一种连续体机器人的关节刚度控制机构及控制方法

1.本发明属于机器人学、控制科学、计算机科学、传感技术的交叉领域，特别涉及一种连续体机器人的关节刚度控制机构及控制方法。


背景技术：

2.传统工业机械臂是由刚性连杆组成，具有负载大、运动精确等优点，但是拥有自由度少，柔顺性不足，在面对复杂的工作环境时会发生不可避免的刚性碰撞，存在安全性隐患。而仿生连续体机器人的模仿对象是象鼻、章鱼触手等柔性生物器官，主要运动形式表现为弹性结构的伸缩、弯曲变形，相对于传统工业机械臂具有更好的适应性和灵活性，在复杂狭小的环境中可以根据环境产生弯曲变形，避免与复杂操作环境产生碰撞，具有很强的避障能力和环境适应能力，在救援、医疗、深腔探测等传统工业机械臂难以工作的应用场景中具有很大的运用价值。然而连续体机器人的负载能力有限，末端难以像刚性机械臂一样承受比较大的载重，主要原因时关节的刚度比较低。因此，研究人员提出了关节刚度调节的方案，如专利公开号：cn107718040a公开的一种“机器人刚度可控关节及其刚度控制方法”，利用电流的热效应作用改变形状记忆合金金属片的形状，改变变刚度结构部分外层弹性骨架和内层弹性骨架之间的距离，实现变刚度结构部分的壁厚变化，从而使得刚度可控关节在刚性工作状态和柔性工作状态之间的切换，但是控制过程存在温度变化时间，导致刚度变化的响应速度较慢的问题；专利公开号：cn202622798u公开的“一种磁流变连续体机器人操作器”，通过改变线圈的电流可以调节作用在软管内磁流变液的磁场强度，从而控制磁流变液的流变特性，并实现在液固两项之间转换，起到调节整个操作器刚度和阻尼的作用，但实际应用中存在结构复杂、稳定性较差、响应较慢及磁路生热干扰等问题。


