一种电磁驱动式摩擦变刚度柔顺关节及工作方法

技术领域

本发明涉及机器人控制技术领域，尤其设计适用于一种电磁驱动式摩擦变刚度柔顺关节及工作方法。

背景技术

人机协作可以更好的发挥人与机器人的优势，近年来，人机协作以及人机交互已经成为机器人领域研究的重点内容。然而，在人机协作过程中，由于环境的动态变化和不可预知性，使得人机协作具有很大的不确定性，这造成了机器人人机协作过程极大的安全隐患。

为了提高机器人人机协作安全性，不少学者将目光聚集到变刚度柔顺关节上，柔顺关节在刚性单机和末端执行器之间引入了缓冲环节，使柔顺关节在外力作用下内部能够发生一定变形，从而起到暂存碰撞能量的作用，具有良好的环境适应性和安全性。如中国专利一种柔索驱动机器人变刚度弹性关节(ZL201710803257.4)采用弹簧片作为变刚度元件，采用柔索驱动装置作为调节元件，实现了关节的变刚度输出，该结构复杂，采用柔索驱动可靠性低，无法实现快速调节和过载保护，应用场合受限；如中国专利一种机器人用的变刚度关节及其刚度调节方法(ZL 201710160784.8)采用三连杆机构和杠杆机构相配合实现刚度调整机构的运动，该机构刚度调整机构传动运动复杂，同样无法实现快速调节和过载保护，应用场合受限；如中国专利一种基于杠杆机构的变刚度模块(ZL201810774632.1)采用板簧作为变刚度元件，利用菱形四连杆结构运动改变板簧有效变形支点，由于板簧是一种连续体，其刚度输出计算复杂，具有很强的非线性，因此应用场合受限。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种电磁驱动式摩擦变刚度柔顺关节及工作方法，克服现有技术中刚度调节效率低、关节过载保护能力差的问题，在设计过程中，通过电磁驱动提高关节刚度的调节速度，通过摩擦盘传动提高关节的过载保护能力。

为了实现上述目的，本发明的一种电磁驱动式摩擦变刚度柔顺关节，包括机械臂Ⅰ与机械臂Ⅱ，机械臂Ⅰ与机械臂Ⅱ之间设有主传动轴，其中机械臂Ⅰ通过电机支架连接有驱动电机，驱动电机的输出轴设有主齿轮，主齿轮水平啮合有从动齿轮，从动齿轮圆心处与主传动轴的尾部连接，其中主齿轮和从动齿轮外侧设有外壳Ⅰ，主传动轴与机械臂Ⅰ之间设有轴承Ⅰ，主传动轴通过变刚度模块与机械臂Ⅱ连接；

所述变刚度模块包括设置在主传动轴上且摩擦面相对匹配设置的输入摩擦盘、输出摩擦盘和用以与机械臂Ⅱ连接的输出轴；输入摩擦盘和输出摩擦盘为摩擦面相对设置的圆盘结构，输入摩擦盘通过键与主传动轴连接并同步旋转，挨着输入摩擦盘在主传动轴上设有轴承Ⅱ，轴承Ⅱ通过外缘设置的垫片设有轴承Ⅲ，输出摩擦盘的非摩擦面上同心设有套筒结构的压环，压环上通过外伸的连接耳分别设有多组线圈单元，主传动轴的端部设有轴承Ⅳ，轴承Ⅲ与轴承Ⅳ之间的主传动轴上套有套筒，输出轴套在套筒上并且两端分别通过轴承Ⅲ和轴承Ⅳ与主传动轴连接，输出轴长度等于轴承Ⅲ到轴承Ⅳ之间的距离，输出摩擦盘与压环套在输出轴上，输出摩擦盘内壁与输出轴的一端外侧设有相互匹配的花键、花键槽，其中花键设置在摩擦盘内侧，花键槽设置在输出轴端部外侧，输出轴上花键槽长度比输出摩擦盘长，输出轴与主传动轴在轴向上位置不变，实现输出摩擦盘在输出轴上的轴向移动；环绕线圈单元的外侧通过外壳Ⅱ设有环形永磁体；输出轴未设有花键的一端设有封堵开孔的端盖，轴承Ⅳ的内圈与端盖接触，端盖通过螺钉固定在主传动轴上并实现轴承Ⅳ内圈在主传动轴上的轴向固定，继而实现轴承Ⅳ在主传动轴上的轴向定位；螺钉同时连接有罩住变刚度模块的外壳Ⅱ，外壳Ⅱ轴向开有一条贯穿的缺口，使输出轴与外壳Ⅱ之间允许存在转角差，从而允许在出现超过设定刚度范围内传动时主动打滑从而断开传动的保护作用；

