CN104924320A - 一种基于串联弹性驱动器的三自由度柔顺机械臂 - Google Patents

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张秀丽
谷小旭
龚加庆
王昆
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Abstract

一种基于串联弹性驱动器的三自由度仿人机械臂，包括关节内的舵机和驱动转换模块和关节之间的连接臂。肩部主动上臂2和肩部副连接臂4相连，构成肩部；肩部和肘部驱动模块通过上臂从动臂7和上臂主动臂8连接，构成大臂，小臂从动臂10和小臂主动臂11与肘部和末端手部连接，构成小臂；在驱动转换模块内部，舵机的力矩通过中轴22a和圆盘15a输出，传递至圆盘上的三角挡块19a，三角挡块将动力传递给弹簧25，弹簧将刚性驱动缓冲之后传递至内扫臂13a，扫臂带动与其连接的输出臂转动，输出动力，完成柔性驱动的转换。该发明仿照人体自由度布置，采用的驱动转换模块可以是刚性驱动转换成弹性驱动，保证运动的柔顺性和人机交互的安全性，装配简单，易于布置。

Description

一种基于串联弹性驱动器的三自由度柔顺机械臂
技术领域
本发明涉及一种三自由度机械臂，具体涉及一种基于串联弹性驱动器的三自由度柔顺机械臂。
背景技术
柔顺机械臂是一种模仿人类手臂功能的末端具有柔顺输出效果的机械臂，能够提高人机交互的安全性，在服务机器人，医疗机器人甚至需要人机合作的工业机器人领域受到越来越多的关注。在柔顺机械臂领域，美国的研究比较先进和成熟，已被食品与药品管理局批准上市的用于医疗器械领域的仿生机械臂Luke臂，代表了目前该领域的最高水平，大小与人体手臂相当，可以完成捡起葡萄和硬币等非常复杂和精细的动作；麻省理工学院研制的机器人平台Meka，其12自由度的机械臂采用了串联弹性驱动器，可以实现很好的柔顺性仿人特性。国内对于柔顺机械臂和串联弹性驱动器的研究都处于起步阶段，串联弹性驱动器应用于机械臂尚未有深入的研究和成果。
发明内容
本发明要解决的技术问题：机械臂要实现较好的柔顺性能，且其外观和关节比例符合人体特征，传统的刚性驱动器不具备良好的柔顺性，无法保证人机交互的安全性，因此需要一种新的驱动方式实现关节驱动；机械臂采用关节驱动，但串联弹性驱动器的弹性元件是线弹簧，因此需要一种机械结构使线弹簧应用于转动关节；柔顺机械臂既要将动力由关节输出，也要有承受负载反馈力的能力，需要实现这种动力的双向弹性缓冲；机械臂要实现柔顺特性，其关节部位不能过于冗杂庞大，同时要降低末端负载，需要驱动器与弹性元件的结合的结构足够紧凑和轻量。
本发明的技术方案：一种基于串联弹性驱动器的三自由度柔顺机械臂，包括关节处组成串联弹性驱动器的电机和圆盘式驱动转换模块，以及连接各关节的主动和被动连接臂。其中舵机和驱动转换模块通过主动舵盘和圆盘连接，副连接臂上端通过副舵盘与舵机连接，下端连接下一关节的舵机，主动连接臂上端和驱动转换模块中的弹簧扫臂连接，下端与一下关节的舵机连接，构成手臂的一个环节；驱动转换模块中的中轴和圆盘固定，与舵机的主动舵盘相连，构成舵机动力输出的第一环节；弹簧扫臂套在中轴上，通过一对深沟球轴承形成转动副，扫臂的三条臂成120°布置，其上各有一对弹簧卡柱，固定在圆盘上的三个三角挡块也成120°布置，亦各有一对弹簧卡柱，扫臂上的卡柱与三角挡块的卡柱之间嵌有弹簧，动力从圆盘上的三角挡块传递至弹簧，再通过弹簧缓冲传递至扫臂，完成驱动方式的弹性转换；与扫臂连接的主动连接臂将动力传递至下一驱动关节，完成关节间的驱动传递。
所述的弹簧扫臂的数量是可以改变的，是进行弹性缓冲的结构，可以是奇数个均匀布置，也可以是偶数个对称布置；所述的弹簧类型及数量是可以改变的，可以全部是压簧预压缩布置，也可以是拉簧预拉伸布置；所述的驱动传递方式是可以改变的，可以是舵机与中轴连接将动力传至扫臂，再传递至负载，也可以是舵机与扫臂连接，将动力传递至中轴，再连接负载；所述的机械臂的肩部的自由度布置是可以改变的，第一个关节的转动方向可以是偏航方向，也可以是横滚方向布置。
本发明的有益效果：本发明所述的基于串联弹性驱动器的三自由度柔顺机械臂采用的驱动方式使机械臂的动力学特性更加柔顺化，有更高的安全性和仿人特性；所采用的圆盘式的动力转换模块使用线弹簧对称预压缩布置实现了转动的弹性缓冲，解决扭簧只能承受单向负载的问题；所采用的圆盘式的动力转换模块，内嵌扫臂和三角挡块，提高了空间利用率，使结构更加紧凑，降低了整体尺寸的同时也实现了轻量化；所采用的动力转换模块可以实现模块化，应用于不同的电机输出端，适用于不同的工作要求和工作环境。
附图说明
图1基于串联弹性驱动器的三自由度机械臂三维图
图2基于串联弹性驱动器的三自由度机械臂肩部三维图
图3驱动转换模块三维图
图4驱动转换模块中轴线剖面图
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
机械臂的整体布置如附图1，肩部横滚自由度舵机3a与驱动转换模块1a连接，肩部主动上臂2上端与驱动转换模块连接，下端与过渡连接模块5a和5b连接，5a和5b又与肩部主动下臂6连接，左侧的肩部副连接臂4上端与3a连接，4和6的下端分别连接在肩部俯仰自由度舵机3b的两侧，形成肩部横滚关节。
舵机3b一侧与驱动转换模块1b连接，一侧与上臂从动臂7的上端连接，驱动转换模块1b与上臂主动臂的上端孔连接，7和8分的下端分别于肘部舵机固定横杆9连接，9又与肘部俯仰自由度舵机1c连接，形成上臂关节。
肘部舵机1c的两侧分别与小臂从动臂10和驱动转换模块1c连接，1c又与小臂主动臂11连接，10和11的下端均与末端手部12连接，形成小臂。
三个关节的驱动环节连接形式完全相同，以肩部横滚自由度关节为例，具体连接形式如图2图3以及图4,，舵机3a的输出端与右侧的主动舵盘16a连接，16a和圆盘15a以及中轴22a通过均布孔连接在一起，一起转动，在中轴22a的轴两端分别有深沟球轴承26a和27a，其外部套有内扫臂13a，13a通过均布孔23与肩部主动上臂2连接，圆盘端盖14a和15a通过圆盘上的均布孔24相连，包裹内部的零件，构成封闭独立的驱动转换模块；舵机3a的左侧与副舵盘17a连接，17a又与肩部副连接臂4连接，形成副连接臂，辅助动力输出。
驱动转换模块的具体实施形式：
以肩部横滚自由度的柔顺驱动转换模块为例，如图3图4，圆盘15a内均布三个完全相同的三角挡块19a，三角挡块19a通过孔18与圆盘固定，19a的两侧各有一个弹簧卡柱20a，内扫臂13a有三个扫臂，均匀布置，每个扫臂上的两侧都有弹簧卡柱21a，内扫臂13a上的卡柱与三角挡块19a的弹簧卡柱20a之间卡有预压缩的弹簧，在一个驱动转换模块内一共有6个弹簧形成弹簧组25，当舵机驱动时，舵机带动主动舵盘16a转动，16a由于与圆盘15a和中轴固连，从而带动圆盘转动，圆盘15a带动内部的三角挡块19a转动，三角挡块又将动力传递给弹簧组25，弹簧组25在进行缓冲之后带动内扫臂转动，在此实现动力有刚性驱动到弹性驱动的转换，内扫臂进而带动其上固定的主动连接臂2转动，从而将动力输出至下一环节。