技术实现要素：

3.针对连续体机器人关节刚度无法控制，或者刚度控制机构复杂、体积大，刚度控制的精度低、速度慢等问题，本技术提出一种连续体机器人的关节刚度控制机构及控制方法。
4.为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
5.本发明提供一种连续体机器人的关节刚度控制机构，由关节圆面架、弹簧架、形状记忆弹簧、弹簧盖、支撑螺杆、连杆、推杆、轴一、轴二、挡板、固定螺杆、钢丝绳、半导体制冷片、导热铜箔、散热片和温度传感器组成，所述的关节圆面架为圆形片状，所述的关节圆面架的圆形上表面中间设置有至少三瓣导槽、靠近圆面边缘设置有均匀分布的导槽凸起、挡块和钢丝绳孔；所述挡块设置在对应挡板下方且通过固定螺杆固定，所述弹簧架的形状包括中间圆环和圆周上均匀分布伸出的支腿，置于所述的对应的导槽中，在导槽内上下滑动；所述的形状记忆弹簧下端安装在弹簧架的中间圆圆部位上；所述弹簧盖的形状包括中间环和圆周上均匀分布的至少2个支脚，支脚端部设置有螺丝孔，所述的弹簧盖置于关节圆面架的导槽和形状记忆弹簧顶端，并通过所述的支撑螺杆与关节圆面架圆面平行固定连接；所述的连杆的一端分别通过对应轴一与弹簧架上的对应支腿铰接；所述的推杆通过轴二与对
应连杆分别铰接；所述的导热铜箔固定在对应所述的关节圆面架的导槽表面；所述的温度传感器固定在导热铜箔表面；所述的钢丝绳分别穿过所述的关节圆面架上的对应钢丝绳孔，所述的钢丝绳侧面与关节圆面架上的挡板相切；所述的半导体制冷片分别通过对应导热铜箔与所述形状记忆弹簧接触，所述的散热片固定在半导体制冷片表面。
6.作为本发明控制机构进一步改进，所述推杆的前端凹槽内固定有橡胶垫。
7.作为本发明控制机构进一步改进，所述的形状记忆弹簧为螺旋式形状。
8.作为本发明控制机构进一步改进，所述的连杆为y形。
9.本发明提供一种连续体机器人的关节刚度控制机构的控制方法，具体步骤如下：
10.当需要增大关节刚度时，通过对所述形状记忆弹簧通电，形状记忆弹簧温度升高，伸长量变大，由于形状记忆弹簧上端受到弹簧盖约束不能移动，所以形状记忆弹簧下端向下运动，从而推动弹簧架沿着关节圆面架的导槽下压，从而驱动对应连杆的下端向着圆周外方向移动，从而推动推杆向对应钢丝绳移动；增大橡胶垫与钢丝绳的压力，提高钢丝绳与橡胶垫的摩擦力，从而提高关节弯曲所需要的外部施加力和力矩；导热铜箔将热量从形状记忆弹簧传导至温度传感器与半导体制冷片，通过温度传感器对形状记忆弹簧的温度进行监测；
11.当需要减小关节刚度时，通过对半导体制冷片通电，半导体制冷片将热量快速传导至散热片，散热片散热使形状记忆弹簧快速降温并收缩，弹簧架上升，推杆后退，钢丝绳与橡胶垫的接触压力减小、摩擦力减小，关节刚度减小。
12.作为本发明控制机构的控制方法进一步改进，所述连续体机器人的关节刚度控制机构的控制方法的控制模型为：
13.to＝f
×r×
n＝μn
×r×n14.n＝f(y)
15.y＝f(z)
16.z＝f(t)
17.其中：to为关节弯曲力矩，f为单跟钢丝绳摩擦力，r为钢丝绳孔距离关节圆面架圆面中心的距离，n为钢丝绳的数目，μ为钢丝绳与橡胶垫的摩擦系数，n为橡胶垫对钢丝绳的压力，y为推杆推进的位移，z为弹簧架下压的位移，t为形状记忆弹簧的温度。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
19.本发明的一种连续体机器人的关节刚度控制机构，在连续体机构的关节圆面架上添加刚度控制机构、结构紧凑；采用形状记忆弹簧，通过温度调节形状记忆弹簧长度和刚度，调节橡胶垫与钢丝绳的摩擦力，实现刚度可控；采用半导体制冷片对形状记忆弹簧降温，改进形状记忆弹簧降温恢复缓慢的问题，具有响应快速的优点。
附图说明
20.图1为本发明的关节刚度控制机构立体视图一；
21.图2为本发明的关节刚度控制机构立体视图二；
22.图3为本发明的关节圆面架结构立体示意图；
23.图4为本发明的压缩连杆滑块机构组成立体示意图；
24.图5为本发明的形状记忆弹簧温度调节系统组成结构立体示意图；
25.图6为本发明的散热片导热结构示意图；
26.图7为本发明的关节刚度控制方法流程图；
