一种基于凸轮机构的变刚度传动关节及切换控制方法与流程

1.本发明涉及机器人变刚度传动技术领域，具体为一种基于凸轮机构的变刚度传动关节及切换控制方法。


背景技术：

2.在机器人、车辆传动等领域，传动关节作为动力传输的重要组成部分，对机构运动学特性和动力学特性起着非常重要的作用。传统的传动关节为了保证输出位置精度，追求的是传动关节的高刚度或保持刚度固定不变，但是这就造成了传统传动关节的适应性较差、人机交互能力弱。近年来，为了提高机器人领域传动关节的人机交互能力，以及传动关节在不同工况下的载荷适应能力，变刚度转动关节获得了越来越多的关注。
3.变刚度关节结构形式灵活多样，主要包括拮抗型、预紧型、弹簧片型、变传输比型等基本类型。这类变刚度关节均是通过电机配合减速器驱动特定的机械结构，改变变刚度元件的状态，达到调节关节刚度的目的。如中国专利cn201510715690.3公开了一种凸轮结构变刚度弹性关节，弹簧片是变刚度元件，一端与轴固联，一端与外圈固联，通过凸轮盘的旋转，改变滑动块在弹簧片上位置，从而改变弹簧片的有效变形长度，达到改变输出关节刚度的目的。该结构只能通过锁死凸轮盘固定滑动块的位置，从而实现输出刚度保持，但是在外力作用下，滑动块上的凸轮滚子与凸轮盘很容易发生相对移动，因此该机构的刚度保持性差，在具体应用中很难实现有效控制；又如中国专利cn201810733720.7公开了一种基于凸轮机构的变刚度关节，该专利中通过锁定电机实现关节输入转轴位置的固定，从而实现输出刚度保持，但是同样在外力作用下，圆弧凸轮与关节输入转轴会发生相对转动，导致该方案的刚度保持性差。因此，在设计过程中，为了充分利用变刚度关节优点，应充分考虑实际应用过程中变刚度关节的刚度保持性问题，方便控制。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于凸轮机构的变刚度传动关节及切换控制方法。目的在于克服现有技术中存在的变刚度关节刚度保持性差、控制难度大的问题。在本发明中通过导轨机构集成设置推杆定位片与可移动平台的锁死机构，利用电气控制实现了变刚度传动关节变刚度功能和传动功能的切换，有效保证了变刚度传动关节的刚度保持性。
5.本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
6.一种基于凸轮机构的变刚度传动关节，包括传动模块和变刚度模块，传动模块包括：
7.后轴ⅰ，具有空腔且内置有依次连接的大电磁铁、大弹簧、变刚度电机及减速器；
8.前轴ⅰ，具有空腔且与后轴ⅰ固定联接；
9.轴ⅱ，内置在前轴ⅰ空腔内且相对于前轴ⅰ转动；
10.扭杆，内置在前轴ⅰ空腔内且两端连接后轴ⅰ与轴ⅱ，用于实现动力从后轴ⅰ传递到
轴ⅱ上；
11.变刚度模块包括：
12.圆柱凸轮机构，通过轴承安装在前轴ⅰ空腔内，与减速器连接；
13.可移动平台，内置在前轴ⅰ空腔内且套在扭杆上，并与圆柱凸轮机构连接；
14.导轨机构，与前轴ⅰ过盈配合且与后轴ⅰ同轴心，分别与圆柱凸轮机构、可移动平台配合。
15.优选的，所述圆柱凸轮机构包括通过轴承安装在前轴ⅰ空腔内的圆柱凸轮、与导轨机构配合的推杆定位片、设置在圆柱凸轮凸轮轮廓线上的滚子、穿过推杆定位片且两端对应连接在滚子、可移动平台上的推杆、与减速器连接的外齿轮。
