可变刚度关节及工作方法与控制算法与流程

1.本发明涉及一种可变刚度关节及工作方法与控制算法，属于外肢体机器人技术领域。


背景技术：

2.外肢体机器人(supernumerary robotic limbs，srls)是一种新型的可穿戴人体辅助设备，其机械臂具有独立的运动性能，可进行自主或与穿戴者协同作业，在工业生产、医疗康复、助老助残及生活服务等领域都有着广阔的应用前景。与其他智能机器人相比，外肢体机器人旨在与人类协同工作，人机融合程度高，故其穿戴舒适性与安全性至关重要，这要求其关节必须具备良好的柔顺性且轻量化，故外肢体机器人关节的设计成为了重要的研究方向。
3.常见的柔顺关节设计通常在刚性驱动机构的基础上，增加传感器种类和数量，通过采集足够多的位置、力矩、速度等数据，设计能够高效处理这些数据的控制器控制外肢体机器人的阻抗。这就使得此类关节要求传感器、驱动及控制电路运行速度足够快，并且控制器复杂，要求建立精确的动力学模型；此类关节需增加很多额外模块，给穿戴式机器人的轻量化带来了阻碍；此类关节不是本质柔顺，不能储存能量，也不能吸收碰撞瞬时产生的能量。这些缺陷导致了以柔性驱动器为代表的新驱动技术的发展。因此，设计一款轻型可变刚度的柔性关节结构应用于外肢体机器人，使其具备本质柔顺，能够吸收冲击并有效减少碰撞对人体与机械臂的损害，实现安全舒适的人机协作过程具有广泛的应用前景。
4.经对现有技术文献的检所发现：
5.中国专利(申请号202110496547.5)：一种可变刚度的机器人关节结构。该专利主要提供了一种基于齿轮齿条组件的可变刚度机构，实现了一定范围内的刚度调节，提高了机器人使用的安全性。但是该关节使用了两个电机，整体结构质量较重，不利于穿戴式机器人的轻量化设计。
6.中国专利(申请号201910768255.5)：一种可变刚度下肢外骨骼助力机器人。该专利主要提供了一种可变刚度下肢外骨骼助力机器人，用以穿戴在人体下肢上，其中膝部机构的输入盘与输出盘之间采用滑轮及钢丝绳形成变刚度调节作用。此绳驱动变刚度关节结构尺寸大，用了两个电机，其绕线方式在钢丝绳交叉处钢丝绳与钢丝绳、钢丝绳与滑轮的摩擦力极大，能量传递效率较低。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于：针对以上缺点，本发明提供了一种适用于外肢体机器人的可变刚度关节及工作方法与控制算法，其结构紧凑、重量轻，允许机构在可调范围内改变刚度，能够吸收振动并有效减少碰撞对人体与机械臂的损害，从而实现安全舒适的人机协作过程。
8.一种可变刚度关节，其特征在于：
9.沿轴向依次包括驱动电机、输入轴、可变刚度调节机构和输出连接件；
10.所述可变刚度调节机构包括输出法兰，输出法兰通过滚动轴承安装于输入轴上，并通过安装在轴承内圈的外端的卡簧限制滚动轴承的轴向位移；
11.输入轴的端面上沿直径方向安装第一右滑轮和第一左滑轮，输入轴端面上的所有滑轮统称为第一组滑轮；在相同端面方向上，输出法兰的端面安装有第二右上滑轮、第二右中滑轮、第二右下滑轮、第二左上滑轮、第二左中滑轮、第二左下滑轮，输出法兰端面上的所有滑轮统称为第二组滑轮；
12.输出法兰的右侧通过拉簧支柱安装拉伸弹簧，输出法兰的左侧安装中空螺栓；
13.拉伸弹簧的末端连接钢丝绳的第一端，钢丝绳的第二端存在两种绕线方式；
14.第一种高刚度模式：钢丝绳的第二端依次绕过第二右下滑轮、第二右中滑轮、第一右滑轮、第二右上滑轮、第二左上滑轮、第一左滑轮、第二左中滑轮、第二左下滑轮后穿过中空螺栓的中孔，通过压套法将绳端用铝套固定在中空螺栓的尾端，压缩弹簧置于中空螺栓的头部与配套螺母之间，用于防止钢丝绳预紧力过小而带来的中空螺栓松动；上述钢丝绳绕线中无交叉；