线圈单元通过导线先后连接有直流电源模块、刚度控制器和专家知识库；

通过输入摩擦盘和输出摩擦盘相互接触使机械臂Ⅰ与机械臂Ⅱ之间传递动力，输入摩擦盘与输出摩擦盘分离则断开传动，传动的同时通过改变输入摩擦盘与输出摩擦盘之间的正压力可以实现摩擦力的变化，继而实现刚度调节，通过通电线圈单元与环形永磁体产生电磁相互作用力改变输入摩擦盘和输出摩擦盘之间的正压力，推动压环从而控制输出摩擦盘与输入摩擦盘连接或者断开。

进一步，主齿轮与从动齿轮外侧通过螺钉固定有保护用外壳Ⅰ，外壳Ⅱ与端盖通过螺钉固定在主传动轴上，并且安装后须保证端盖不与输出轴接触。

进一步，环形永磁体固定在外壳Ⅱ内侧并与所有线圈单元位置匹配。

进一步，线圈单元为电磁铁结构并双数呈中心对称布置，通过通电与环形永磁体之间产生吸力或者斥力，从而经过压环推动输出摩擦盘通过内侧的花键在输出轴的花键槽上轴向移动，从而控制输出摩擦盘与输入摩擦盘的距离。

进一步，轴承Ⅱ能够承受轴向载荷，为圆锥滚子轴承或推力球轴承。

进一步，垫片为凸台结构，凸台部分与轴承Ⅲ内圈接触。

进一步，专家知识库用于将输入所需要的刚度需求转化为实际控制的输出电流数据；专家知识库内部包括转动刚度数值与输入电流值的对比数据资料，用户输入转动刚度的期望值后，通过查询专家知识库获得对应转动刚度所需要的电流值，之后通过刚度控制器控制直流电源模块给线圈单元供电形成对应的磁力，影响输入摩擦盘和输出摩擦盘之间的正压力，从而改变摩擦力。

一种磁驱动式摩擦变刚度柔顺关节的工作方法，其步骤如下：

步骤一，输入摩擦盘与输出摩擦盘之间正压力与线圈单元的电流信号关系标定：

将检测用的膜片式压力传感器安装在输入摩擦盘与输出摩擦盘之间，通过直流电源模块给定线圈单元中线圈连续变化的电流，从而转化为与环形永磁体之间的磁力，磁力推动压环从而使输出摩擦盘朝着输入摩擦盘移动，输入摩擦盘与输出摩擦盘接触后两者产生正压力，利用膜片式压力传感器获得输入摩擦盘与输出摩擦盘之间的正压力，绘制线圈中电流值与输入摩擦盘与输出摩擦盘之间正压力的关系曲线，截取其中线性化较好地一段作为工作区间并基于最小二乘法进行线性拟合，获得线圈中电流值与输入摩擦盘与输出摩擦盘之间正压力的解析关系；

步骤二，输入摩擦盘与输出摩擦盘之间正压力与输出轴转动刚度关系标定，并确定线圈单元电流信号与输出轴转动刚度关系的专家知识库：

根据电磁驱动式摩擦变刚度柔顺关节的实际结构布局，在软件ANSYS中构建输入摩擦盘、输出摩擦盘以及输出轴三者的有限元分析模型，给定输入摩擦盘零位移约束，基于步骤一中确定的工作区间，以工作区间中正压力变化范围的/N为步长选取离散点，其中N为工作区间内正压力的最大值与最小值的差值，给定输出摩擦盘正压力，通过静力学分析获得输出轴转动刚度，描点绘制输入摩擦盘与输出摩擦盘之间正压力与输出轴转动刚度的关系曲线，并基于最小二乘法进行曲线拟合，结合步骤一中确定的线圈中电流值与输入摩擦盘与输出摩擦盘之间正压力的解析关系，进一步确定向线圈单元发出的电流值与输入摩擦盘、输出摩擦盘之间转动刚度关系，对线圈中电流值与输出轴转动刚度的关系进行映射，确定线圈单元电流信号与输出轴转动刚度关系的专家知识库；

