本發(fā)明涉及一種傳動關(guān)節(jié)，具體為一種基于磁場調(diào)控的主動柔順傳動關(guān)節(jié)及工作方法，屬于機(jī)器人控制。

背景技術(shù)：

1、當(dāng)前機(jī)器人產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，正極大改變著人類生產(chǎn)和生活方式，隨著機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的興起和發(fā)展，人機(jī)交互的技術(shù)為生產(chǎn)力的發(fā)展帶來革命性進(jìn)步。為了避免機(jī)器人交互過程中意外碰撞導(dǎo)致的事故，保護(hù)操作人員、機(jī)器人及環(huán)境設(shè)備的安全，同時適應(yīng)不同工況條件需求，設(shè)計一種性能可靠、結(jié)構(gòu)簡單、可控性高，同時具有剛度調(diào)整迅速、變化范圍廣的變剛度關(guān)節(jié)，對促進(jìn)機(jī)器人運動性能的提高具有重要意義。

2、變剛度機(jī)構(gòu)是仿生關(guān)節(jié)的關(guān)鍵組成部分，是區(qū)別于傳統(tǒng)剛性驅(qū)動器的重要部件，能夠直接影響關(guān)節(jié)的變剛度性能，當(dāng)前機(jī)器人變剛度柔順關(guān)節(jié)從結(jié)構(gòu)原理上主要分為：（1）平衡位置調(diào)節(jié)式，改變關(guān)節(jié)內(nèi)置彈簧片的有效長度來調(diào)節(jié)其撓曲剛度，進(jìn)而改變關(guān)節(jié)的輸出剛度；（2）拮抗作用式，使用一組彈簧和拮抗力來改變關(guān)節(jié)的剛度，從而允許機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時更好地適應(yīng)不同的環(huán)境和條件；（3）變結(jié)構(gòu)式，采用特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)，如彈簧片、行星輪系和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)等，配合改變彈性原件的有效工作長度來調(diào)整關(guān)節(jié)的剛度。傳統(tǒng)的變剛度關(guān)節(jié)多為接觸式傳動，容易發(fā)生疲勞損傷。例如中國專利cn106737824a提出的一種電磁式可變剛度的柔性轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，其通過徑向布置的線圈和電磁耦合達(dá)到變剛度的目的，并通過彈簧限位來使關(guān)節(jié)恢復(fù)到平衡位置，但長時間通電會導(dǎo)致線圈持續(xù)發(fā)熱，加速線圈的老化過程，降低其使用壽命，不能長時間工作。又如中國專利cn110978046a提出的一種基于圓柱凸輪的變剛度關(guān)節(jié)及其控制方法，通過調(diào)節(jié)筒形鐵心電磁鐵與環(huán)形銜鐵之間的吸力，使?jié)L子在圓柱凸輪筒壁上開設(shè)的曲面凹槽內(nèi)運動，從而使圓柱凸輪筒旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生回復(fù)力矩，改變電流大小以改變關(guān)節(jié)輸出剛度。但凸輪和筒壁之間的持續(xù)接觸和相對運動，長時間工作會導(dǎo)致凸輪輪廓的變形和精度的下降，同時鐵芯電磁鐵在持續(xù)電流工作狀態(tài)下容易老化，影響輸出剛度的精度。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的就在于為了解決上述至少一個技術(shù)問題而提供一種基于磁場調(diào)控的主動柔順傳動關(guān)節(jié)及工作方法，克服現(xiàn)有技術(shù)中變剛度原理復(fù)雜、響應(yīng)速度慢、調(diào)剛能耗大等問題。該關(guān)節(jié)實現(xiàn)完全的無接觸傳動，在沒有摩擦損耗的情況下提高整個關(guān)節(jié)的可靠性。同時，該關(guān)節(jié)的輸出剛度采用多級調(diào)節(jié)，可以應(yīng)對不同剛度需求場景實現(xiàn)大范圍的剛度調(diào)節(jié)，同時在控制振動和吸收沖擊方面有一定有益效果。

2、本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)上述目的：一種基于磁場調(diào)控的主動柔順傳動關(guān)節(jié)，包括輸出模塊，剛度調(diào)節(jié)模塊和位置驅(qū)動模塊，輸出模塊，剛度調(diào)節(jié)模塊和位置驅(qū)動模塊依次連接在一起；

3、輸出模塊包括輸出盤、圓柱螺母組、永磁擋片組、扇形永磁組ⅰ、螺栓ⅰ和螺母?。簧刃斡来沤Mⅰ安裝在輸出盤所開設(shè)的內(nèi)置凹槽內(nèi)，永磁擋片組通過螺栓ⅰ固定安裝在輸出盤所開設(shè)的周向插槽內(nèi)，圓柱螺母與螺母ⅰ配合連接在螺栓ⅰ上；