15.第二种低刚度模式：钢丝绳的第二端依次绕过第二右下滑轮、第二右中滑轮、第二右上滑轮、第二左上滑轮、第一左滑轮、第二左中滑轮、第二左下滑轮后穿过中空螺栓的中孔，通过压套法将绳端用铝套固定在中空螺栓的尾端，压缩弹簧置于中空螺栓的头部与配套螺母之间，上述钢丝绳绕线中无交叉；
16.或钢丝绳的第二端依次绕过第二右下滑轮、第二右中滑轮、第一右滑轮、第二右上滑轮、第二左上滑轮、第二左中滑轮、第二左下滑轮后穿过中空螺栓的中孔，通过压套法将绳端用铝套固定在中空螺栓的尾端，压缩弹簧置于中空螺栓的头部与配套螺母之间，上述钢丝绳绕线中无交叉。
17.进一步的，一种可变刚度关节的工作方法，其特征在于包括以下过程：
18.驱动电机通过输入轴将转动传递给第一滑轮，并带动钢丝绳运动，拉伸弹簧随之进行伸缩，当钢丝绳张紧后，输入轴的转动通过钢丝绳传递到第二滑轮及输出法兰上，并带动输出连接件转动；
19.通过三种调节方式改变关节的刚度特性，包括：通过配套螺母调节压缩弹簧的预紧力，选择改变钢丝绳的绕线方式，配置不同型号的拉伸弹簧。
20.进一步的，一种可变刚度关节工作方法的控制算法，其特征在于包括以下过程：
21.可变刚度关节的输入轴和输出连接件之间相对转动的角度为可变刚度机构内部的偏转角q，内部偏转扭矩为tq；第一右滑轮几何中心a1和第一左滑轮几何中心a2到可变刚度关节几何中心o距离相等，为l1；第二右上滑轮几何中心b1和第二右中滑轮几何中心b2的连线中点c1、第二左上滑轮几何中心b4和第二左中滑轮几何中心b5的连线中点c2到可变刚度关节几何中心距离o相等，为l3；在输入轴和输出连接件之间相对转动时，c1与a1的距离、c2与a2的距离相等，为l2，其计算公式为
[0022][0023]
钢丝绳内部拉力即为拉伸弹簧所受拉力，为f，在传导运动的过程中，其等效力臂为l，其计算公式为
[0024][0025]
其中n为工作分支数，高刚度模式对应工作分支数为2，低刚度模式对应工作分支数为1；
[0026]
拉伸弹簧和钢丝绳串联的等效刚度为k，其计算公式为
[0027][0028]
其中k
t
为拉伸弹簧刚度，ks为钢丝绳刚度；
[0029]
可变刚度关节的刚度数学模型为
[0030][0031]
其中f0为拉伸弹簧的初始预紧力；
[0032]
基于给定或计算得到的目标输出刚度k
tag
与可变刚度机构的刚度特性曲线k(q)，可以计算得到可变刚度机构的目标偏转角q
tag
：
[0033]ktag
＝k(q
tag
)
[0034]
驱动电机连接的其他机器人结构部件作为可变刚度关节基座；驱动电机直接输出的角度与扭矩分别为θ和t
θ
；输出连接件相连的机器人连杆作为可变刚度关节输出端，其输出角度与扭矩分别为α和t
α
；
[0035]
在机器人连杆末端与物体固定接触，可变刚度关节输出端固定时，可变刚度关节输出角度α由可变刚度关节基座位置唯一确定；此时，可以通过基于机器人连杆末端力传感器测得的反作用力f
n，0
，结合可变刚度关节与末端之间的机器人连杆重力m与结构尺寸模型，可计算出机器人末端反作用力与机器人连杆重力对可变刚度关节产生的扭矩，分别为t(f
n，0
)和t(m)，由虚功原理进一步计算出当前基座位置下的可变刚度关节的输出扭矩t
α
：
[0036]
t
α
＝t(f
n，0
)+t(m)
[0037]
在可变刚度关节输出端固定状态下，可变刚度关节输出扭矩t
α
与可变刚度机构内部的偏转扭矩tq相等，结合可变刚度机构的刚度特性曲线k(q)，可进一步计算出当前时刻可变刚度机构的内部偏转角q0：
[0038]
t
α
＝tq＝∫k(q0)dq
[0039]
由于驱动电机输出的角度θ等于可变刚度机构内部偏转角q与可变刚度关节输出角度α之和，可以计算得到当前基座位置下的可变刚度关节输出角度α0：
[0040]
α0＝θ
0-q0[0041]
其中θ0表示当前时刻驱动电机的输出角度，结合可变刚度关节的目标偏转角q
tag
，可以得到当前基座位置下的驱动电机目标输出角度α
tag
：
[0042]
θ
