具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图以及实施例对本发明进一步阐述。

如图1至图9所示，一种基于凸轮机构的变刚度传动关节，包括传动模块、变刚度模块、以及位于传动模块内的大电磁铁9、大弹簧10、变刚度电机19以及减速器21。

具体的，如图2和图3所示，所述传动模块包括后轴Ⅰ1、前轴Ⅰ5、端盖6、轴Ⅱ8、扭杆16。

进一步地，所述后轴Ⅰ1与前轴Ⅰ5之间通过四组周向均布的螺栓2、垫片3以及螺母4进行固定联接。

所述后轴Ⅰ1、前轴Ⅰ5均具有空腔，所述大电磁铁9、大弹簧10、变刚度电机19以及减速器21依次连接且内置在后轴Ⅰ1的空腔内，其中所述变刚度电机19与减速器21与一体式结构，所述变刚度电机19的底部通过电机定位片11安装在后轴Ⅰ1的空腔内，所述电机定位片11金属材料，且设有移动导槽，以达到限制变刚度电机19和减速器21转动的目的。

所述端盖6呈中空结构，通过螺钉7与前轴Ⅰ5固定联接。

所述轴Ⅱ8内置在前轴Ⅰ5空腔内，通过轴承Ⅰ12-1、轴承Ⅱ12-2与前轴Ⅰ5的空腔内壁配合，实现了相对与前轴Ⅰ5的转动。

所述扭杆16内置在前轴Ⅰ5空腔内，通过扭杆定位片30、定位销31一端联接在后轴Ⅰ1上，另一端联接在轴Ⅱ8上，实现了动力从后轴Ⅰ1上通过扭杆16传递到轴Ⅱ8上。

具体的，如图2所示，所述变刚度模块包括圆柱凸轮机构、可移动平台14、导轨机构。

进一步地，如图6所示，所述圆柱凸轮机构包括带有空腔结构的圆柱凸轮13、安装在圆柱凸轮13的凸轮轮廓线上的两个滚子23、与圆柱凸轮13同心分布的推杆定位片17、并排分布且均穿过推杆定位片17的两个推杆18。两个推杆18的一端与两个滚子对应固定联接，另一端通过球铰与可移动平台14上的圆周导轨配合联接。通过球铰与圆周导轨配合，可实现推杆18在可移动平台14上的周向旋转。如图2所示，所述圆柱凸轮13通过轴承12安装在前轴Ⅰ5的空腔内。如图4所示，所述圆柱凸轮13的端面上设有内齿轮，所述内齿轮啮合有外齿轮20。如5所示，所述外齿轮20通过定位螺钉22与减速器的输出轴固定联接。

如图7、图8、图9所示，所述导轨机构包括导轨15、小电磁铁Ⅰ24、小弹簧Ⅰ25、小电磁铁Ⅱ26、小弹簧Ⅱ27、可移动齿条Ⅰ28、可移动齿条Ⅱ29。其中，所述导轨15设有两个呈对称结构，且均带有导槽。

如图9所示，所述可移动齿条Ⅰ28的底部设有两个固定连接在导轨15导槽的底面上的小电磁铁Ⅰ24、一个小弹簧Ⅰ25，所述可移动齿条Ⅱ29的底部设有两个固定连接在导轨15导槽的底面上的小电磁铁Ⅱ26、一个小弹簧Ⅱ27。

如图6所示，所述推杆定位片17上设有固定块40，所述固定块40上设有霍尔接近开关传感器33，所述霍尔接近开关传感器33可实时检测推杆定位片17上固定块与可移动齿条Ⅰ28的相对位置。如图8、图11所示，所述可移动齿条Ⅰ28上设有与推杆定位片17上固定块40配合的凹槽43，通过固定块40、凹槽43，能够实现推杆定位片17的位置锁死。如图6所示，所述可移动平台14上设有齿形块42。如图8所示，可移动齿条Ⅱ29上设有与齿形块42配合的齿形槽，通过齿形块42与齿形槽的配合，能够实现可移动平台14的位置锁死。小弹簧Ⅰ25和小弹簧Ⅱ27处于压缩状态，当小电磁铁Ⅰ24得电时，便会吸附可移动齿条Ⅰ28，使可移动齿条Ⅰ28沿导轨15的径向移动，可移动齿条Ⅰ28上的凹槽凹槽43与推杆定位片17上的固定块分离，推杆定位片17可轴向旋转；当小电磁铁Ⅱ26得电时，便会吸附可移动齿条Ⅱ29，使可移动齿条Ⅱ29沿导轨15的径向移动，可移动齿条Ⅱ29上齿形槽与可移动平台14齿形块分离，推杆定位片17可沿轴向移动。

