述作用力为质量块504自身重力在其运动方向上的重力分量。根据获得的所述重力分量与质量块504自身重力之间的比值，可以获得质量块504的运动方向与重力方向之间的夹角α。

在具体实施过程中，所述待测对象可以为所述恒力执行机构中的任一部件。结合图1、图3和图4，当所述待测对象为输出轴203时，重力角度传感单元500的传感器本体501与输出轴203刚性连接，重力角度传感单元500用以获取输出轴203的运动受力方向与重力方向之间的角度。利用上述重力角度值，可以进一步获得输出轴203自身重力在其运动受力方向上的分量，补偿重力对输出轴203的输出力影响。

进一步的，如图4所示，重力角度传感单元500中的第三应变传感单元503可以采用如图2所示的第一应变传感单元400的差分安装形式，以减少由温度、零漂等因素导致的应变测量误差，提高测量精度。

进一步的，当重力角度传感单元500中的第三应变传感单元503采用如图4所示的差分安装形式时，可以采用如下测量方法：

①当重力角度传感单元500处于竖直位置时，即图4中角度α值为90°或270°时，位于第三弹簧片单元502的第一侧5021和与其相对的第二侧5022的第三应变传感单元503应变值的差分值为0；

②当重力角度传感单元500处于水平位置时，即图4中角度α值为0°或180°时，位于第三弹簧片单元502的第一侧5021和第二侧5022的第三应变传感单元503应变值的差分值达到极大值(或极小值)。上述极大值与极小值的绝对值相同，取其绝对值为基准参考值，可以将上述极大值与极小值归一化为1或-1；

③当重力角度传感单元500处于非水平或竖直位置时，第三弹簧片单元502的第一侧5021和第二侧5022的第三应变传感单元503应变值的差分值通过过程②确定的基准参考值进行归一化的数值范围介于-1到1。通过上述归一化的应变差分值可以方便地得到此时重力角度传感单元500相对重力方向的角度值。

在具体实施过程中，请参考图5-图8，驱动组合体300包括：第二直线导向机构301、第一连接体和驱动模组；第二直线导向机构301设置在机架100上，第二直线导向机构301与所述驱动模组之间通过所述第一连接体连接；所述驱动模组进一步包括：第一直线驱动器3031和驱动块3032；所述第一连接体具体用于连接第二直线导向机构301和驱动块3032。其中，所述第一连接体为刚性连接体或柔性连接体。

具体的，请参考图5，当所述第一连接体为柔性连接体时，所述第一连接体具体为第二弹簧片单元302_1；其中，在执行力控制工作时，所述驱动模组中的第一直线驱动器3031带动驱动块3032，进而使得与驱动块3032连接的第二弹簧片单元302_1产生连续弹性变形，当第二弹簧片单元302_1的弹性变形力足以克服第二直线导向机构301与机架100的最大静摩擦力影响时，驱动组合体300沿机架100实现大范围运动，进而驱动刚柔耦合导向缓冲组合体200。图6为图5所示恒力执行机构的工作原理示意图。

接着，请参考图7，为本申请实施例提供的所述第一连接体为刚性连接体302_2时的执行机构结构示意图，图8为对应的工作原理示意图。

在另一具体实施过程中，请参考图9-图12，驱动组合体300包括直驱形式的第二直线驱动器304；第二直线驱动器304进一步包括非接触形式的运动执行部分与固定部分，所述运动执行部分与输出轴203连接，所述固定部分与机架100刚性连接。

在具体实施过程中，刚柔耦合导向缓冲组合体200与驱动组合体300柔性连接或刚性连接。如图5至图10所示，刚柔耦合导向缓冲组合体200与驱动组合体300通过弹性连接体600实现柔性连接；其中，弹性连接体600具体可为弹簧。进一步，弹性连接体600上设置第二应变传感单元，用于在弹性连接体600产生连续弹性变形时获取弹性连接体600的弹性输出力。再请参考图11和图12，示意了在驱动组合体300为直驱形式的第二直线驱动器304时，刚柔耦合导向缓冲组合体200与驱动组合体300刚性连接的情况。

下面结合图5至图12所示的恒力执行机构结构示例，对不同构造的执行机构的实施原理进行详细描述：

实施原理A：

如图5所示，本发明实施例提出的一种恒力执行机构的主要部件包括有：机架100、第一直线导向机构201、第二直线导向机构301、输出轴203、驱动块3032、第一弹簧片单元202、第二弹簧片单元302_1、弹性连接体600、第一直线驱动器3031、第一应变传感单元400。

