本發(fā)明屬于繩驅(qū)動機器人，具體涉及一種變剛度繩驅(qū)動關(guān)節(jié)及其剛度計算方法。

背景技術(shù)：

1、為使蛇形機械臂具有剛度變化的特性，蛇形機械臂的關(guān)節(jié)或連桿常引入彈簧、形狀記憶合金或顆粒群等具有特殊受控剛度特性的材料或結(jié)構(gòu)。在中國發(fā)明專利cn113386166a中公開了一種適用于超冗余機械臂的解耦可變剛度關(guān)節(jié)，該關(guān)節(jié)借由控制關(guān)節(jié)內(nèi)中空風(fēng)琴式可變剛度驅(qū)動器本體內(nèi)部液態(tài)金屬的溫度，使液態(tài)金屬變?yōu)楣虘B(tài)，實現(xiàn)對相應(yīng)控制關(guān)節(jié)的固定，提高蛇形機械臂的剛度。在2017年6月18～20日的學(xué)術(shù)會議“201712th?ieee?conference?on?industrial?electronics?and?applications”中，會議收錄了一種具有可變剛度的2-dof繩索驅(qū)動接頭模塊。該方案為了增加剛度范圍，提出了一種具有緊湊配置的可變剛度裝置并進行了優(yōu)化，并提出了一種2-dof繩索驅(qū)動接頭模塊的設(shè)計優(yōu)化方法，以獲得較大的剛度可調(diào)范圍。

2、在這兩種蛇形機械臂變剛度關(guān)節(jié)方案中，前者由于其引入了性質(zhì)復(fù)雜的相變金屬材料，并借助溫度控制來改變金屬相態(tài)，進而改變關(guān)節(jié)的剛度。該種剛度控制方法難以建模、控制困難，不能連續(xù)改變關(guān)節(jié)的剛度；而后者基于彈簧引入了變剛度接頭模塊，略微增加了關(guān)節(jié)剛度變化范圍，但其仍然存在剛度范圍受限的問題。此外，在這兩種方案中，驅(qū)動器與關(guān)節(jié)之間的傳動比保持恒定，這使得不論關(guān)節(jié)在受到何等程度的外界干擾時，其擾動均會按均勻的比例傳遞到繩索上，不利于關(guān)節(jié)的抗擾動性能。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種變剛度繩驅(qū)動關(guān)節(jié)及其剛度計算方法，以提高關(guān)節(jié)剛度變化范圍和抗擾動性能。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種可變剛度關(guān)節(jié)，包括基座、斜盤、十字鉸和若干組幾何可變滑輪組；

3、所述基座上設(shè)有基座托盤，用于與所述十字鉸轉(zhuǎn)動連接；所述斜盤與所述十字鉸轉(zhuǎn)動連接；

4、所述幾何可變滑輪組包括繩索、設(shè)置于所述斜盤下方的斜盤繩孔、設(shè)置于所述基座底部的第一基座繩孔和第二基座繩孔、固定于所述基座的底部和所述基座托盤之間的滑軌以及套設(shè)于所述滑軌上的滑動座和彈簧；所述彈簧位于所述滑動座和所述基座底部之間；所述滑動座上設(shè)有滑動繩孔；

5、所述繩索的一端固定于所述滑動座上，然后依次穿過所述第一基座繩孔、斜盤繩孔、滑動繩孔和第二基座繩孔后末端與電機連接，用于通過所述繩索調(diào)節(jié)所述斜盤的位姿。

6、進一步的，從所述滑動座上的固定點到所述第一基座繩孔之間的繩索與從所述滑動繩孔到所述第二基座繩孔之間的繩索相互平行。

7、進一步的，所述幾何可變滑輪組為三組，等間距分布于所述基座和所述斜盤之間。

8、進一步的，所述十字鉸的頂部和底部分別設(shè)有上齒輪和下齒輪，所述斜盤上設(shè)有與所述上齒輪嚙合的轉(zhuǎn)動齒輪，所述基座的底部設(shè)有與所述下齒輪嚙合的齒輪；所述上齒輪和下齒輪的嚙合處分別設(shè)有角位移傳感器。

