本发明涉及一种工业机器人末端轴向准零刚度隔振器及正负刚度调节方法，属于低频隔振。
背景技术：
1、随着我国智能制造技术的快速发展，工业机器人得到广泛应用。在一些“危、繁、脏、重”的作业环境中，使用工业机器人来代替人工完成难度高且繁琐的劳动作业已经成为未来产业发展的趋势。工业机器人由于其关节结构的特点，在作业时容易受到末端力的作用产生轴向振动。工业机器人关节会因为末端执行器在运动过程中受到的振动，从而导致关节减速器的损坏。低频振动由于其较长的波长和较强的穿透能力，一方面会容易引起人体内部器官共振，对内脏、脊椎和关节等造成潜在损伤；另一方面，低频振动还会加速工业机器人中精密元件的耗损，使其精度和可靠性下降。但是，对于工业机器人末端作业高承载的工况，线性隔振器无法在追求高承载能力的同时有效隔离低频振动。准零刚度隔振器作为一种低频隔振技术，具有高承载能力的同时有更好的低频隔振性能。因此，需要设计一种准零刚度隔振器来有效抑制机器人末端轴向低频振动。
2、发明专利《一种剪式准零刚度隔振器及其工作方法》，授权号为cn106402229b，公开了一种剪式准零刚度隔振器。该剪式准零刚度隔振器是由支撑弹簧正刚度模块和水平弹簧连杆负刚度模块并联构成，来克服线性隔振器低频隔振性能差和现有准零刚度隔振器结构复杂、有效行程短的问题。但这种剪式准零刚度隔振器仅以单个水平弹簧提供负刚度，不仅负刚度性能不足，还存在准零刚度隔振区域窄的问题。对于工业机器人高承载的作业工况，该准零刚度隔振器的负刚度大小无法匹配正刚度值，这导致隔振器无法获得准零刚度特性，降低了低频隔振效果。同时，准零刚度隔振区域窄会导致隔振系统不能在更大的载荷或位移变化范围内保持较低的刚度，降低了应对复杂动态载荷的能力。
3、发明专利《一种恒准零刚度隔振器》，授权号为cn113503336b，公开了一种恒准零刚度隔振器。恒准零刚度隔振器是以弹簧提供正刚度，以斜杆提供负刚度。该隔振器能够在整个行程范围内实现准零刚度特性，具有隔振范围广、承载能力大等优点。但这种准零刚度隔振器的正刚度和负刚度不能够自适应调节，仅能在特定载荷和特定静态变形下实现准零刚度特性，无法适用于外部激励复杂多变的工业机器人末端作业场合。
4、发明专利《一种可实现平衡位置调节的准零刚度垂直隔振器》，授权号为cn111927912b公开了一种包括承载平台、基座、正刚度弹簧、负刚度机构、传动模块和控制模块的准零刚度垂直隔振器结构。该准零刚度垂直隔振器通过控制模块和传动模块来调节水平弹簧负刚度结构的状态，使得隔振器在承载重物发生变化时仍能够实现准零刚度特性。但是这种方式仅通过改变负刚度机构的负刚度性能来实现准零刚度，未调节正刚度弹簧的刚度，这导致正刚度与负刚度存在不匹配的情况，使得隔振器在平衡位置处无法获得理想的准零刚度特性，降低了其负载适应能力和低频隔振性能。
5、综上所述，将准零刚度隔振器应用于工业机器人末端轴向低频隔振还存在以下三个问题。第一，大部分负刚度结构的负刚度性能不足，难以匹配高承载能力的正刚度元件，从而在最佳平衡位置附近实现准零刚度特性；第二，准零刚度隔振器在隔离低频振动时，存在准零刚度隔振区域窄的问题，隔振系统不能在更大的载荷或位移变化范围内保持较低的刚度，降低了应对复杂动态载荷的能力；第三，现有的准零刚度隔振器的正负刚度值只能在设计阶段调整，这导致隔振器仅能在特定载荷和特定静态变形下实现准零刚度特性，无法适用于外部激励复杂多变的工业机器人末端作业场合。
技术实现思路
1、针对上述技术存在的问题，开发了一种工业机器人末端轴向准零刚度隔振器及正负刚度调节方法。一是该装置通过采用等边六边形拉簧负刚度装置，不仅提高了负刚度性能，还能使得准零刚度隔振区域拓宽，整体系统在更大的载荷或位移变化范围内仍能保持较低的刚度，增强了低频隔振性能；二是通过采用正负刚度调节的方法，使得轴向准零刚度隔振器在负载变化的情况下都能具有准零刚度特性，保持良好的低频隔振性能；三是通过采用连杆滑块装置，使得轴向准零刚度隔振器的正刚度和负刚度仅通过承载平台初始高度变化而改变，提高了隔振器在不同负载下工作的稳定性。
