基于非线性弹性元件的可调刚度驱动器及其驱动方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN105313117A(43)申请公布日2016.02.10(21)申请号201510862809.X(22)申请日2015.11.30(71)申请人华南理工大学地址510640广东省广州市天河区五山路381号(72)发明人杨辰光王行健梁培栋李智军宋嵘(74)专利代理机构广州市华学知识产权代理有限公司44245代理人罗观祥(51)Int.Cl.B25J9/10(2006.01)B25J17/00(2006.01)权利要求书1页说明书5页附图2页(54)发明名称基于非线性弹性元件的可调刚度驱动器及其驱动方法(57)摘要本发明公开了一种基于非线性弹性元件的可调刚度驱动器，包括：控制电路、微处理器、驱动电机、转轴、减速机构、非线性弹簧和齿轮蜗杆；本发明还公开一种驱动基于非线性弹性元件的可调刚度驱动器的驱动方法，包括以下步骤：1、微处理器根据给定输出力矩和输出刚度计算得到两根非线性弹簧的伸缩量；2、微处理器通过PD控制将相应计算结果传给两个驱动电机，驱动电机输出相应的力矩于各自转轴中；3、两个齿轮蜗杆分别将两个驱动电机输出的力矩转换为水平拉力，分别改变两根非线性弹簧的伸缩量；4、驱动器通过两根非线性弹簧各自的伸缩量实时输出相应的可调刚度与力矩。具有简化了硬件装置和节省了空间等优点。CN105313117ACN105313117A权利要求书1/1页1.一种基于非线性弹性元件的可调刚度驱动器，其特征在于，包括：控制电路、微处理器、驱动电机、转轴、减速机构、非线性弹簧和齿轮蜗杆；所述微处理器根据输出的刚度和力矩，计算出非线性弹簧的伸缩量，并控制驱动电机；所述驱动电机在微处理器的控制下，通过转轴输出产生的扭矩，经过减速机构降速同时提高输出扭矩，经过齿轮蜗杆转换为拉力后，控制非线性弹簧的伸缩量，从而控制输出刚度和力矩的变化。2.如权利要求1所述的基于非线性弹性元件的可调刚度驱动器，其特征在于，所述控制模块利用非线性弹簧伸缩量和输出力矩与刚度之间的关系，设计特定控制算法控制输出刚度和力矩。3.如权利要求1所述的基于非线性弹性元件的可调刚度驱动器，其特征在于，所述非线性弹簧为的数量为两根，两根非线性弹簧分别在转杆两侧，并联的两根非线性弹簧连同转杆整体的弹性系数正比于两根非线性弹簧的弹性系数之和；当关节驱动器在作用过程中，所述非线性弹簧整体的弹性系数采用其输出力矩与时间转角的导数来表示，两根非线性弹簧的输出力矩正比于两根非线性弹簧产生的弹力之差。4.如权利要求3所述的基于非线性弹性元件的可调刚度驱动器，其特征在于，所述两根非线性弹簧与相应位置的平方呈正相关。5.如权利要求3所述的基于非线性弹性元件的可调刚度驱动器，其特征在于，所述两根非线性弹簧均连着驱动电机，在控制模块的作用下，控制输出刚度的大小。6.如权利要求3所述的基于非线性弹性元件的可调刚度驱动器，其特征在于，所述两根非线性弹簧完全相同，所述两根非线性弹簧均通过连杆连接齿轮蜗杆，两根非线性弹簧受驱动电机和微处理器的驱动与控制，连杆输出可调节的刚度大小以及力矩大小。7.一种驱动权利要求1所述的基于非线性弹性元件的可调刚度驱动器的驱动方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、微处理器根据给定输出力矩和输出刚度计算得到两根非线性弹簧的伸缩量；步骤2、微处理器通过PD控制将相应计算结果传给两个驱动电机，驱动电机输出相应的力矩于各自转轴中；步骤3、两个齿轮蜗杆分别将两个驱动电机输出的力矩转换为水平拉力，分别改变两根非线性弹簧的伸缩量；步骤4、驱动器通过两根非线性弹簧各自的伸缩量实时输出相应的可调刚度与力矩。2CN105313117A说明书1/5页基于非线性弹性元件的可调刚度驱动器及其驱动方法技术领域[0001]本发明涉及一种控制算法和机械设计技术相结合的技术，特别涉及一种基于非线性弹性元件的可调刚度驱动器及其驱动方法，本发明通过控制模块设计相关控制算法控制机械结构实现给定力矩，最终实现可调节刚度的关节驱动器。背景技术[0002]如今，机器人产业发展迅速，需求量大、设计周期长。迫切需要开发出一套标准化的、集合常用机器人应用模块的硬件平台，这样有利于降低机器人应用的成本和研发风险。因此机器人模块化的研究成为了重点，特别是机器人模块化的设计。根据机器人常用功能，将其从机构和控制上进行分解，形成多个具有独立功能的功能模块，通过重构，组成应用所需机器人构型。[0003]同样，随着机器人在工业、航天、医疗、服务等各个行业应用越来越广泛，与人交互的机会也越来越多，保障机器人在与环境或人类交互时的安全性成为国内外重点研究目标。[0004]传统机器人设计为了保证末端位置操作精确，多采用刚性的高增益控制，按照预先规划好的路线进行动作，完成单调而重复的