其中，第一直线导向机构201与输出轴203之间通过第一弹簧片单元202实现柔性连接，第一直线导向机构201、第一弹簧片单元202与输出轴203共同组成了刚柔耦合导向缓冲组合体200。第二直线导向机构301与驱动块3032之间通过第二弹簧片单元302_1实现柔性连接，第二直线导向机构301、第二弹簧片单元302_1、驱动块3032与第一直线驱动器3031共同组成了驱动组合体300。刚柔耦合导向缓冲组合体200内的输出轴203与驱动组合体300内的驱动块3032通过弹性连接体600相连接，刚柔耦合导向缓冲组合体200内的输出轴203与工作执行器相连接，驱动组合体300中的驱动块3032与第一直线驱动器3031的运动输出端相连接，第一直线驱动器3031刚性固定在机架100上。

结合图3、图4和图5，刚柔耦合导向缓冲组合体200中设置有重力角度传感单元500，用于测量刚柔耦合导向缓冲组合体200的运动方向与重力方向之间的角度。

第一直线导向机构201、第二直线导向机构301与机架100之间通移动幅进行连接，使得包含第一直线导向机构201的刚柔耦合导向缓冲组合体200与包含第二直线导向机构301的驱动组合体300可以沿机架100直线运动。

如图5所示，第一弹簧片单元202上设置有测量其应变值的第一应变传感单元400；弹性连接体600上设置有用以测量其应变值的第二应变传感单元。

优先的，第一弹簧片单元202上的第一应变传感单元400相对于输出轴203对称布置。

图5所示的恒力执行机构的主要工作过程与原理如下：

①设置在输出轴203上的工作执行器与待力控制工件相接触，启动力控制任务，第一直线驱动器3031带动驱动组合体300运动，使得刚柔耦合导向缓冲组合体200与驱动组合体300之间的弹性连接体600发生变形，进而使与弹性连接体600相连接的刚柔耦合导向缓冲组合体200产生作用于待力控制工件上的控制输出力；利用第一直线驱动器3031来调节驱动组合体300的运动，进而调节作用于待力控制工件上的控制输出力。

②由于第二直线导向机构301与机架100之间的运动幅摩擦力影响，当本发明提出的恒力执行机构处于小行程的恒定力控制阶段，第二直线导向机构301与机架100存在摩擦死区，驱动组合体300内的驱动块3032在第一直线驱动器3031的作用下使第二弹簧片单元302_1产生如图6所示的连续弹性变形，从而使得驱动块3032不受第二直线导向机构301与机架100之间的摩擦死区影响，可以连续运动；当上述第二弹簧片单元302_1的弹性变形力足以克服第二直线导向机构301与机架100的最大静摩擦力影响时，包含第二直线导向机构301的驱动组合体300可以沿机架100实现大范围运动。利用上述工作原理，驱动组合体300在运动全历程均可实现连续的大范围伺服运动。

③与过程②类似，在小行程运动时，刚柔耦合导向缓冲组合体200内的第一直线导向机构201与机架100存在摩擦死区影响，刚柔耦合导向缓冲组合体200内的输出轴203在外部力的作用下使第一弹簧片单元202产生如图6所示的连续弹性变形，从而使得输出轴203的运动不受第一直线导向机构201与机架100之间的摩擦死区影响；当上述第一弹簧片单元202的弹性变形力足以克服第一直线导向机构201与机架100的最大静摩擦力影响时，包含第一直线导向机构201的刚柔耦合导向缓冲组合体200可以沿机架100实现大范围运动。利用上述工作原理，刚柔耦合导向缓冲组合体200可以实现大范围连续运动。

④在过程③中，利用第一应变传感单元400可以获得第一弹簧片单元202的应变值，进而获得第一弹簧片单元202在运动过程的弹性变形作用力信息；利用弹性连接体600上设置的第二应变传感单元可以获得弹性连接体600的应变值，并进而获得弹性连接体600在运动过程的弹性变形作用力信息。基于利用上述第一弹簧片单元202与弹性连接体600上设置的应变传感单元所获得的弹性作用力信息，可以方便地构建出如图5所示的执行机构的动力学控制模型。特别地，通过在刚柔耦合导向缓冲组合体200上设置重力角度传感单元500可以获得本发明提出的恒力控制装置的相对重力方向的倾斜角度，并在控制系统中补偿重力影响。

实施原理B：

在实施原理A的基础上，也可以将驱动组合体300中的驱动块3032与第二直线导向机构301之间的第二弹簧片单元302_1替换为如图7所示的刚性连接块302_2，使得驱动组合体300的工作运动为图8所示的刚性运动形式。

实施原理B相当于实施原理A的简化版本，适合不必考虑驱动组合体300中第二直线导向机构301与机架100之间的摩擦影响的应用场景。

实施原理C：

实施原理A与实施原理B中使用的第一直线驱动器3031可以为如音圈电机等直驱电机形式或“旋转电机+丝杠”的间接驱动形式。如果将第一直线驱动器3031的类型限定为如音圈电机等直驱电机，则可以将实施原理B进一步简化为如图9所示的形式。如图9所示，驱动组合体300仅包括直驱形式的第二直线驱动器304，其输出力可以直接作用于弹性连接体600。由于直驱形式的第二直线驱动器304的运动执行部分(动子)与固定部分(定子)为非接触形式，在本实施原理中的第二直线驱动器304的动子与弹性连接体600刚性连接，定子与机架100刚性连接。本实施原理的工作过程如图10所示。