2、第一方面，本发明提供了一种工业机器人末端轴向准零刚度隔振器，包括：
3、承载平台，用以接触承受负载；
4、等边六边形拉簧装置，连接并支承所述承载平台；
5、连杆滑块装置，与所述等边六边形拉簧装置活动连接且允许所述等边六边形拉簧装置进行相对滑动；
6、隔振器基座，固定连接并支承所述连杆滑块装置；以及
7、导杆套筒装置，贯穿所述等边六边形拉簧装置并连接承载平台和隔振器基座，所述导杆套筒装置配置有正刚度弹簧组；
8、所述轴向准零刚度隔振器通过等边六边形拉簧装置提供负刚度，通过正刚度弹簧组提供正刚度；所述导杆套筒装置作为轴向准零刚度隔振器的导向装置，配合连杆滑块装置使得轴向准零刚度隔振器仅保留轴向上的线性运动。其中，所述轴向指的是各组件沿着导杆轴线移动的方向。
9、进一步地，所述等边六边形拉簧装置包括承载平台、等边六边形负刚度单元、滑块连接板、旋转主轴、插销、第一螺母和第一内六角螺栓；所述等边六边形拉簧装置由两个结构相同的等边六边形负刚度单元通过旋转主轴连接构成，且两个等边六边形负刚度单元于承载平台两侧对称布局。
10、进一步地，所述旋转主轴的两端分别通过过盈配合的方式与等边六边形负刚度单元内置的滚动轴承连接；所述承载平台的两侧分别通过三个第一内六角螺栓与两个等边六边形负刚度单元进行连接固定；两个所述的滑块连接板分别通过插销固定在旋转主轴的两端上。
11、进一步地，所述等边六边形负刚度单元包括第一连接杆件、l型连杆、第一拉簧、第二拉簧、旋转轴、第二连接杆件、卡簧、滚动轴承和圆头螺栓；四个l型连杆、第一连接杆件和第二连接杆件闭合连接构成所述等边六边形负刚度单元的等边六边形结构；所述l型连杆的一端圆孔通过滚动轴承和旋转轴铰接于第一连接杆件或第二连接杆件，另一端圆孔则通过旋转主轴和滚动轴承与另一个l型连杆铰接；所述卡簧固定在旋转轴的卡槽内，以防止旋转轴的横向滑动；旋转主轴的每一端铰接有两个l型连杆；所述的圆头螺栓安装在l型连杆上的螺栓孔中，并配合第一螺母用以固定第一拉簧和第二拉簧的两端。
12、进一步地，所述等边六边形拉簧装置的受力位移方程为：
13、
14、其中，等边六边形拉簧装置的无量纲轴向力为f0，承载平台无量纲初始高度为h，承载平台无量纲位移为z，l型连杆长短杆长度比为b，第二拉簧与第一拉簧刚度比为ka。
15、所述轴向准零刚度隔振器的受力位移方程为：
16、
17、其中，轴向准零刚度隔振器的轴向力为f1，第一拉簧刚度为k1，第二拉簧刚度为k2，l型杆件长杆长度为d，承载平台初始高度为h0，承载平台位移为z，正刚度弹簧组刚度为kv，l型杆件短杆长度为b。
18、在本发明的一种实施方式中，所述导杆套筒装置包括相互套接的导杆和套筒；所述导杆固定连接承载平台，所述套筒固定于隔振器基座；所述正刚度弹簧组包括第一压簧、第二压簧、中间挡板、双头圆柱螺栓和第二螺母；所述导杆套筒装置中部配置有中间挡板，所述的第一压簧和第二压簧分别套设于位于中间挡板上方和下方的导杆套筒装置的部分表面；所述第一压簧的两端分别固定于中间挡板的定位槽内和承载平台的凹槽中；所述第二压簧的两端分别固定于隔振器基座的圆形凹槽内和中间挡板的凹槽中；所述双头圆柱螺栓一端固定在隔振器基座的螺栓孔中，另一端由第二螺母固定于中间挡板的孔洞。
19、在本发明的一种实施方式中，所述隔振器基座包括滑块、滑轨、滑轨连接板、支撑柱、第二内六角螺栓、第三内六角螺栓和隔振器底座；两个相对设置的滑轨连接板分别通过支撑柱固定于隔振器底座，每个滑轨连接板均配置有滑轨；所述滑块通过紧固螺栓与等边六边形拉簧装置的滑块连接板连接，每个滑轨上至少配置有一个滑块。
