本发明涉及一种传动关节，具体为一种基于周向弹簧的主动柔顺传动关节及其工作方法，属于非结构环境下人机协作过程中的安全。
背景技术：
1、随着机器人产业的兴起和发展，人机交互的技术为生产力的发展带来革命性进步，从提到要将“高档数控机床和机器人”作为大力推动的重点领域之一，人机交互将越来越频繁。然而，传统的机器人关节几乎都是刚性的，这导致机器人系统在与人合作时存在严重的安全隐患，因此，迫切需要一种柔性关节以及环境友好型的机器人关节系统来增加人机交互的安全性。
2、目前，国内外众多学者对变刚度关节做出大量研究与实验，在结构方面研究已经较为成熟。变刚度关节在原理上分为主动变刚度和被动变刚度；其中，主动变刚度一般利用控制算法来实现，主要采用阻抗控制和导纳控制方法，然而这种控制高度依赖于可能发生故障的控制器和传感器，且主动控制开关切换次数过高必然会带来时滞问题；被动变刚度在机械结构上一般有拮抗式、杠杆式、结构式以及机械平衡式变刚度。
3、例如中国专利cn110640784a提出了一种基于杠杆机构的变刚度关节装置，其通过绳驱动改变杠杆支点的位置达到变刚度要求，但整个装置过于冗杂，虽然能实现刚度的快速调节，但频繁改变刚度会加速驱动绳的疲劳磨损，且没有过载保护。
4、中国专利cn116690637a提出了一种可重构柔顺机器人关节，与传统变刚度方式改变弹性元件的长度不同，通过其重构装置调整其中参与传动的叶片弹簧的数量，但整体控制系统复杂，手动控制叶片弹簧数量响应缓慢，通过滑槽盘改变支点位置，但频繁变刚度对凹槽内壁疲劳损伤大，长期使用系统振动损伤变大。
技术实现思路
1、本发明的目的就在于为了解决上述至少一个技术问题而提供一种基于周向弹簧的主动柔顺传动关节及其工作方法，该主动柔顺传动关节不但能够克服现有技术中变刚度原理复杂、响应速度慢以及调刚能耗大等问题，而且可以实现关节位置和刚度的同步控制，同时，在设计过程中，弧形弹簧的刚度可以根据需求进行调整，以适应不同的负载和应用场景，在控制振动和冲击吸收方面非常有用。
2、本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种基于周向弹簧的主动柔顺传动关节，包括安装在机器臂关节处的刚度调节模块、输出盘模块和位置驱动模块；
3、刚度调节模块包括刚度调节驱动模块和刚度调节输出模块；
4、输出盘模块包括输出盘外壳、主轴杆、轴承ⅰ和螺钉ⅰ；主轴杆中心通过轴承ⅰ与输出端外壳联接，主轴杆两端通过轴承ⅱ联接有驱动滑块组；驱动滑块组包括驱动滑块ⅰ和驱动滑块ⅱ，驱动滑块ⅰ和驱动滑块ⅱ分别连接在主轴杆两端；
5、位置驱动模块包括驱动法兰盘、中空式谐波减速器、驱动电机、法兰盘和螺钉ⅵ，驱动法兰盘采用对称分布的八个螺钉ⅵ连接中空式谐波减速器输出端，驱动电机通过法兰盘连接中空式谐波减速器，驱动法兰盘、中空式谐波减速器、驱动电机和法兰盘的中轴线重合；
6、刚度调节驱动模块包括联接盘和通过螺钉ⅲ安装在驱动法兰盘上的调刚电机，调刚电机尾部内嵌于中空式谐波减速器内部；刚度调节输出模块包括圆弧轨道组和限位挡块组，联接盘通过螺钉ⅴ一端与驱动法兰盘固定联接，联接盘另一端固定联接有圆弧轨道组和限位挡块组；圆弧轨道组包括圆弧轨道ⅰ和圆弧轨道ⅱ，圆弧轨道ⅰ和圆弧轨道ⅱ通过螺钉ⅴ连接在联接盘上；限位挡块组包括限位挡块ⅰ和限位挡块ⅱ，限位挡块ⅰ和限位挡块ⅱ两端面有螺纹孔，限位挡块ⅰ和限位挡块ⅱ一端通过螺钉ⅰ连接在外壳上，限位挡块ⅰ和限位挡块ⅱ另一端通过螺钉ⅴ安装在联接盘上。
