CN106078793B - 一种刚度可调的通用模块、机械臂及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种刚度可调的通用模块、机械臂及工作方法。所述通用模块包括第一转盘、中间转盘和第二转盘；所述第一转盘与中间转盘之间设有第一吸合组件和第一复位元件，所述中间转盘与第二转盘之间设有第二吸合组件和第二复位元件；所述第一复位元件和第二复位元件的复位方向相反而使第一转盘、中间转盘和第二转盘之间形成刚柔配合的动力传递机构。本发明的通用模块能灵活运动，且可以实现刚柔性的转换，精度高、安全性好。

Description

一种刚度可调的通用模块、机械臂及工作方法

技术领域

本发明涉及一种刚度可调的通用模块、机械臂及工作方法，属于机器人领域。

背景技术

协作机器人克服了传统工业机器人的弊端，扩展了自动化的适应领域，将这些无防护笼的机器人从护网中解放出来，让它们更容易安装和使用，并日益普及。

目前，协作机器人对于安全性方面的设计主要从如下两个方面着手：

第一种是采用传感器与系统控制相配合，机器人外部采用软性材料包裹，当操作人员与机器人碰撞时通过感应与控制实现减速或停止。这种方案传感器及控制系统工作稳定性没有得到有效的保证，鉴于此很多厂家采取了多重传感器，但这势必增加成本。

另一种采用的是串联弹性元器件实现的，将弹性元器件串联在运动链中，当碰撞发生时，机器人会停止或减速移动以保障人员安全的功能，如中国专利公开号CN104245247A中描述的，串联式弹性元件为弹簧钢材质，具有两个末端，其中一个与齿轮传动机构输出轴连接，另一个与机械手臂连接，用于将力/扭矩从马达传递至弯曲关节输出机构，实现关节运动。这种方案考虑到了机器人的安全性，但是将弹性元器件直接串联在传动链中，后续运动补偿针对非线性模型及动、势能的转换很难做到精准，直接导致机器人的精度不够。

发明内容

本发明旨在提供一种刚度可调的通用模块、机械臂及工作方法，该通用模块能灵活运动，且可以实现刚柔性的转换，精度高、安全性好。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种刚度可调的通用模块，其结构特点是，包括第一转盘、中间转盘和第二转盘；所述第一转盘与中间转盘之间设有第一吸合组件和第一复位元件，所述中间转盘与第二转盘之间设有第二吸合组件和第二复位元件；所述第一复位元件和第二复位元件的复位方向相反而使第一转盘、中间转盘和第二转盘之间形成刚柔配合的动力传递机构。

由此，所述第一吸合组件在正常状态下将第一转盘和中间转盘吸合形成刚性连接，在被撞击的非正常正常状态下第一转盘和中间转盘分离，形成传递柔性连接，所述第二吸合组件在正常状态下将第二转盘和中间转盘吸合形成刚性连接，在被撞击的非正常正常状态下第二转盘和中间转盘分离，形成传递柔性连接。

本发明配套复位元件和相应的吸合组件的组合使用保证扭转平面内顺、逆时针两个方向均能灵活运动，同时，通过复位元件的扭转力与吸合组件的不同状态组合实现刚柔性的转换。

根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：

根据本发明的实施例，所述第一转盘朝向中间转盘的端面上设有第一磁铁安装块，所述第二转盘朝向中间转盘的端面上设有第四磁铁安装块，所述中间转盘的两个端面上设有分别与所述第一磁铁安装块配合吸合的第二磁铁安装块和与所述第四磁铁安装块配合吸合的第三磁铁安装块；所述第一磁铁安装块和第二磁铁安装块形成第一吸合组件，所述第三磁铁安装块和第四磁铁安装块形成第二吸合组件；优选所述第一磁铁安装块、第二磁铁安装块、第三磁铁安装块和第四磁铁安装块内安装有电磁铁而形成相应的电磁铁安装块；更优选所述电磁铁安装块的磁力大小可调。