4、剛度調(diào)節(jié)模塊包括聯(lián)接盤ⅰ、聯(lián)接盤ⅱ、組裝軸模塊，聯(lián)接盤ⅰ與聯(lián)接盤ⅱ通過雙頭螺栓組聯(lián)接，且雙頭螺栓組設(shè)有拉伸彈簧組，組裝軸模塊一端與聯(lián)接盤ⅰ中心孔花鍵滑動聯(lián)接，另一端與軸承ⅲ內(nèi)圈聯(lián)接，且軸承ⅲ外圈與聯(lián)接盤ⅱ中心通孔過盈配合；

5、組裝軸模塊包括軸端擋圈、雙層鍵套筒、圓形花鍵軸、分段軸、彈性聯(lián)接鍵、u型彈簧組、帶槽螺母、螺釘ⅷ；圓形花鍵軸一端與雙層鍵套筒內(nèi)花鍵配合，且圓形花鍵軸軸身上設(shè)置有軸端擋圈，圓形花鍵軸另一端與分段軸一端采用彈性聯(lián)接鍵配合，分段軸另一端開設(shè)有螺紋與帶槽螺母配合，u型彈簧組配合螺釘ⅷ安裝在帶槽螺母的四個凹槽內(nèi)；

6、輸出模塊1還包括角接觸球軸承ⅰ，角接觸球軸承ⅰ內(nèi)圈過盈安裝在聯(lián)接盤ⅰ的凸軸上，且角接觸球軸承ⅰ外圈與輸出模塊1的輸出盤的中心凸軸固定安裝；

7、剛度調(diào)節(jié)模塊還包括扇形永磁組ⅱ、聯(lián)接盤ⅱ、齒輪組ⅱ、調(diào)剛電機(jī)ⅱ、齒輪組ⅲ、手輪螺母組和中心孔齒輪，調(diào)剛電機(jī)ⅱ輸出軸與連接法蘭固定安裝，連接法蘭通過螺釘ⅳ與傳動法蘭安裝在一起，傳動法蘭通過螺釘ⅵ安裝在中心孔齒輪上，中心孔齒輪通過軸承ⅱ安裝在組裝軸模塊的分段軸靠近螺紋位置處，帶槽螺母與軸承ⅱ內(nèi)圈接觸實現(xiàn)軸承ⅱ的軸向固定；同時，圓周排列安裝的齒輪組ⅲ與齒輪組ⅱ安裝在齒輪同步軸上，齒輪同步軸通過軸承組ⅰ安裝在聯(lián)接盤ⅱ上，手輪螺母組安裝在齒輪同步軸的螺紋段，齒輪組ⅲ與中心孔齒輪嚙合，調(diào)剛電機(jī)ⅱ驅(qū)動中心孔齒輪旋轉(zhuǎn)從而驅(qū)動齒輪組ⅲ旋轉(zhuǎn)，齒輪組ⅲ通過齒輪同步軸驅(qū)動齒輪組ⅱ旋轉(zhuǎn)；齒輪組ⅱ與直齒齒條組嚙合，聯(lián)接盤ⅱ上設(shè)有分度滑槽，扇形永磁組ⅱ固定安裝在直齒齒條組上，中心孔齒輪旋轉(zhuǎn)驅(qū)動齒輪組ⅱ使直齒齒條組在聯(lián)接盤ⅱ的分度滑槽上徑向滑動；

8、剛度調(diào)節(jié)模塊還包括凸軸盤、調(diào)剛電機(jī)ⅰ、法蘭盤ⅰ、小齒輪ⅰ、調(diào)剛齒輪，凸軸盤固定安裝在聯(lián)接盤ⅱ上，調(diào)剛齒輪通過角接觸球軸承ⅱ安裝在聯(lián)接盤ⅰ中心凸軸上，聯(lián)接盤ⅰ中心凸軸內(nèi)有花鍵槽與組裝軸模塊中的雙層鍵套筒的外層花鍵滑動聯(lián)接，同時聯(lián)接盤ⅱ設(shè)有花鍵內(nèi)孔與組裝軸模塊的圓形花鍵軸上花鍵配合聯(lián)接；法蘭盤ⅰ通過螺釘ⅲ固定在聯(lián)接盤ⅰ上，調(diào)剛電機(jī)ⅰ通過螺釘ⅱ固定安裝在法蘭盤ⅰ上，小齒輪ⅰ安裝在調(diào)剛電機(jī)ⅰ輸出端，同時與調(diào)剛齒輪嚙合，調(diào)剛齒輪一端設(shè)有多個螺旋式滑槽，另一端設(shè)有弧形凸輪導(dǎo)向壁??；每個螺旋滑槽均與扇形磁軛組ⅱ末端上的圓柱銷一一對應(yīng)配合；