20、第二方面，本发明提供了一种正刚度弹簧组刚度调节的方法，应用所述的一种工业机器人末端轴向准零刚度隔振器，调节中间挡板和承载平台的位置，当第二压簧的预压力远大于第一压簧的预压力，承载平台仅带动第一压簧不断压缩，将正刚度弹簧组表现的刚度作为第一压簧刚度；当第一压簧所受的压力大于第二压簧的预压力时，第二压簧也开始不断压缩，将正刚度弹簧组表现的刚度作为第一压簧和第二压簧的串联刚度；当第一压簧的预压力远大于第二压簧的预压力时，将正刚度弹簧组表现的作刚度为第二压簧的刚度。
21、第三方面，正负刚度调节的方法，应用所述的一种工业机器人末端轴向准零刚度隔振器，所述方法包括如下步骤：
22、步骤一：根据负载大小，选择合适的正刚度值；通过改变承载平台的初始高度和中间挡板的位置来调节第一压簧和第二压簧的预压量，从而调节正刚度弹簧组的刚度大小；
23、步骤二：根据正刚度值大小，选择与之匹配的负刚度；通过调节承载平台的初始高度来改变等边六边形拉簧装置的负刚度性能，使得轴向准零刚度隔振器在理想平衡位置处，正刚度正好抵消负刚度，从而获得准零刚度特性。
24、本发明的有益效果：
25、(1)本发明通过将轴向准零刚度隔振器应用于工业机器人末端隔振，实现了机器人末端在承载高负载的同时还能够隔离低频振动。该轴向准零刚度隔振器是由等边六边形拉簧负刚度装置和正刚度弹簧组并联构成的，具有固有频率低，起始隔振频率低，有效隔振频带宽的优点。
26、(2)本发明通过采用一种等边六边形拉簧负刚度机构，不仅提高了轴向准零刚度隔振器的负刚度性能，还进一步拓宽了准零刚度隔振区域。等边六边形拉簧负刚度机构的第二拉簧使得轴向准零刚度隔振器能够在更大的载荷或位移变化范围内仍能保持较低的刚度，增强了低频隔振性能。
27、(3)本发明通过采用一种正刚度弹簧组，为轴向准零刚度隔振器提供不同的正刚度，增大了轴向准零刚度隔振器的工作范围。正刚度弹簧组的刚度还可以通过调节承载平台初始高度和中间挡板的位置将正刚度弹簧组的刚度改变为第一压簧刚度、第二压簧刚度和第一压簧与第二压簧的串联刚度。
28、(4)本发明采用一种连杆滑块装置，使得等边六边形拉簧装置的负刚度和正刚度弹簧组的正刚度能够只通过承载平台的初始高度来调节，不仅刚度调节方便，还能增强轴向准零刚度隔振器工作的稳定性。
29、(5)本发明通过采用正负刚度调节的方法，使得轴向准零刚度隔振器在末端力变化的情况下，仍能在静平衡位置处具有准零刚度特性，提高了轴向准零刚度隔振器的负载适应能力。
30、本发明提出的一种工业机器人末端轴向准零刚度隔振器及正负刚度调节方法，可以显著提高隔振器的负刚度性能，拓宽了准零刚度隔振区域，增大了隔振器的承载范围，提高了隔振器的负载适应能力。相比于线性隔振器，将轴向准零刚度隔振器应用于工业机器人末端隔振，不仅能够同时兼顾高承载能力和低频隔振性能，还能够显著降低固有频率和起始隔振频率，拓宽有效隔振频带。
1.一种工业机器人末端轴向准零刚度隔振器，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种工业机器人末端轴向准零刚度隔振器，其特征在于，所述等边六边形拉簧装置(2)包括承载平台(1)、等边六边形负刚度单元(7)、滑块连接板(8)、旋转主轴(9)、插销(10)、第一螺母(11)和第一内六角螺栓(12)；所述等边六边形拉簧装置(2)由两个结构相同的等边六边形负刚度单元(7)通过旋转主轴(9)连接构成，且两个等边六边形负刚度单元(7)于承载平台(1)两侧对称布局。
3.根据权利要求2所述的一种工业机器人末端轴向准零刚度隔振器，其特征在于，所述旋转主轴(9)的两端分别通过过盈配合的方式与等边六边形负刚度单元(7)内置的滚动轴承(20)连接；所述承载平台(1)的两侧分别通过三个第一内六角螺栓(12)与两个等边六边形负刚度单元(7)进行连接固定；两个所述的滑块连接板(8)分别通过插销固定在旋转主轴(9)的两端上。
