一种具有被动变刚度能力的平动关节的制作方法

本发明涉及机器人关节，具体的说，涉及了一种具有被动变刚度能力的平动关节。

背景技术：

1、随着机器人从结构化产线走向人机共融的复杂环境，末端执行器面临多向碰撞、载荷突变等复杂力学工况。纯刚性驱动机器人难以有效抑制冲击振动，易导致工具损坏或系统失稳。引入被动柔顺机构，依靠自身结构变形缓冲冲击、自适应位姿偏差，已成为提升系统本征安全性和实现柔性操作的核心手段。

2、目前，常规的被动式平动柔顺机构多采用直线导轨配合固定刚度的线性弹性元件（如定刚度拉伸弹簧或压缩弹簧）组合而成。此类机构结构简单、成本低廉，在单一恒定外载荷下能够提供水平方向上的线性位移补偿。然而，其“固定刚度”的机械特性存在先天局限性。在实际多阶段物理交互过程中，作业系统对末端平动刚度的需求并非一成不变；例如，在初始接近或轻载未接触阶段，系统需要保持极高的刚性以抵抗外部扰动，从而保证末端执行器的绝对空间定位精度；而在接触进入顺应阶段，则需要大幅度降低刚度，以提供大范围的柔性变形，从而避免刚性干涉；当遭遇严重的突发性过载碰撞时，系统还需具备零刚度或负刚度的缓冲区间来耗散冲击动能，保护关节与工件免受破坏。

3、现有的定刚度弹簧机构不仅难以兼顾上述“高精度定位”、“低刚度顺应”与“过载自缓冲”的多段非线性力学需求，还容易在变形幅度过大时导致弹簧反力急剧攀升，进而加剧接触面的磨损与载荷损伤。此外，单一线性刚度的弹簧结构在脱离设计工况后，极易发生恢复力过强引发的力学振荡，难以形成稳定的能量耗散回路。

4、基于上述原因，本领域亟需一种能够从物理结构根源上预设非线性“位移-力”目标响应曲线的被动变刚度平动关节。在不依赖电子传感与主动控制的前提下，从物理本体层面根本性提升机器人在复杂物理交互场景下的安全性与环境适配能力。

5、为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种刚性分阶段动态变化、应对不同阶段需要的不同刚性需求、避免关节受损、驱动过程稳定性更高的具有被动变刚度能力的平动关节。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种具有被动变刚度能力的平动关节，包括至少一个凸轮槽机构；

3、所述凸轮槽机构包括主体部、预设响应曲线的凸轮槽轨道、活动关节部和约束部；

4、所述凸轮槽轨道的预设响应曲线呈大致的“m”形并设置于所述主体部之上，所述活动关节部与所述主体部滑动配合，所述活动关节部的移动方向与所述凸轮槽轨道的中心垂线垂直，所述约束部包括受凸轮槽轨道约束的滚动件和为所述滚动件提供复位驱动力的弹簧件，所述滚动件的初始位置位于“m”形凸轮槽轨道的中心点，所述活动关节部设置有约束所述滚动件的活动导轨，所述活动导轨的长度方向与活动关节部的移动方向垂直，所述滚动件与活动导轨滑动配合；

5、所述活动关节部用于连接相邻凸轮槽机构的主体部或关节的执行部；

6、当凸轮槽机构的数量≥2时，相邻两凸轮槽机构中的活动关节部的移动方向不同。

7、本发明设置的平动关节结构形式具备变刚度能力，且变更度有相应的受力特点，使其能够具备四段式变刚度响应，在不同的位移下具备不同的刚度，能够适应平动关节在不同受力阶段下的刚度变化需求，具体的，在小变形范围内，具有较大或者正刚度，在提供一定柔性变形的同时，可以提高关节末端定位精度；当变形范围超过一定范围，到达过载区域，提供非正刚度，提高关节变形能力，实验抗过载；随着变形范围增大，会到达一个极限值，刚度为一个较大的正值，限制关节继续运动，抗过载性能优异。

8、基上所述，所述凸轮槽轨道的预设响应曲线中，分为四个阶段，在位移较小时，曲线呈大刚度，以保证静态定位精度；进入工作段后，曲线转为负刚度，使响应扭矩满足柔顺需求；随着位移继续增大，曲线过渡为零刚度，在维持柔顺性的同时提供抗过载缓冲区间；当位移达到设定阈值后，曲线恢复大刚度。

9、基上所述，所述弹簧件包括一对弹簧，所述的一对弹簧的下端连接点位于主体部中凸轮槽轨道中心处下方对称的两个偏置点，所述一对弹簧的上端连接点位于所述滚动件的驱动端。由双弹簧驱动，构成稳定受力结构形式。

10、基上所述，所述凸轮槽轨道为包括两条平行轨道的双轨道结构，所述滚动件包括两个同轴的滚轮，两滚轮之间的轴体上设置套筒，所述弹簧件的上端连接于所述套筒上。该设置主要用于保证滚轮运动的稳定性，且不会造成与弹簧件运动的空间干涉。

