CN105835084B - 一种刚度可调的多维被动柔顺装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种刚度可调的多维被动柔顺装置，包括上部和下部，下部设有凹槽，凹槽内设有柔性末端，上部设有上部顶撑机构，下部设有若干下部顶撑机构，上部顶撑机构包括设在上部工作液缸、上部存液缸、上部顶子及上部工作液缸弹簧，上部存液缸和上部工作液缸导通，上部存液缸内设有上部存液缸活塞套件及上部存液缸弹簧，下部顶撑机构包括下部工作液缸、下部存液缸、下部顶子及下部工作液缸弹簧，下部存液缸和下部工作液缸导通，下部存液缸内设有下部存液缸活塞套件及下部存液缸弹簧，上部工作液缸和下部工作液缸内均填充有粘度可调的液体。工作时，柔性末端可以在凹槽中做任何方向的运动，实现多维的柔顺运动，粘度可调的液体实现刚度可调。

Description

一种刚度可调的多维被动柔顺装置

技术领域

本发明用于自动化设备技术领域，特别是涉及一种刚度可调的多维被动柔顺装置。

背景技术

当机器人进行精密装配、打磨等作业任务时，由于工作环境中存在诸多不确定性和突发事件，使得实际工作作业过程中常发生故障。如，装配机器人装配件之间的微小偏差，由于机械臂的刚度过大可能使装配件不能完成装配，或损坏装配件或周边设备，甚至导致轴孔装配的完全失败；打磨机器人的末端具有适当的柔性，更有利于打磨机器人实现功能。但同时，机器人在某一位置运动到工作空间，理想情况下希望机器人具有绝对的刚度，当到达工作空间进行工作时希望机器人末端具有一定的柔性，可以被动适应工作的环境从而可以柔顺地与外部环境接触。利用主动柔顺控制可以解决这一矛盾，但主动柔顺控制增减了控制系统的负担，同时让机器人的制造成本增加。

在被动柔顺结构，前人做出了很多研究，但仍存在不同工作阶段的刚度和柔性的矛盾，柔顺特性不可调。而且存在柔顺性的方向存在限制，即只能在某些工作空间方向上进行侧位移和角转动的柔顺接触，不能做到完全的多方向的柔顺接触。

发明内容

针对现有自动化装配、打磨等与工作环境有接触行为的工作任务使用的被动柔顺装置存在柔顺特性不可调节、柔顺控制方向存在限制的问题，本发明提供一种用于自动化装配、打磨等工作的刚度可调的多维被动柔顺装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种刚度可调的多维被动柔顺装置，包括上部和下部，所述下部设有凹槽，凹槽内设有柔性末端，上部在所述凹槽的上方设有可抵住柔性末端顶部的上部顶撑机构，下部在所述凹槽的四周设有若干可抵住柔性末端侧壁的下部顶撑机构，所述上部顶撑机构包括设在所述上部的上部工作液缸、上部存液缸、可在所述上部工作液缸内上下运动且抵住柔性末端顶部的上部顶子及设在所述上部工作液缸内且可向外顶推所述上部顶子的上部工作液缸弹簧，所述上部存液缸和上部工作液缸间通过上部存液缸通孔导通，上部存液缸内设有可在上部存液缸内往复运动的上部存液缸活塞套件及可将上部存液缸活塞套件向上部存液缸通孔一侧顶推的上部存液缸弹簧，所述下部顶撑机构包括设在所述下部的下部工作液缸、下部存液缸、可在所述下部工作液缸内横向运动且抵住柔性末端侧壁的下部顶子及设在所述下部工作液缸内且可向外顶推所述下部顶子的下部工作液缸弹簧，所述下部存液缸和下部工作液缸间通过下部存液缸通孔导通，下部存液缸内设有可在下部存液缸内往复运动的下部存液缸活塞套件及可将下部存液缸活塞套件向下部存液缸通孔一侧顶推的下部存液缸弹簧，所述上部工作液缸和下部工作液缸内均填充有粘度可调的液体。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述液体为磁流变液，所述上部顶撑机构还包括上部电感线圈，所述上部电感线圈可以产生改变上部顶撑机构中磁流变液粘度的磁场，所述下部顶撑机构还包括下部电感线圈，所述下部电感线圈可以产生改变下部顶撑机构中磁流变液粘度的磁场。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述上部顶撑机构在上部工作液缸的末端设有上部工作液缸螺塞，所述上部电感线圈缠绕在上部工作液缸螺塞上，所述上部工作液缸弹簧设在上部工作液缸螺塞和上部顶子间，在上部存液缸的末端设有上部存液缸螺塞，所述上部存液缸弹簧设在上部存液缸螺塞和上部存液缸活塞套件间。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述下部顶撑机构在下部工作液缸的末端设有下部工作液缸螺塞，所述下部电感线圈缠绕在下部工作液缸螺塞上，所述下部工作液缸弹簧设在下部工作液缸螺塞和下部顶子间，在下部存液缸的末端设有下部存液缸螺塞，所述下部存液缸弹簧设在下部存液缸螺塞和下部存液缸活塞套件间。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述上部顶子和下部顶子在接触所述液体的一端设有密封圈和力传感器。