16.优选的，所述圆柱凸轮为空腔结构，所述圆柱凸轮的端面上设有与外齿轮啮合连接的内齿轮。
17.优选的，所述导轨机构包括带有导槽的导轨、装配在导轨导槽内的可移动齿条ⅰ及可移动齿条ⅱ、设置在导轨导槽底面上的小电磁铁ⅰ及小电磁铁ⅱ、小弹簧ⅰ及小弹簧ⅱ，所述小电磁铁ⅰ、小弹簧ⅰ与可移动齿条ⅰ连接，所述小电磁铁ⅱ、小弹簧ⅱ与可移动齿条ⅱ连接，所述可移动齿条ⅰ与推杆定位片配合，所述可移动齿条ⅱ与可移动平台配合。
18.优选的，所述推杆定位片上设有与可移动齿条ⅰ配合的固定块，所述固定块上设有霍尔接近开关传感器。
19.优选的，所述可移动齿条ⅰ上设有与固定块配合的凹槽，凹槽的底部设有永磁体。
20.优选的，所述可移动平台上设有与推杆一端部连接的圆周导轨、与可移动齿条ⅱ配合的齿形块、激光位移传感器。
21.优选的，所述可移动齿条ⅱ上设有与齿形块配合的齿形槽。
22.应用于一种基于凸轮机构的变刚度传动关节的切换控制方法，该切换控制方法基于切换控制系统，该切换控制系统包括基于凸轮机构的变刚度传动关节、采集激光位移传感器及霍尔接近开关传感器数据的信号采集卡、控制变刚度电机运动的电机驱动器、对应控制大电磁铁、小电磁铁ⅰ、小电磁铁ⅱ得失电的继电器ⅰ、继电器ⅱ、继电器ⅲ、与信号采集卡、电机驱动器、继电器ⅰ、继电器ⅱ、继电器ⅲ连接的控制器，具体步骤如下：
23.(a)零点位置设定：通过霍尔接近开关传感器感应可移动齿条ⅰ上凹槽底部的永磁体，并发出信号，以确定零点位置；
24.(b)根据变刚度传动关节传动过程中所需的刚度值，确定扭杆的目标有效变形长度；
25.(c)刚度调节：控制器通过继电器ⅰ、继电器ⅱ、继电器ⅲ控制大电磁铁失电、小电磁铁ⅰ失电、小电磁铁ⅱ得电，使得推杆定位片与导轨之间位置锁死，变刚度电机与圆柱凸轮动力连接，后通过圆柱凸轮、推杆驱动可移动平台沿前轴ⅰ轴向移动，从而调节可移动平台与轴ⅱ之间的距离；
26.(d)传动功能实现：控制器通过继电器ⅰ、继电器ⅱ、继电器ⅲ控制大电磁铁得电、小电磁铁ⅰ得电、小电磁铁ⅱ失电，使得推杆定位片与导轨之间脱离锁死，变刚度电机与圆柱凸轮脱离动力连接，可移动平台与导轨之间位置锁死，后轴ⅰ、前轴ⅰ转动，通过扭杆带动轴ⅱ随后轴ⅰ同步转动以进行扭转传动；
27.(e)复位：检测推杆定位片是否处于零点位置，若未处于零点位置，则控制器通过
继电器ⅰ控制大电磁铁失电，使变刚度电机与圆柱凸轮动力连接后带动检测推杆定位片旋转，直至处于零点位置为止；若处于零点位置，则控制器通过继电器ⅱ控制小电磁铁ⅰ失电，使推杆定位片与导轨之间位置锁死。
28.进一步地，步骤(b)中扭杆的目标有效变形长度通过如下公式确定：
[0029][0030]
式中l表示扭杆的有效变形长度，e表示扭杆的弹性模量，r表示扭杆的旋转半径，d表示扭杆的截面直径，θ表示扭杆的弯曲转角，k表示传动过程中需要的变刚度传动关节刚度值。
[0031]
本发明的有益效果是：
[0032]