7、作为本发明再进一步的方案：刚度调节输出模块还包括圆弧弹簧组、调刚滑块组、拨杆ⅰ、轴承ⅱ、拨杆ⅱ、圆柱销、圆头螺钉、轴承ⅴ，圆弧轨道ⅰ和圆弧轨道ⅱ对称布局，限位挡块组对称安装在圆弧轨道组中间；调刚滑块组包括调刚滑块ⅰ、调刚滑块ⅱ、调刚滑块ⅲ和调刚滑块ⅳ，圆弧轨道ⅰ开有圆弧滑道，并配合有驱动滑块ⅰ、调刚滑块ⅰ和调刚滑块ⅱ；圆弧轨道ⅱ同样开有圆弧滑道，并配合有驱动滑块ⅱ、调刚滑块ⅲ和调刚滑块ⅳ；圆弧弹簧组包括圆弧弹簧ⅰ、圆弧弹簧ⅱ、圆弧弹簧ⅲ和圆弧弹簧ⅳ，圆弧弹簧ⅰ和圆弧弹簧ⅱ固定在驱动滑块ⅰ两端，圆弧弹簧ⅰ和圆弧弹簧ⅱ另一端固定在调刚滑块ⅰ和调刚滑块ⅱ上，圆弧弹簧ⅲ和圆弧弹簧ⅳ一端固定在驱动滑块ⅱ两端，圆弧弹簧ⅲ和圆弧弹簧ⅳ另一端固定在调刚滑块ⅲ和调刚滑块ⅳ上，拨杆ⅰ两端分别通过圆柱销与调刚滑块ⅰ和调刚滑块ⅲ 固定联接，拨杆ⅱ两端分别通过圆柱销与调刚滑块ⅱ和调刚滑块ⅳ固定联接；
8、拨杆ⅱ中间有圆孔与轴承ⅴ外圈配合，拨杆ⅰ中间靠近拨杆ⅱ一侧设有凸轴并开有螺纹孔，且拨杆ⅰ上凸轴与轴承ⅴ内圈配合，圆头螺钉安装在凸轴螺纹孔中并实现轴承ⅴ内圈的轴向固定，拨杆ⅰ中间另一侧设有支撑轴，且拨杆ⅰ通过支撑轴安装在轴承ⅳ内圈并支撑在联接盘上。
9、作为本发明再进一步的方案：刚度调节驱动模块还包括销轴齿轮组、传动轴组ⅰ、传动轴组ⅱ、轴承ⅲ、轴端挡环、行星齿轮组、大轴承、法兰内齿轮，调刚电机输出轴与法兰内齿轮通过八个螺钉ⅶ固定联接，法兰内齿轮外环过盈安装在大轴承内圈，大轴承外圈支撑座通过螺钉ⅳ固定在联接盘上，行星齿轮组包括行星轮ⅰ和行星轮ⅱ，行星轮ⅰ与行星轮ⅱ呈对角与法兰内齿轮啮合，并分别与传动轴组ⅰ中的两根传动轴通过键联接，销轴齿轮组包括销轴齿轮ⅰ、销轴齿轮ⅱ、销轴齿轮ⅲ和销轴齿轮ⅳ，传动轴组ⅰ中的两根传动轴另一端分别与销轴齿轮ⅰ和销轴齿轮ⅲ通过键联接，对角配置的传动轴组ⅱ的另一端与销轴齿轮ⅱ和销轴齿轮ⅳ通过键连接，行星轮ⅰ与行星轮ⅱ通过传动轴组ⅰ的轴肩实现轴向固定，传动轴组ⅰ和传动轴组ⅱ通过轴承ⅳ安装在联接盘内孔上；销轴齿轮组的各齿轮两两啮合，且销轴齿轮组的各齿轮上均设有导向柱；销轴齿轮ⅰ和销轴齿轮ⅲ上的导向柱与拨杆ⅱ上的滑槽配合驱动拨杆ⅱ旋转；销轴齿轮ⅱ和销轴齿轮ⅳ的导向柱与拨杆ⅰ上的滑槽配合驱动拨杆ⅰ旋转；拨杆ⅰ和拨杆ⅱ的旋转同步对称。
10、作为本发明再进一步的方案：拨杆ⅰ和拨杆ⅱ采用对称形布置，拨杆ⅰ靠近联接盘侧设有支撑轴，拨杆ⅰ所设置的支撑轴尾部螺纹部分安装有蝶型螺母，实现轴承ⅳ内圈的轴向固定，轴端挡环安装在联接盘中心孔上，实现轴承ⅳ外圈的轴向固定。
11、作为本发明再进一步的方案：拨杆ⅰ和拨杆ⅱ上的滑槽均开设有两个，且所开设的滑槽关于拨杆ⅰ和拨杆ⅱ中心点对称，滑槽长度为销轴齿轮组上导向柱距销轴齿轮圆心距离的两倍。
12、作为本发明再进一步的方案：驱动法兰盘开有三组法兰孔，最外圈法兰孔与联接盘通过螺钉ⅴ固定连接，中间法兰孔与驱动电机输出端通过螺钉ⅵ连接，最内圈法兰孔通过螺钉ⅲ固定调刚电机，三组法兰孔的对称中心共轴线。