进一步作为本发明技术方案的改进，柔性末端具有前、后、左、右四个侧面，下部顶撑机构正对四个侧面设置四套。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述上部在上部工作液缸的下端设有工作液缸端盖，工作液缸端盖上设有通孔，所述上部顶子包括与所述上部工作液缸配合的上部底座和可穿过所述通孔的上部凸台。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述下部工作液缸在靠近柔性末端的一端形成阶梯孔，所述下部顶子包括与所述下部工作液缸配合的下部底座和可穿过所述阶梯孔的下部凸台。

进一步作为本发明技术方案的改进，上部的下端设有端槽，下部嵌入所述端槽并与上部固定连接。

进一步作为本发明技术方案的改进，上部存液缸位于上部工作液缸的一侧，上部存液缸通孔位于上部工作液缸的中部侧壁，下部存液缸位于下部工作液缸的一侧，下部存液缸通孔位于下部工作液缸的中部侧壁。

本发明的有益效果：本发明中柔性末端的顶部设置上部顶撑机构，在柔性末端的四周设置下部顶撑机构，上部顶撑机构和下部顶撑机构均采用弹性的支撑结构，在工作时，柔性末端连接实际工作工具，如夹具，打磨头等，柔性末端可以在凹槽中做任何方向的运动，实际工作工具实现多维的柔顺运动。柔性末端在凹槽内升降或摆动或转动时，通过对上部顶子、下部顶子施加一定力，上部顶子沿着上部工作液缸向上直线运动，上部顶子压缩上部工作液缸弹簧，下部顶子沿着下部工作液缸横向直线运动，下部顶子压缩下部工作液缸弹簧，从而把上部顶子、下部顶子的动能转化为下部工作液缸弹簧、下部工作液缸弹簧的势能，起到了缓冲效果；同时，上部工作液缸和下部工作液缸内均填充有粘度可调的液体，通过调节液体的粘度可以改变工作系统的粘性阻尼系数，即使弹簧刚度系数不可改变，也达到控制整个系统的受力状态的作用。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明整体结构轴测图；

图2是本发明内部结构示意图；

图3是图2中A-A处剖视图。

具体实施方式

参照图1至图3，其显示出了本发明之较佳实施例的具体结构。以下将详细说明本发明各元件的结构特点，而如果有描述到方向( 上、下、左、右、前及后) 时，是以图2所示的结构为参考描述，但本发明的实际使用方向并不局限于此。