与现有技术相比，一方面本发明所提供的基于凸轮机构的变刚度传动关节，圆柱凸轮为空腔结构，动力通过其内表面的内齿轮传递，并且扭杆穿过圆柱凸轮，两边分别与轴ⅰ和轴ⅱ固联，从而做到了结构紧凑、质量轻便；另一方面本发明所提供的基于凸轮机构的变刚度传动关节，通过控制大电磁铁、小电磁铁ⅰ、小电磁铁ⅱ得失电，可实现推杆定位片位置和可移动平台位置的锁死，实现传动功能与变刚度功能的切换，具有控制简单、刚度保持性高的优势。
附图说明
[0033]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
[0034]
图1为本发明中变刚度转动关节的外部结构示意图；
[0035]
图2为本发明中变刚度转动关节的内部结构示意图；
[0036]
图3为本发明中传动模块的结构示意图；
[0037]
图4为本发明中外齿轮与圆柱凸轮右端的内齿轮啮合示意图；
[0038]
图5为本发明中外齿轮与减速器输出轴的联接示意图；
[0039]
图6为本发明中圆柱凸轮机构的结构示意图；
[0040]
图7为本发明的导轨机构与可移动平台、推杆定位片的配合示意图；
[0041]
图8为本发明中导轨机构(不包含导轨)的前视结构示意图；
[0042]
图9为本发明中导轨机构(不包含导轨)的后视结构示意图；
[0043]
图10为本发明的控制流程框图；
[0044]
图11为本发明实施例中零点位置的确定示意图；
[0045]
图12为本发明实施例中刚度调节功能的控制流程图；
[0046]
图13为本发明实施例中变刚度时各电磁铁和弹簧的状态示意图；
[0047]
图14为本发明实施例中传动功能的控制流程图；
[0048]
图15为本发明实施例中传动时各电磁铁和弹簧的状态示意图。
[0049]
图中：1、后轴ⅰ；2、螺栓；3、垫片；4、螺母；5、前轴ⅰ；6、端盖；7、螺钉；8、轴ⅱ；9、大电磁铁；10、大弹簧；11、电机定位片；12、轴承；12
‑
1、轴承ⅰ；12
‑
2、轴承ⅱ；13、圆柱凸轮；14、可移动平台；15、导轨；16、扭杆；17、推杆定位片；18、推杆；19、变刚度电机；20、外齿轮；21、减速器；22、定位螺钉；23、滚子；24、小电磁铁ⅰ；25、小弹簧ⅰ；26、小电磁铁ⅱ；27、小弹簧ⅱ；28、可移动齿条ⅰ；29、可移动齿条ⅱ；30、扭杆定位片；31、定位销；32、激光位移传感器；33、
霍尔接近开关传感器；34、信号采集卡；35、控制器；36、继电器ⅰ；37、继电器ⅱ；38、继电器ⅲ；39、电机驱动器；40、固定块；41、圆周导轨；42、齿形块；43、凹槽。
具体实施方式
[0050]
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图以及实施例对本发明进一步阐述。
[0051]
如图1至图9所示，一种基于凸轮机构的变刚度传动关节，包括传动模块、变刚度模块、以及位于传动模块内的大电磁铁9、大弹簧10、变刚度电机19以及减速器21。
[0052]
具体的，如图2和图3所示，所述传动模块包括后轴ⅰ1、前轴ⅰ5、端盖6、轴ⅱ8、扭杆16。
[0053]
进一步地，所述后轴ⅰ1与前轴ⅰ5之间通过四组周向均布的螺栓2、垫片3以及螺母4进行固定联接。
[0054]