11、基上所述，所述活动关节部包括固定导轨、所述活动导轨、第一滑块和第二滑块，所述固定导轨设置于所述主体部之上，所述固定导轨的首尾两端延伸至或超过凸轮槽轨道的两端，所述凸轮槽轨道的中心垂线与所述固定导轨垂直，所述活动导轨通过第一滑块行走于所述固定导轨，所述活动导轨与所述固定导轨彼此垂直，所述活动导轨上设置第二滑块，所述滚轮与所述第二滑块转动配合的连为一体设置，当所述活动导轨沿固定导轨移动时，所述滚动件沿凸轮槽轨道驱动所述第二滑块沿活动导轨移动，所述弹簧件为滚轮提供复位驱动力。提出了活动关节部的具体结构形式。

12、基上所述，所述凸轮槽机构的数量为两个，两个凸轮槽机构中的活动关节部的移动方向彼此垂直，位于上部的凸轮槽机构的主体部与下部的凸轮槽机构的活动关节部固定连接，上部的凸轮槽机构的活动关节部固定有执行部连接件。

13、基上所述，所述固定导轨的数量为两条，彼此平行的设置于所述主体部长度方向的两侧。

14、基上所述，所述凸轮槽轨道的轮廓曲线通过以下方法确定：

15、根据对预设响应曲线的约束，确定最大力和最大能量变化；

16、预设凸轮槽机构的基本单元，其中的凸轮槽轨道为大致的“m”形，其中，弹簧仅有一个，弹簧的下端固定点位于主体部中凸轮槽轨道中心处正下方，弹簧的数据表示如下：弹簧组最大长度、弹簧组最大力与最大拉伸量 ，以上数据可定义一种标准弹簧；

17、对预设凸轮槽机构的基本单元进行静态受力分析，得到弹簧的约束力方程为：

18、，

19、其中，αi，θi为预设响应曲线中取得最大力时弹簧力与竖直方向的夹角以及沿接触点法线方向的支持力与竖直方向的夹角；

20、将两角度的绝对值均限制在π/3以下，同时限定，安全系数sf设定为2；求得弹簧的伸长量和弹簧力fs2，将其带入力平衡方程可求解角度α与θ，则可确定此时的接触点坐标为：

21、，

22、由此可求得凸轮槽轮廓曲线的整体形状；

23、为使机构更加紧凑并降低对单根弹簧的刚度需求，将弹簧固定点由位于主体部中凸轮槽轨道中心处正下方改为分别向两侧各偏置相等距离 d，偏置后弹簧数量翻倍，在总刚度不变的前提下，单根弹簧刚度需求相应降低，基于偏置前安装方法设计的原凸轮轮廓已无法满足给定的预设响应曲线要求，因此需依据偏置后的几何条件重新设计凸轮轮廓；

24、设定基本单元的优化参数包括：最大弹簧长度 、最大弹簧力 、最大弹簧伸长量 ，凸轮槽曲线的横坐标区间即为位移区间，因此不能对凸轮槽轮廓进行等比例缩放，相应地，平动关节的优化参数调整为针对纵坐标的修正量：纵坐标缩减量 、纵坐标缩放系数 、线性倾斜项系数  及二次曲率项系数 ，综上可得优化后的凸轮轮廓曲线坐标与凸轮槽轮廓曲线坐标为：

25、，

26、优化后平动变刚度原理和优化前的结构类似，设左侧弹簧为a弹簧，右侧弹簧为b弹簧，对运动后的滚动件和凸轮槽轨道的接触点进行受力分析，接触点受力情况为：a，b弹簧的拉力fsa，fsb，其具体数值可由点到直线距离与胡克定律求得；使滑块发生匀速运动的拉力fe；由于弹簧拉力产生的凸轮轮廓对滑轮产生的支持力fn，设此时a，b弹簧与竖直方向的夹角分别为αa2，αb2，总支持力fn与竖直方向的夹角为θ对这些力进行水平和竖直方向的分解，可得式子如下：

27、，，

28、其中x下标为相关水平分力，y下标为相关竖直分力，通过上述公式求得优化后的数据。

29、所述凸轮槽轨道的轮廓曲线的确定可根据期望的力矩进行轮廓曲面和弹性参数设计，设计过程采用了反向推导的思路，即先确定抗过载被动变刚度关节的期望特性，再根据期望确定相应的响应曲线，结合基本的结构形式，对轮廓曲面和弹性参数进行计算和设计，实现了与传统正向设计构思完全不同的思路。

30、本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说：本发明通过设计的呈大致的“m”形的凸轮槽轨道，并配套相应的弹簧和活动关节部设计，使其具备变刚度能力，且变刚度性能呈现显著的特点：在位移较小时，曲线呈大刚度，以保证静态定位精度；进入工作段后，曲线转为负刚度，使响应扭矩满足柔顺需求；随着位移继续增大，曲线过渡为零刚度，在维持柔顺性的同时提供抗过载缓冲区间；当位移达到设定阈值后，曲线恢复大刚度，起到机械限位与防触底作用，实现了刚性分阶段动态变化的需求，并且应对不同阶段呈现不同的刚性能力，有效避免了关节受损，且由于刚性合理的变化控制设计，驱动过程稳定性更高，抗过载性能优异。

31、在相应的轮廓曲线确定过程中，根据期望的力矩进行轮廓曲面和弹性参数设计，与传统的先进行轮廓设计，再进行结构优化的方案有显著差异，解决了传统方案中需要频繁测试和实验的盲目性问题。