所述第一转盘、第一复位元件、中间转盘、第二复位元件和第二转盘通过连接轴相连；所述第一复位元件用于将因外力分离的第一磁铁安装块与第二磁铁安装块复位吸合在一起，所述第二复位元件用于将因外力分离的第三磁铁安装块与第四磁铁安装块复位吸合在一起。

优选地，参照说明书附图图1，所述第二磁铁安装块和第三磁铁安装块呈180°对称分布在中间转盘的两个侧上。

为了保证通用模块在收到外力碰撞时达到一开一合的效果，所述第一复位元件和第二复位元件均为扭簧，且两个扭簧设置的允许扭转方向相反。由此，两个扭簧分别对两个磁铁安装块从外侧面进行夹紧。

所述扭簧通过连接轴套装在所述连接轴上，所述第一转盘、中间转盘和第二转盘均通过相应的滚动轴承装在所述连接轴上。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种机械臂，其包括底座，依次串联在所述底座上的多个节臂组件，多个节臂组件中的至少一个节臂组件内装有至少一个所述的刚度可调的通用模块。换句话说，通用模块可以只装于一个节臂组件内，也可以多个节臂组件内都安装。

由此，机械臂也具有刚柔性转换的功能，提高了机械臂的定位精度，保证了机械臂的安全性。

根据本发明的实施例，装有所述的刚度可调的通用模块的每个节臂组件包括所述第二转盘配合相连的第一接合盘，与第一接合盘固定相连的第一连杆，以及与第一连杆铰接相连的L座；所述第一转盘通过第二连杆与第二接合盘固定相连，该第二接合盘用于与相连节臂组件的L座固定相连；所述最下一级的节臂组件的L座装在所述底座上。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种所述的刚度可调的通用模块调节刚度的方法，其包括如下步骤：

当机械臂处于正常工作状态时，所述第一转盘与中间转盘通过第一吸合组件吸合、同时中间转盘第二转盘之间通过第二吸合组件吸合而形成刚性连接；

当外界碰撞力大于相应的第一吸合组件之间的吸力与扭力之和时，第一转盘与中间转盘被分开，中间转盘和第二转盘被第二复位元件夹紧，或中间转盘和第二转盘被分开，第一转盘与中间转盘被第一复位元件夹紧，第一转盘、中间转盘和第二转盘之间不传递碰撞力，当外界碰撞力被解除时，相应的第一吸合组件或第二吸合组件在复位元件的作用下吸合复位。

根据本发明的实施例，当机械臂处于正常工作状态时，所述第一转盘、中间转盘和第二转盘之间通过第一磁铁安装块、第二磁铁安装块、第三磁铁安装块和第四磁铁安装块配合吸合而形成刚性连接；当外界碰撞力大于相应的磁铁安装块之间的吸力和扭力之和时，第一转盘与中间转盘被分开，中间转盘和第二转盘被复位元件夹紧，或中间转盘和第二转盘被分开，第一转盘与中间转盘被复位元件夹紧，第一转盘、中间转盘和第二转盘之间不传递碰撞力，当外界碰撞力被解除时，相应的磁铁安装块在复位元件的作用下吸合复位。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明让安装此模块的机器人既能满足从安全性角度出发的柔性要求，又能保证在正常工作状态下的精度。

2、功能实现的模块化既可以让柔性机器人设计任务得到简化，也为已有的传统机器人柔性化改造提供了一种指导思路。

附图说明

图1是本发明一种实施例的通用模块的结构原理图；

图2是本发明一种实施例的机械臂的结构原理图。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

一种刚度可调的通用模块，采用刚、柔共存的方式，一方面从结构上保证一定的柔性，避免对人造成伤害，另一方面提高了定位精度。

如图1所示，刚度可调通用模块包括第一转盘1、扭簧4,5、转盘连接轴10、滚动轴承11，13、连接轴套轴12、电磁铁14和第二转盘3。所述第一转盘1上安装有第一磁铁安装块6，所述第二转盘3上安装有第四磁铁安装块9，中间转盘2的两个侧面安装有第二磁铁安装块7和第三磁铁安装块8，两个磁铁安装块7,8分别在中间转盘2的两个侧面且呈180°对称分布，其中一侧的第二磁铁安装块7与第一转盘1的第一磁铁安装块6配合，另一侧的第三磁铁安装块8与第二转盘3的第四磁铁安装块9配合。假设固定中间转盘2，两个配合面能自由扭转的方向相反，两个配合定义贴合面为内侧面，非贴合面为外侧面。两个扭簧分别安装于中间转盘2与第一转盘1和第二转盘3之间，分别对两个磁铁安装块从外侧面进行夹紧。