27.附图标记：1、关节圆面架；2、弹簧架；3、形状记忆弹簧；4、弹簧盖；5、支撑螺杆；6、连杆；7、推杆；8、轴一；9、轴二；10、橡胶垫；11、挡板；12、固定螺杆；13、钢丝绳；14、半导体制冷片；15、导热铜箔；16、散热片；17、温度传感器。
具体实施方式
28.下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
29.实施例：参照图1、图2，一种连续体机器人的关节刚度控制机构由关节圆面架1、弹簧架2、形状记忆弹簧3、弹簧盖4，以及三个支撑螺杆5、三个连杆6、三个推杆7、三个轴一8、三个轴二9、三个橡胶垫10、三个挡板11、三个固定螺杆12、三个钢丝绳13、三个半导体制冷片14、三个导热铜箔15、三个散热片16和三个温度传感器17组成；
30.参照图1、图2和图3，所述的关节圆面架1为圆形片状，圆形表面中间设有三瓣导槽、靠近圆面边缘设置有三个均匀分布的导槽、挡块和钢丝绳孔；
31.参照图1、图2和图4，所述的弹簧架2置于所述的关节圆面架1的三瓣导槽中，可以上下滑动；所述的形状记忆弹簧3的下端固定在弹簧架2上；所述的弹簧盖4置于所述的关节圆面架1的三瓣导槽和形状记忆弹簧3的顶端，并通过所述的支撑螺杆5与关节圆面架1固定连接；所述的连杆6通过轴一8与弹簧架2铰接，所述的推杆7通过轴二9与连杆6铰接，所述的橡胶垫10固定在推杆7的前端凹槽内；
32.参照图1、图2、图5和图6，所述的导热铜箔15固定在所述的关节圆面架1的三瓣导槽表面，所述的温度传感器17固定在导热铜箔15表面，所述的半导体制冷片14固定在导热铜箔15表面，所述的散热片16固定在半导体制冷片14表面。所述的支撑螺杆5、连杆6、推杆7、轴一8、轴二9、橡胶垫10、挡板11、两个固定螺杆12、钢丝绳13、半导体制冷片14、导热铜箔15、散热片16和温度传感器17都各有3份均匀分布在关节圆面架1上。
33.所述的连续体机器人的关节刚度控制机构的控制方法为：当需要增大关节刚度时，通过对所述形状记忆弹簧通电，形状记忆弹簧温度升高，伸长量变大，从而推动弹簧架沿着关节圆面架的多瓣导槽下压，驱动多个连杆的下端向着圆周外方向移动，推动多个推杆分别向多个钢丝绳移动，增大橡胶垫与钢丝绳的压力，提高钢丝绳与橡胶垫的摩擦力，从而提高关节弯曲所需要的外部施加力和力矩；导热铜箔将热量从形状记忆弹簧传导至温度传感器与半导体制冷片，通过温度传感器对形状记忆弹簧的温度进行监测，当需要减小关节刚度时，通过对半导体制冷片通电，半导体制冷片将热量快速传导至散热片，散热片散热使形状记忆弹簧快速降温并收缩，弹簧架上升，推杆后退，钢丝绳与橡胶垫的接触压力减小、摩擦力减小，关节刚度减小。
34.所述的连续体机器人的关节刚度控制机构的控制模型为：
35.to＝f
×r×
n＝μn
×r×n36.n＝f(y)
37.y＝f(z)
38.z＝f(t)
39.其中：to为关节弯曲力矩，f为单跟钢丝绳摩擦力，r为钢丝绳孔距离关节圆面架圆
面中心的距离，n为钢丝绳的数目，μ为钢丝绳与橡胶垫的摩擦系数，n为橡胶垫对钢丝绳的压力，y为推杆推进的位移，z为弹簧架下压的位移，t为形状记忆弹簧的温度。
40.在实际控制中，首先通过几何关系获得y＝f(z)的函数关系，通过实验获得n＝f(y)和z＝f(t)的关系，然后通过pid控制方法控制温度t，从而对关节弯曲力矩to的控制，从而实现对关节刚度的控制。
41.参照图1、图2和图7，所述的连续体机器人的关节刚度控制机构的控制方法流程为：
42.s1：给定系统刚度；
43.s2：测量环境温度；
44.s3：解算形状记忆弹簧温度；
45.s4：电流控制形状记忆弹簧；
46.s5：测量形状记忆弹簧温度；
47.s6：判断形状记忆弹簧是否恢复原状态，如果是则进入s7，如果否则进入s3；
48.s7：控制半导体制冷片制冷；
49.s8：测量半导体制冷片温度；
50.s9：判断半导体制冷片是否达到环境温度，如果是则结束控制，如果否则进入s7。
51.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