13、作为本发明再进一步的方案：圆弧弹簧组未发生弹性变形时，调刚滑块组与限位挡块组接触，且销轴齿轮组上的导向柱位于拨杆ⅰ和拨杆ⅱ所开设滑槽的近心端侧。
14、一种基于周向弹簧的主动柔顺传动关节，该转动关节的工作方法包括以下步骤：
15、步骤一、定义驱动滑块ⅰ和驱动滑块ⅱ的零点位置；定义关节不受外部转矩、圆弧弹簧组未发生弹性变形时，驱动滑块组在圆弧轨道组上的位置为零点位置；
16、步骤二、定义调刚滑块组的初始位置；定义在关节不受外部转矩、圆弧弹簧组未发生弹性变形时，安装在圆弧弹簧ⅰ和圆弧弹簧ⅱ两端的调刚滑块ⅰ和调刚滑块ⅱ的位置为初始位置；同理：安装在圆弧弹簧ⅰ和圆弧弹簧ⅱ两端的调刚滑块ⅰ和调刚滑块ⅱ的位置为初始位置；
17、步骤三、标定调刚电机转角与拨杆ⅰ转角和拨杆ⅱ转角的关系；
18、步骤四、确定主轴杆输出刚度与调刚电机转角关系的转动角度专家知识库；
19、拨杆ⅰ两端与调刚滑块ⅰ和调刚滑块ⅲ刚性连接，拨杆ⅱ两端与调刚滑块ⅱ和调刚滑块ⅳ刚性连接，拨杆ⅰ和拨杆ⅱ转动带动调刚滑块组运动，从而带动圆弧弹簧组拉伸或压缩，从而改变主轴杆转动刚度；复位驱动滑块ⅰ和驱动滑块ⅱ到零点位置，复位调刚滑块组到初始位置，根据步骤三确定的调刚电机转角与拨杆ⅰ转角和拨杆ⅱ转角的关系，控制调刚电机转动，利用绝对编码器测量调刚电机转角，通过扭矩传感器实时检测主轴杆输出刚度，绘制调刚电机转角与主轴杆输出刚度曲线，基于最小二乘法进行曲线拟合，确定主轴杆输出刚度与调刚电机转角关系的专家知识库；
20、步骤五、根据实际使用需求，确定主轴杆转动刚度的期望值，根据步骤四确定的主轴杆输出刚度与调刚电机转角关系的转动刚度专家知识库，确定调刚电机期望输出转角，位置控制器通过伺服驱动器控制调刚电机转动到期望输出转角，经过刚度调节模块，驱动调刚滑块ⅰ、调刚滑块ⅱ、调刚滑块ⅲ和调刚滑块ⅳ运动到指定位置，调刚电机断电抱闸，启动驱动电机，主轴杆在期望转动刚度下旋转。
21、作为本发明再进一步的方案：步骤三中，转角关系的标定具体包括：
22、a.在圆弧弹簧ⅰ和圆弧弹簧ⅱ的弹性范围内，测定圆弧弹簧ⅰ圆弧弹簧ⅱ的最大拉伸弧度和最大压缩弧度，确定拨杆ⅰ和拨杆ⅱ的转角范围；
23、b.根据拨杆ⅰ和拨杆ⅱ的转角范围确定四个销轴齿轮组的转角范围，从而根据行星齿轮组与法兰内齿轮的运动传递关系，确定调刚电机转角范围；
24、c.绘制出调刚电机转角与拨杆ⅰ转角和拨杆ⅱ转角关系曲线，基于最小二乘法进行曲线拟合，标定调刚电机转角与拨杆ⅰ转角和拨杆ⅱ转角的关系。
25、本发明的有益效果是：
26、1、本发明采用四个旋转对称安装的销轴齿轮组驱动圆弧弹簧组对称拉伸或压缩实现输出刚度改变，从而实现变刚度传动，变刚度原理简单，调刚范围大，弹性模块完全对称布置提高整体传动平稳性；
27、2、本发明所设置的拨杆的对称式滑槽设计契合销轴齿轮组上销轴的运动轨迹，消除了拨杆的径向偏移；
28、3、本发明所设置的驱动模块和调刚模块通过电机安装架串接，调刚模块与弹性模块通过联接盘串联，整体串联式布置方案实现了关节位置输出和刚度调节两个运动自由度的解耦，这将允许更精细地控制多轴系统中各轴之间的协调运动，提高整体作业的同步性和一致性；