本发明提供了一种刚度可调的多维被动柔顺装置，包括上部1和下部2，上部1的下端设有端槽11，下部2嵌入所述端槽11并与上部1固定连接。所述下部2设有凹槽21，凹槽21内设有柔性末端3，上部1在所述凹槽21的上方设有可抵住柔性末端3顶部的上部顶撑机构，下部在所述凹槽21的四周设有若干可抵住柔性末端3侧壁的下部顶撑机构，本发明中，柔性末端3具有前、后、左、右四个侧面，下部顶撑机构优选为正对四个侧面设置四套。所述上部顶撑机构包括设在所述上部1的上部工作液缸12、上部存液缸13、可在所述上部工作液缸12内上下运动且抵住柔性末端3顶部的上部顶子14及设在所述上部工作液缸12内且可向外顶推所述上部顶子14的上部工作液缸弹簧15，所述上部存液缸13和上部工作液缸12间通过上部存液缸通孔导通，上部存液缸13位于上部工作液缸12的一侧，上部存液缸通孔位于上部工作液缸12的中部侧壁，上部存液缸13内设有可在上部存液缸13内往复运动的上部存液缸活塞套件16及可将上部存液缸活塞套件16向上部存液缸通孔一侧顶推的上部存液缸弹簧17，所述上部工作液缸12内填充有粘度可调的液体，上部存液缸13与上部工作液缸12通过上部存液缸通孔导通，液体可以通过上部存液缸通孔在上部存液缸13和上部工作液缸12之间流动。所述上部顶子14在接触所述液体的一端设有密封圈和力传感器4，通过力传感器感应出上部顶子14所受的力。所述液体为磁流变液，所述上部顶撑机构还包括上部电感线圈18，所述上部电感线圈18可以产生改变上部顶撑机构中磁流变液粘度的磁场，所述上部顶撑机构在上部工作液缸12的末端设有上部工作液缸螺塞19，所述上部电感线圈18缠绕在上部工作液缸螺塞19上，所述上部工作液缸弹簧15设在上部工作液缸螺塞19和上部顶子14间，根据需要不同的上部工作液缸螺塞19旋入深度，能给上部工作液缸弹簧15不同的预紧力。在上部存液缸13的末端设有上部存液缸螺塞10，所述上部存液缸弹簧17设在上部存液缸螺塞10和上部存液缸活塞套件16间。根据需要不同的上部存液缸螺塞10旋入深度，能给上部存液缸弹簧17不同的预紧力。通过一定力推动上部顶子14，上部顶子14可以沿着上部工作液缸12做活塞运动。向上部电感线圈18通电，上部电感线圈18根据电磁感应定律不同的电流产生大小不一的磁场。根据磁流变液的性质，在大小不同的磁场里的磁流变液表现出来的粘度系数是不同的。由于上部工作液缸弹簧15处于磁流变液里，改变磁流变液的粘度系数，可以改变工作系统的粘性阻尼系数c，即使弹簧刚度系数k不可改变，也达到控制整个系统的受力状态的作用。由于上部顶子14做活塞运动，所以上部工作液缸12的容积改变，磁流变液通过上部存液缸通孔转移到上部存液缸13，并推动上部存液活塞套件16压缩上部存液缸弹簧17，改变上部存液缸13的容积。

所述上部1在上部工作液缸12的下端设有工作液缸端盖5，工作液缸端盖5通过固定螺钉连接在上部1，工作液缸端盖5上设有通孔，所述上部顶子14包括与所述上部工作液缸12配合的上部底座和可穿过所述通孔的上部凸台，工作液缸端盖5限制上部顶子14的位移行程。

下部2和上部1结构相似，实现相似的功能。所述下部顶撑机构包括设在所述下部2的下部工作液缸22、下部存液缸23、可在所述下部工作液缸22内横向运动且抵住柔性末端3侧壁的下部顶子24及设在所述下部工作液缸22内且可向外顶推所述下部顶子24的下部工作液缸弹簧25，所述下部工作液缸22在靠近柔性末端3的一端形成阶梯孔，所述下部顶子24包括与所述下部工作液缸22配合的下部底座和可穿过所述阶梯孔的下部凸台，阶梯孔限制下部顶子24的位移行程。所述下部存液缸23和下部工作液缸22间通过下部存液缸通孔导通，下部存液缸23位于下部工作液缸22的一侧，下部存液缸23通孔位于下部工作液缸22的中部侧壁。下部存液缸23内设有可在下部存液缸23内往复运动的下部存液缸活塞套件25及可将下部存液缸活塞套件26向下部存液缸通孔一侧顶推的下部存液缸弹簧27，所述下部工作液缸22内填充有粘度可调的液体。下部存液缸23与下部工作液缸22通过下部存液缸通孔导通，液体可以通过下部存液缸通孔在下部存液缸23和下部工作液缸22之间流动。所述下部顶子24在接触所述液体的一端设有密封圈和力传感器4，通过力传感器感应出下部顶子所受的力。所述液体为磁流变液，所述下部顶撑机构还包括下部电感线圈28，所述下部电感线圈28可以产生改变下部顶撑机构中磁流变液粘度的磁场。所述下部顶撑机构在下部工作液缸22的末端设有下部工作液缸螺塞29，所述下部电感线圈28缠绕在下部工作液缸螺塞29上，所述下部工作液缸弹簧25设在下部工作液缸螺塞29和下部顶子24间，调整下部工作液缸螺塞29旋入深度可以调整下部工作液缸弹簧25的预紧力，在下部存液缸23的末端设有下部存液缸螺塞20，所述下部存液缸弹簧27设在下部存液缸螺塞20和下部存液缸活塞套件26间。根据需要不同的下部存液缸螺塞20旋入深度，能给下部存液缸弹簧27不同的预紧力。

柔性末端3连接实际工作工具，如夹具，打磨头等。以上部顶子14的轴线为Z轴，原点O固结在上部工作液缸螺塞19圆心，轴线垂直的平面为XY平面。柔性末端3可以沿X，Y轴平移和旋转运动，沿Z轴转动，使下部顶子24受力，压缩下部工作液缸弹簧，力感应器采集受力数据结合下部电感线圈控制磁流变液达到柔顺控制功能。下部2和上部1通过上部顶子刚性连接。下部可以沿Z轴移动。至此，柔性末端3可以在空间中做任何方向的运动，实际工作工具实现多维的柔顺运动。