步骤三，根据实际使用需求，确定输出轴转动刚度的期望值，刚度控制器通过直流电源模块给定线圈单元电流值，启动驱动电机，输出轴在期望转动刚度下旋转。

进一步，根据实际使用需求，明确输出轴转动刚度的期望值，根据专家知识库中记载的线圈单元电流信号与输出轴转动刚度关系，刚度控制器通过直流电源模块给定线圈单元电流值，在线圈单元与环形永磁体电磁力作用下，通过输出摩擦盘与输出轴之间的花键、花键槽，压环推动输出摩擦盘移动，压向输入摩擦盘，使输出摩擦盘与输入摩擦盘之间正压力满足需要，启动驱动电机，通过主齿轮与从动齿轮将动力传递给主传动轴，主传动轴通过键联接将动力传递给输入摩擦盘，并通过摩擦传动将动力传递给输出摩擦盘，进一步通过输出摩擦盘与输出轴之间的花键联接，将动力传递给输出轴，从而使输出轴能够在期望转动刚度下旋转。

进一步，工作时，外壳Ⅱ与主传动轴、输入摩擦盘的转速/转角一致，而输出轴与输出摩擦盘转速/转角一致，正常情况下，输入摩擦盘与输出摩擦盘转速/转角相同，但是当外界负载比较大的时候，如突然碰撞时，输入摩擦盘与输出摩擦盘会超过设定传动刚度出现的打滑的情况，此时输出轴与外壳Ⅱ就会存在转角差，所以外壳Ⅱ上设置一个轴向的缺口，有一定的转角空间让输出轴/输出摩擦盘相对于主传动轴/输入摩擦盘之间在出现超过设定刚度范围内传动时主动打滑，从而断开传动，起到保护作用。

有益效果：

1)本装置采用输入摩擦盘与输出摩擦盘之间的摩擦传动实现变刚度输出，可有效提高变刚度柔顺关节的安全性，大大增强了关节的过载保护能力；2)集成电磁驱动，改变输入摩擦盘与输出摩擦盘之间的正压力，继而改变输入摩擦盘与输出摩擦盘之间的摩擦力，具有变刚度调节原理简单、调节速度快的特点；外壳Ⅱ轴向开有一条贯穿的缺口，使输出轴与外壳Ⅱ之间允许存在转角差，从而允许在出现超过设定刚度范围内传动时主动打滑从而断开传动的保护作用；3)采用主传动轴为支撑，外套输出轴的形式，具有结构紧凑、适应性强的特点。

附图说明

图1为本发明电磁驱动式摩擦变刚度柔顺关节结构示意图；

图2为本发明电磁驱动式摩擦变刚度柔顺关节爆炸视图；

图3为本发明的输出摩擦盘、压环以及线圈单元联接关系示意图；

图4为本发明的输出轴与输出摩擦盘联接关系示意图；

图5为本发明的外壳Ⅱ与环形永磁体装配关系示意图；

图6为本发明电磁驱动式摩擦变刚度柔顺关节的工作流程图；

图7为本发明电磁驱动式摩擦变刚度柔顺关节的实施例简图。

图中：1—驱动电机、2—外壳Ⅰ、3—机械臂Ⅰ、4—主传动轴、5—外壳Ⅱ、6—电机支架、7—主齿轮、8—从动齿轮、9—轴承Ⅰ、10—变刚度模块、10-1—输入摩擦盘、10-2—输出摩擦盘、10-3—压环、10-4—线圈单元、10-5—输出轴、11—轴承Ⅱ、12—垫片、13—轴承Ⅲ、14—轴承Ⅳ、15—套筒、16—端盖、17—环形永磁体、18—螺钉、19—直流电源模块、20—专家知识库、21—刚度控制器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述，但本发明的实施不限于此。

如图1所示，本发明的电磁驱动式摩擦变刚度柔顺关节，它包括驱动电机1，外壳Ⅰ2，机械臂Ⅰ3，主传动轴4，外壳Ⅱ5，电机支架6，主齿轮7，从动齿轮8，轴承Ⅰ9，变刚度模块10，轴承Ⅱ11，垫片12，轴承Ⅲ13，轴承Ⅳ14，套筒15，端盖16，环形永磁体17。

如图2所示，本实施例中轴承Ⅱ11为推力球轴承。驱动电机1通过电机支架6安装在机械臂Ⅰ3上，主齿轮7固定在驱动电机1输出轴，并与从动齿轮8啮合，将驱动电机1动力传递给与从动齿轮8联接的主传动轴4；外壳Ⅰ2通过螺钉固定在机械臂Ⅰ3上，并将主齿轮7与从动齿轮8罩住；主传动轴4上依次安装有轴承Ⅰ9、轴承Ⅱ11，垫片12，轴承Ⅲ13，轴承Ⅳ14，轴承Ⅰ9的外圈安装在机械臂Ⅰ3上，端盖16通过螺钉18固定在主传动轴4上并实现轴承Ⅳ14内圈在主传动轴4上的轴向固定，并且外壳Ⅱ5同样通过螺钉18固定在主传动轴4；