如图10所示，为本发明的控制流程框图，本发明的切换控制方法基于切换控制系统，该切换控制系统包括基于凸轮机构的变刚度传动关节、采集激光位移传感器32及霍尔接近开关传感器33数据的信号采集卡34、控制变刚度电机19运动的电机驱动器39、对应控制大电磁铁9、小电磁铁Ⅰ24、小电磁铁Ⅱ26得失电的继电器Ⅰ36、继电器Ⅱ37、继电器Ⅲ38、与信号采集卡34、电机驱动器39、继电器Ⅰ36、继电器Ⅱ37、继电器Ⅲ38连接的控制器35。

具体的，控制器35接受信号采集卡34采集的激光位移传感器32和霍尔接近开关传感器33，控制继电器Ⅰ36、继电器Ⅱ37、继电器Ⅲ38，继电器Ⅰ36、继电器Ⅱ37和继电器Ⅲ38相应的控制大电磁铁9、小电磁铁Ⅰ24、小电磁铁Ⅱ26的得失电情况，控制器35同时通过电机驱动器39驱动变刚度电机19运动，变刚度模式下变刚度电机19的运动影响激光位移传感器32的输出，传动模式下变刚度电机19的运动影响霍尔接近开关传感器33的输出。

一种基于凸轮机构的变刚度传动关节的切换控制方法，具体步骤如下：

(A)零点位置设定：通过霍尔接近开关传感器33感应可移动齿条Ⅰ28上凹槽43底部的永磁体，并发出信号，以确定零点位置。

具体的，为了保证变刚度传动关节实现传动功能后，不影响变刚度传动关节的变刚度功能，必须设置零点位置。零点位置设定为可移动齿条Ⅰ28与推杆定位片17啮合的位置。如图11所示，可移动齿条Ⅰ28上的凹槽43底部设置有永磁体，当推杆定位片17上的固定块40与可移动齿条Ⅰ28上的凹槽43处于正对位置时，霍尔接近开关传感器33感应到可移动齿条Ⅰ28上的凹槽43底部的永磁体，发出信号，确定零点位置。

(B)根据变刚度传动关节传动过程中所需的刚度值，确定扭杆16的目标有效变形长度。

具体的，本实施例中，扭杆16的目标有效变形长度可确定为：

式中L表示扭杆16的有效变形长度，E表示扭杆16的弹性模量，R表示扭杆16的旋转半径，d表示扭杆16的截面直径，θ表示扭杆16的弯曲转角，K表示传动过程中需要的变刚度传动关节刚度值。

(C)刚度调节：控制器35通过继电器Ⅰ36、继电器Ⅱ37、继电器Ⅲ38控制大电磁铁9和小电磁铁Ⅰ24失电，小电磁铁Ⅱ26得电。大电磁铁9失电，在大弹簧10作用下，变刚度电机19和减速器21向右移动，使外齿轮20与圆柱凸轮13右端面的内齿轮啮合；小电磁铁Ⅰ24失电，在小弹簧Ⅰ25作用下，可移动齿条Ⅰ28径向内移，与推杆定位片17上固定块啮合，实现推杆定位片17的锁死；小电磁铁Ⅱ26得电，可移动齿条Ⅱ29与可移动平台14不啮合，可移动平台14可沿前轴Ⅰ5轴向移动；变刚度电机19经减速器21减速后，带动圆柱凸轮13转动，滚子23在凸轮廓线上纯滚动，在推杆定位片17的限制下，带动推杆18轴向移动，在推杆18的推动下，可移动平台14沿前轴Ⅰ5轴向移动，改变可移动平台14与轴Ⅱ8之间的距离，即改变扭杆16的有效变形长度，通过激光位移传感器32测量可移动平台14与轴Ⅱ8之间的距离，当该距离值等于扭杆16的目标有效变形长度时，变刚度电机19停止运动。