在本实施例中，所述电磁铁安装块的磁力大小可根据外界碰撞力的等级大小进行调节，提高安全性。

中间转盘2和第二转盘3内设有滚动轴承13。转盘连接轴10依次贯穿连接第一转盘1、扭簧4、中间转盘2的滚动轴承、连接轴套轴12、扭簧5、第二转盘3的滚动轴承12。连接轴套12设于扭簧5内抵接于中间转盘2和第二转盘3的两个滚动轴承12之间。

一种机械臂，如图2所示，包括底座16和多个节臂组件17,18，机械臂中至少一个节臂组件17、18中安装有至少一个所述通用模块15，每一关节臂组件之间连接且和底座16连接构成机械臂。机械臂不局限于其有几节臂，图2示例为两节。每个节臂组件17,18包括所述第二转盘3配合相连的第一接合盘21，与第一接合盘21固定相连的第一连杆20，以及与第一连杆20铰接相连的L座19；所述第一转盘1通过第二连杆22与第二接合盘23固定相连，该第二接合盘23用于与相连节臂组件的L座19固定相连，所述最下一级的节臂组件的L座19装在所述底座16上。

工作原理为：

1、正常工作状态时，两个扭簧在不同方向夹紧两个磁铁安装块，同时，电磁铁吸合，传递刚性连接；

2、每两个转盘之间安装的电磁铁有两个，当外界碰撞力大于电磁铁吸力与扭力之和时，且以第一转盘1为上端作为参照，碰撞力为顺时针，第一转盘1与中间转盘2被分开，中间转盘2和第二转盘3被夹紧，反之，碰撞力为逆时针时，第一转盘1和中间转盘2为夹紧状态，中间转盘2和第二转盘3被分开。转盘被分开不传递碰撞力，避免对人体造成伤害。当碰撞力被解除时，在扭簧的作用下，合拢，此时，电磁铁吸合。

刚度可调通用模块串接于机器人传动链中。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (12)

1.一种刚度可调的通用模块，其特征在于，包括第一转盘（1）、中间转盘（2）和第二转盘（3）；所述第一转盘（1）与中间转盘（2）之间设有第一吸合组件和第一复位元件，所述中间转盘（2）与第二转盘（3）之间设有第二吸合组件和第二复位元件；所述第一复位元件和第二复位元件的复位方向相反而使第一转盘（1）、中间转盘（2）和第二转盘（3）之间形成刚柔配合的动力传递机构；

所述第一吸合组件在正常状态下将第一转盘（1）和中间转盘（2）吸合形成刚性连接，在被撞击的非正常正常状态下第一转盘（1）和中间转盘（2）分离，形成传递柔性连接；所述第二吸合组件在正常状态下将第二转盘（3）和中间转盘（2）吸合形成刚性连接，在被撞击的非正常正常状态下第二转盘（3）和中间转盘（2）分离，形成传递柔性连接。

2.根据权利要求1所述的刚度可调的通用模块，其特征在于，所述第一转盘（1）朝向中间转盘（2）的端面上设有第一磁铁安装块（6），所述第二转盘（3）朝向中间转盘（2）的端面上设有第四磁铁安装块（9），所述中间转盘（2）的两个端面上设有分别与所述第一磁铁安装块（6）配合吸合的第二磁铁安装块（7）和与所述第四磁铁安装块（9）配合吸合的第三磁铁安装块（8）；所述第一磁铁安装块（6）和第二磁铁安装块（7）形成第一吸合组件，所述第三磁铁安装块（8）和第四磁铁安装块（9）形成第二吸合组件。

