CN103419200A

CN103419200A - 一种机器人的仿肌弹性关节驱动装置

Info

Publication number: CN103419200A
Application number: CN2013103123776A
Authority: CN
Inventors: 何福本; 舒利明; 梁延德; 丛广智
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2013-07-23
Filing date: 2013-07-23
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2033-07-23
Also published as: CN103419200B

Abstract

一种机器人的仿肌弹性关节驱动装置，属于机器人技术领域。其包括直流舵机驱动部，机器人关节部，关节转角测量反馈模块，关节初始刚度调整部，第一肢体，第二肢体。直流数字舵机驱动部由曲轴机构、柔性细绳、驱动拉簧、直流舵机、复位拉簧、紧固件组成，通过复位拉簧保证关节初始刚度，采用柔性细绳与驱动拉簧实现仿肌关节的弹性驱动；机器人关节部包括第一肢体和第二肢体，通过铰链连接；关节转角测量反馈模块包括磁编码器、永磁体、紧固螺钉、挡板，与控制系统相连，实现关节旋转角度的数据反馈。本发明通过采用弹性驱动的方法实现肢体运动，形成强适应性的关节驱动方案，以这种方案驱动的关节动作更加柔顺和平滑，更加接近肌肉驱动关节运动。

Description

一种机器人的仿肌弹性关节驱动装置

技术领域

本发明属于机器人领域，特别涉及机器人的仿肌弹性关节驱动装置，即直流数字舵机与仿肌弹性结构相结合的机器人关节驱动装置。

背景技术

长期以来，传统的机器人关节设计理论认为，对于动力驱动装置与关节铰链之间的机械连接方式，应优先考虑刚度较大的传动机构。因此，在工业机器手臂、仿生多足机器人以及康复医疗假肢等关节机器人或智能机构的研究中，普遍采用电机输出轴与关节机构进行刚性连接的驱动方案，其主要优势在于机构装配简单、电机控制精确和运动响应快速，并能够满足操作和应用的基本任务要求。虽然这种关节刚性驱动方式具备技术成熟和发展完善的特点，但受电机性能的限制和机构刚度高的约束，造成刚性驱动器的强鲁棒性和弱适应性，对于机器人实现诸如柔顺化动作、自调整性接触以及低能耗运动等目标仍然存在一定的不足和缺憾。

发明内容

结合图1至图4，本发明所述一种机器人的仿肌弹性关节驱动装置是通过如下技术方案实现的：

为了实现机器人模仿肌肉驱动的关节运动和实现对外部环境的强适应性，通过研究基于串联弹性驱动器驱动形式，并参考人体肌肉—肌键组织的仿生学生物力学特征，提出一种仿肌弹性关节机器人的关节驱动装置，以实现机器人在受迫振动或受冲击载荷下的柔顺自调整运动。

一种机器人的仿肌弹性关节驱动装置，包括直流数字舵机驱动部、机器人关节部、关节初始刚度调整部、关节转角测量反馈模块、第一肢体和第二肢体。

直流数字舵机驱动部固定在第一肢体中部，通过其驱动拉簧与第二肢体进行连接；机器人关节部采用铰接形式，通过其转轴将第一肢体的末端铰接在第二肢体的上部；关节初始刚度调整部位于第二肢体中部；关节转角测量反馈模块固定在第一肢体的下部关节处；第一肢体为固定肢体，不随机器人关节运动而运动；第二肢体绕关节部中的转轴做旋转运动。

直流数字舵机驱动部由直流数字舵机、曲轴机构、柔性细绳、复位弹簧及驱动拉簧组成，曲轴机构固定在直流数字舵机的主轴上，驱动拉簧的一端通过柔性细绳连接在曲轴机构上，另一端通过柔性细绳连接在第二肢体的一侧，在直流数字舵机受控正反两方向转动时，驱动拉簧被相应拉伸或收缩从而输出不同大小的弹力，进而为第二肢体转动提供不同大小的动力。复位拉簧A与复位拉簧B分别与柔性细绳连接，两端分别固定在第一肢体和第二肢体上。复位拉簧A的固定位置为第一肢体的上部正面与第二肢体的上部正面。复位拉簧B的固定位置为第一肢体的上部背面与第二肢体的上部背面。两个复位拉簧采用对抗式排布，以保证关节的初始位置及初始刚度。