tag
＝q
tag
+α0[0043]
由驱动电机进行位置控制，从而实现准确的刚度输出；当基座位置变化时，机器人连杆末端力传感器检测到反作用力发生变化，重复上述步骤计算出基座位置变化后的可变刚度关节输出角度，由驱动电机进行位置补偿控制。
[0044]
与现有技术相比，发明具有如下有益效果：
[0045]
1、本发明中的可变刚度关节是可重构的，能够通过不同的钢丝绳绕线方式完成不
同工作分支数的配置，从而实现两种刚度调节模式的切换。
[0046]
2、本发明中有一系列不同型号的拉伸弹簧用于配置，通过选择合适的弹簧使可变刚度关节灵活适应不同的应用需求。
[0047]
3、本发明中的可变刚度关节能够通过配套螺母调节压缩弹簧的预紧力改变可调范围内的刚度，无需重新装卸机器人关节。
[0048]
4、本发明中可变刚度关节结构紧凑，适用于外肢体机器人，亦可作为一个独立的模块与其他系统快速集成。
[0049]
5、本发明中关节扭转最大角度为360度，与现有可变刚度关节相比，能够实现大角度旋转；同时本发明控制方式简单，可通过手动旋转中空螺栓调节弹簧预紧力的方式实现关节的主动变刚度，替代了传统的刚度调节电机，减少了可变刚度关节的重量，有助于实现穿戴式机器人的轻量化。
[0050]
6、本发明中将可变刚度关节作为外肢体机器人的关节，应用于外肢体支撑板材的作业场景，能够通过控制算法在不增加额外关节传感器的情况下输出特定的刚度，从而实现对不同刚度板材的稳定支撑，在外肢体支撑状态下人体扰动导致的基座位置变化时，由于变刚度机构的柔性，关节角度发生变化，但支撑点不会随之发生偏移，通过控制算法能够实现外肢体末端支撑的自适应刚度补偿。
附图说明
[0051]
图1为本发明可变刚度关节在外肢体机器人支撑作业实例中的连接示意图；
[0052]
图2为本发明一种适用于外肢体机器人可变刚度关节一个视角的结构示意图；
[0053]
图3为本发明一种适用于外肢体机器人可变刚度关节剖视图的结构示意图；
[0054]
图4为高刚度模式下的可变刚度调节机构正视图；
[0055]
图5为低刚度模式、第一种绕线方式下的可变刚度调节机构正视图；
[0056]
图6为低刚度模式、第二种绕线方式下的可变刚度调节机构正视图；
[0057]
图7为可变刚度关节的刚度模型的仿真曲线。(a)配置n＝2、k＝6n/mm，调整预张力时可变刚度关节的刚度变化曲线；(b)配置f0＝20n、k＝6n/mm，使用钢丝绳绕线不同拓扑形式时可变刚度关节刚度变化曲线；(c)配置n＝2，f0＝20n，调整弹簧刚度时可变刚度关节刚度变化曲线；
[0058]
图8为外肢体支撑状态下的结构简图；
[0059]
图9为第一关节(可变刚度关节)结构简图；
[0060]
图10为基于可变刚度关节的外肢体机器人末端刚度输出控制方法；
[0061]
附图标记说明：第一关节驱动电机1、输入轴2、可变刚度调节机构3、输出连接件4、第二关节驱动电机5、电机支撑座6、电机保护壳7、运动耦合模块30、预紧力调节模块31、输出法兰301、拉簧支柱302、拉伸弹簧303、钢丝绳304、第一组滑轮305、第一右滑轮305-1、第一左滑轮305-2、卡簧306、带肩滚动轴承307、中空螺栓311、配套螺母312、压缩弹簧313、铝套314、第二组滑轮315、第二右上滑轮315-1、第二右中滑轮315-2、第二右下滑轮315-3、第二左上滑轮315-4、第二左中滑轮315-5、第二左下滑轮315-6、第一右滑轮几何中心a1、第一左滑轮几何中心a2、可变刚度关节几何中心o、第二右上滑轮几何中心b1、第二右中滑轮几何中心b2、第二右上滑轮几何中心和第二右中滑轮几何中心的连线中点c1、第二左上滑轮几何
中心b4、第二左中滑轮几何中心b5、第二左上滑轮几何中心和第二左中滑轮几何中心的连线中点c2、第一关节输出角度α、当前时刻第一关节输出角度α0、第一连杆重量m、第一连杆长度l、第一连杆质心与第一关节中心距离l、末端支撑力fn、当前时刻末端支撑力f