3.根据权利要求2所述的刚度可调的通用模块，其特征在于，所述第一磁铁安装块（6）、第二磁铁安装块（7）、第三磁铁安装块（8）和第四磁铁安装块（9）内安装有电磁铁（14）而形成相应的电磁铁安装块。

4.根据权利要求3所述的刚度可调的通用模块，其特征在于，所述电磁铁安装块的磁力大小可调。

5.根据权利要求2所述的刚度可调的通用模块，其特征在于，所述第一转盘（1）、第一复位元件、中间转盘（2）、第二复位元件和第二转盘（3）通过连接轴（10）相连；所述第一复位元件用于将因外力分离的第一磁铁安装块（6）与第二磁铁安装块（7）复位吸合在一起，所述第二复位元件用于将因外力分离的第三磁铁安装块（8）与第四磁铁安装块（9）复位吸合在一起。

6.根据权利要求2所述的刚度可调的通用模块，其特征在于，所述第二磁铁安装块（7）和第三磁铁安装块（8）呈180°对称分布在中间转盘（2）的两侧上。

7.根据权利要求1-6之一所述的刚度可调的通用模块，其特征在于，所述第一复位元件和第二复位元件均为扭簧（4,5），且两个扭簧（4,5）设置的允许扭转方向相反。

8.根据权利要求7所述的刚度可调的通用模块，其特征在于，所述扭簧（5）通过连接轴套（12）装在所述连接轴（10）上，所述第一转盘（1）、中间转盘（2）和第二转盘（3）均通过相应的滚动轴承装在所述连接轴（10）上。

9.一种机械臂，包括底座（16），依次串联在所述底座（16）上的多个节臂组件（17,18），其特征在于，多个节臂组件（17,18）中的至少一个节臂组件内装有至少一个如权利要求1-8之一所述的刚度可调的通用模块（15）。

10.根据权利要求9所述的机械臂，其特征在于，装有所述的刚度可调的通用模块（15）的节臂组件（17,18）包括所述第二转盘（3）配合相连的第一接合盘（21），与第一接合盘（21）固定相连的第一连杆（20），以及与第一连杆（20）铰接相连的L座（19）；所述第一转盘（1）通过第二连杆（22）与第二接合盘（23）固定相连，该第二接合盘（23）用于与相连节臂组件的L座（19）固定相连；所述最下一级的节臂组件的L座（19）装在所述底座（16）上。

11.一种如权利要求1-8之一所述的刚度可调的通用模块调节刚度的方法，其特征在于，包括如下步骤：

当机械臂处于正常工作状态时，所述第一转盘（1）与中间转盘（2）通过第一吸合组件吸合、同时中间转盘（2）第二转盘（3）之间通过第二吸合组件吸合而形成刚性连接；

当外界碰撞力大于相应的第一吸合组件之间的吸力与扭力之和时，第一转盘（1）与中间转盘（2）被分开，中间转盘（2）和第二转盘（3）被第二复位元件夹紧，或中间转盘（2）和第二转盘（3）被分开，第一转盘（1）与中间转盘（2）被第一复位元件夹紧，第一转盘（1）、中间转盘（2）和第二转盘（3）之间不传递碰撞力，当外界碰撞力被解除时，相应的第一吸合组件或第二吸合组件在复位元件的作用下吸合复位。

12.根据权利要求11所述的通用模块调节刚度的方法，其特征在于，当机械臂处于正常工作状态时，所述第一转盘（1）、中间转盘（2）和第二转盘（3）之间通过第一磁铁安装块（6）、第二磁铁安装块（7）、第三磁铁安装块（8）和第四磁铁安装块（9）配合吸合而形成刚性连接；

当外界碰撞力大于相应的磁铁安装块之间的吸力和扭力之和时，第一转盘（1）与中间转盘（2）被分开，中间转盘（2）和第二转盘（3）被复位元件夹紧，或中间转盘（2）和第二转盘（3）被分开，第一转盘（1）与中间转盘（2）被复位元件夹紧，第一转盘（1）、中间转盘（2）和第二转盘（3）之间不传递碰撞力，当外界碰撞力被解除时，相应的磁铁安装块在复位元件的作用下吸合复位。