所述的机器人关节部用于连接第一肢体和第二肢体，由转轴及轴承构成，转轴固定于第二肢体上，与安装在第一肢体上的轴承配合，约束第二肢体的运动。

所述的关节初始刚度调整部位于第二肢体的正面和背面，随驱动拉簧的布置而成对称式排列，由调节螺杆、滑杆、调节滑块构成。两滑杆固定于第二肢体上，调节螺杆铰接于第二肢体上，其轴线与滑杆平行，自身可绕轴线转动。调节滑块通过光孔与滑杆配合，同时通过螺纹孔限位于调节螺杆，随着调节螺杆的旋动而前后运动。复位拉簧A与复位拉簧B的第二肢体端的柔索固定于调节滑块上，随调节滑块同时运动。

所述的关节转角测量反馈模块位于关节部的侧面，由紧固螺柱、磁编码器、永磁铁和挡板构成。磁编码器与关节部的旋转轴端面平行，固定在挡板内侧，与控制系统相连。永磁铁固定在关节部转轴处，随第二肢体的转动而转动。挡板由紧固螺柱固定在第一肢体的下部关节处。

本发明采用模仿肌肉弹性驱动的方法驱动肢体运动，形成具有较强适应性的关节驱动方案，以这种方案驱动的关节动作平滑和柔顺，并更加接近仿生关节运动的特点。本发明可广泛应用于工业，商业服务，康复医疗以及日常生活领域，尤其适用于仿生机器人及康复机械的研发和设计。

附图说明

图1为本发明的立体结构图。

图2为本发明的关节初始刚度调整部局部放大图。

图3为本发明的关节剖视图。

图4为本发明的控制系统结构图。

图中:1第二肢体；2关节初始刚度调整部；3驱动拉簧；4直流数字舵机；5曲轴机构；6复位拉簧A；7复位拉簧B；8紧固螺柱；9第一肢体；10紧固件；11关节转角测量反馈模块；12机器人关节部；13轴承；14转轴；201固定块；202调节滑块；203滑杆；204调节螺杆；205限位环；701紧固螺柱；702挡板；703磁编码器；704永磁铁。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

如图所求，直流数字舵机驱动部由直流数字舵机4，可调节曲柄半径的曲轴机构5，驱动拉簧3、柔性细绳、复位拉簧6和复位拉簧7组成。直流数字舵机4采用型号为DYNAMIXEL RX28的大扭矩直流数字舵机，最大输出扭矩可达28.337.7kgf·cm，内部集成角位移、角速度和负载扭矩反馈模块。驱动弹簧采用弹性系数为800N/m的拉簧。复位拉簧6和复位拉簧7采用弹性系数为600N/m的拉簧。

同时，在复位拉簧6和复位拉簧7的下部有关节初始刚度调整机构，此机构由调节滑块202、滑杆203、调节螺杆204及限位环205组成。螺杆采用M4公制粗牙螺杆，滑杆采用硬质合金钢制圆柱型杆件。工作时，此初始刚度调整部通过调节滑块在滑杆上的滑动实现调整功能，可以通过调整两复位拉簧的初始长度实现复位拉簧预紧力大小的调节，此调节机构对于整个关节肢体运动的初始位置及响应过程有重要影响。

机器人关节部12由转轴14与轴承14构成，用于连接第一肢体9和第二肢体1。转轴采用硬质合金钢制短轴14，轴承采用标准深沟球轴承。

所述关节转角测量反馈模块11位于关节部12的侧面，由紧固螺柱8，磁编码器703，挡板702及永磁铁704组成。磁编码器703采用型号为AS5040的磁编码器，永磁铁采用径向充磁的圆柱型永磁铁。