实施原理D：

由于直驱形式的第二直线驱动器304的输出力可以通过如电流、电压等电学参数直接获取，实施原理C可以进一步简化为图11所示形式。如图11所示，实施原理A、B、C中的弹性连接体600的作用力改由直驱形式的第二直线驱动器304通过所述电学参数直接获取；即采用本实施原理，第二直线驱动器304直接作用于输出轴203，二者之间属于刚性连接。本实施原理的工作过程如图12所示。

实施例一

本实施例基于上述实施原理A，请参考图13和图14，本发明实施例提出的一种恒力执行机构，主要部件包括：机体单元1、第一导向单元2、弹簧3、第二导向单元4、驱动单元5、应变传感器6等。机体单元1包含有机体本体11。

其中，如图15所示，第一导向单元2主要包括有：第一侧夹紧体21、第一中心夹紧体221、第二中心夹紧体222、第三中心夹紧体223、第一柔性弹簧片23、第一导向体24。

如图16所示，第二导向单元4主要包括有：第二侧夹紧体41、第四中心夹紧体421、第五中心夹紧体422、第六中心夹紧体423、第二柔性弹簧片43、第二导向体44。

如图17所示，驱动单元5主要包括有：旋转电机51、第一电机支架52、第一丝杠53、第一丝杠螺母54。

如图15所示，第一柔性弹簧片23内包含有四片中心辐射状均匀布置的弹簧片结构。其中，上述四片辐射状均布的弹簧片结构的内侧边缘与第一柔性弹簧片23的中心端相连，外侧边缘与第一柔性弹簧片23的环形外边缘相连。在外部力作用下，上述四片辐射状均布的弹簧片结构的弹性变形使得第一柔性弹簧片23的中心端与环形外边缘可以在工作方向上产生连续相对运动。

类似的，如图16所示，第二柔性弹簧片43内也包含有四片中心辐射状均匀布置的弹簧片结构。其中，上述四片辐射状均布的弹簧片结构的内侧边缘与第二柔性弹簧片43的中心端相连，外侧边缘与第二柔性弹簧片43的环形外边缘相连。在外部力作用下，上述四片辐射状均布的弹簧片结构的弹性变形使得第二柔性弹簧片43的中心端与环形外边缘可以产生连续相对运动。

如图18与图19所示，在第一导向单元2中，两组第一侧夹紧体21与第一导向体24通过刚性连接，将两组第一柔性弹簧片23的外侧端与第一导向体24固定连接；第一中心夹紧体221、第二中心夹紧体222与第三中心夹紧体223通过刚性连接将第一柔性弹簧片23的中部端与上述中心夹紧体固定连接。其中，两组第一柔性弹簧片23为平行布置。通过上述布置连接形式，第一侧夹紧体21与第一导向体24共同构成了图5所示的刚柔耦合导向缓冲组合体200中的第一直线导向机构201；第一中心夹紧体221、第二中心夹紧体222与第三中心夹紧体223共同构成了图5所示的刚柔耦合导向缓冲组合体200中的输出轴203；第一柔性弹簧片23中的辐射状均布的弹簧片结构相当于图5所示的刚柔耦合导向缓冲组合体200中的第一弹簧片单元202。

类似的，在第二导向单元4中，第二侧夹紧体41与第二导向体44通过刚性连接，将第二柔性弹簧片43的外侧端与第二导向体44固定连接；第四中心夹紧体421、第五中心夹紧体422与第六中心夹紧体423通过刚性连接将第二柔性弹簧片43的中部端与上述中心夹紧体固定连接。其中，两组第二柔性弹簧片43为平行布置。通过上述布置连接形式，第二侧夹紧体41与第二导向体44共同构成了图5所示的驱动组合体300中的第二直线导向机构301；第四中心夹紧体421、第五中心夹紧体422与第六中心夹紧体423共同构成了图5所示的驱动组合体300中的驱动块3032；第二柔性弹簧片43中的辐射状均布的弹簧片结构相当于图5所示的驱动组合体300中的第二弹簧片单元302_1。

如图18与图19所示，驱动单元5中的旋转电机51固定在第一电机支架52上，第一电机支架52固定在机体本体11上，第一丝杠螺母54与第二导向单元4中的第五中心夹紧体422相连接。通过第一丝杠53，旋转电机51输出的旋转运动可以被转换为第一丝杠螺母54的直线运动，进而实现对第二导向单元4的伺服驱动。

如图20和图21所示，第一导向体24与机体本体11之间设置有四组均匀布置的导向限位槽结构，形成直线运动幅，使得第一导向单元2可以相对机体本体11大范围运动。类似的，第二导向体44与机体本体11之间也设置有四组均匀布置的导向限位槽，形成直线运动幅，使得第二导向单元4可以相对机体本体11大范围运动。