具体的，本实施例中，控制器35为PLC控制器，刚度调节功能控制流程图如图12所示，其中PLC控制器的输出端口Q0.1接继电器Ⅰ36，Q0.2接继电器Ⅱ37，Q0.3接继电器Ⅲ38。如图13所示，为本发明实施例中变刚度时各电磁铁和弹簧状态示意图，由于大电磁铁9失电，大弹簧10初始状态处于压缩状态，大弹簧10伸长推动变刚度电机19向右移动；由于小电磁铁Ⅰ24失电，小弹簧Ⅰ25初始状态处于压缩状态，小弹簧Ⅰ25伸长推动可移动齿条Ⅰ28与推杆定位片17啮合；由于小电磁铁Ⅱ26得电，进一步压缩小弹簧Ⅱ27。

(D)传动功能实现：控制器35通过继电器Ⅰ36、继电器Ⅱ37、继电器Ⅲ38控制大电磁铁9和小电磁铁Ⅰ24得电，小电磁铁Ⅱ26失电。大电磁铁9得电，变刚度电机19和减速器21向左移动，外齿轮20与圆柱凸轮13右端面的内齿轮未啮合；小电磁铁Ⅰ24得电，可移动齿条Ⅰ28径向外移，未和推杆定位片17上固定块啮合；小电磁铁Ⅱ26失电，在小弹簧Ⅱ27作用下，可移动齿条Ⅱ29与可移动平台14上齿形块啮合，实现可移动平台14轴向的锁死；后轴Ⅰ1和前轴Ⅰ5转动，变刚度电机19、减速器21和扭杆16均绕后轴Ⅰ1中心转动，导轨15与前轴Ⅰ5过盈配合，和前轴Ⅰ5同步转动，在导轨15的作用下，可移动平台14与导轨15同步转动，因可移动平台14与前轴Ⅰ5之间的扭杆16与前轴Ⅰ5、可移动平台14同步转动，故这部分扭杆只起连接作用，可移动平台14与轴Ⅱ8之间的扭杆承受外部扭矩；此时变刚度传动关节可在设定刚度下进行传动。

具体的，如图14所示，为传动功能控制流程图；如图15所示，为本发明实施例中传动时各电磁铁和弹簧状态示意图。由于大电磁铁9得电，进一步压缩大弹簧10，变刚度电机19向左移动；由于小电磁铁Ⅰ24得电，进一步压缩小弹簧Ⅰ25，可移动齿条Ⅰ28与推杆定位片17不啮合；由于小电磁铁Ⅱ26失电，小弹簧Ⅱ27初始状态处于压缩状态，小弹簧Ⅱ27伸长，推动可移动平台14与可移动齿条Ⅱ29啮合。

(E)复位：传动结束后，控制器35通过继电器Ⅰ36控制大电磁铁9失电，在大弹簧10作用下，变刚度电机19和减速器21向右移动，使外齿轮20与圆柱凸轮13右端面的内齿轮啮合。检测前轴Ⅰ5是否处于零点位置，若未处于零点位置，则变刚度电机19启动，通过推杆18带动推杆定位片17旋转，直至霍尔接近开关传感器33检测到可移动齿条Ⅰ28上的凹槽43与推杆定位片17上的固定块40刚好处于正对位置，控制器35通过继电器Ⅱ37控制小电磁铁Ⅰ24失电，在小弹簧Ⅰ25作用下，可移动齿条Ⅰ与推杆定位片17上固定块啮合，实现推杆定位片17的锁死。

与现有技术相比，一方面本发明所提供的基于凸轮机构的变刚度传动关节，圆柱凸轮为空腔结构，动力通过其内表面的内齿轮传递，并且扭杆穿过圆柱凸轮，两边分别与轴Ⅰ和轴Ⅱ固联，从而做到了结构紧凑、质量轻便；另一方面本发明所提供的基于凸轮机构的变刚度传动关节，通过控制大电磁铁、小电磁铁Ⅰ、小电磁铁Ⅱ得失电，可实现推杆定位片位置和可移动平台位置的锁死，实现传动功能与变刚度功能的切换，具有控制简单、刚度保持性高的优势。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。