9、剛度調(diào)節(jié)模塊還包括扇形磁軛模塊和聯(lián)接盤ⅰ，聯(lián)接盤ⅰ上開有分度貫穿式滑槽，扇形磁軛模塊包括扇形磁軛組ⅰ和扇形磁軛組ⅱ，每個扇形磁軛組ⅰ和扇形磁軛組ⅱ均通過四個螺釘ⅰ兩兩對稱固定安裝在分度貫穿式滑槽上；

10、位置驅(qū)動模塊包括驅(qū)動法蘭盤、中空式諧波減速器、法蘭盤ⅱ、驅(qū)動電機(jī)，驅(qū)動電機(jī)通過法蘭盤ⅱ連接中空式諧波減速器，中空式諧波減速器輸出端通過螺釘ⅶ連接驅(qū)動法蘭盤；驅(qū)動法蘭盤另一端采用螺釘ⅵ固定安裝在聯(lián)接盤ⅱ開設(shè)的環(huán)形凹槽上，使位置驅(qū)動模塊與剛度調(diào)節(jié)模塊相聯(lián)接，調(diào)剛電機(jī)ⅱ通過螺釘ⅴ固定在驅(qū)動法蘭盤的弧形凹槽上，調(diào)剛電機(jī)ⅱ尾部內(nèi)嵌于中空式諧波減速器中。

11、作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：扇形永磁組ⅰ和扇形永磁組ⅱ均設(shè)有八個扇形永磁體，兩兩對稱安裝形成耦合磁場。

12、作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：聯(lián)接盤ⅱ上設(shè)有八個均勻的分度滑槽，分度滑槽上開有開口槽使齒輪組ⅱ與直尺齒條組相互嚙合，八個直尺齒條組安裝在分度滑槽內(nèi)徑向滑動，扇形永磁組ⅱ固定安裝在直尺齒條組上；齒輪組ⅱ設(shè)有八個齒輪，均勻安裝在八個齒輪同步軸一端上，八個齒輪同步軸上通過軸承組ⅰ均布安裝在聯(lián)接盤ⅱ所開設(shè)的環(huán)向孔內(nèi)，八個齒輪同步軸的另一端安裝齒輪組ⅲ。

13、作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：當(dāng)扇形永磁組ⅰ和扇形永磁組ⅱ處于正對位置，凸輪導(dǎo)向壁ⅰ斜面最高點和凸輪導(dǎo)向壁ⅱ斜面最高點接觸，且扇形磁軛模塊處于近心端。

14、作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：調(diào)剛齒輪上開設(shè)的八個螺旋滑槽的圓心角為90°。

15、作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：調(diào)剛齒輪所設(shè)置的凸輪導(dǎo)向壁ⅰ與凸軸盤所設(shè)置的凸輪導(dǎo)向壁ⅱ的斜度均為45°，凸輪導(dǎo)向壁ⅰ和凸輪導(dǎo)向壁ⅱ的周向角度均為180°。

16、作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：凸輪導(dǎo)向壁ⅰ和凸輪導(dǎo)向壁ⅱ在拉伸彈簧組的拉力作用下始終接觸。

17、一種基于磁場調(diào)控的主動柔順傳動關(guān)節(jié)的工作方法，包括主動柔順傳動關(guān)節(jié)，該方法包括以下步驟：

18、步驟一、定義一級調(diào)剛的調(diào)節(jié)方法與調(diào)節(jié)范圍

19、一級調(diào)剛主要測定調(diào)剛電機(jī)ⅱ轉(zhuǎn)動范圍和扇形永磁組ⅱ的徑向滑移范圍的關(guān)系，繼而確定調(diào)剛電機(jī)ⅱ轉(zhuǎn)動范圍與主動柔順傳動關(guān)節(jié)輸出剛度的關(guān)系，并將結(jié)果記載入專家知識庫ⅰ中；

20、a.控制調(diào)剛電機(jī)ⅰ和調(diào)剛電機(jī)ⅱ，使主動柔順傳動關(guān)節(jié)位于初始位置；

21、b.扇形永磁組ⅱ安裝在直齒齒條組上，在聯(lián)接盤ⅰ上測定直齒齒條組在直尺滑槽上的徑向滑移范圍即可得出扇形永磁組ⅱ的徑向滑移范圍，齒輪組ⅱ與直齒齒條組嚙合，根據(jù)測定扇形永磁組ⅱ的滑移范圍確定齒輪組ⅱ的轉(zhuǎn)角范圍，齒輪組ⅱ和齒輪組ⅲ同軸傳動，即得出扇形永磁組ⅱ的徑向滑移范圍與齒輪組ⅲ的轉(zhuǎn)角關(guān)系；

