CN105128027A - 一种转动关节及使用该转动关节的机械臂 - Google Patents
一种转动关节及使用该转动关节的机械臂 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种转动关节及使用该转动关节的机械臂，转动关节包括第一连接座和第二连接座，第一连接座上固设有沿左右方向延伸的主轴，第二连接座转动装配在所述主轴上，第二连接座上固设有同轴转动装配在主轴上的转动摩擦盘，主轴上沿左右方向滑动装配有用于与转动摩擦盘接触摩擦配合以控制两连接座之间转动阻尼的滑动摩擦盘，滑动摩擦盘由设置在主轴上的直动驱动机构驱动往复移动，直动驱动机构为气压缸驱动机构或液压缸驱动机构或电动推杆驱动机构。通过控制两摩擦盘的接触摩擦强度来实现转动阻尼的控制调整，转动关节的整体结构相对简单，生产设计成本低，便于操作和维护检修。
Description
技术领域
本发明涉及一种转动关节及使用该转动关节的机械臂。
背景技术
人体运动功能障碍——因为脊柱损伤、脑卒、意外事故伤害等而造成人体的神经受损——已成为一种常见的疾病。通过及时而有效的康复训练，可以刺激大脑中枢神经以恢复部分功能，消除由于运动神经元损伤带来的肢体运动功能障碍提高患者的运动能力。随着近年来经济与科技的发展，利用自动化系统来帮助患者康复成为了国内外康复训练发展的主流。
现有的康复训练设备，虽然经过了多年发展，有些也已经应用于临床治疗。但在使用中仍有不足之处：
1）、康复训练中运动姿态曲线多是预先存入控制系统的数据，因为涉及到编程的原因，修改难度大。这种数据曲线，是对大多数正常人行走步态曲线或上肢活动的数据进行采集后，经过统计和分析，获得的单一数据，是无法适用于各种病患和病情的；
2）、作为康复训练中的主导者和决策者，理疗师很难学会有效操纵现有康复设备，更不能够针对每个病人都及时编写或改动步态曲线数据。康复训练设备本应该是配合理疗师的治疗，起辅助作用的，但现在却因为操控问题而影响患者的治疗进程。
在授权公告号为CN100398273C的中国发明专利说明书中公开了一种康复训练机器人的关节结构，包括机架，机架上设有电机、机械臂及减速装置，其中，减速装置的输入段与电机的转动轴向，在减速装置和机械臂之间设有离合-阻尼器，离合-阻尼器的主动轴与减速装置的输出端相连，从动轴与机械臂相连，离合-阻尼器的外壳内设有对应与主动轴和从动轴固定连接的主动盘和从动盘，主动盘和从动盘相对设置，主动盘和从动盘的相对表面上分别设有极性相反的电极板，在主动盘和从动盘相邻侧的外壳内壁上分别设有与其上的电极板极性一致的壁内电极板，在外壳内腔中填满电流变液。
使用时，由于可以控制电极板上的电压变化，使得主动盘和从动盘之间的电流变液发生变化，在电压逐渐增大时，电流便也变得越来越粘稠，使得主动盘和从动盘之间的相对运动阻力逐渐增大，当电压大于某个设定阈值时，主动盘和从动盘之间的电流变液完全固话，主动盘和从动盘固连。这样一来，可以控制电极板上的电压控制离合-阻尼器处于与离合器的方式工作还是以阻尼器的方式工作。当使用上述康复训练机器人的关节结构进入阻尼训练模式时，电机停止工作，离合-阻尼器工作在阻尼器状态，由于涡轮蜗杆减速装置的自锁特性，主动轴无法自由转动，而从动轴可以进行有阻尼的自由转动，此时，患者可带动机械臂进行有阻尼的往复运动，通过控制外加电压的大小，就可以准确控制机械臂的阻尼。
但上述这种利用电压控制电流变液来实现离合-阻尼器的阻尼大小变化，使用操作较为麻烦，且需要精确控制加载在离合-阻尼器上的电压大小，控制精度要求较高，且对电流变液的纯度等也有较高要求，使得使用上述离合-阻尼器的关节结构较为复杂，成本较高，维护检修均较为不便。
发明内容
本发明提供一种转动关节，以解决现有技术中存在的利用电压控制电流变液来实现离合-阻尼器的阻尼力变化导致关节结构复杂、成本较高的技术问题；同时，本发明还提供一种使用上述转动关节的机械臂。
