CN104723354A - 一种机械阻抗参数可调的机器人柔性驱动旋转关节 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人柔性驱动领域的机器人转动关节，具体地说是一种机械阻抗参数可调的机器人柔性驱动旋转关节，包括磁流变离合器、电机、第一、二杆、扭转弹簧及关节轴端盖，电机及磁流变离合器分别安装在第二杆上，磁流变离合器的两侧分别安装有磁流变离合器输入轴及磁流变离合器输出轴，磁流变离合器输入轴通过传动机构与电机输出轴连接，磁流变离合器输出轴与第一杆连接；扭转弹簧的两端分别连接在磁流变离合器及关节轴端盖上。本发明可使转动关节在主动和被动状态间转换，阻尼可调，阻尼、扭转弹簧起缓冲作用；被动状态下，关节可随杆件做被动旋转，并储存冲击能量，提高能源效率，用于具有柔性操作、主被动调整需要，或存在冲击的场合。

Description

一种机械阻抗参数可调的机器人柔性驱动旋转关节

技术领域

本发明属于机器人柔性驱动领域的机器人转动关节，具体地说是一种机械阻抗参数可调的机器人柔性驱动旋转关节。

背景技术

在机器人领域，许多场合需要机器人关节在主动运动状态和被动运动状态之间转换。主动运动即关节在驱动器驱动下运动，被动运动即关节无驱动受外界力作用而旋转；被动运动在人、动物的运动中被广泛应用，可以有效降低能耗、提高运动效率、减小地面冲击。实际应用中，机器人关节需要在主动运动和被动运动两个状态之间进行转换，以适应机器人末端在向外界施加作用力，及在受外力作用下利用被动减振缓冲保护机构的需要。过去通常采用在驱动器和关节轴之间串联离合器的方法，但当外界冲击力较大时，该方法难以起到缓冲作用，在机器人的运动中易产生较大的振动，易对关节和机器人产生机械损伤，也不利于机器人的控制。所以，需要关节在被动状态下具备减振缓冲能力。目前在机器人关节的减振缓冲技术方面，主要是在关节的电机与关节轴之间加入弹性元件；一种是通过串联弹簧，起到缓冲作用，一种是在电机至关节转轴之间并联阻尼器、弹簧，起到减振缓冲作用。以上都是针对主动驱动关节的减振技术。在被动关节方面，于2011年9月14日公开、公开号为CN102179821A、发明名称为“一种可调刚度弹性直线伸缩式被动机器人关节”的中国发明专利，公开了一种弹性直线伸缩被动关节，利用弹簧实现减振蓄能作用。但机器人常用的关节多为旋转关节，被动旋转关节也采用串联弹簧实现缓冲作用，而弹簧属于蓄能元件，单纯采用弹簧其减振效果有限。

发明内容

为了克服单纯采用弹簧减振存在的上述缺点，本发明的目的在于提供一种机械阻抗参数可调的机器人柔性驱动旋转关节。该驱动旋转关节可适应机器人的主动、被动运动状态，并能适应机器人动态运动中减振需要的关节结构，在关节中加入磁流变离合器、弹簧，被动运动中磁流变离合器也起到阻尼减振作用。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括磁流变离合器、电机、传动机构、第一杆、第二杆、扭转弹簧及关节轴端盖，其中磁流变离合器包括磁流变离合器输入轴、线圈、磁流变液、磁流变离合器输出轴及壳体，所述壳体安装在第二杆上，所述磁流变离合器输入轴及磁流变离合器输出轴分别转动连接在壳体的两侧；所述电机安装在第二杆上，该电机的输出轴通过所述传动机构与所述磁流变离合器输入轴相连、带动磁流变离合器输入轴旋转；所述线圈安装在壳体内，所述壳体内充有磁流变液，通过调整线圈通电电流的大小进而调整磁流变离合器输入轴与磁流变离合器输出轴之间的阻尼大小，进而实现磁流变离合器输入轴与磁流变离合器输出轴转速相同或相互脱离；所述关节轴端盖与磁流变离合器输出轴相连，第一杆的一侧与所述关节轴端盖连接，另一侧与所述磁流变离合器输入轴转动连接；所述扭转弹簧的一端安装在所述壳体上，另一端与磁流变离合器输出轴相连。