9、本發(fā)明還提供一種可變剛度關(guān)節(jié)的剛度確定方法，包括：構(gòu)建示(1)所示的關(guān)節(jié)剛度方程和關(guān)節(jié)多維度狀態(tài)集，然后在此集中運用粒子群算法，以關(guān)節(jié)基本結(jié)構(gòu)為約束，關(guān)節(jié)勢能最小化為求解目標，對關(guān)節(jié)狀態(tài)進行求解，再代入關(guān)節(jié)剛度方程得到關(guān)節(jié)剛度：

10、

11、其中，kj為關(guān)節(jié)剛度，ks是彈簧的剛度，kc是繩索剛度，f是驅(qū)動繩索上的張力，jl是關(guān)節(jié)位姿的雅各比矩陣，jlt是雅各比矩陣的轉(zhuǎn)置，q是關(guān)節(jié)角位移。

12、進一步的，所述關(guān)節(jié)勢能如式(2)所示：

13、

14、其中，e為關(guān)節(jié)勢能，ks是彈簧的剛度，xs為彈簧的壓縮量，kc為繩索剛度，l為驅(qū)動繩索的伸長量。

15、進一步的，所述關(guān)節(jié)多維度狀態(tài)集包括幾何可變滑輪組的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)集、dh參數(shù)集和粒子群參數(shù)集。

16、進一步的，所述幾何可變滑輪組的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)集包括幾何可變滑輪組j中第一基座繩孔(53)到斜盤繩孔(51)的空間向量第一基座繩孔(53)到關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心的空間向量滑動繩孔(52)到斜盤繩孔(51)的空間向量滑動繩孔(52)到關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心的空間向量j在初始狀態(tài)下，滑動繩孔(52)到第一基座繩孔(53)的空間向量

17、進一步的，運用所述粒子群算法求解剛度的過程包括：

18、構(gòu)建關(guān)節(jié)幾何可變滑輪組基本方程lj＝lj(fj)·q；其中，lj(fj)是從關(guān)節(jié)角位移q到幾何可變滑輪組j所對應(yīng)的驅(qū)動繩索長度lj的雅各比矩陣；

19、根據(jù)幾何變滑輪組基本方程，構(gòu)建關(guān)節(jié)角度-繩索張力的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)集；

20、構(gòu)建關(guān)節(jié)運動學(xué)變換方程其中，rj為幾何可變滑輪組的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)集；

21、初始化粒子群變量p；

22、當關(guān)節(jié)勢能未收斂或者迭代次數(shù)未超上限時，使用查表法查找并插值基本結(jié)構(gòu)參數(shù)集中變量p對應(yīng)的數(shù)據(jù)，代入關(guān)節(jié)運動學(xué)變換方程求解關(guān)節(jié)勢能，最終解出關(guān)節(jié)最優(yōu)參數(shù)；

23、代入關(guān)節(jié)剛度方程kj，解出關(guān)節(jié)剛度。

24、總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點：

25、1、本發(fā)明提供的可變剛度關(guān)節(jié)，通過在基座和斜盤之間設(shè)置若干組幾何可變滑輪組，在關(guān)節(jié)驅(qū)動繩索的拮抗作用下，幾何可變滑輪組會發(fā)生受控形變，進而改變各繩孔所組成的三角形形狀，從而改變繩索對斜盤繩孔所產(chǎn)生的力的方向和力臂長度，當繩索上的下拉力增大時，對關(guān)節(jié)中心所產(chǎn)生的力矩的力臂長度會增加，又因為繩索的力增大，因此幾何可變滑輪組整體對關(guān)節(jié)中心產(chǎn)生的力矩會加倍增大，使得關(guān)節(jié)具備較大的關(guān)節(jié)剛度變化幅度，并且關(guān)節(jié)在受到外界擾動時，其關(guān)節(jié)剛度將會隨著外界擾動的增強而增強，具有更強的穩(wěn)定性。

26、2、本發(fā)明提供的可變剛度關(guān)節(jié)，由具有規(guī)律彈性的元件(即彈簧)以及剛體元件組成，其力學(xué)模型易于計算，進而能夠?qū)崿F(xiàn)對于關(guān)節(jié)位姿、剛度等物理特性的精確控制。如此既能根據(jù)剛度的需求，計算得到電機驅(qū)動器的參數(shù)，然后對關(guān)節(jié)進行精確驅(qū)動；又便于對關(guān)節(jié)的機械結(jié)構(gòu)和參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。