本发明所提供的转动关节的技术方案是：转动关节，包括沿左右方向间隔分布的第一连接座和第二连接座，第一连接座上设有用于将转动关节与机械臂相邻两臂体中的其中一个臂体固连的第一固连部，第二连接座上设有用于将转动关节与所述机械臂相邻两臂体中的另一个臂体固连的第二固连部，第一连接座上固设有沿左右方向延伸的主轴，第二连接座转动装配在所述主轴上，第二连接座上固设有同轴转动装配在主轴上的转动摩擦盘，主轴上沿左右方向滑动装配有用于与转动摩擦盘接触摩擦配合以控制两连接座之间转动阻尼的滑动摩擦盘，滑动摩擦盘由设置在主轴上的直动驱动机构驱动往复移动，直动驱动机构为气压缸驱动机构或液压缸驱动机构或电动推杆驱动机构。
所述的主轴为空心轴结构，直动驱动结构为安装在所述主轴端部的所述气压缸驱动机构，气压缸驱动机构的活塞杆传动连接有滑动装配在所述空心轴结构的沿左右方向延伸的通孔中的传动芯轴，传动芯轴通过连接销连接有滑动座，所述滑动摩擦盘固设在所述滑动座上，所述气压缸驱动机构通过传动芯轴、滑动座驱动滑动摩擦盘沿左右方向往复滑移。
所述的主轴和第二连接座之间设有用于检测第二连接座与主轴相对转动角度的角度传感器。
本发明所提供的使用上述转动关节的机械臂的技术方案是：机械臂，包括转动关节和通过转动关节连接的相邻两臂体，转动关节包括沿左右方向间隔分布的第一连接座和第二连接座，第一连接座上设有将转动关节与所述相邻两臂体中的其中一个臂体固连的第一固连部，第二连接座上设有将转动关节与所述相邻两臂体中的另一个臂体固连的第二固连部，第一连接座上固设有沿左右方向延伸的主轴，第二连接座转动装配在所述主轴上，第二连接座上固设有同轴转动装配在主轴上的转动摩擦盘，主轴上沿左右方向滑动装配有用于与转动摩擦盘接触摩擦配合以控制两连接座之间转动阻尼的滑动摩擦盘，滑动摩擦盘由设置在主轴上的直动驱动机构驱动往复移动，直动驱动机构为气压缸驱动机构或液压缸驱动机构或电动推杆驱动机构。
所述的主轴为空心轴结构，直动驱动结构为安装在所述主轴端部的所述气压缸驱动机构，气压缸驱动机构的活塞杆传动连接有滑动装配在所述空心轴结构的沿左右方向延伸的通孔中的传动芯轴，传动芯轴通过连接销连接有滑动座，所述滑动摩擦盘固设在所述滑动座上，所述气压缸驱动机构通过传动芯轴、滑动座驱动滑动摩擦盘沿左右方向往复滑移。
所述的主轴和第二连接座之间设有用于检测第二连接座与主轴相对转动角度的角度传感器。
所述的机械臂具有两个所述的转动关节，两转动关节分别为上、下转动关节，通过上转动关节连接的相邻两臂体为机械臂安装座和上臂体，通过下转动关节连接的相邻两臂体为下臂体和所述的上臂体。
本发明的有益效果是：本发明所提供的转动关节中，通过直动驱动机构驱动滑动摩擦盘在主轴上沿左右方向往复移动，控制滑动摩擦盘与转动摩擦盘之间的接触摩擦强度，进而调整两连接座之间的转动阻尼，使得转动关节可以满足不同的康复训练要求，应用范围广。并且，通过控制两摩擦盘的接触摩擦强度来实现转动阻尼的控制调整，转动关节的整体结构相对简单，生产设计成本低，便于操作和维护检修。
当将上述的转动关节应用在机械臂上时，机械臂上通过转动关节连接的相邻两臂体可通过转动关节调整量臂体之间的转动阻尼，便于调整应用该机械臂进行康复训练时的训练阻力。
进一步地，将主轴设计成空心轴结构，便于将传动芯轴布置在主轴的通孔中，一方面便于实现移动导向，另一方面也可以相对减少整个转动关节的整体体积。
进一步地，在主轴和第二连接座之间设有角度传感器来检测主轴和第二连接座的相对转动角度。
附图说明
图1是本发明所提供的机械臂的一种实施例的结构示意图；
图2是图1所示机械臂侧视图；
图3是图1中下转动关节的结构示意图；
图4是图1所示机械臂的气缸控制气路示意图；