其中：所述壳体的一侧与第二杆的一侧固接，壳体的另一侧固接有磁流变离合器连接端盖，并通过该磁流变离合器连接端盖与所述第二杆的另一侧固接；所述扭转弹簧的一端安装在壳体固接磁流变离合器连接端盖的一侧；所述磁流变离合器输入轴与磁流变离合器输出轴同轴设置；所述线圈通电的电流与磁流变液的粘性及磁流变离合器输入轴与磁流变离合器输出轴之间的阻尼大小均成正比；所述第一杆的另一侧安装有轴承座，该轴承座通过轴承与所述磁流变离合器输入轴转动连接，所述轴承的两侧分别通过安装在磁流变离合器输入轴上的端盖及套筒定位；所述传动机构为皮带传动机构，包括大同步带轮、同步带、小同步带轮及小同步带轮轴，所述大同步带轮与磁流变离合器输入轴键连接，所述小同步带轮的小同步带轮轴与电机的输出轴相连，所述大同步带轮与小同步带轮之间通过同步带连接传动；所述电机通过电机轴承座安装在第二杆上，小同步带轮轴通过轴承与所述电机轴承座转动连接，并通过轴承端盖及小同步带轮轴上的轴肩定位；所述大同步带轮通过套设在磁流变离合器输入轴上的套筒定位。

本发明的优点与积极效果为：

本发明实现了关节的机械阻抗参数可调的特征，使关节呈现出主动、被动两种工作状态，通过在关节单元加入阻尼元件，在关节运动中通过弹簧、阻尼的减振，减小振动力幅值、缩短振动时间，减小环境对机器人的冲击力，并通过扭转弹簧储存能量，提高机器人运动效率；在被动状态下减振能力强，抗冲击，安装方便，适用于需要柔性操作，或需要在主动、被动状态件调节，或需要避免操作振动的场合，如仿生机器人、医疗机器人、人—机环境下工作的安全型机器人等。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明磁流变离合器的结构示意图；

图3为本发明的电路控制图；

其中：1为磁流变离合器输入轴，2为端盖，3为轴承，4为轴承座，5为大同步带轮，6为套筒，7为同步带，8为小同步带轮，9为小同步带轮轴，10为轴承端盖，11为电机轴承座，12为轴承，13为电机，14为第二杆，15为磁流变离合器，16为磁流变离合器连接端盖，17为扭转弹簧，18为关节轴端盖，19为磁流变离合器输出轴，20为第一杆，21为线圈，22为磁流变液，23为驱动器，24为控制器，25为传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1所示，本发明包括磁流变离合器15、电机13、传动机构、第一杆20、第二杆14、扭转弹簧17及关节轴端盖18，其中磁流变离合器15与电机13分别安装在第二杆14上。

如图2所示，磁流变离合器15包括磁流变离合器输入轴1、线圈21、磁流变液22、磁流变离合器输出轴19及壳体，壳体的一侧与第二杆14的一侧通过螺钉固接，壳体的另一侧用螺钉固接有磁流变离合器连接端盖16，并通过该磁流变离合器连接端盖16与第二杆14的另一侧用螺钉固接。磁流变离合器输入轴1及磁流变离合器输出轴19分别转动连接在壳体的两侧，磁流变离合器输入轴1与磁流变离合器输出轴19同轴设置。线圈21安装在壳体内，壳体内充有磁流变液22，通过调整线圈21通电电流的大小进而调整磁流变离合器输入轴1与磁流变离合器输出轴19之间的阻尼大小，进而实现磁流变离合器输入轴1与磁流变离合器输出轴19转速相同或相互脱离。线圈21通电的电流与磁流变液22的粘性及磁流变离合器输入轴1与磁流变离合器输出轴19之间的阻尼大小均成正比，即阻尼大时，磁流变离合器输出轴1与磁流变离合器输入轴19转速相同，阻尼小时，磁流变离合器输出轴1与磁流变离合器输入轴19相互脱离。扭转弹簧17的一端安装在壳体固接磁流变离合器连接端盖16的一侧，另一端与磁流变离合器输出轴19相连。磁流变液22在磁流变离合器输出轴1和磁流变离合器输入轴19之间起到阻尼作用，与扭转弹簧17共同起到减振缓冲作用，而扭转弹簧17可储备机械能。