本发明的控制系统与直流数字舵机驱动部连接，，包括ARM微处理器、STM微处理器、电源和串口总线组成。ARM微处理器采用TI AM3359处理器，主频1GHz。STM微处理器采用STM32F101R6处理器，当ARM微处理器接收预设关节转角信号后，经处理计算后，将电机转角等数字信号输送给STM微处理器，STM微处理器通过串口通信，驱动直流数字舵机，使关节转动。在控制关节转角位置过程中，STM微处理器通过接收关节转角度相位，舵机转角和电流等反馈信号数据，上传给ARM微处理器，与预设关节转角大小进行比较，实现关节转角的精确控制。

下面对本发明的具体实施时的动作情况进行说明：

当第二肢体1绕关节转动时，动力源是直流数字舵机驱动部，直流数字舵机通过带动曲柄旋转，拉动固定在曲柄上的驱动拉簧3，使驱动弹簧3伸长。同时，导致与驱动弹簧3另一端相连的第二肢体1绕关节转动。在第二肢体1绕关节转动过程中，由于直流数字舵机输出转角与关节转角之间存在非线性关系，故需要将关节转角信号实时反馈至控制系统，并由控制系统根据当前舵机转速、转角以及关节处转角等综合信息做出指令，使直流数字舵机进行相应运动并通过驱动拉簧3控制第二肢体5最终位置。

由于传递力矩所用拉簧及复位拉簧均为弹性结构，故当关节所受载荷发生变化时，关节形态会随之做出相应改变，此时，关节转角测量反馈模块11会接收实时信号变化，从而调整关节形态使之达到相符合的标准。

在第二肢体1的下端安装前述机器人关节部12以及关节转角测量反馈模块11，并在第二肢体1的关节处另安装机器人关节部12及关节转角测量反馈模块11，在另安装的关节部位安装第三肢体，使第三肢体绕关节转轴做旋转运动，可实现机器人的多关节驱动。

另外，将直流数字舵机驱动部4安装于第一肢体9的下部并将复位拉簧分别安装在第一肢体9的两侧，可实现第二肢体1的在空间旋转运动。

Claims

1.一种机器人的仿肌弹性关节驱动装置，其特征在于，该仿肌弹性关节驱动装置包括直流数字舵机驱动部、机器人关节部、关节初始刚度调整部、关节转角测量反馈模块、第一肢体和第二肢体；

2.根据权利要求1所述的仿肌弹性关节驱动装置，其特征在于，所述的直流数字舵机驱动部由直流数字舵机、曲轴机构、柔性细绳、复位弹簧及驱动拉簧组成，曲轴机构固定在直流数字舵机的主轴上，驱动拉簧的一端通过柔性细绳连接在曲轴机构上，另一端通过柔性细绳连接在第二肢体的一侧，在直流数字舵机受控正反两方向转动时，驱动拉簧被相应拉伸或收缩从而输出不同大小的弹力，进而为第二肢体转动提供不同大小的动力。复位拉簧A与复位拉簧B分别与柔性细绳连接，两端分别固定在第一肢体和第二肢体上。复位拉簧A的固定位置为第一肢体的上部正面与第二肢体的上部正面。复位拉簧B的固定位置为第一肢体的上部背面与第二肢体的上部背面。两个复位拉簧采用对抗式排布，以保证关节的初始位置及初始刚度。

3.根据权利要求1或2所述的仿肌弹性关节驱动装置，其特征在于，所述的机器人关节部用于连接第一肢体和第二肢体，由转轴及轴承构成，转轴固定于第二肢体上，与安装在第一肢体上的轴承配合，约束第二肢体的运动。