Claims (6)

1.一种基于串联弹性驱动器的三自由度仿人机械臂，其特征在于：该机械臂包括三个自由度，分别是肩部的一个横滚自由度和俯仰自由度，以及上下臂之间的一个俯仰自由度，其中每个自由度关节的驱动包括供动力的舵机和驱动转换模块，各个关节之间又由主动连接臂和副连接臂连接，分别形成上臂和下臂。其中舵机和驱动转换模块通过主动舵盘和圆盘连接，副连接臂上端通过副舵盘与舵机连接，下端连接下一关节的舵机，主动连接臂上端和驱动转换模块中的弹簧扫臂连接，下端与一下关节的舵机连接，构成手臂的一个关节；驱动转换模块中的中轴和圆盘固定，与舵机的主动舵盘相连，弹簧扫臂套在中轴上，通过一对深沟球轴承形成转动副，扫臂的三条臂成120°布置，其上各有一对弹簧卡柱，固定在圆盘上的三个三角挡块也成120°布置，亦各有一对弹簧卡柱，扫臂上的卡柱与三角挡块的卡柱之间嵌有弹簧，动力从圆盘上的三角挡块传递至弹簧，再通过弹簧缓冲传递至扫臂，完成驱动方式的柔顺转换；与扫臂连接的主动连接臂将动力传递至下一驱动关节，完成关节间的驱动传递。
2.如权利要求1所述的基于串联弹性驱动器的三自由度仿人机械臂，其特征在于：其柔顺驱动转换模块是置于动力源和负载之间的一个封闭独立模块，其输入端和输出端是可以互换的，其输入端可以是舵机，也可以接直流电机等其他动力源。
3.如权利要求1所述的基于串联弹性驱动器的三自由度仿人机械臂，其特征在于：所述的机械臂的肩部的自由度布置是可以改变的，第一个关节的转动方向可以是偏航方向，也可以是横滚方向布置。
4.如权利要求1所述的基于串联弹性驱动器的三自由度仿人机械臂，其特征在于：所述的弹簧扫臂的数量是可以改变的，是进行弹性缓冲的结构，可以是奇数个均匀布置，也可以是偶数个对称布置。
5.如权利要求1所述的基于串联弹性驱动器的三自由度仿人机械臂，其特征在于：所述的弹簧类型及数量是可以改变的，可以全部是压簧预压缩布置，也可以是拉簧预拉伸布置。
6.如权利要求1所述的基于串联弹性驱动器的三自由度仿人机械臂，其特征在于：所述的驱动传递方式是可以改变的，可以是舵机与中轴连接将动力传至扫臂，再传递至负载，也可以是舵机与扫臂连接，将动力传递至中轴，再连接负载。
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