图5是图3所示控制臂的下转动关节作为主动机械臂的下转动关节应用于康复训练设备时的控制原理图。
具体实施方式
如图1至图4所示，一种机械臂的实施例，该实施例中的机械臂包括两个转动关节，两转动关节分别为上转动关节2和下转动关节4，上转动关节2实现上臂体3与机械臂安装座1的转动连接，下转动关节4用于实现上臂体3与下臂体5的转动连接。
两转动关节的结构基本相同，以下转动关节4为例，下转动关节包括沿左右方向间隔分布的第一连接座18和第二连接座22。相应的，第一连接座18上设有将下转动关节4与上臂体2固连的第一固连部，第二连接座22上设有将下转动关节4与下臂体5固连的第二固连部。第一连接座18上固设有沿左右方向延伸的主轴12，具体来讲，第一连接座18固设在主轴12的一个台阶轴面上，通过紧定螺钉将第一连接座18与主轴固定连接在一起。
第二连接座22通过轴承结构转动装配在主轴12上，在主轴12和第二连接座22之间设有用于检测第二连接座与主轴相对转动角度的角度传感器11，角度床安琪11的转动轴与主轴12连接，随主轴12同步转动。角度传感器11的壳体安装在传感器座23上，传感器座23通过螺钉固定安装在第一连接座22上。在第二连接座22上固设有同轴转动装配在主轴上的转动摩擦盘21。
在主轴12上沿左右方向滑动装配有用于与转动摩擦盘21接触摩擦配合以控制两连接座之间转动阻尼的滑动摩擦盘20，此处的滑动摩擦盘由设置在主轴上的直动驱动机构驱动往复移动，直动驱动机构具体为气压缸驱动机构。气压缸驱动机构包括固设在主轴12相应端部的气缸座16，气缸座16内设有气缸，气缸座另一端安装气动快接头17。气缸座16内的气缸，为转动关节阻尼力的改变提供动力。
上述主轴12为空心轴结构，空心轴结构的沿左右方向延伸的通孔中导向滑动装配有传动芯轴与气缸中活塞杆传动连接，在主轴12上沿左右方向滑动装配有滑动座19，滑动摩擦盘20通过螺栓与滑动座19固定装配在一起，而滑动座19则通过连接销14与传动芯轴连接，此处的连接销14与滑动座19配合约束，使滑动座19仅能沿左右方向在主轴上的往复滑移。在转动摩擦盘21随第二连接座22绕主轴12转动时，将与滑动摩擦盘20接触摩擦配合，随着气缸工作压力的调节，传递至滑动摩擦盘20的正压力也随之变化，摩擦力也将发生变化，即整个转动关节的阻尼力改变。
对于上转动关节2来讲，其结构与下转动关节的结构基本相同，主要不同的地方在于：上转动关节的第一连接座与机械臂安装座1固连，上转动关节的第二连接座则与上臂体3固连。
整个机械臂的气压缸驱动机构由气源31提供整个系统的工作压力，对应的分别由气动比例阀32和气动比例阀34分别为气缸33和气缸35提供调定后的工作压力。此处的气缸33对应上转动关节，而气缸35则对应下转动关节。
本实施例所提供的机械臂在使用时，通过控制上下转动关节处的气缸的工作压力，可以控制滑动摩擦盘和转动摩擦盘之间的接触压力，控制两者之间的摩擦力以实现转动关节的阻尼力调整。
如图5所示，将本实施例所要求保护的机械臂作为主动机械臂应用在康复训练设备领域中，此处以主动机械臂上的下转动关节的使用为例，各单个转动关节对应康复训练设备中对应关节执行器布置，在与下转动关节4的转动摩擦盘21固定装配的下臂体5转动时，由角度传感器11对应测量下臂体3的转动角度，并通过AI接口将检测的转动角度信号输入至控制器，控制器输出控制信号给康复训练设备的对应关节执行机构，而对应的关节执行结构自带的传感器则将自身的角度或位置参数反馈至控制器，经过计算，输出压力控制信号给电气比例控制阀32，电气比例控制阀32调节工作压力，输出相应的接触压力，控制滑动摩擦盘20与转动摩擦盘21之间的转动摩擦阻尼，实现对主动机械臂的下臂体的转动阻尼调整。