优选的，第一导向体24、第二导向体44与机体本体11之间的直线运动幅中采用滚珠接触连接形式以减少运动摩擦。

如图18与图19所示，第一导向单元2中的第三中心夹紧体223与第二导向单元4中的第四中心夹紧体421通过弹簧3相连，实现第一导向单元2与第二导向单元4的力传递。其中，弹簧3上设置有应变传感器。

如图15、图19与图21所示，第一导向单元2的各组第一柔性弹簧片23的内部弹簧片结构上均布设置有应变传感器6，用以测量第一柔性弹簧片23在各方向的变形信息。

特别的，第一导向单元2内的多组第一柔性弹簧片23可以只选取其中一组来设置应变传感器6。更进一步的情形，如果本发明提出的恒力执行机构始终工作在特定的重力角度方向，第一导向单元2内的第一柔性弹簧片23可以仅在内部弹簧片结构中选取一片来设置应变传感器6。

实施例二

本实施例基于上述实施原理A，如图22与图23所示，本实施例在上述实施例一提出的一种恒力执行机构的基础上，第一导向单元2与第二导向单元4中可以分别仅设置一组第一柔性弹簧片23与一组第二柔性弹簧片43，其它结构不变。

实施例三

本实施例基于上述实施原理A，如图24与图25所示，本实施例在上述实施例一提出的一种恒力执行机构的基础上，第一导向单元2通过变更增加第二中心夹紧体222与第一导向体24的方式来设置三组第一柔性弹簧片23；类似的，在实施例一的基础上，第二导向单元4同样通过变更增加第五中心夹紧体422与第二导向体44的方式来设置三组第二柔性弹簧片43。

可见，采用本实施例的扩展方式，可以获得在第一导向单元2与第二导向单元4中包含更多组柔性弹簧片的扩展实施方式。

更进一步的，基于实施例二与实施例三的扩展方式，可以获得由包含不同组数柔性弹簧片的第一导向单元2与第二导向单元4自由组合形成的更多实施方式，这里不再一一赘述。

实施例四

本实施例基于上述实施原理A，如图26与图27所示，本实施例在上述实施例一、二、三提出的恒力执行机构的基础上，第一柔性弹簧片23变更为包含三片中心辐射状均布弹簧片结构的第一子柔性弹簧片23_1；第二柔性弹簧片43同样可以变更为包含三片中心辐射状均布弹簧片结构的第二子柔性弹簧片43_1。

对应的，如图28与图29所示，在上述实施例一、二、三提出的恒力执行机构的基础上，本实施例所提出的恒力执行机构的第一导向体24上的直线运动幅结构可以变更为三组导向限位槽形式的第一子导向体24_1，相应的机体本体11具体为三组导向限位槽形式的第一机体11_1。第二导向体44同样采用与第一子导向体24_1类似的三组导向限位槽形式直线运动幅，即第二导向体44上的直线运动幅结构可以变更为三组导向限位槽形式的第二子导向体44_1。

以此类推，在上述实施例第一柔性弹簧片23或第二柔性弹簧片43中也可以按照上述方式扩展为包含任意多片的中心辐射状均布弹簧片结构的形式。对应的，直线运动幅包含的导向限位槽可以为一组或均布的多组，进而得到更多实施例方式。

实施例五

本实施例基于上述实施原理A，如图30与图31所示，在上述实施例一至四提出的恒力执行机构的基础上，本发明实施例提出的一种恒力执行机构的第一柔性弹簧片23可以取消环形外边缘，变更为外侧端分离的第三子柔性弹簧片23_2。同样的，第二柔性弹簧片43也可以取消环形外边缘，变更为外侧端分离的第四子柔性弹簧片43_2。如图32与图33所示，第三子柔性弹簧片23_2内包含的各弹簧片的外侧缘改由分离的第一分离式侧夹紧体21_1分别固定在第一导向体24上。第四子柔性弹簧片43_2内包含的各弹簧片的外侧缘改由分离的第二分离式侧夹紧体41_1分别固定在第二导向体44上。

通过上述柔性弹簧片的形状变换与相应的固定组合方式，可以获得更多的实施例。

实施例六

本实施例基于上述实施原理A，请参考图34-图36，在上述实施例五提出的恒力执行机构的基础上，本发明实施例提出的一种恒力执行机构中的第一导向单元2、第二导向单元4与机体本体11之间由一体式导向限位槽形式构成的直线运动幅可以替换为直线导轨12与滑块13构成的移动幅。相应的，机体本体11具体为与该移动幅结构相匹配的第二机体11_2。其中，直线导轨12固定在第二机体11_2上，滑块13分别与第一侧导向块25、第二侧导向块45固定连接。