电机13通过电机轴承座11安装在第二杆14上，该电机13的输出轴通过传动机构与磁流变离合器输入轴1相连、带动磁流变离合器输入轴1旋转。传动机构可为皮带传动机构、齿轮传动机构、链轮链条传动机构等，本实施的传动机构为皮带传动机构，包括大同步带轮5、同步带7、小同步带轮8及小同步带轮轴9，大同步带轮5与磁流变离合器输入轴1键连接，并通过套设在磁流变离合器输入轴1上的套筒6轴向定位；小同步带轮8的小同步带轮轴9与电机13的输出轴相连，小同步带轮轴9通过轴承12与电机轴承座11转动连接，并通过轴承端盖10及小同步带轮轴9上的轴肩定位，轴承12做小同步带轮轴9的支撑；大同步带轮5与小同步带轮8之间通过同步带7连接传动，电机13输出转矩通过小同步带轮8、同步带7、大同步带轮5传递至磁流变离合器输入轴1。

关节轴端盖18通过螺钉与磁流变离合器输出轴19固接，第一杆20的一侧通过螺钉与关节轴端盖18固接，另一侧固接有轴承座4，该轴承座4通过轴承3与磁流变离合器输入轴1转动连接，轴承3的两侧分别通过安装在磁流变离合器输入轴1上的端盖2及套筒定位。；

本发明的工作原理为：

柔性驱动旋转关节由电机13驱动，相连杆件为第一杆20和第二杆14，磁流变离合器输入轴1与磁流变离合器输出轴19的结合或脱离，使柔性驱动旋转关节处于主动或被动状态。具体为：

如图3所示，传感器25采集机器人柔性驱动旋转关节的相对运动信号和受外力信号，反馈给控制器24（本发明的控制器为现有技术），控制器24再通过驱动器23（本发明的驱动器为现有技术）转化为电信号，调整磁流变离合器15的线圈21电流值，从而控制磁流变离合器15的阻尼力。

在线圈21内通直流电可产生磁场，形成磁回路，磁流变液22的粘度变大，阻尼增加。当电流大小改变时，磁场强度变化，从而调整磁流变离合器输入轴1和磁流变离合器输出轴19之间的阻尼。

工作时，电机13驱动其输出轴旋转，带动磁流变离合器输入轴1旋转；当线圈21得电时，磁流变液22粘度改变，磁流变离合器输入轴1带动磁流变离合器输出轴19旋转，磁流变离合器输出轴19通过关节轴端盖18带动第一杆20旋转，此时磁流变离合器输出轴19的转速与电机13的输出轴转速相同，柔性驱动旋转关节处于主动状态；当线圈21失电时，磁流变液22的状态复原，磁流变离合器输入轴1与磁流变离合器输出轴19脱离，第一杆20相对于第二杆14的转动不受电机13输出轴转速的控制，柔性驱动旋转关节处于被动状态；在该被动状态下，第一杆20受外力作用时，带动磁流变离合器输出轴19旋转，磁流变离合器输入轴1同电机13的输出轴保持静止，此时调整线圈21的电流，改变磁回路的磁感应强度，调整磁流变液22的屈服应力，调整磁流变离合器输入轴1与磁流变离合器输出轴19之间的阻尼，扭转弹簧17可储存能量，共同实现减振缓冲作用。

该柔性驱动旋转关节可对关节的机械阻抗参数调整，即对刚度、阻尼等参数调节，达到期望的阻抗特性，可在主动状态和被动状态之间调节转换，适合于关节有柔性操作需要的场合和关节主动状态、被动状态调节转换要求的场合。在被动状态下，通过在关节处装置的传感器25采集关节转动的运动状态信号，并将传感器25采集的电信号传回至控制器24，由控制器24产生控制信号并传至驱动器23转换成电流，驱动器23输出的电流输入至线圈21，从而调整关节的阻尼，控制第一杆20相对于第二杆14转动的角速度、角加速度，同时在扭转弹簧17的作用下，实现被动耗能减振，有效缓冲外部环境对机器人的冲击力，保护机器人结构。