n，0
、末端支撑力曲线fn(t)、曲线板材估计刚度k
tag
、可变刚度关节偏转角度q、当前时刻可变刚度关节偏转角度q0、可变刚度关节目标偏转角度q
tag
、第一关节驱动电机输出角度θ、当前时刻第一关节驱动电机输出角度θ0、第一关节驱动电机目标输出角度θ
tag
、第一关节驱动电机输出扭矩t
θ
、可变刚度机构偏转扭矩tq、可变刚度机构输出刚度k(q)、第一关节输出扭矩t
α
。
具体实施方式
[0062]
请结合图1、2所示，一种适用于外肢体机器人的可变刚度关节，包括第一关节驱动电机1、输入轴2、可变刚度调节机构3和输出连接件4；在外肢体机器人中，第一关节驱动电机1与电机保护壳7、电机支撑座6相连，输出连接件4与电机保护壳7、第二关节驱动电机5固定。
[0063]
如图2、3所示，所述可变刚度调节机构3连接于输入轴2与输出连接件4之间，其包括运动耦合模块30和预紧力调节模块31，分别用于传递动力与调节关节的刚度特性。
[0064]
如图2、3、4所示，所述运动耦合模块30包括输出法兰301、拉簧支柱302、拉伸弹簧303、钢丝绳304、第一滑轮305、卡簧306、带肩滚动轴承307、第二滑轮315。其中第一滑轮305包括第一右滑轮305-1和第一左滑轮305-2；第二滑轮315包括第二右上滑轮315-1、第二右中滑轮315-2、第二右下滑轮315-3、第二左上滑轮315-4、第二左中滑轮315-5、第二左下滑轮315-6。
[0065]
所述预紧力调节模块31包括中空螺栓311及配套螺母312、压缩弹簧313、铝套314。
[0066]
输入轴2与第一关节驱动电机1固连，输出连接件4与输出法兰301固连。
[0067]
输出法兰301通过滚动轴承307安装于输入轴2上，并通过安装在轴承内圈的外端的卡簧306限制滚动轴承307的轴向位移；
[0068]
输入轴2的端面上沿直径方向安装第一右滑轮305-1和第一左滑轮305-2，输入轴2端面上的所有滑轮统称为第一组滑轮305；在相同方向上，输出法兰301的端面安装有第二右上滑轮315-1、第二右中滑轮315-2、第二右下滑轮315-3、第二左上滑轮315-4、第二左中滑轮315-5、第二左下滑轮315-6，输出法兰301端面上的所有滑轮统称为第二组滑轮315；
[0069]
输出法兰301的右侧通过拉簧支柱302安装拉伸弹簧303，输出法兰301的左侧安装中空螺栓311；
[0070]
拉伸弹簧303的末端连接钢丝绳304的第一端，钢丝绳304的第二端存在两种绕线方式；
[0071]
高刚度调节模式(图4)：钢丝绳304的第二端依次绕过第二右下滑轮315-3、第二右中滑轮315-2、第一右滑轮305-1、第二右上滑轮315-1、第二左上滑轮315-4、第一左滑轮305-2、第二左中滑轮315-5、第二左下滑轮315-6后穿过中空螺栓的中孔，通过压套法将绳端用铝套固定在中空螺栓的尾端，压缩弹簧313置于中空螺栓的头部与配套螺母312之间，用于防止钢丝绳304预紧力过小而带来的中空螺栓松动；上述钢丝绳304绕线中无交叉；
[0072]
低刚度调节模式(图5)：钢丝绳304的第二端依次绕过第二右下滑轮315-3、第二右中滑轮315-2、第二右上滑轮315-1、第二左上滑轮315-4、第一左滑轮305-2、第二左中滑轮
315-5、第二左下滑轮315-6后穿过中空螺栓的中孔，通过压套法将绳端用铝套固定在中空螺栓的尾端，压缩弹簧313置于中空螺栓的头部与配套螺母312之间，防止钢丝绳304拉力过小造成的配套螺母312松动，上述钢丝绳304绕线中无交叉；
[0073]