如图36与图37所示，在上述实施例五提出的恒力执行机构的基础上，本发明实施例提出的一种恒力执行机构中第一导向单元2的第一导向体24被替换为由第一侧导向块25与滑块13组成的第一导向装配体，第三子柔性弹簧片23_2内的弹簧片结构外缘被第一分离式侧夹紧体21_1与第一侧导向块25的夹紧连接固定在第一导向装配体上。类似的，第二导向单元4的第二导向体44被替换为由第二侧导向块45与滑块13组成的第二导向装配体，第四子柔性弹簧片43_2内的弹簧片结构外缘被第二分离式侧夹紧体41_1与第二侧导向块45的夹紧连接固定在第二导向装配体上。

本实施例的运动幅变更方式同样可以用于上述实施例一至五。

实施例七

本实施例基于上述实施原理A，如图38与图39所示，在上述实施例一提出的恒力执行机构的基础上，将本发明实施例一提出的一种恒力执行机构中驱动单元5的“旋转电机51+第一丝杠53+第一丝杠螺母54”组成的“旋转电机带动丝杠旋转，旋转的丝杠旋转带动不旋转的丝杠螺母直线运动”形式(简称为“丝杠旋转+螺母不转”形式)的驱动方式可以替换为由“旋转电机51_1+第二丝杠53_1+第二丝杠螺母”组成的“旋转电机带动丝杠螺母旋转，旋转的丝杠螺母旋转带动不旋转的丝杠直线运动”形式(简称为“螺母旋转+丝杠不转”形式)的间接驱动形式。

如图38与图39所示，旋转电机51_1的动子带动内置或外置的第二丝杠螺母实现旋转运动；第二丝杠53_1与第二导向单元4中的第六中心夹紧体423相连接，处于限制旋转的状态；上述由旋转电机51_1带动丝杠螺母形成的旋转运动被转换为第二丝杠53_1的直线运动，并进而完成对第二导向单元4的驱动。

实施例八

本实施例基于上述实施原理A，如图40与图41所示，在上述实施例一提出的恒力执行机构的基础上，本发明实施例一提出的一种恒力执行机构中驱动单元5内的“旋转电机51+第一丝杠53+第一丝杠螺母54”或本发明实施例七中的“旋转电机51_1+第二丝杠53_1+第二丝杠螺母”组成的间接驱动形式可以替换为由音圈电机构成的直接驱动形式。

如图40与图41所示，音圈电机定子71固定在第二电机支架55上，音圈电机动子72与第二导向单元4中的第六中心夹紧体423刚性连接，通过非接触的电磁力作用，驱动第二导向单元4。

本实施例的电机形式可以用于上述实施例一至七。

实施例九

本实施例基于上述实施原理B，如图42与图43所示，基于上述实施原理B，在上述实施例一提出的恒力执行机构的基础上，本发明实施例一提出的一种恒力执行机构的第二导向单元4可以替换为刚性导向块46。其中，刚性导向块46设置有与第二导向体44相同的导向结构。刚性导向块46与驱动单元5内的第一丝杠螺母54刚性连接，在“丝杠旋转+螺母不转”形式的由“旋转电机51+第一丝杠53”构成的驱动系统作用下可以沿机体本体11运动。其余部分与实施例一相同。

实施例一至八的导轨、柔性弹簧片、驱动器类型等的变更方式可以应用于本实施例，从而获得更多的实施例。

实施例十

本实施例基于实施原理C，如图44与图45所示，基于上述实施原理C，在上述实施例八提出的恒力执行机构的基础上，本发明实施例八提出的一种恒力执行机构的驱动单元5中的第二丝杠53_1与弹簧3直接连接，其余部分与实施例八相同。在“螺母旋转+丝杠不转”形式的由“旋转电机51_1+第二丝杠53_1”构成的驱动系统作用下可以沿机体本体11运动。

实施例一至八的导轨、柔性弹簧片、驱动器类型等的变更方式可以应用于本实施例，从而获得更多的实施例。

实施例十一

本实施例基于上述实施原理C，如图46与图47所示，基于上述实施原理C，在上述实施例八提出的恒力执行机构的基础上，本发明实施例提出的一种恒力执行机构，不包含第二导向单元4，音圈电机动子72与弹簧3直接连接，其余部分与实施例八相同。

实施例一至实施例八中的导轨、柔性弹簧片、驱动器类型等的变更方式可以应用于本实施例，从而获得更多的实施例。

实施例十二

本实施例基于上述实施原理D，如图48与图49所示，基于上述实施原理D，在上述实施例十一提出的恒力执行机构的基础上，本发明实施例提出的一种恒力执行机构不包含弹簧3，音圈电机动子72与第一导向单元2的第三中心夹紧体223直接连接，其余部分与实施例十一相同。