22、c.齒輪組ⅲ與中心孔齒輪嚙合，根據(jù)定齒輪傳動比關(guān)系確定中心孔齒輪的轉(zhuǎn)角范圍，調(diào)剛電機(jī)ⅱ輸出端與連接法蘭固定安裝直接驅(qū)動中心孔齒輪，根據(jù)中心孔齒輪的轉(zhuǎn)角范圍確定調(diào)剛電機(jī)ⅱ的輸出轉(zhuǎn)角范圍；

23、d.繪制出調(diào)剛電機(jī)ⅱ轉(zhuǎn)角與扇形永磁組ⅰ的徑向滑移范圍關(guān)系曲線，基于最小二乘法進(jìn)行曲線擬合，確定調(diào)剛電機(jī)ⅱ轉(zhuǎn)角與扇形永磁組ⅱ的徑向滑移的關(guān)系；

24、e.利用maxwell仿真，在扇形永磁組ⅱ的徑向滑移范圍內(nèi)進(jìn)行步長掃描，測定扇形永磁組ⅱ不同徑向滑移位置下柔順傳動關(guān)節(jié)的輸出扭矩，運用場量計算器對曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行角度偏導(dǎo)處理，得出調(diào)剛電機(jī)ⅱ轉(zhuǎn)動范圍與主動柔順傳動關(guān)節(jié)輸出剛度關(guān)系，即標(biāo)定主動柔順傳動關(guān)節(jié)一級調(diào)剛的調(diào)節(jié)方法與調(diào)節(jié)范圍，并將結(jié)果記載入專家知識庫ⅰ；

25、步驟二、定義二級調(diào)剛的調(diào)節(jié)方法與調(diào)節(jié)范圍

26、二級調(diào)剛主要測定調(diào)剛電機(jī)ⅰ轉(zhuǎn)動范圍對主動柔順傳動關(guān)節(jié)輸出剛度的關(guān)系，具體體現(xiàn)在調(diào)剛電機(jī)ⅰ轉(zhuǎn)角與扇形磁軛模塊徑向位移范圍及扇形永磁組ⅱ與扇形永磁組ⅰ軸向氣隙的關(guān)系；

27、a.控制調(diào)剛電機(jī)ⅰ和調(diào)剛電機(jī)ⅱ，使主動柔順傳動關(guān)節(jié)位于初始位置；

28、b.調(diào)剛齒輪旋轉(zhuǎn)將同步影響扇形磁軛模塊的徑向位移和扇形永磁組ⅱ與扇形永磁組ⅰ的軸向氣隙，驅(qū)動調(diào)剛齒輪旋轉(zhuǎn)定步長角度，測定扇形磁軛模塊徑向位移，同時，測定扇形永磁組ⅱ和扇形永磁組ⅰ軸向距離，結(jié)合扇形磁軛模塊徑向位移行程范圍以及扇形永磁組ⅱ和扇形永磁組ⅰ軸向距離范圍，確定調(diào)剛齒輪的旋轉(zhuǎn)角度范圍，并確定調(diào)剛齒輪旋轉(zhuǎn)角度與扇形永磁組ⅱ和扇形永磁組ⅰ軸向氣隙長度關(guān)系，以及調(diào)剛齒輪旋轉(zhuǎn)角度與扇形磁軛模塊徑向位移的關(guān)系，確定扇形永磁組ⅱ和扇形永磁組ⅰ軸向氣隙長度變化與扇形磁軛模塊徑向位移的關(guān)系；

29、c.小齒輪ⅰ與調(diào)剛齒輪嚙合，根據(jù)定齒輪傳動比公式，確定小齒輪ⅰ的轉(zhuǎn)角范圍；

30、d.利用maxwell仿真，按照步驟三b中確定的扇形永磁組ⅱ和扇形永磁組ⅰ軸向氣隙長度變化與扇形磁軛模塊徑向位移關(guān)系，對扇形磁軛模塊的徑向位移和扇形永磁組ⅱ和扇形永磁組ⅰ軸向氣隙長度進(jìn)行同步多重掃描，測定扇形磁軛模塊的不同徑向位置和扇形永磁組ⅱ和扇形永磁組ⅰ不同軸向氣隙下主動柔順傳動關(guān)節(jié)輸出扭矩曲線，運用場量計算器對曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行角度偏導(dǎo)處理，得出調(diào)剛電機(jī)ⅰ轉(zhuǎn)動范圍對主動柔順傳動關(guān)節(jié)輸出剛度關(guān)系，即標(biāo)定二級調(diào)剛的調(diào)節(jié)方法與調(diào)節(jié)范圍，并將結(jié)果記載入專家知識庫ⅱ中；