27、3、本發(fā)明提供的可變剛度關(guān)節(jié)既可適用于復(fù)雜環(huán)境檢修的繩驅(qū)蛇形機械臂的關(guān)節(jié)部分，該類型工作環(huán)境對于機械臂的柔順性、適應(yīng)性和承載能力有著額外要求；又可適用于如廢墟探測等難建模環(huán)境的自適應(yīng)探索，該類型工作環(huán)境要求機械臂具有根據(jù)環(huán)境自適應(yīng)改變自身姿態(tài)的能力，同時還要求機械臂具備一定的承載能力。

技術(shù)特征：

1.一種可變剛度關(guān)節(jié)，其特征在于，包括基座(4)、斜盤(3)、十字鉸(2)、若干組幾何可變滑輪組(5)和電機；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變剛度關(guān)節(jié)，其特征在于，從所述滑動座(58)上的固定點到所述第一基座繩孔(53)之間的繩索(56)與從所述滑動繩孔(52)到所述第二基座繩孔(54)之間的繩索(56)相互平行。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變剛度關(guān)節(jié)，其特征在于，所述幾何可變滑輪組(5)為三組，等間距分布于所述基座(4)和所述斜盤(3)之間。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變剛度關(guān)節(jié)，其特征在于，所述十字鉸(2)的頂部和底部分別設(shè)有上齒輪(21)和下齒輪(23)，所述斜盤(3)上設(shè)有與所述上齒輪(21)嚙合的轉(zhuǎn)動齒輪(31)，所述基座(4)的底部設(shè)有與所述下齒輪(23)嚙合的齒輪。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的可變剛度關(guān)節(jié)，其特征在于，所述上齒輪(21)和下齒輪(23)的嚙合處分別設(shè)有角位移傳感器(1)。

6.一種權(quán)利要求1-5任一項所述的可變剛度關(guān)節(jié)的剛度確定方法，其特征在于，包括：構(gòu)建示(1)所示的關(guān)節(jié)剛度方程和關(guān)節(jié)多維度狀態(tài)集，然后在此集中運用粒子群算法，以關(guān)節(jié)基本結(jié)構(gòu)為約束，關(guān)節(jié)勢能最小化為求解目標，對關(guān)節(jié)狀態(tài)進行求解，再代入關(guān)節(jié)剛度方程得到關(guān)節(jié)剛度：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的剛度確定方法，其特征在于，所述關(guān)節(jié)勢能如式(2)所示：

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的剛度確定方法，其特征在于，所述關(guān)節(jié)多維度狀態(tài)集包括幾何可變滑輪組的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)集、dh參數(shù)集和粒子群參數(shù)集。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的剛度確定方法，其特征在于，所述幾何可變滑輪組的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)集包括幾何可變滑輪組j中第一基座繩孔(53)到斜盤繩孔(51)的空間向量第一基座繩孔(53)到關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心的空間向量滑動繩孔(52)到斜盤繩孔(51)的空間向量滑動繩孔(52)到關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心的空間向量j在初始狀態(tài)下，滑動繩孔(52)到第一基座繩孔(53)的空間向量

10.根據(jù)權(quán)利要求6-9任一項所述的剛度確定方法，其特征在于，運用所述粒子群算法求解剛度的過程包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于繩驅(qū)動機器人技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種變剛度繩驅(qū)動關(guān)節(jié)及其剛度計算方法。包括基座、斜盤、十字鉸和若干組幾何可變滑輪組；基座上設(shè)有基座托盤，用于與十字鉸轉(zhuǎn)動連接；斜盤與十字鉸轉(zhuǎn)動連接；幾何可變滑輪組包括繩索、設(shè)置于斜盤下方的斜盤繩孔、設(shè)置于基座底部的第一基座繩孔和第二基座繩孔、固定于基座的底部和基座托盤之間的滑軌以及套設(shè)于滑軌上的滑動座和彈簧；彈簧位于滑動座和基座底部之間；滑動座上設(shè)有滑動繩孔；繩索的一端固定于滑動座上，然后依次穿過第一基座繩孔、斜盤繩孔、滑動繩孔和第二基座繩孔后末端與電機連接，用于通過繩索調(diào)節(jié)斜盤的位姿。本發(fā)明的變剛度關(guān)節(jié)易于建模和調(diào)控且具有較大關(guān)節(jié)剛度變化范圍。

技術(shù)研發(fā)人員：謝遠龍,陳光溥,王書亭,李虎,張鴻洋
受保護的技術(shù)使用者：華中科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9