实施例一至实施例八中的导轨、柔性弹簧片、驱动器类型等的变更方式可以应用于本实施例，从而获得更多的实施例。

实施例十三

本实施例基于上述实施原理A，如图50、图51与图52所示，基于上述实施原理A，在上述实施例六提出的恒力执行机构的基础上，本发明实施例提出的一种恒力执行机构变更为平台结构形式。其中，实施例六中的圆筒形第二机体11_2被变更为图51所示的平台式第三机体11_3，第一导向单元2中的中心辐射状均布弹簧片结构的第三子柔性弹簧片23_2变更为图51所示的平板式的第五子柔性弹簧片23_3。上述第五子柔性弹簧片23_3关于第二中心夹紧体222呈中心对称布置，平板式的第五子柔性弹簧片23_3的外侧端通过第一分离式侧夹紧体21_1与第一侧导向块25的夹紧连接。

类似的，第二导向单元4中的中心辐射状均布弹簧片结构的第四子柔性弹簧片43_2变更为图51所示的平板式的第六子柔性弹簧片43_3。上述第六子柔性弹簧片43_3关于第五中心夹紧体422呈中心对称布置，平板式的第六子柔性弹簧片43_3的外侧端通过第二分离式侧夹紧体41_1与第二侧导向块45的夹紧连接。

另外，第一电机支架52变更为与平台式第三机体11_3相匹配的第三电机支架56。本实施例的其余结构部分与实施例六相同。实施例一至实施例八的导轨、柔性弹簧片、驱动器类型等的变更方式可以应用于本实施例，从而获得更多的实施例。实施例九至实施例十二所示的实施原理B-D方案形式也同样可以类似地应用于本实施例，从而获得更多的实施例。

实施例十四

本实施例基于上述实施原理A，如图53与图54所示，基于上述实施原理A，在上述实施例十三提出的恒力执行机构的基础上，本发明实施例提出的一种恒力执行机构中的由“导轨12与滑块13”组成的直线运动幅可以替换为由“导向柱12_1与滑套13_1”组成的直线运动幅。本实施例的其余部分与实施例十三相同。

实施例一至实施例八的导轨、柔性弹簧片、驱动器类型等的变更方式可以应用于本实施例，实施例九至实施例十二所示的实施原理B-D方案形式也同样可以类似地应用于本实施例，从而获得更多的实施例。

实施例十五

本实施例基于上述实施原理A，如图55、图56与图57所示，基于上述实施原理A，在上述实施例十三提出的恒力执行机构的基础上，本发明实施例提出的一种恒力执行机构中的第一导向单元2与第二导向单元4可以采用一体式加工部件的设计。如图56与图57所示，本实施例将实施例十三中第一导向单元2内的第一中心夹紧体221、第二中心夹紧体222、第三中心夹紧体223、第一分离式侧夹紧体21_1、第一侧导向块25等部件与第五子柔性弹簧片23_3组合的装配结构转换为一体式加工所得的(单部件)一体式导向结构2_1，可以大大简化第一导向单元2的结构。一体式导向结构2_1与第一导向单元2以外的接口装配关系与实施例十三相同。

类似的，本实施例将实施例十三中第二导向单元4内的第四中心夹紧体421、第五中心夹紧体422、第六中心夹紧体423、第二分离式侧夹紧体41_1、第二侧导向块45等部件与第六子柔性弹簧片43_3组合的装配结构转换为一体式加工所得的(单部件)一体式导向结构4_1，可以大大简化第二导向单元4的结构。一体式导向结构4_1与第二导向单元4以外的接口装配关系与实施例十三相同。

实施例一至实施例八的导轨、柔性弹簧片、驱动器类型等的变更方式可以应用于本实施例，实施例九至实施例十二所示的实施原理B-D方案形式也同样可以类似地应用于本实施例，实施例十四中所示的运动幅方式也同样适用于本实施例，从而获得更多的实施例。

总体而言，通过本发明所构思的上述技术方案能够取得以下的有益效果：

(1)本发明恒力执行机构在刚柔耦合导向缓冲组合体中设置第一弹簧片单元，用于连接第一直线导向机构与输出轴，在执行力控制工作时，所述输出轴在外部力的作用下使所述第一弹簧片单元产生连续弹性变形；当所述第一弹簧片单元的弹性变形力足以克服所述第一直线导向机构与所述机架的最大静摩擦力影响时，所述刚柔耦合导向缓冲组合体沿所述机架实现大范围运动。也就是说，通过在恒力控制端的导轨上安装柔性铰链机构，解决行程和摩擦问题。在运动阶段，导轨产生大位移；在力控制阶段，弹性变形导向，无摩擦影响。

(2)本发明恒力执行机构在驱动组合体中设置第二弹簧片单元，用于连接第二直线导向机构和驱动模组，在执行力控制工作时，所述驱动模组在驱动力的作用下使所述第二弹簧片单元产生连续弹性变形，当所述第二弹簧片单元的弹性变形力足以克服所述第二直线导向机构与所述机架的最大静摩擦力影响时，所述驱动组合体沿所述机架实现大范围运动。也就是说，通过在驱动端的导轨上安装柔性铰链机构，进一步解决行程和摩擦问题。在运动阶段，导轨产生大位移；在恒力控制阶段，弹性变形导向，无摩擦影响。