当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种刚度可调的多维被动柔顺装置，其特征在于：包括上部和下部，所述下部设有凹槽，凹槽内设有柔性末端，上部在所述凹槽的上方设有可抵住柔性末端顶部的上部顶撑机构，下部在所述凹槽的四周设有若干可抵住柔性末端侧壁的下部顶撑机构，所述上部顶撑机构包括设在所述上部的上部工作液缸、上部存液缸、可在所述上部工作液缸内上下运动且抵住柔性末端顶部的上部顶子及设在所述上部工作液缸内且可向外顶推所述上部顶子的上部工作液缸弹簧，所述上部存液缸和上部工作液缸间通过上部存液缸通孔导通，上部存液缸内设有可在上部存液缸内往复运动的上部存液缸活塞套件及可将上部存液缸活塞套件向上部存液缸通孔一侧顶推的上部存液缸弹簧，所述下部顶撑机构包括设在所述下部的下部工作液缸、下部存液缸、可在所述下部工作液缸内横向运动且抵住柔性末端侧壁的下部顶子及设在所述下部工作液缸内且可向外顶推所述下部顶子的下部工作液缸弹簧，所述下部存液缸和下部工作液缸间通过下部存液缸通孔导通，下部存液缸内设有可在下部存液缸内往复运动的下部存液缸活塞套件及可将下部存液缸活塞套件向下部存液缸通孔一侧顶推的下部存液缸弹簧，所述上部工作液缸和下部工作液缸内均填充有粘度可调的液体。

2.根据权利要求1所述的刚度可调的多维被动柔顺装置，其特征在于：所述液体为磁流变液，所述上部顶撑机构还包括上部电感线圈，所述上部电感线圈可以产生改变上部顶撑机构中磁流变液粘度的磁场，所述下部顶撑机构还包括下部电感线圈，所述下部电感线圈可以产生改变下部顶撑机构中磁流变液粘度的磁场。

3.根据权利要求2所述的刚度可调的多维被动柔顺装置，其特征在于：所述上部顶撑机构在上部工作液缸的末端设有上部工作液缸螺塞，所述上部电感线圈缠绕在上部工作液缸螺塞上，所述上部工作液缸弹簧设在上部工作液缸螺塞和上部顶子间，在上部存液缸的末端设有上部存液缸螺塞，所述上部存液缸弹簧设在上部存液缸螺塞和上部存液缸活塞套件间。

4.根据权利要求2所述的刚度可调的多维被动柔顺装置，其特征在于：所述下部顶撑机构在下部工作液缸的末端设有下部工作液缸螺塞，所述下部电感线圈缠绕在下部工作液缸螺塞上，所述下部工作液缸弹簧设在下部工作液缸螺塞和下部顶子间，在下部存液缸的末端设有下部存液缸螺塞，所述下部存液缸弹簧设在下部存液缸螺塞和下部存液缸活塞套件间。

5.根据权利要求1所述的刚度可调的多维被动柔顺装置，其特征在于：所述上部顶子和下部顶子在接触所述液体的一端设有密封圈和力传感器。

6.根据权利要求1所述的刚度可调的多维被动柔顺装置，其特征在于：柔性末端具有前、后、左、右四个侧面，下部顶撑机构正对四个侧面设置四套。

7.根据权利要求1所述的刚度可调的多维被动柔顺装置，其特征在于：所述上部在上部工作液缸的下端设有工作液缸端盖，工作液缸端盖上设有通孔，所述上部顶子包括与所述上部工作液缸配合的上部底座和可穿过所述工作液缸端盖上的通孔的上部凸台。

8.根据权利要求1所述的刚度可调的多维被动柔顺装置，其特征在于：所述下部工作液缸在靠近柔性末端的一端形成阶梯孔，所述下部顶子包括与所述下部工作液缸配合的下部底座和可穿过所述阶梯孔的下部凸台。

9.根据权利要求1所述的刚度可调的多维被动柔顺装置，其特征在于：上部的下端设有端槽，下部嵌入所述端槽并与上部固定连接。

10.根据权利要求1所述的刚度可调的多维被动柔顺装置，其特征在于：上部存液缸位于上部工作液缸的一侧，上部存液缸通孔位于上部工作液缸的中部侧壁，下部存液缸位于下部工作液缸的一侧，下部存液缸通孔位于下部工作液缸的中部侧壁。