[发明专利]能够提供非线性可变刚度的弹性组件

说明书

技术领域

本发明涉及一种能够提供非线性可变刚度的弹性组件，属于直线运动刚度可调的弹性装置技术领域，可以用于机器人，尤其是可以用于机器人关节，也可以应用于与之有类似结构或技术要求的领域。

背景技术

研制外观特征与动物或人类似，具有高度智能、动作灵活，并能适应复杂环境的仿生机器人一直是人类的梦想。仿生机器人最引人关注的一个方面是它的移动技术：行走。和大多数传统的基于轮式或履带式的移动机器人相比，仿生机器人的特点是具有腿。尽管在通常条件下轮式或履带式移动机器人具有控制简单、效率高等特点，但是对于条件较差的环境，腿式步行机器人具有更好的适应性，并且仍具有很高的效率。

步行机器人研究涉及到仿生学、机械学、电子工程学、控制理论、人工智能、传感器等多个学科领域，是一个多学科融合的交叉学科。研究步行机器人一方面通过模拟人类或动物的行走探索步行的生理机制，对如行走辅助机器人系统等的设计提供帮助；另一方面，设计的行走机器人系统可以作为假肢帮助肢残人士行走，或作为外骨骼系统增强人类的长时间行走和负重能力。因此，步行机器人研究具有重要的学术价值和实用价值，已经成为机器人领域活跃的研究分支。

现有的能够稳定行走的机器人大部分采用高刚度关节，通过精确的伺服控制使机器人在步行过程中准确跟踪预定义的关节角度轨迹，实现稳定行走。这类机器人不仅能量效率低下，而且使机器人步态不自然，与真实的人类或动物行走存在差距，不利于揭示行走的本质特性。同时，刚性关节和高减速比的减速机导致的高反射惯量使机器人不能稳定地快速行走，而且无法有效的利用能量和容易损坏。要想真正使这类双足机器人应用于人类真实环境或人类不能到达的危险、复杂环境中，必须提高其行走能量效率及其环境适应性。被动动态步行机器人是一种类似人类行走的腿式机器人，仅在部分自由度施加驱动，通过被动关节对步行过程中的能耗进行补偿，能够得到高能效、自然的步态，且控制结构简单。实践证明，这类机器人能够获得更易控制、更高效率的稳定行走，且步态稳定。此外，通过配置能够提供非线性可变刚度的弹性组件，改变机器人关节刚度，可以解决机器人与人或未知环境接触时的安全性问题以及模拟人或动物肢体的变刚度特性。

由于机器人技术属于具有拟人化要求的高端机械，因此，机器人结构中的上述技术问题，同样存在于与之有类似结构或技术要求的领域。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种更加有效的能够提供非线性可变刚度的弹性组件，其具有非线性刚度，并能主动地进行调节，能够实现能量的存储/释放，有助于解决现有机器人的高能耗及环境适应性差的问题；此外，还能够避免机器人与未知环境的刚性碰撞，保证机器人与人或未知环境接触的安全性以及模拟人或动物肢体的变刚度特性，同时，其体积小巧，结构紧凑，安装方便、运行可靠，能用于对体积和质量有较高要求的场合。

本发明主要是通过以下技术方案实现的：

一种能够提供非线性可变刚度的弹性组件，其主要包括：

壳体；

夹持组件，与壳体连接，包括至少一组夹持力可变的夹持臂组，其中，所述夹持臂组包括至少一个弹性夹持臂，所述弹性夹持臂中设有弹性件，所述弹性件的弹性力构成所述夹持力的全部或一部分；

被夹持件，被至少一组所述夹持臂组夹持，并能够在被夹持臂组夹持的状态下相对夹持臂组运动，包括至少一个被夹持面和一个工作面，所述被夹持面被所述弹性夹持臂的夹持面接触压紧，所述被夹持面和夹持面之间的压力随被夹持件在夹持臂组中的运动位置的改变而改变，所述工作面输出变化的输出刚度/力，所述输出刚度/力的大小随被夹持件在夹持臂组中的运动位置的改变而非线性改变，所述压力与所述输出力不共线且不平行。

优选为，所述被夹持件被夹持臂组夹持的位置的厚度随被夹持件在夹持臂组中的运动位置的改变而改变，所述被夹持面和夹持面之间的压力随被夹持件的厚度的改变而改变。

优选为，所述被夹持面为平面或曲面，使得所述被夹持件的厚度连续增大或连续减小，所述曲面的母线上的相邻点的斜率相同或不同，使得所述被夹持件的厚度均匀或不均匀的连续增大/连续减小。

优选为，所述曲面的母线为直线、圆弧、椭圆弧、双曲线和抛物线中的任一部分，或任几部分的组合。所述曲面的导线为直线或曲线，并且，母线和导线不同时为直线。

优选为，所述被夹持件一端的厚度最大，另一端的厚度最小；或者，所述被夹持件的中部位置厚度最小，两端位置厚度最大。