(3)本发明恒力执行机构在刚柔耦合导向缓冲组合体和驱动组合体之间设置弹性连接体(如弹簧)以实现柔性连接，采用伺服电机驱动滚珠丝杠调节缓冲弹簧实现力控制，伺服驱动反应灵敏，缓冲弹簧能够降低位移变化带来的力波动。

(4)本发明恒力执行机构在连接第一直线导向机构和输出轴的第一弹簧片单元上设置第一应变传感单元，在连接驱动组合体和刚柔耦合导向缓冲组合体的弹性连接体上设置第二应变传感单元，利用上述应变传感单元获得的应变值来计算执行机构的受力情况。同时，在执行机构中还设置了重力角度传感单元来获取执行机构的受力运动方向与重力方向之间的夹角，利用上述重力角度信息，可以进一步获得所述输出轴自身重力在其运动受力方向上的分量，实现重力补偿。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (21)

1.一种刚柔耦合位力复合执行机构，其特征在于，包括：

机架，设置在所述机架上的刚柔耦合导向缓冲组合体和驱动组合体；

所述刚柔耦合导向缓冲组合体包括：第一直线导向机构、第一弹簧片单元和输出轴；所述第一直线导向机构设置在所述机架上，所述第一直线导向机构与所述输出轴之间通过所述第一弹簧片单元实现柔性连接；所述输出轴还与所述驱动组合体柔性连接或刚性连接；

在执行力控制工作时，所述驱动组合体向所述刚柔耦合导向缓冲组合体施加外部作用力，进而使得所述刚柔耦合导向缓冲组合体产生作用于待力控制工件上的控制输出力；其中，所述输出轴在外部力的作用下使所述第一弹簧片单元产生连续弹性变形；当所述第一弹簧片单元的弹性变形力足以克服所述第一直线导向机构与所述机架的最大静摩擦力影响时，所述刚柔耦合导向缓冲组合体沿所述机架实现大范围运动。

2.如权利要求1所述的刚柔耦合位力复合执行机构，其特征在于，所述第一弹簧片单元上设置有第一应变传感单元，用于在所述第一弹簧片单元产生连续弹性变形时，测量所述第一弹簧片单元的应变值，以获得由所述第一弹簧片单元的弹性变形施加于所述输出轴在运动方向上的作用力。

3.如权利要求1所述的刚柔耦合位力复合执行机构，其特征在于，所述驱动组合体包括：第二直线导向机构、第一连接体和驱动模组；

所述第二直线导向机构设置在所述机架上，所述第二直线导向机构与所述驱动模组之间通过所述第一连接体连接；其中，所述第一连接体为刚性连接体或柔性连接体。

4.如权利要求3所述的刚柔耦合位力复合执行机构，其特征在于，当所述第一连接体为柔性连接体时，所述第一连接体具体为第二弹簧片单元；其中，在执行力控制工作时，所述驱动模组在驱动力的作用下使所述第二弹簧片单元产生连续弹性变形，当所述第二弹簧片单元的弹性变形力足以克服所述第二直线导向机构与所述机架的最大静摩擦力影响时，所述驱动组合体沿所述机架实现大范围运动，进而驱动所述刚柔耦合导向缓冲组合体。

5.如权利要求3所述的刚柔耦合位力复合执行机构，其特征在于，所述驱动模组包括：驱动单元和驱动块；

所述驱动单元包括：旋转电机、第一电机支架、驱动结构；所述第一电机支架固定在所述机架上，所述旋转电机固定在所述第一电机支架上，所述驱动结构与所述旋转电机连接；所述旋转电机工作时带动所述驱动结构运动进而带动所述驱动块直线运动。