所述后轴ⅰ1、前轴ⅰ5均具有空腔，所述大电磁铁9、大弹簧10、变刚度电机19以及减速器21依次连接且内置在后轴ⅰ1的空腔内，其中所述变刚度电机19与减速器21与一体式结构，所述变刚度电机19的底部通过电机定位片11安装在后轴ⅰ1的空腔内，所述电机定位片11金属材料，且设有移动导槽，以达到限制变刚度电机19和减速器21转动的目的。
[0055]
所述端盖6呈中空结构，通过螺钉7与前轴ⅰ5固定联接。
[0056]
所述轴ⅱ8内置在前轴ⅰ5空腔内，通过轴承ⅰ12
‑
1、轴承ⅱ12
‑
2与前轴ⅰ5的空腔内壁配合，实现了相对与前轴ⅰ5的转动。
[0057]
所述扭杆16内置在前轴ⅰ5空腔内，通过扭杆定位片30、定位销31一端联接在后轴ⅰ1上，另一端联接在轴ⅱ8上，实现了动力从后轴ⅰ1上通过扭杆16传递到轴ⅱ8上。
[0058]
具体的，如图2所示，所述变刚度模块包括圆柱凸轮机构、可移动平台14、导轨机构。
[0059]
进一步地，如图6所示，所述圆柱凸轮机构包括带有空腔结构的圆柱凸轮13、安装在圆柱凸轮13的凸轮轮廓线上的两个滚子23、与圆柱凸轮13同心分布的推杆定位片17、并排分布且均穿过推杆定位片17的两个推杆18。两个推杆18的一端与两个滚子对应固定联接，另一端通过球铰与可移动平台14上的圆周导轨配合联接。通过球铰与圆周导轨配合，可实现推杆18在可移动平台14上的周向旋转。如图2所示，所述圆柱凸轮13通过轴承12安装在前轴ⅰ5的空腔内。如图4所示，所述圆柱凸轮13的端面上设有内齿轮，所述内齿轮啮合有外齿轮20。如5所示，所述外齿轮20通过定位螺钉22与减速器的输出轴固定联接。
[0060]
如图7、图8、图9所示，所述导轨机构包括导轨15、小电磁铁ⅰ24、小弹簧ⅰ25、小电磁铁ⅱ26、小弹簧ⅱ27、可移动齿条ⅰ28、可移动齿条ⅱ29。其中，所述导轨15设有两个呈对称结构，且均带有导槽。
[0061]
如图9所示，所述可移动齿条ⅰ28的底部设有两个固定连接在导轨15导槽的底面上的小电磁铁ⅰ24、一个小弹簧ⅰ25，所述可移动齿条ⅱ29的底部设有两个固定连接在导轨15导槽的底面上的小电磁铁ⅱ26、一个小弹簧ⅱ27。
[0062]
如图6所示，所述推杆定位片17上设有固定块40，所述固定块40上设有霍尔接近开关传感器33，所述霍尔接近开关传感器33可实时检测推杆定位片17上固定块与可移动齿条ⅰ28的相对位置。如图8、图11所示，所述可移动齿条ⅰ28上设有与推杆定位片17上固定块40
配合的凹槽43，通过固定块40、凹槽43，能够实现推杆定位片17的位置锁死。如图6所示，所述可移动平台14上设有齿形块42。如图8所示，可移动齿条ⅱ29上设有与齿形块42配合的齿形槽，通过齿形块42与齿形槽的配合，能够实现可移动平台14的位置锁死。小弹簧ⅰ25和小弹簧ⅱ27处于压缩状态，当小电磁铁ⅰ24得电时，便会吸附可移动齿条ⅰ28，使可移动齿条ⅰ28沿导轨15的径向移动，可移动齿条ⅰ28上的凹槽凹槽43与推杆定位片17上的固定块分离，推杆定位片17可轴向旋转；当小电磁铁ⅱ26得电时，便会吸附可移动齿条ⅱ29，使可移动齿条ⅱ29沿导轨15的径向移动，可移动齿条ⅱ29上齿形槽与可移动平台14齿形块分离，推杆定位片17可沿轴向移动。
[0063]