或另一种绕线方式(图6)：钢丝绳304的第二端依次绕过第二右下滑轮315-3、第二右中滑轮315-2、第一右滑轮305-1、第二右上滑轮315-1、第二左上滑轮315-4、第二左中滑轮315-5、第二左下滑轮315-6后穿过中空螺栓的中孔，通过压套法将绳端用铝套固定在中空螺栓的尾端，压缩弹簧313置于中空螺栓的头部与配套螺母312之间，上述钢丝绳304绕线中无交叉。
[0074]
本发明的工作原理是：本发明的机器人可变刚度关节在使用时，第一关节驱动电机1驱动输入轴2转动，输入轴2的转动通过第一滑轮305传递，当钢丝绳304张紧后，输入轴2的转动通过钢丝绳304传递到第二滑轮315及输出法兰301上，并带动输出法兰301转动。输入轴2转动时，由于钢丝绳304先随输入轴2转动张紧，再将动力传递至第二滑轮315及输出法兰301上，故输入轴2刚转动时输出法兰301不动，使输入轴2相对输出法兰4产生偏转角，且该偏转角逐渐增大；当钢丝绳304上的拉力与拉伸弹簧303的弹力相等时，偏转角达到最大值，输出法兰301与输入轴2同步转动。
[0075]
如图4，可变刚度关节刚度模型建立过程如下：
[0076]
可变刚度关节的输入轴2和输出连接件4之间相对转动的角度为可变刚度机构内部的偏转角q，内部偏转扭矩为tq；第一右滑轮305-1几何中心a1和第一左滑轮305-2几何中心a2到可变刚度关节几何中心o距e离相等，为l1；第二右上滑轮315-1几何中心b1和第二右中滑轮315-2几何中心b2的连线中点c1、第二左上滑轮315-4几何中心b4和第二左中滑轮315-5几何中心b5的连线中点c2到可变刚度关节几何中心距离0相等，为l3；在输入轴2和输出连接件4之间相对转动时，c1与a1的距离、c2与a2的距离相等，为l2，其计算公式为
[0077]
拉伸弹簧和钢丝绳串联的等效刚度为k，其计算公式为
[0078][0079]
其中k
t
为拉伸弹簧刚度，ks为钢丝绳刚度；
[0080]
钢丝绳304内部拉力即为拉伸弹簧303所受拉力，为f：
[0081]
f＝2nk
·
(l
2-l3+l1)+f0[0082]
其中f0为拉伸弹簧的初始预紧力；
[0083]
在传导运动的过程中，其等效力臂为l，其计算公式为
[0084][0085]
其中为工作分支数，高刚度模式对应工作分支数为2，低刚度模式对应工作分支数为1；
[0086]
那么平衡钢丝绳拉力所需要的关节扭矩τ：
[0087]
τ＝l
·
f＝2nkl
·
(l
2-l3+l1)+f0l
[0088]
可变刚度关节的刚度数学模型为
[0089][0090]
基于给定的目标输出刚度k
tag
与可变刚度机构的刚度特性曲线k(q)，可以计算得到可变刚度机构的目标偏转角q
tag
：
[0091]ktag
＝k(q
tag
)
[0092]
本发明中可变刚度关节将所有零部件集成于半径48mm，高度60mm的圆柱形空间内，结构紧凑，适用于外肢体机器人，亦可作为一个独立的模块与其他系统快速集成。
[0093]
本发明中的输入轴2、输出法兰301等非标准件均采用3d打印的尼龙材料，关节重量仅有225g，有利于结构的轻量化，更加适用于外肢体机器人；由于3d打印技术能够打印复杂零部件的特点，本发明主要结构采用了一体式零件设计，大大减少了安装误差。
[0094]
本发明的轻型可变刚度关节设计本质上基于一种四连杆机构，将该机构通过第一滑轮305、第二滑轮315和钢丝绳304实现，形成一个基础工作分支，每一组工作分支包括钢丝绳304、安装在输入轴2末端的一个第一滑轮305与输出法兰301的两个第二滑轮315，当输入轴2相对输出法兰301转动，缠绕在第一、第二滑轮上的钢丝绳304长度发生变化，带动拉伸弹簧伸缩，从而实现关节刚度的变化。
[0095]
对于本发明的一个实施例，其工作时的系统刚度随着机构偏转角θ呈非线性变化；当关节输入相同扭矩时，关节刚度随着弹簧预紧力f0、使用的工作分支数n、弹簧刚度k的变化而变化，故本发明的可变刚度机构能够通过三种方式改变关节的刚度特性，包括调节拉伸弹簧303的预紧力，改变钢丝绳304的绕线方式，配置不同型号的拉伸弹簧303。