6.如权利要求5所述的刚柔耦合位力复合执行机构，其特征在于，所述驱动结构包括：第一丝杆和第一丝杆螺母；

所述旋转电机工作时带动所述第一丝杠旋转，将所述第一丝杠的旋转运动转换为所述第一丝杠螺母的直线运动，以使所述第一丝杆螺母带动所述驱动块直线运动。

7.如权利要求5所述的刚柔耦合位力复合执行机构，其特征在于，所述驱动结构包括：第二丝杆和第二丝杆螺母；

所述旋转电机工作时带动所述第二丝杠螺母旋转，将所述第二丝杠螺母的旋转运动转换为所述第二丝杠的直线运动，以使所述第二丝杆带动所述驱动块直线运动。

8.如权利要求1所述的刚柔耦合位力复合执行机构，其特征在于，所述第一直线导向机构与所述机架之间的直线运动幅中采用滚珠接触连接形式。

9.如权利要求1所述的刚柔耦合位力复合执行机构，其特征在于，所述第一直线导向机构与所述机架之间采用导向限位槽形式的直线运动幅。

10.如权利要求1所述的刚柔耦合位力复合执行机构，其特征在于，所述第一直线导向机构与所述机架之间采用导轨与滑块配体组合的直线运动幅。

11.如权利要求1所述的刚柔耦合位力复合执行机构，其特征在于，所述第一直线导向机构与所述机架之间采用导向柱与滑套配体组合的直线运动幅。

12.如权利要求1所述的刚柔耦合位力复合执行机构，其特征在于，所述驱动组合体包括直驱形式的第二直线驱动器；

所述第二直线驱动器包括非接触形式的运动执行部分与固定部分，所述运动执行部分与所述输出轴连接，所述固定部分与所述机架刚性连接。

13.如权利要求1所述的刚柔耦合位力复合执行机构，其特征在于，当所述刚柔耦合导向缓冲组合体与所述驱动组合体为柔性连接时，所述执行机构还包括：弹性连接体，用于连接所述刚柔耦合导向缓冲组合体与所述驱动组合体。

14.如权利要求13所述的刚柔耦合位力复合执行机构，其特征在于，所述弹性连接体上设置有第二应变传感单元，用于在所述弹性连接体产生连续弹性变形时获取所述弹性连接体的弹性输出力。

15.如权利要求1所述的刚柔耦合位力复合执行机构，其特征在于，还包括重力角度传感单元；所述重力角度传感单元包括：传感器本体、第三弹簧片单元、第三应变传感单元和质量块；

所述传感器本体与所述执行机构上的待测对象刚性连接，所述质量块通过所述第三弹簧片单元与所述传感器本体相连接；

所述第三弹簧片单元相对于所述质量块对称布置，使得所述质量块在所述第三弹簧片单元的约束下进行单一方向的运动；

所述第三应变传感单元设置在所述第三弹簧片单元上，用于在所述第三弹簧片单元发生弹性变形时，测量所述第三弹簧片单元的应变值，以获得由所述第三应变传感单元的弹性变形施加于所述质量块在其运动方向上的作用力，所述作用力为所述质量块自身重力在其运动方向上的重力分量；根据获得的所述重力分量与所述质量块自身重力的比值，获得所述质量块的运动方向与重力方向之间的夹角。

16.如权利要求15所述的刚柔耦合位力复合执行机构，其特征在于，所述待测对象具体为所述输出轴；其中，通过所述重力角度传感单元获取所述输出轴的运动受力方向与重力方向之间的重力角度值，基于所述重力角度值获得所述输出轴自身重力在其运动受力方向上的分量，补偿重力对所述输出轴的输出力影响。

17.一种刚柔耦合位力复合执行机构的恒力控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

当力控制任务启动时，控制驱动组合体运动，进而向刚柔耦合导向缓冲组合体施加外部作用力，以使所述刚柔耦合导向缓冲组合体中输出轴在外部力的作用下使第一弹簧片单元产生连续弹性变形，同时所述输出轴相对于待力控制工件发生位移；当所述第一弹簧片单元的弹性变形力足以克服所述第一直线导向机构与所述机架的最大静摩擦力影响时，所述刚柔耦合导向缓冲组合体沿所述机架大范围运动，实现对所述待力控制工件的大范围恒力控制。

18.如权利要求17所述的刚柔耦合位力复合执行机构的恒力控制方法，其特征在于，当力控制任务启动时，控制驱动组合体运动，具体为：

当力控制任务启动时，控制驱动组合体中的驱动模组运动，以使第二弹簧片单元产生连续弹性变形，同时向刚柔耦合导向缓冲组合体施加外部作用力；其中，当所述第二弹簧片单元的弹性变形力足以克服第二直线导向机构与机架的最大静摩擦力影响时，所述驱动组合体沿所述机架实现大范围运动。

19.如权利要求17所述的刚柔耦合位力复合执行机构的恒力控制方法，其特征在于，所述驱动组合体和所述刚柔耦合导向缓冲组合体之间通过弹性连接体连接；

所述驱动组合体向刚柔耦合导向缓冲组合体施加外部作用力，具体为，所述驱动组合体运动，使得所述弹性连接体发生变形，进而使与所述弹性连接体相连接的刚柔耦合导向缓冲组合体获取到外部作用力。

20.如权利要求19所述的刚柔耦合位力复合执行机构的恒力控制方法，其特征在于，所述第一弹簧片单元上设置有第一应变传感单元，用于在所述第一弹簧片单元产生连续弹性变形时，测量所述第一弹簧片单元的应变值，以获得由所述第一弹簧片单元的弹性变形施加于所述输出轴在运动方向上的作用力；

所述弹性连接体上设置有第二应变传感单元，用于在所述弹性连接体产生连续弹性变形时获取所述弹性连接体的弹性输出力。

21.如权利要求17所述的刚柔耦合位力复合执行机构的恒力控制方法，其特征在于，还包括：

通过重力角度传感单元获取所述输出轴的运动受力方向与重力方向之间的重力角度值，基于所述重力角度值获得所述输出轴自身重力在其运动受力方向上的分量，补偿重力对所述输出轴的输出力影响。

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