29、4、本发明所设置的变刚度关节能够根据外部负载动态快速调整其响应特性，从而在变化的工作环境中保持较高性能。
1.一种基于周向弹簧的主动柔顺传动关节，其特征在于：包括安装在机器臂关节处的刚度调节模块（1）、输出盘模块（2）和位置驱动模块（3）；
2.根据权利要求1所述的基于周向弹簧的主动柔顺传动关节，其特征在于：所述刚度调节输出模块（1-a）还包括圆弧弹簧组（1-a-4）、调刚滑块组（1-a-5）、拨杆ⅰ（1-a-6）、轴承ⅱ（1-a-7）、拨杆ⅱ（1-a-8）、圆柱销（1-a-9）、圆头螺钉（1-a-10）、轴承ⅴ（1-a-11），所述圆弧轨道ⅰ(1-a-1-1）和圆弧轨道ⅱ(1-a-1-2）对称布局，所述限位挡块组（1-a-2）对称安装在圆弧轨道组（1-a-1）中间；所述调刚滑块组（1-a-5）包括调刚滑块ⅰ（1-a-5-1）、调刚滑块ⅱ（1-a-5-2）、调刚滑块ⅲ（1-a-5-3）和调刚滑块ⅳ（1-a-5-4），所述圆弧轨道ⅰ(1-a-1-1）开有圆弧滑道，并配合有驱动滑块ⅰ(1-a-3-1)、调刚滑块ⅰ（1-a-5-1）和调刚滑块ⅱ（1-a-5-2）；所述圆弧轨道ⅱ(1-a-1-2）同样开有圆弧滑道，并配合有驱动滑块ⅱ(1-a-3-2)、调刚滑块ⅲ（1-a-5-3）和调刚滑块ⅳ（1-a-5-4）；所述圆弧弹簧组（1-a-4）包括圆弧弹簧ⅰ（1-a-4-1）、圆弧弹簧ⅱ（1-a-4-2）、圆弧弹簧ⅲ（1-a-4-3）和圆弧弹簧ⅳ（1-a-4-4），所述圆弧弹簧ⅰ（1-a-4-1）和圆弧弹簧ⅱ（1-a-4-2）固定在驱动滑块ⅰ(1-a-3-1）两端，所述圆弧弹簧ⅰ（1-a-4-1）和圆弧弹簧ⅱ（1-a-4-2）另一端固定在调刚滑块ⅰ（1-a-5-1）和调刚滑块ⅱ（1-a-5-2）上，所述圆弧弹簧ⅲ(1-a-4-3）和圆弧弹簧ⅳ(1-a-4-4）一端固定在驱动滑块ⅱ(1-a-3-2）两端，所述圆弧弹簧ⅲ(1-a-4-3）和圆弧弹簧ⅳ(1-a-4-4）另一端固定在调刚滑块ⅲ（1-a-5-3）和调刚滑块ⅳ（1-a-5-4）上，所述拨杆ⅰ（1-a-6）两端分别通过圆柱销（1-a-9）与调刚滑块ⅰ（1-a-5-1）和调刚滑块ⅲ（1-a-5-3） 固定联接，所述拨杆ⅱ（1-a-8）两端分别通过圆柱销（1-a-9）与调刚滑块ⅱ（1-a-5-2）和调刚滑块ⅳ（1-a-5-4）固定联接；
3.根据权利要求2所述的基于周向弹簧的主动柔顺传动关节，其特征在于：所述刚度调节驱动模块（1-b）还包括销轴齿轮组（1-b-3）、传动轴组ⅰ（1-b-4）、传动轴组ⅱ（1-b-5）、轴承ⅲ（1-b-6）、轴端挡环（1-b-7）、行星齿轮组（1-b-8）、大轴承（1-b-9）、法兰内齿轮（1-b-10），所述调刚电机（1-b-11）输出轴与法兰内齿轮（1-b-10）通过八个螺钉ⅶ(1-b-12）固定联接，所述法兰内齿轮（1-b-10）外环过盈安装在大轴承（1-b-9）内圈，所述大轴承（1-b-9）外圈支撑座通过螺钉ⅳ（1-b-14）固定在联接盘（1-b-1）上，所述行星齿轮组（1-b-8）包括行星轮ⅰ（1-b-8-1）和行星轮ⅱ（1-b-8-2），所述行