[0096]
本发明轻型可变刚度关节调节拉伸弹簧303的预紧力是通过预紧力调节模块实现的，这是一种手动、无需拆卸关节、20mm范围的无级调节方式。其具体操作方式为：使用工具将预紧力调节模块31中的配套螺母312固定，转动中空螺栓311拉动钢丝绳304使拉伸弹簧303伸缩，从而调节弹簧的预紧力。在采用刚度为6n/mm的拉伸弹簧与两组工作分支数的条件下，设置不同弹簧预紧力的机构刚度仿真模型如图7(a)所示，机构零偏转角下系统刚度随着弹簧预紧力的增大而增大；随着机构偏转角度的增大，弹簧预紧力对系统刚度的影响因子逐渐减小。
[0097]
本发明轻型可变刚度关节有两种钢丝绳绕线拓扑形式，分别为使用一组与两组工作分支。如图5、6所示，为使用一组工作分支的拓扑形式，对应低刚度调节模式；如图4所示，为使用两组工作分支的拓扑形式，对应高刚度调节模式。在设置拉伸弹簧预紧力为20n与采用刚度为6n/mm的拉伸弹簧的条件下，使用不同钢丝绳绕线拓扑形式的机构刚度仿真模型如图7(b)所示，在相同机构偏转角下，高刚度调节模式下的关节系统刚度是低刚度调节模式下的近两倍。
[0098]
本发明轻型可变刚度关节输出法兰在安装拉簧支柱处设计有专门的凹槽，允许放置外径12mm以下、50mm拉伸范围内的拉伸弹簧，同时有一系列不同型号的拉伸弹簧303用于配置，配置时无需拆卸关节，方便快捷。在使用高刚度调节模式与设置其预紧力为20n的条件下，采用不同刚度弹簧的机构刚度仿真模型如图7(c)所示，机构零偏转角下系统刚度不随弹簧刚度变化；随着机构偏转角度的增大，弹簧刚度对系统刚度的影响因子逐渐增大。
[0099]
通过以上三种调节方式的选择以及多方式耦合，能够满足外肢体机器人在不同工况下对肩部垂直关节刚度特性的需求。
[0100]
本发明将可变刚度机构集成于外肢体机器人的关节，应用于外肢体支撑板材的作业场景，能够通过控制算法在不增加额外关节传感器的情况下输出特定的刚度，从而实现对不同刚度板材的稳定支撑，在外肢体支撑状态下人体扰动导致的基座位置变化时，由于变刚度机构的柔性，关节角度发生变化，但支撑点不会随之发生偏移，通过控制算法能够实现外肢体末端支撑的自适应刚度补偿；
[0101]
如图8、9、10所示，在外肢体机器人末端接触板材时，通过安装在外肢体机器人末端的力传感器反馈获得接触力信息fn(t)，经过卡尔曼滤波处理获得板材的刚度k
tag
；基于可变刚度机构的刚度特性曲线k(q)，获得对应刚度所需要的偏转角q
tag
：
[0102]
k(q
tag
)＝k
tag
[0103]
该场景下可外肢体机器人末端位置固定，可变刚度关节输出角度θ0由基座位置确定；由于基座位置只受人体姿态影响，所以某一人体姿态下的可变刚度关节输出角度θ0唯一确定；基于当前时刻支撑反作用力f
n，0
对可变刚度关节产生的扭矩t(f
n，0
)，可变刚度关节输出连杆重力对可变刚度关节产生的扭矩t(m)，由虚功原理计算出当前人体姿态下的可变刚度关节的输出扭矩t
α
：
[0104]
t
α
＝t(f
n，o
)+t(m)
[0105]
在机器人支撑状态下，第一关节驱动电机输出扭矩t
θ
、可变刚度关节输出扭矩与可变刚度机构内部的偏转扭矩相等：
[0106]
t
θ
＝tq＝t
α
[0107]
结合可变刚度机构的刚度特性曲线k(q)，可进一步计算出当前时刻可变刚度机构的偏转角q0：
[0108]
∫k(q0)dq＝tq[0109]
由于驱动电机1输出的角度θ等于可变刚度机构内部偏转角q与可变刚度关节输出角度α之和，可以计算得到该人体姿态下的可变刚度关节输出角度α0：
[0110]
α0＝θ
0-q0[0111]
其中θ0表示当前时刻驱动电机1的输出角度，结合可变刚度关节的目标偏转角q
tag