如图10所示，为本发明的控制流程框图，本发明的切换控制方法基于切换控制系统，该切换控制系统包括基于凸轮机构的变刚度传动关节、采集激光位移传感器32及霍尔接近开关传感器33数据的信号采集卡34、控制变刚度电机19运动的电机驱动器39、对应控制大电磁铁9、小电磁铁ⅰ24、小电磁铁ⅱ26得失电的继电器ⅰ36、继电器ⅱ37、继电器ⅲ38、与信号采集卡34、电机驱动器39、继电器ⅰ36、继电器ⅱ37、继电器ⅲ38连接的控制器35。
[0064]
具体的，控制器35接受信号采集卡34采集的激光位移传感器32和霍尔接近开关传感器33，控制继电器ⅰ36、继电器ⅱ37、继电器ⅲ38，继电器ⅰ36、继电器ⅱ37和继电器ⅲ38相应的控制大电磁铁9、小电磁铁ⅰ24、小电磁铁ⅱ26的得失电情况，控制器35同时通过电机驱动器39驱动变刚度电机19运动，变刚度模式下变刚度电机19的运动影响激光位移传感器32的输出，传动模式下变刚度电机19的运动影响霍尔接近开关传感器33的输出。
[0065]
一种基于凸轮机构的变刚度传动关节的切换控制方法，具体步骤如下：
[0066]
(a)零点位置设定：通过霍尔接近开关传感器33感应可移动齿条ⅰ28上凹槽43底部的永磁体，并发出信号，以确定零点位置。
[0067]
具体的，为了保证变刚度传动关节实现传动功能后，不影响变刚度传动关节的变刚度功能，必须设置零点位置。零点位置设定为可移动齿条ⅰ28与推杆定位片17啮合的位置。如图11所示，可移动齿条ⅰ28上的凹槽43底部设置有永磁体，当推杆定位片17上的固定块40与可移动齿条ⅰ28上的凹槽43处于正对位置时，霍尔接近开关传感器33感应到可移动齿条ⅰ28上的凹槽43底部的永磁体，发出信号，确定零点位置。
[0068]
(b)根据变刚度传动关节传动过程中所需的刚度值，确定扭杆16的目标有效变形长度。
[0069]
具体的，本实施例中，扭杆16的目标有效变形长度可确定为：
[0070][0071]
式中l表示扭杆16的有效变形长度，e表示扭杆16的弹性模量，r表示扭杆16的旋转半径，d表示扭杆16的截面直径，θ表示扭杆16的弯曲转角，k表示传动过程中需要的变刚度传动关节刚度值。
[0072]
(c)刚度调节：控制器35通过继电器ⅰ36、继电器ⅱ37、继电器ⅲ38控制大电磁铁9和小电磁铁ⅰ24失电，小电磁铁ⅱ26得电。大电磁铁9失电，在大弹簧10作用下，变刚度电机19和减速器21向右移动，使外齿轮20与圆柱凸轮13右端面的内齿轮啮合；小电磁铁ⅰ24失电，在小弹簧ⅰ25作用下，可移动齿条ⅰ28径向内移，与推杆定位片17上固定块啮合，实现推杆定位片17的锁死；小电磁铁ⅱ26得电，可移动齿条ⅱ29与可移动平台14不啮合，可移动平
台14可沿前轴ⅰ5轴向移动；变刚度电机19经减速器21减速后，带动圆柱凸轮13转动，滚子23在凸轮廓线上纯滚动，在推杆定位片17的限制下，带动推杆18轴向移动，在推杆18的推动下，可移动平台14沿前轴ⅰ5轴向移动，改变可移动平台14与轴ⅱ8之间的距离，即改变扭杆16的有效变形长度，通过激光位移传感器32测量可移动平台14与轴ⅱ8之间的距离，当该距离值等于扭杆16的目标有效变形长度时，变刚度电机19停止运动。
[0073]