所述变刚度模块10包括输入摩擦盘10-1，输出摩擦盘10-2，压环10-3，2组线圈单元10-4，输出轴10-5；如图2、图3所示，2组线圈单元10-4在压环10-3上呈中心对称布置，压环10-3靠近输出摩擦盘10-2直径较小的一端，并且压环10-3与输出摩擦盘10-2同轴线；输入摩擦盘10-1通过键传动与主传动轴4联接，输入摩擦盘10-1右端依次联接轴承Ⅱ11，垫片12，轴承Ⅲ13，如图3所示，输出摩擦盘10-2中间为圆孔，保证输入摩擦盘10-1与输出摩擦盘10-2接触时，结构不干涉；轴承Ⅳ14的外圈和轴承Ⅲ13的内圈之间联接有套筒15；输出轴10-5穿过压环10-3中间的圆孔并且套在套筒15上，输出轴10-5的两端分别与轴承Ⅲ13的外圈和轴承Ⅳ14的外圈联接。

输出摩擦盘10-2与压环10-3一端接触并且同轴套在输出轴10-5上，如图4所示，输出摩擦盘10-2与输出轴10-5通过花键联接，能够实现输出摩擦盘10-2在输出轴10-5上的轴向移动。

压环10-3另一端设有2组线圈单元10-4，如图5所示，在外壳Ⅱ5上与2组线圈单元10-4相对的位置设有环形永磁体17。

如图6所示，一种电磁驱动式摩擦变刚度柔顺关节的工作方法，其步骤如下：

步骤一，输入摩擦盘10-1与输出摩擦盘10-2之间正压力与线圈单元10-4的电流信号关系标定

将膜片式压力传感器安装在输入摩擦盘10-1与输出摩擦盘10-2之间，通过直流电源模块19给定线圈单元10-4中线圈连续变化的电流，利用膜片式压力传感器获得输入摩擦盘10-1与输出摩擦盘10-2之间的正压力，绘制线圈中电流值与输入摩擦盘10-1与输出摩擦盘10-2之间正压力的关系曲线，截取其中线性化较好地一段作为工作区间并基于最小二乘法进行线性拟合，获得线圈中电流值与输入摩擦盘10-1与输出摩擦盘10-2之间正压力的解析关系；

步骤二，输入摩擦盘10-1与输出摩擦盘10-2之间正压力与输出轴10-5转动刚度关系标定，并确定线圈单元10-4电流信号与输出轴10-5转动刚度关系的专家知识库20

根据电磁驱动式摩擦变刚度柔顺关节的实际结构布局，在ANSYS中构建输入摩擦盘10-1、输出摩擦盘10-2以及输出轴10-5三者的有限元分析模型，给定输入摩擦盘10-1零位移约束，基于步骤一中确定的工作区间，以工作区间中正压力变化范围的1/N为步长选取离散点其中N为工作区间内正压力的最大值与最小值的差值，给定输出摩擦盘10-2正压力，通过静力学分析获得出轴10-5转动刚度，描点绘制输入摩擦盘10-1与输出摩擦盘10-2之间正压力与输出轴10-5转动刚度的关系曲线，并基于最小二乘法进行曲线拟合，进一步结合步骤一中确定的线圈中电流值与输入摩擦盘10-1与输出摩擦盘10-2之间正压力的解析关系，对线圈中电流值与输出轴10-5转动刚度的关系进行映射，确定线圈单元10-4电流信号与输出轴10-5转动刚度关系的专家知识库20；

步骤三，根据实际使用需求，确定输出轴10-5转动刚度的期望值，刚度控制器21通过直流电源模块19给定线圈单元10-4电流值

如图7的左图所示，初始状态输入摩擦盘10-1与输出摩擦盘10-2未接触，驱动电机1动力无法传递给输出轴10-5；根据实际使用需求，明确输出轴10-5转动刚度的期望值，根据步骤二中确定的线圈单元10-4电流信号与输出轴10-5转动刚度关系的专家知识库20，刚度控制器21通过直流电源模块19给定线圈单元10-4电流值，此时如图7的右图所示，输入摩擦盘10-1与输出摩擦盘10-2接触，启动驱动电机1，通过主齿轮7与从动齿轮8将动力传递给主传动轴4，主传动轴4通过键联接将动力传递给输入摩擦盘10-1，并通过摩擦传动将动力传递给输出摩擦盘10-2，进一步通过输出摩擦盘10-2与输出轴10-5之间的花键联接，将动力传递给输出轴10-5，输出轴10-5在期望转动刚度下旋转。