4.根据权利要求1或2所述的仿肌弹性关节驱动装置，其特征在于，所述的关节初始刚度调整部位于第二肢体的正面和背面，随驱动拉簧的布置而成对称式排列，由调节螺杆、滑杆、调节滑块构成。两滑杆固定于第二肢体上，调节螺杆铰接于第二肢体上，其轴线与滑杆平行，自身可绕轴线转动。调节滑块通过光孔与滑杆配合，同时通过螺纹孔限位于调节螺杆，随着调节螺杆的旋动而前后运动。复位拉簧A与复位拉簧B的第二肢体端的柔索固定于调节滑块上，随调节滑块同时运动。

5.根据权利要求1或2所述的仿肌弹性关节驱动装置，其特征在于，所述的关节转角测量反馈模块位于关节部的侧面，由紧固螺柱、磁编码器、永磁铁和挡板构成。磁编码器与关节部的旋转轴端面平行，固定在挡板内侧，与控制系统相连。永磁铁固定在关节部转轴处，随第二肢体的转动而转动。挡板由紧固螺柱固定在第一肢体的下部关节处。

6.根据权利要求3所述的仿肌弹性关节驱动装置，其特征在于，所述的关节初始刚度调整部位于第二肢体的正面和背面，随拉簧的布置而成对称式排列，由调节螺杆、滑杆、调节滑块构成。两滑杆固定于第二肢体上，调节螺杆铰接于第二肢体上，其轴线与滑杆平行，自身可绕轴线转动。调节滑块通过光孔与滑杆配合，同时通过螺纹孔限位于调节螺杆，随着调节螺杆的旋动而前后运动。复位拉簧A与复位拉簧B的第二肢体端的柔索固定于调节滑块上，随调节滑块同时运动。

7.根据权利要求3所述的仿肌弹性关节驱动装置，其特征在于，所述的关节转角测量反馈模块位于关节部的侧面，由紧固螺柱、磁编码器、永磁铁和挡板构成。磁编码器与关节部的旋转轴端面平行，固定在挡板内侧，与控制系统相连。永磁铁固定在关节部转轴处，随第二肢体的转动而转动。挡板由紧固螺柱固定在第一肢体的下部关节处。

8.根据权利要求4所述的仿肌弹性关节驱动装置，其特征在于，所述的关节转角测量反馈模块位于关节部的侧面，由紧固螺柱、磁编码器、永磁铁和挡板构成。磁编码器与关节部的旋转轴端面平行，固定在挡板内侧，与控制系统相连。永磁铁固定在关节部转轴处，随第二肢体的转动而转动。挡板由紧固螺柱固定在第一肢体的下部关节处。

9.根据权利要求1、2、6、7或8所述的仿肌弹性关节驱动装置，其特征在于，该仿肌弹性关节驱动装置的控制系统与直流数字舵机驱动部连接，包括ARM微处理器、STM微处理器、电源和串口总线；ARM微处理器采用TI AM3359处理器，主频1GHz。STM微处理器采用STM32F101R6处理器，当ARM微处理器接收预设关节转角信号后，经处理计算后，将电机转角等数字信号输送给STM微处理器，STM微处理器通过串口通信，驱动直流数字舵机，使关节转动。在控制关节转角位置过程中，STM微处理器通过接收关节转角度相位，舵机转角和电流等反馈信号数据，上传给ARM微处理器，与预设关节转角大小进行比较，实现关节转角的精确控制。

10.根据权利要求3所述的仿肌弹性关节驱动装置，其特征在于，该仿肌弹性关节驱动装置的控制系统与直流数字舵机驱动部连接，包括ARM微处理器、STM微处理器、电源和串口总线；ARM微处理器采用TI AM3359处理器，主频1GHz。STM微处理器采用STM32F101R6处理器，当ARM微处理器接收预设关节转角信号后，经处理计算后，将电机转角等数字信号输送给STM微处理器，STM微处理器通过串口通信，驱动直流数字舵机，使关节转动。在控制关节转角位置过程中，STM微处理器通过接收关节转角度相位，舵机转角和电流等反馈信号数据，上传给ARM微处理器，与预设关节转角大小进行比较，实现关节转角的精确控制。