具体的，本实施例中，控制器35为plc控制器，刚度调节功能控制流程图如图12所示，其中plc控制器的输出端口q0.1接继电器ⅰ36，q0.2接继电器ⅱ37，q0.3接继电器ⅲ38。如图13所示，为本发明实施例中变刚度时各电磁铁和弹簧状态示意图，由于大电磁铁9失电，大弹簧10初始状态处于压缩状态，大弹簧10伸长推动变刚度电机19向右移动；由于小电磁铁ⅰ24失电，小弹簧ⅰ25初始状态处于压缩状态，小弹簧ⅰ25伸长推动可移动齿条ⅰ28与推杆定位片17啮合；由于小电磁铁ⅱ26得电，进一步压缩小弹簧ⅱ27。
[0074]
(d)传动功能实现：控制器35通过继电器ⅰ36、继电器ⅱ37、继电器ⅲ38控制大电磁铁9和小电磁铁ⅰ24得电，小电磁铁ⅱ26失电。大电磁铁9得电，变刚度电机19和减速器21向左移动，外齿轮20与圆柱凸轮13右端面的内齿轮未啮合；小电磁铁ⅰ24得电，可移动齿条ⅰ28径向外移，未和推杆定位片17上固定块啮合；小电磁铁ⅱ26失电，在小弹簧ⅱ27作用下，可移动齿条ⅱ29与可移动平台14上齿形块啮合，实现可移动平台14轴向的锁死；后轴ⅰ1和前轴ⅰ5转动，变刚度电机19、减速器21和扭杆16均绕后轴ⅰ1中心转动，导轨15与前轴ⅰ5过盈配合，和前轴ⅰ5同步转动，在导轨15的作用下，可移动平台14与导轨15同步转动，因可移动平台14与前轴ⅰ5之间的扭杆16与前轴ⅰ5、可移动平台14同步转动，故这部分扭杆只起连接作用，可移动平台14与轴ⅱ8之间的扭杆承受外部扭矩；此时变刚度传动关节可在设定刚度下进行传动。
[0075]
具体的，如图14所示，为传动功能控制流程图；如图15所示，为本发明实施例中传动时各电磁铁和弹簧状态示意图。由于大电磁铁9得电，进一步压缩大弹簧10，变刚度电机19向左移动；由于小电磁铁ⅰ24得电，进一步压缩小弹簧ⅰ25，可移动齿条ⅰ28与推杆定位片17不啮合；由于小电磁铁ⅱ26失电，小弹簧ⅱ27初始状态处于压缩状态，小弹簧ⅱ27伸长，推动可移动平台14与可移动齿条ⅱ29啮合。
[0076]
(e)复位：传动结束后，控制器35通过继电器ⅰ36控制大电磁铁9失电，在大弹簧10作用下，变刚度电机19和减速器21向右移动，使外齿轮20与圆柱凸轮13右端面的内齿轮啮合。检测前轴ⅰ5是否处于零点位置，若未处于零点位置，则变刚度电机19启动，通过推杆18带动推杆定位片17旋转，直至霍尔接近开关传感器33检测到可移动齿条ⅰ28上的凹槽43与推杆定位片17上的固定块40刚好处于正对位置，控制器35通过继电器ⅱ37控制小电磁铁ⅰ24失电，在小弹簧ⅰ25作用下，可移动齿条ⅰ与推杆定位片17上固定块啮合，实现推杆定位片17的锁死。
[0077]
与现有技术相比，一方面本发明所提供的基于凸轮机构的变刚度传动关节，圆柱凸轮为空腔结构，动力通过其内表面的内齿轮传递，并且扭杆穿过圆柱凸轮，两边分别与轴ⅰ和轴ⅱ固联，从而做到了结构紧凑、质量轻便；另一方面本发明所提供的基于凸轮机构的变刚度传动关节，通过控制大电磁铁、小电磁铁ⅰ、小电磁铁ⅱ得失电，可实现推杆定位片位置和可移动平台位置的锁死，实现传动功能与变刚度功能的切换，具有控制简单、刚度保持性高的优势。
[0078]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。