当康复训练设备的对应关节执行器正常跟随主动机械臂进行相应摆动时，主动机械臂可以继续进行正常摆动。而当康复训练设备的对应关节执行器不再跟随主动机械臂的相应关节转动时，控制跟随接受到的相应反馈信号控制电器比例控制阀动作，加大转动摩擦盘和滑动摩擦盘之间的转动摩擦阻尼，组织主动机械臂上的相应转动关节继续转动，实现理疗师操作主动机械臂的有效反馈。
上述实施例中，直动驱动机构采用气压缸驱动机构，在其他实施例中，直动驱动机构也可以采用液压缸驱动机构或电动推杆驱动机构。
上述实施例中，主轴为空心轴结构，在其他实施例中，也可以将主轴设计成实心轴结构，则通过套装在主轴外的传动轴套驱动滑动座带着滑动摩擦盘往复移动来实现对转动关节的阻尼力的调节。
上述实施例中，机械臂具有两个转动关节，在其他实施例中，也可以根据实际使用需要仅设置上转动关节，省去下转动关节及下臂体。
本发明还提供一种转动关节的实施例，该实施例中的转动关节与上述机械臂实施例中的转动关节的结构相同，在此不再赘述。
Claims (7)
1.转动关节，包括沿左右方向间隔分布的第一连接座和第二连接座，第一连接座上设有用于将转动关节与机械臂相邻两臂体中的其中一个臂体固连的第一固连部，第二连接座上设有用于将转动关节与所述机械臂相邻两臂体中的另一个臂体固连的第二固连部，其特征在于：第一连接座上固设有沿左右方向延伸的主轴，第二连接座转动装配在所述主轴上，第二连接座上固设有同轴转动装配在主轴上的转动摩擦盘，主轴上沿左右方向滑动装配有用于与转动摩擦盘接触摩擦配合以控制两连接座之间转动阻尼的滑动摩擦盘，滑动摩擦盘由设置在主轴上的直动驱动机构驱动往复移动，直动驱动机构为气压缸驱动机构或液压缸驱动机构或电动推杆驱动机构。
2.根据权利要求1所述的转动关节，其特征在于：所述的主轴为空心轴结构，直动驱动结构为安装在所述主轴端部的所述气压缸驱动机构，气压缸驱动机构的活塞杆传动连接有滑动装配在所述空心轴结构的沿左右方向延伸的通孔中的传动芯轴，传动芯轴通过连接销连接有滑动座，所述滑动摩擦盘固设在所述滑动座上，所述气压缸驱动机构通过传动芯轴、滑动座驱动滑动摩擦盘沿左右方向往复滑移。
3.根据权利要求1或2所述的转动关节，其特征在于：所述的主轴和第二连接座之间设有用于检测第二连接座与主轴相对转动角度的角度传感器。
4.机械臂，包括转动关节和通过转动关节连接的相邻两臂体，转动关节包括沿左右方向间隔分布的第一连接座和第二连接座，第一连接座上设有将转动关节与所述相邻两臂体中的其中一个臂体固连的第一固连部，第二连接座上设有将转动关节与所述相邻两臂体中的另一个臂体固连的第二固连部，其特征在于：第一连接座上固设有沿左右方向延伸的主轴，第二连接座转动装配在所述主轴上，第二连接座上固设有同轴转动装配在主轴上的转动摩擦盘，主轴上沿左右方向滑动装配有用于与转动摩擦盘接触摩擦配合以控制两连接座之间转动阻尼的滑动摩擦盘，滑动摩擦盘由设置在主轴上的直动驱动机构驱动往复移动，直动驱动机构为气压缸驱动机构或液压缸驱动机构或电动推杆驱动机构。
5.根据权利要求4所述的机械臂，其特征在于：所述的主轴为空心轴结构，直动驱动结构为安装在所述主轴端部的所述气压缸驱动机构，气压缸驱动机构的活塞杆传动连接有滑动装配在所述空心轴结构的沿左右方向延伸的通孔中的传动芯轴，传动芯轴通过连接销连接有滑动座，所述滑动摩擦盘固设在所述滑动座上，所述气压缸驱动机构通过传动芯轴、滑动座驱动滑动摩擦盘沿左右方向往复滑移。
6.根据权利要求4所述的机械臂，其特征在于：所述的主轴和第二连接座之间设有用于检测第二连接座与主轴相对转动角度的角度传感器。
7.根据权利要求4或5或6所述的机械臂，其特征在于：所述的机械臂具有两个所述的转动关节，两转动关节分别为上、下转动关节，通过上转动关节连接的相邻两臂体为机械臂安装座和上臂体，通过下转动关节连接的相邻两臂体为下臂体和所述的上臂体。
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