，可以得到对应人体姿态与特定刚度所需的驱动电机1目标输出角度θ
tag
：
[0112]
θ
tag
＝α0+q
tag
[0113]
由驱动电机1进行pid位置控制，从而实现准确的刚度输出；当人体扰动时，力传感器检测到末端力fn发生变化，重复上述步骤计算出人体姿态变化后的关节输出角度α，由驱动电机1进行位置补偿控制。
[0114]
本发明具体实现的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改性，这些都是属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种可变刚度关节，其特征在于：沿轴向依次包括驱动电机(1)、输入轴(2)、可变刚度调节机构(3)和输出连接件(4)；所述可变刚度调节机构(3)包括输出法兰(301)，输出法兰(301)通过滚动轴承(307)安装于输入轴(2)上，并通过安装在轴承内圈的外端的卡簧(306)限制滚动轴承(307)的轴向位移；输入轴(2)的端面上沿直径方向安装第一右滑轮(305-1)和第一左滑轮(305-2)，输入轴(2)端面上的所有滑轮统称为第一组滑轮(305)；在相同端面方向上，输出法兰(301)的端面安装有第二右上滑轮(315-1)、第二右中滑轮(315-2)、第二右下滑轮(315-3)、第二左上滑轮(315-4)、第二左中滑轮(315-5)、第二左下滑轮(315-6)，输出法兰(301)端面上的所有滑轮统称为第二组滑轮(315)；输出法兰(301)的右侧通过拉簧支柱(302)安装拉伸弹簧(303)，输出法兰(301)的左侧安装中空螺栓(311)；拉伸弹簧(303)的末端连接钢丝绳(304)的第一端，钢丝绳(304)的第二端存在两种绕线方式；第一种高刚度模式：钢丝绳(304)的第二端依次绕过第二右下滑轮(315-3)、第二右中滑轮(315-2)、第一右滑轮(305-1)、第二右上滑轮(315-1)、第二左上滑轮(315-4)、第一左滑轮(305-2)、第二左中滑轮(315-5)、第二左下滑轮(315-6)后穿过中空螺栓的中孔，通过压套法将绳端用铝套固定在中空螺栓的尾端，压缩弹簧(313)置于中空螺栓的头部与配套螺母(312)之间，用于防止钢丝绳(304)预紧力过小而带来的中空螺栓松动；上述钢丝绳(304)绕线中无交叉；第二种低刚度模式：钢丝绳(304)的第二端依次绕过第二右下滑轮(315-3)、第二右中滑轮(315-2)、第二右上滑轮(315-1)、第二左上滑轮(315-4)、第一左滑轮(305-2)、第二左中滑轮(315-5)、第二左下滑轮(315-6)后穿过中空螺栓的中孔，通过压套法将绳端用铝套固定在中空螺栓的尾端，压缩弹簧(313)置于中空螺栓的头部与配套螺母(312)之间，上述钢丝绳(304)绕线中无交叉；或另一种绕线方式：钢丝绳(304)的第二端依次绕过第二右下滑轮(315-3)、第二右中滑轮(315-2)、第一右滑轮(305-1)、第二右上滑轮(315-1)、第二左上滑轮(315-4)、第二左中滑轮(315-5)、第二左下滑轮(315-6)后穿过中空螺栓的中孔，通过压套法将绳端用铝套固定在中空螺栓的尾端，压缩弹簧(313)置于中空螺栓的头部与配套螺母(312)之间，上述钢丝绳(304)绕线中无交叉。2.根据权利要求1所述的可变刚度关节的工作方法，其特征在于包括以下过程：驱动电机(1)通过输入轴(2)将转动传递给参与绕绳的第一组滑轮(305)，并带动钢丝绳(304)运动，拉伸弹簧(303)随之进行伸缩，当钢丝绳(304)张紧后，输入轴(2)的转动通过钢丝绳(304)传递到参与绕绳的第二组滑轮(315)及输出法兰(301)上，并带动输出连接件(4)转动；通过三种调节方式改变关节的刚度特性，包括：通过配套螺母(312)调节压缩弹簧(313)的预紧力，选择改变钢丝绳(304)的绕线方式，配置不同型号的拉伸弹簧(303)。3.据权利要求2所述的可变刚度关节工作方法的控制算法，其特征在于包括以下过程：可变刚度关节的输入轴(2)和输出连接件(4)之间相对转动的角度为可变刚度机构内