31、步驟三、根據(jù)實際使用需求，確定輸出盤轉(zhuǎn)動剛度的期望值，根據(jù)步驟二、步驟三所記載的專家知識庫ⅰ和專家知識庫ⅱ，確定主動柔順關(guān)節(jié)啟用一級調(diào)剛或二級調(diào)剛；

32、當(dāng)期望轉(zhuǎn)動剛度位于一級調(diào)剛范圍內(nèi)，從主動柔順關(guān)節(jié)的初始位置，根據(jù)輸出盤輸出剛度與調(diào)剛電機(jī)ⅱ轉(zhuǎn)角關(guān)系的專家知識庫ⅰ，位置控制器通過伺服驅(qū)動器控制調(diào)剛電機(jī)ⅱ轉(zhuǎn)動到期望的輸出轉(zhuǎn)角，調(diào)剛電機(jī)ⅱ驅(qū)動中心孔齒輪輸出指定角度，中心孔齒輪嚙合齒輪組ⅲ通過驅(qū)動齒輪同步軸使齒輪組ⅱ轉(zhuǎn)到期望角度，此時，與齒輪組ⅱ嚙合的直齒齒條組受齒輪組ⅱ驅(qū)動在分度滑槽內(nèi)滑動到指定位移，扇形永磁組ⅱ固定在直齒齒條組尾端與直齒齒條組同步徑向滑動，從而改變扇形永磁組ⅱ和扇形永磁組ⅰ的對中面積，調(diào)剛工作結(jié)束后，調(diào)剛電機(jī)ⅱ斷電抱閘，啟動驅(qū)動電機(jī)，輸出盤在期望轉(zhuǎn)動剛度下旋轉(zhuǎn)；

33、當(dāng)期望轉(zhuǎn)動剛度位于二級調(diào)剛范圍內(nèi)，復(fù)位主動柔順關(guān)節(jié)到初始位置，根據(jù)輸出盤輸出剛度與調(diào)剛電機(jī)ⅰ轉(zhuǎn)角關(guān)系的專家知識庫ⅱ，位置控制器通過伺服驅(qū)動器控制調(diào)剛電機(jī)ⅰ轉(zhuǎn)動到期望的輸出轉(zhuǎn)角，調(diào)剛電機(jī)ⅰ驅(qū)動小齒輪ⅰ的旋轉(zhuǎn)指定角度，小齒輪ⅰ與調(diào)剛齒輪嚙合驅(qū)動調(diào)剛齒輪旋轉(zhuǎn)指定角度，調(diào)剛齒輪同步驅(qū)動扇形磁軛模塊向遠(yuǎn)心端方向偏移到指定位置，同時扇形永磁組ⅱ和扇形永磁組ⅰ的耦合軸向氣隙改變，調(diào)剛工作結(jié)束后，調(diào)剛電機(jī)ⅰ和斷電抱閘，啟動驅(qū)動電機(jī)，輸出盤在期望轉(zhuǎn)動剛度下旋轉(zhuǎn)。

34、本發(fā)明的有益效果是：

35、本發(fā)明運用磁耦合技術(shù)實現(xiàn)變剛度傳動，由于傳動過程中沒有物理接觸，因此不存在摩擦損耗，這使得無接觸傳動系統(tǒng)的壽命更長，提高整個關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性；

36、該關(guān)節(jié)采用純永磁耦合傳動，相對于電磁線圈維護(hù)需求極低，幾乎不需要更換部件，減少了勵磁電流的需求，因此能量損耗較低，效率較高；

37、巧妙的運用齒輪齒條機(jī)構(gòu)實現(xiàn)關(guān)節(jié)的一級剛度調(diào)節(jié)。同時，采用凸輪和齒輪一體式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)磁耦合間隙改變，并采用螺旋滑槽實現(xiàn)扇形磁軛模塊的徑向位置改變，實現(xiàn)二級調(diào)剛的同步進(jìn)行；

38、本變剛度關(guān)節(jié)能夠根據(jù)外部負(fù)載動態(tài)快速調(diào)整其響應(yīng)特性，多級調(diào)剛使關(guān)節(jié)剛度調(diào)節(jié)范圍增大，從而在工作環(huán)境中保持較適應(yīng)性。