4.根据权利要求3所述的一种工业机器人末端轴向准零刚度隔振器，其特征在于，所述等边六边形负刚度单元(7)包括第一连接杆件(13)、l型连杆(14)、第一拉簧(15)、第二拉簧(16)、旋转轴(17)、第二连接杆件(18)、卡簧(19)、滚动轴承(20)和圆头螺栓(21)；四个l型连杆(14)、第一连接杆件(13)和第二连接杆件(18)闭合连接构成所述等边六边形负刚度单元(7)的等边六边形结构；所述l型连杆(14)的一端圆孔通过滚动轴承(20)和旋转轴(17)铰接于第一连接杆件(13)或第二连接杆件(18)，另一端圆孔则通过旋转主轴(9)和滚动轴承(20)与另一个l型连杆(14)铰接；所述卡簧(19)固定在旋转轴(17)的卡槽内，以防止旋转轴(17)的横向滑动；旋转主轴(9)的每一端铰接有两个l型连杆(14)；所述的圆头螺栓(21)安装在l型连杆(14)上的螺栓孔中，并配合第一螺母(11)用以固定第一拉簧(15)和第二拉簧(16)的两端。
5.根据权利要求4所述的一种工业机器人末端轴向准零刚度隔振器，其特征在于，所述等边六边形拉簧装置(2)的受力位移方程为：
6.根据权利要求5所述的一种工业机器人末端轴向准零刚度隔振器，其特征在于，所述轴向准零刚度隔振器的受力位移方程为：
7.根据权利要求1所述的一种工业机器人末端轴向准零刚度隔振器，其特征在于，所述导杆套筒装置(3)包括相互套接的导杆(22)和套筒(28)；所述导杆(22)固定连接承载平台(1)，所述套筒(28)固定于隔振器基座(5)；所述正刚度弹簧组(6)包括第一压簧(23)、第二压簧(27)、中间挡板(25)、双头圆柱螺栓(26)和第二螺母(24)；所述导杆套筒装置(3)中部配置有中间挡板(25)，所述的第一压簧(23)和第二压簧(27)分别套设于位于中间挡板(25)上方和下方的导杆套筒装置(3)的部分表面；所述第一压簧(23)的两端分别固定于中间挡板(25)的定位槽内和承载平台(1)的凹槽中；所述第二压簧(27)的两端分别固定于隔振器基座(5)的圆形凹槽内和中间挡板(25)的凹槽中；所述双头圆柱螺栓(26)一端固定在隔振器基座(5)的螺栓孔中，另一端由第二螺母(24)固定于中间挡板(25)的孔洞。
8.根据权利要求1所述的一种工业机器人末端轴向准零刚度隔振器，其特征在于，所述隔振器基座(5)包括滑块(29)、滑轨(31)、滑轨连接板(30)、支撑柱(33)、第二内六角螺栓(32)、第三内六角螺栓(34)和隔振器底座(35)；两个相对设置的滑轨连接板(30)分别通过支撑柱固定于隔振器底座(35)，每个滑轨连接板(30)均配置有滑轨(31)；所述滑块(29)通过紧固螺栓与等边六边形拉簧装置(2)的滑块连接板(8)连接，每个滑轨(31)上至少配置有一个滑块(29)。
9.一种正刚度弹簧组刚度调节的方法，应用权利要求7所述的一种工业机器人末端轴向准零刚度隔振器，其特征在于，调节中间挡板(25)和承载平台(1)的位置，当第二压簧(27)的预压力远大于第一压簧(23)的预压力，承载平台(1)仅带动第一压簧(23)不断压缩，将正刚度弹簧组(6)表现的刚度作为第一压簧(23)刚度；当第一压簧(23)所受的压力大于第二压簧(27)的预压力时，第二压簧(27)也开始不断压缩，将正刚度弹簧组(6)表现的刚度作为第一压簧(23)和第二压簧(27)的串联刚度；当第一压簧(23)的预压力远大于第二压簧(27)的预压力时，将正刚度弹簧组(6)表现的作刚度为第二压簧(27)的刚度。
10.一种正负刚度调节的方法，其特征在于，应用权利要求8所述的一种工业机器人末端轴向准零刚度隔振器，所述方法包括如下步骤：