星轮ⅰ(1-b-8-1）与行星轮ⅱ(1-b-8-2）呈对角与法兰内齿轮（1-b-10）啮合，并分别与传动轴组ⅰ（1-b-4）中的两根传动轴通过键联接，所述销轴齿轮组（1-b-3）包括销轴齿轮ⅰ（1-b-3-1）、销轴齿轮ⅱ（1-b-3-2）、销轴齿轮ⅲ（1-b-3-3）和销轴齿轮ⅳ（1-b-3-4），所述传动轴组ⅰ（1-b-4）中的两根传动轴另一端分别与销轴齿轮ⅰ（1-b-3-1）和销轴齿轮ⅲ（1-b-3-3）通过键联接，对角配置的传动轴组ⅱ（1-b-5）的另一端与销轴齿轮ⅱ（1-b-3-2）和销轴齿轮ⅳ（1-b-3-4）通过键连接；所述行星轮ⅰ(1-b-8-1）与行星轮ⅱ(1-b-8-2）通过传动轴组ⅰ（1-b-4）的轴肩实现轴向固定，所述传动轴组ⅰ（1-b-4）和传动轴组ⅱ（1-b-5）通过轴承ⅳ(1-b-16）安装在联接盘（1-b-1）内孔上；所述销轴齿轮组（1-b-3）的各齿轮两两啮合，且所述销轴齿轮组（1-b-3）的各齿轮上均设有导向柱；所述销轴齿轮ⅰ（1-b-3-1）和销轴齿轮ⅲ（1-b-3-3）上的导向柱与拨杆ⅱ（1-a-8）上的滑槽配合驱动拨杆ⅱ（1-a-8）旋转；所述销轴齿轮ⅱ（1-b-3-2）和销轴齿轮ⅳ（1-b-3-4）的导向柱与拨杆ⅰ（1-a-6）上的滑槽配合驱动拨杆ⅰ（1-a-6）旋转；拨杆ⅰ（1-a-6）和拨杆ⅱ（1-a-8）的旋转同步对称。
4.根据权利要求3所述的基于周向弹簧的主动柔顺传动关节，其特征在于：所述拨杆ⅰ（1-a-6）和拨杆ⅱ（1-a-8）采用对称x形布置，所述拨杆ⅰ（1-a-6）靠近联接盘（1-b-1）侧设有支撑轴，所述拨杆ⅰ（1-a-6）所设置的支撑轴尾部螺纹部分安装有蝶型螺母（1-b-15)，所述轴端挡环（1-b-7）安装在联接盘（1-b-1）中心孔上。
5.根据权利要求4所述的基于周向弹簧的主动柔顺传动关节，其特征在于：所述拨杆ⅰ（1-a-6）和拨杆ⅱ（1-a-8）上的滑槽均开设有两个，且所开设的滑槽关于拨杆ⅰ（1-a-6）和拨杆ⅱ（1-a-8）中心点对称，滑槽长度为销轴齿轮组（1-b-3）上导向柱距销轴齿轮圆心距离的两倍。
6.根据权利要求5所述的基于周向弹簧的主动柔顺传动关节，其特征在于：所述驱动法兰盘（3-1）开有三组法兰孔，最外圈法兰孔与联接盘（1-b-1）通过螺钉ⅴ(1-b-17）固定连接，中间法兰孔与驱动电机（3-3）输出端通过螺钉ⅵ(3-5）连接，最内圈法兰孔通过螺钉ⅲ(1-b-13）固定调刚电机（1-b-11)，三组法兰孔的对称中心共轴线。
7.根据权利要求6所述的基于周向弹簧的主动柔顺传动关节，其特征在于：所述圆弧弹簧组（1-a-4）未发生弹性变形时，所述调刚滑块组（1-a-5）与限位挡块组（1-a-2）接触，且所述销轴齿轮组（1-b-3）上的导向柱位于拨杆ⅰ（1-a-6）和拨杆ⅱ（1-a-8）所开设滑槽的近心端侧。
8.一种基于权利要求1至权利要求7任一项所述的基于周向弹簧的主动柔顺传动关节的工作方法，其特征在于，所述工作方法包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的工作方法，其特征在于，所述步骤三中，转角关系的标定具体包括：