部的偏转角q，内部偏转扭矩为t
q
；第一右滑轮(305-1)几何中心a1和第一左滑轮(305-2)几何中心a2到可变刚度关节几何中心o距离相等，为l1；第二右上滑轮(315-1)几何中心b1和第二右中滑轮(315-2)几何中心b2的连线中点c1、第二左上滑轮(315-4)几何中心b4和第二左中滑轮(315-5)几何中心b5的连线中点c2到可变刚度关节几何中心距离o相等，为l3；在输入轴(2)和输出连接件(4)之间相对转动时，c1与a1的距离、c2与a2的距离相等，为l2，其计算公式为钢丝绳(304)内部拉力即为拉伸弹簧(303)所受拉力，为f，在传导运动的过程中，其等效力臂为l，其计算公式为其中n为工作分支数，高刚度模式对应工作分支数为2，低刚度模式对应工作分支数为1；拉伸弹簧和钢丝绳串联的等效刚度为k,其计算公式为其中k
t
为拉伸弹簧刚度，k
s
为钢丝绳刚度；可变刚度关节的刚度数学模型为其中f0为拉伸弹簧的初始预紧力；基于给定或计算得到的目标输出刚度k
tag
与可变刚度机构的刚度特性曲线k(q)，可以计算得到可变刚度机构的目标偏转角q
tag
：k
tag
＝k(q
tag
)驱动电机(1)连接的其他机器人结构部件作为可变刚度关节基座；驱动电机(1)直接输出的角度与扭矩分别为θ和t
θ
；输出连接件(4)相连的机器人连杆作为可变刚度关节输出端，其输出角度与扭矩分别为α和t
α
；在机器人连杆末端与物体固定接触，可变刚度关节输出端固定时，可变刚度关节输出角度α由可变刚度关节基座位置唯一确定；此时，可以通过基于机器人连杆末端力传感器测得的反作用力f
n,0
，结合可变刚度关节与末端之间的机器人连杆重力m与结构尺寸模型，可计算出机器人末端反作用力与机器人连杆重力对可变刚度关节产生的扭矩，分别为t(f
n,0
)和t(m)，由虚功原理进一步计算出当前基座位置下的可变刚度关节的输出扭矩t
α
：t
α
＝t(f
n,0
)+t(m)在可变刚度关节输出端固定状态下，可变刚度关节输出扭矩t
α
与可变刚度机构内部的偏转扭矩t
q
相等，结合可变刚度机构的刚度特性曲线k(q)，可进一步计算出当前时刻可变刚度机构的内部偏转角q0：
由于驱动电机(1)输出的角度θ等于可变刚度机构内部偏转角q与可变刚度关节输出角度α之和，可以计算得到当前基座位置下的可变刚度关节输出角度α0：α0＝θ
0-q0其中θ0表示当前时刻驱动电机(1)的输出角度，结合可变刚度关节的目标偏转角q
tag
，可以得到当前基座位置下的驱动电机(1)目标输出角度θ
tag
：θ
tag
＝q
tag
+α0由驱动电机(1)进行位置控制，从而实现准确的刚度输出；当基座位置变化时，机器人连杆末端力传感器检测到反作用力发生变化，重复上述步骤计算出基座位置变化后的可变刚度关节输出角度，由驱动电机(1)进行位置补偿控制。

技术总结
本发明公开了一种可变刚度关节及工作方法与控制算法，属于外肢体机器人领域。它包括驱动电机、输入轴、可变刚度调节机构和输出连接件；所述变刚度调节机构包括运动耦合模块和预紧力调节模块，连接于输入轴与输出连接件之间，用于传递动力并定量调节关节的刚度特性。本发明结构紧凑，能够通过调节弹簧的预紧力、改变钢丝绳绕线的拓扑形式、更换柔性元件这三种方式及多方式组合改变关节的刚度特性，能够吸收机械臂末端振动并有效减少碰撞对人体与外肢体的损害，在保证安全舒适的基础上实现人机协同作业。机协同作业。机协同作业。


技术研发人员：陈柏 刘珂铭 廖梓宇 蒋素荣 沈雅怡 吴青聪 常梅生
受保护的技术使用者：宁波锐康智能科技有限公司
技术研发日：2023.06.05
技术公布日：2023/8/24