Claims (8)

1.一种机械阻抗参数可调的机器人柔性驱动旋转关节，其特征在于：包括磁流变离合器（15）、电机（13）、传动机构、第一杆（20）、第二杆（14）、扭转弹簧（17）及关节轴端盖（18），其中磁流变离合器（15）包括磁流变离合器输入轴（1）、线圈（21）、磁流变液（22）、磁流变离合器输出轴（19）及壳体，所述壳体安装在第二杆（14）上，所述磁流变离合器输入轴（1）及磁流变离合器输出轴（19）分别转动连接在壳体的两侧；所述电机（13）安装在第二杆（14）上，该电机（13）的输出轴通过所述传动机构与所述磁流变离合器输入轴（1）相连、带动磁流变离合器输入轴（1）旋转；所述线圈（21）安装在壳体内，所述壳体内充有磁流变液（22），通过调整线圈（21）通电电流的大小进而调整磁流变离合器输入轴（1）与磁流变离合器输出轴（19）之间的阻尼大小，进而实现磁流变离合器输入轴（1）与磁流变离合器输出轴（19）转速相同或相互脱离；所述关节轴端盖（18）与磁流变离合器输出轴（19）相连，第一杆（20）的一侧与所述关节轴端盖（18）连接，另一侧与所述磁流变离合器输入轴（1）转动连接；所述扭转弹簧（17）的一端安装在所述壳体上，另一端与磁流变离合器输出轴（19）相连。

2.按权利要求1所述机械阻抗参数可调的机器人柔性驱动旋转关节，其特征在于：所述壳体的一侧与第二杆（14）的一侧固接，壳体的另一侧固接有磁流变离合器连接端盖（16），并通过该磁流变离合器连接端盖（16）与所述第二杆（14）的另一侧固接；所述扭转弹簧（17）的一端安装在壳体固接磁流变离合器连接端盖（16）的一侧。

3.按权利要求1或2所述机械阻抗参数可调的机器人柔性驱动旋转关节，其特征在于：所述磁流变离合器输入轴（1）与磁流变离合器输出轴（19）同轴设置。

4.按权利要求1或2所述机械阻抗参数可调的机器人柔性驱动旋转关节，其特征在于：所述线圈（21）通电的电流与磁流变液（22）的粘性及磁流变离合器输入轴（1）与磁流变离合器输出轴（19）之间的阻尼大小均成正比。

5.按权利要求1所述机械阻抗参数可调的机器人柔性驱动旋转关节，其特征在于：所述第一杆（20）的另一侧安装有轴承座（4），该轴承座（4）通过轴承与所述磁流变离合器输入轴（1）转动连接，所述轴承的两侧分别通过安装在磁流变离合器输入轴（1）上的端盖及套筒定位。

6.按权利要求1所述机械阻抗参数可调的机器人柔性驱动旋转关节，其特征在于：所述传动机构为皮带传动机构，包括大同步带轮（5）、同步带（7）、小同步带轮（8）及小同步带轮轴（9），所述大同步带轮（5）与磁流变离合器输入轴（1）键连接，所述小同步带轮（8）的小同步带轮轴（9）与电机（13）的输出轴相连，所述大同步带轮（5）与小同步带轮（8）之间通过同步带（7）连接传动。

7.按权利要求6所述机械阻抗参数可调的机器人柔性驱动旋转关节，其特征在于：所述电机（13）通过电机轴承座（11）安装在第二杆（14）上，小同步带轮轴（9）通过轴承与所述电机轴承座（11）转动连接，并通过轴承端盖（10）及小同步带轮轴（9）上的轴肩定位。

8.按权利要求6所述机械阻抗参数可调的机器人柔性驱动旋转关节，其特征在于：所述大同步带轮（5）通过套设在磁流变离合器输入轴（1）上的套筒（6）定位。