技术特征：
1.一种连续体机器人的关节刚度控制机构，由关节圆面架(1)、弹簧架(2)、形状记忆弹簧(3)、弹簧盖(4)、支撑螺杆(5)、连杆(6)、推杆(7)、轴一(8)、轴二(9)、挡板(11)、固定螺杆(12)、钢丝绳(13)、半导体制冷片(14)、导热铜箔(15)、散热片(16)和温度传感器(17)组成，其特征在于：所述的关节圆面架(1)为圆形片状，所述的关节圆面架(1)的圆形上表面中间设置有至少三瓣导槽、靠近圆面边缘设置有均匀分布的导槽凸起、挡块和钢丝绳孔；所述挡块设置在对应挡板(11)下方且通过固定螺杆(12)固定，所述弹簧架(2)的形状包括中间圆环和圆周上均匀分布伸出的支腿，置于所述的对应的导槽中，在导槽内上下滑动；所述的形状记忆弹簧(3)下端安装在弹簧架(2)的中间圆圆部位上；所述弹簧盖(4)的形状包括中间环和圆周上均匀分布的至少2个支脚，支脚端部设置有螺丝孔，所述的弹簧盖(4)置于关节圆面架(1)的导槽和形状记忆弹簧顶端，并通过所述的支撑螺杆(5)与关节圆面架(1)圆面平行固定连接；所述的连杆(6)的一端分别通过对应轴一(8)与弹簧架(2)上的对应支腿铰接；所述的推杆(7)通过轴二(9)与对应连杆(6)分别铰接；所述的导热铜箔(15)固定在对应所述的关节圆面架(1)的导槽表面；所述的温度传感器(17)固定在导热铜箔(15)表面；所述的钢丝绳(13)分别穿过所述的关节圆面架(1)上的对应钢丝绳孔，所述的钢丝绳(13)侧面与关节圆面架(1)上的挡板(11)相切；所述的半导体制冷片(14)分别通过对应导热铜箔(15)与所述形状记忆弹簧(3)接触，所述的散热片(16)固定在半导体制冷片(14)表面。2.根据权利要求1所述一种连续体机器人的关节刚度控制机构，其特征在于：所述推杆(7)的前端凹槽内固定有橡胶垫(10)。3.根据权利要求1所述一种连续体机器人的关节刚度控制机构，其特征在于：所述的形状记忆弹簧(3)为螺旋式形状。4.根据权利要求1所述一种连续体机器人的关节刚度控制机构，其特征在于：所述的连杆(6)为y形。5.根据权利要求1-4任意一项所述连续体机器人的关节刚度控制机构的控制方法，其特征在于，具体步骤如下：当需要增大关节刚度时，通过对所述形状记忆弹簧(3)通电，形状记忆弹簧(3)温度升高，伸长量变大，由于形状记忆弹簧(3)上端受到弹簧盖(4)约束不能移动，所以形状记忆弹簧(3)下端向下运动，从而推动弹簧架(2)沿着关节圆面架(1)的导槽下压，从而驱动对应连杆(6)的下端向着圆周外方向移动，从而推动推杆(7)向对应钢丝绳(13)移动；增大橡胶垫(10)与钢丝绳(13)的压力，提高钢丝绳(13)与橡胶垫(10)的摩擦力，从而提高关节弯曲所需要的外部施加力和力矩；导热铜箔(15)将热量从形状记忆弹簧(3)传导至温度传感器(17)与半导体制冷片(14)，通过温度传感器(17)对形状记忆弹簧(3)的温度进行监测；当需要减小关节刚度时，通过对半导体制冷片(14)通电，半导体制冷片(14)将热量快速传导至散热片(16)，散热片(16)散热使形状记忆弹簧(3)快速降温并收缩，弹簧架(2)上升，推杆(7)后退，钢丝绳(13)与橡胶垫(10)的接触压力减小、摩擦力减小，关节刚度减小。6.根据权利要求1-4任意一项所述连续体机器人的关节刚度控制机构的控制方法，其特征在于：所述连续体机器人的关节刚度控制机构的控制方法的控制模型为：to＝f
×
r
×
n＝μn
×
r
×
nn＝f(y)
y＝f(z)z＝f(t)其中：to为关节弯曲力矩，f为单跟钢丝绳摩擦力，r为钢丝绳孔距离关节圆面架圆面中心的距离，n为钢丝绳的数目，μ为钢丝绳与橡胶垫的摩擦系数，n为橡胶垫对钢丝绳的压力，y为推杆推进的位移，z为弹簧架下压的位移，t为形状记忆弹簧的温度。

技术总结
本申请提出一种连续体机器人的关节刚度控制机构及控制方法，包括关节圆面架、弹簧架、形状记忆弹簧、弹簧盖、支撑螺杆、连杆、推杆、轴一、轴二、橡胶垫、挡板、固定螺杆、钢丝绳、半导体制冷片、导热铜箔、散热片和温度传感器，所述的弹簧架置于关节圆面架中间，所述的形状记忆弹簧安裝在弹簧架上，所述的弹簧盖通过所述的支撑螺杆固定在形状记忆弹簧顶部，所述的连杆和推杆通过所述的轴一和轴二依次与弹簧架连接，所述的橡胶垫固定在推杆上，所述的半导体制冷片通过所述的导热铜箔与形状记忆弹簧接触，并通过所述的温度传感器的温度反馈进行制冷，所述的关节刚度控制机构能够实现关节弯曲刚度调节，从而控制关节的负载。从而控制关节的负载。从而控制关节的负载。


技术研发人员：张军 陈浩云 初晓昱 张强 周晓东 宋爱国
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2022.12.30
技术公布日：2023/8/1