[发明专利]一种压电式变刚度弹性关节

说明书

本发明涉及一种压电式变刚度弹性关节，由上外壳、内连接环、四组压电作动单元、弹性环、下外壳和控制计算器组成，其中，四组压电作动单元，由压电做动器、刚性外壳、垫片和盖板组成。弹性环通过螺钉与下外壳连接；四组压电做动单元的压电做动器通过四个螺钉由盖板压紧并连接在弹性环上，通过螺钉与内连接环连接；内连接环通过螺钉与上外壳连接。压电做动器通过信号传输线与控制计算器连接，由控制计算器控制压电做动器产生沿径向的力，改变弹性环的薄片结构所受拉力的大小，进而改变了弹性关节的扭转刚度；本发明采用紧凑的折叠结构，接口灵活，通过实时调节驱动电机和负载之间的扭转刚度，提高了电机的控制精度和稳定性，保证了人机交互作业安全性。

技术领域

本发明涉及一种压电式变刚度弹性关节，可用于对航天器、机器人的电机与负载之间的扭转刚度进行动态调节，提高电机的控制精度和稳定度，使之可以完成更为精细的人机交互操作。

背景技术

目前的航天器大多都属于大型柔性展开式机构，且带有大量的光学元件，它们对指向精度和稳定度均提出了很高的要求。这种大型柔性展开机构由于尺寸大、刚度低、阻尼小的特点，在受到外部扰动时，产生的振动难以衰减并会与执行机构发生耦合，经结构传递至卫星后，将影响卫星中精密光学仪器的性能指标。同时，现代机器人将更多地融入到人们生活中，需要参与更多人机交互任务，传统机器人关节由于扭转刚度无法调节，导致其完成人机交互过程中的精细操作时，精度、稳定度较差，安全性不足。

为了提高航天器中柔性结构的控制精度，为了提高机器人的调节精度和稳定度，保证人机交互时的安全性，需在使用过程中动态调节关节的扭转刚度，以适应不同的应用场景和作业要求。

目前，国内外尚未见有关此类压电式变刚度弹性关节的文献报导。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种压电式变刚度弹性关节，可在电机驱动负载过程中动态调节柔性关节的扭转刚度，从而提高电机的控制精度和稳定度，保证人机交互任务中的安全性。

本发明要解决其技术问题所采用的技术方案是：一种压电式变刚度弹性关节；该机构由上外壳(1)、内连接环(2)、四组压电作动单元、弹性环(3)、下外壳(4)和控制计算器(9)；四组压电作动单元由压电作动器(6)、刚性外壳(7)、垫片(8)和盖板(5)组成；弹性环(3)通过四个螺钉与下外壳(4)连接；四组压电做动单元的压电作动器(6)安置于刚性外壳(7)的凹槽内，垫片(8)套在刚性外壳(7)外侧的较细一端，再通过四个螺钉由盖板(5)压紧并连接在弹性环(3)上，通过螺钉与内连接环(2)连接；内连接环(2)通过螺钉与上外壳(1)连接；压电作动器(6)通过信号传输线与控制计算器(9)连接，由控制计算器(9)给出控制信号并解算放大，以动态调节变刚度弹性关节的扭转刚度；弹性环(3)采用中空折叠结构，并具备八个薄片结构；八个薄片结构均分为四组沿径向均匀布置在弹性环(3)中部；变刚度弹性关节在工作时，控制计算器(9)给出经解算放大的信号后，压电作动器(6)产生沿径向的力，改变弹性环(3)的八个薄片结构所受拉力的大小，使弹性环(3)的刚度发生改变，进而改变了变刚度弹性关节的扭转刚度；同时弹性环(3)采用中空折叠结构，使整体结构紧凑。

所述压电作动器(6)沿径向安装在刚性外壳(7)中，使压电作动器(6)只产生沿径向的力，保证了变刚度效率；同时压电作动器(6)通过螺钉由盖板(5)压紧在弹性环(3)上，使压电作动器(6)有一定的预紧力，可使弹性环(3)的薄片结构能受到拉力或压力，提高了刚度调节范围。

所述上外壳(1)和下外壳(4)布置多种接口，使结构接口灵活，连接多种电机和负载。