CN106584428A - 用于线性柔性的铰接式机构 - Google Patents

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Abstract

一种用于结合支撑结构使用的铰接式柔性补偿机构包括托架和一对平行的四连杆联动装置。所述装置共同具有：第一组连杆，其被配置成刚性地连接到所述支撑结构；第二组连杆，其可旋转地联接到所述托架，与所述第一组连杆相距一段距离；以及第三组连杆，其可旋转地联接到所述距离并且跨越所述距离。所述柔性补偿机构支撑所述托架，例如规则形状的框架，并且使用重力回复力向所述托架提供稳定的平衡点，并且响应于来自操作员的输入力沿着水平轴向所述托架提供被动平移自由度。附加的柔性补偿机构可串联连接以沿着垂直轴提供被动平移自由度。一种系统包括所述柔性补偿机构和支撑结构。

Description

用于线性柔性的铰接式机构
技术领域
本发明涉及一种铰接式机构，其辅助人类和/或机器操作员在执行手动或自动工作任务(诸如定位或移动有效载荷或工具)的同时作用于静载荷。用于制造和装配的机器被设计成控制组件的移动和定位。这类控制是响应于例如来自自动系统的人机或机器-机器界面的电子控制信号而实现。自动系统也可包括帮助支撑有效载荷的重量的结构。
发明内容
本文公开了一种用于与操作员(即，人类和/或机器)进行物理互动的铰接式柔性补偿机构和系统。所述铰接式柔性补偿机构可用于辅助操作员移动或以其它方式作用于静载荷，所述静载荷由形成铰接式柔性补偿机构的最终/末端连杆的托架呈现或支撑。有效载荷、工作工具或其它物件可经由末端效应器连接到托架，并且因此如本文所预期的静载荷的量值的范围可为仅从托架到托架、末端效应器和由末端效应器支撑的任何附加载荷。所述机构和系统被配置成减小可在移动或作用于这类静载荷时可能经受的类型的静摩擦，并且因此提供期望量的线性/平移柔性。
如本文所用，术语“柔性”指代响应于所施加的输入力引起的移位程度，因此增加的柔性对于相同量的输入力来说导致更大的移位。如本文所用，术语“线性柔性补偿机构”因此提供高度柔性的平移自由度(DOF)，即其中相对较大的线性移位由相对较小的施加输入力引起的DOF。如此，减小操作员移动或以其它方式作用于静载荷时操作员感知的努力。平移可为线性的或准线性的，而不管铰接式柔性补偿机构的连杆的任何旋转。换句话说，仅仅利用柔性补偿机构的旋转而不使用例如滑动器或其它线性装置来提供平移。
所述系统包括铰接式柔性补偿机构并且在某些实施例中包括诸如架空吊运车或机械手等支撑结构。可联接到支撑结构和静载荷的铰接式柔性补偿机构沿着多轴参考坐标系(例如，示例性XYZ笛卡尔坐标系)的给定水平和/或垂直轴向系统提供一个或多个线性/平移控制自由度(DOF)。不同的单独、系列或组合的实施例提供期望柔性和DOF以确保末端效应器和任何支撑的静载荷对由操作员或机器赋予的输入力的期望屈从性。如本文所述，铰接式柔性补偿机构使用连杆和旋转/单轴旋转接头来提供所述线性/平移DOF和稳定的平衡点。
铰接式柔性补偿机构可包括末端效应器。所述支撑结构包括系统在由铰接式柔性补偿机构(包括末端效应器(如果有使用))提供的平移DOF外的全部控制DOF。如本文所用，术语“末端效应器”可被配置为多指夹持器、吸盘、虎钳夹口或夹具等。铰接式柔性补偿机构是静态平衡的使得当载荷被释放时托架和任何连接的末端效应器保持在特定平衡位置，其中对于水平DOF实施例，重力是使托架返回到平衡位置的回复力，而在垂直DOF实施例中，例如来自盘簧、气缸或其它有弹性的构件的弹簧力提供机械回复力。铰接式柔性补偿机构的旋转移动因此被变换成铰接式柔性补偿机构和任何连接的静载荷沿着具有这类平衡位置的平移DOF的准线性行进。所述柔性补偿机构还限制或阻止末端效应器和任何支撑的静载荷的旋转运动，其在一些应用中可能是需要的。
支撑结构和/或末端效应器可具有一个或多个主动控制的(“主动”)DOF，其可为线性的和/或旋转的，可经由任选的控制器进行自动控制。在各种公开的实施例中，铰接式顺应性通过对比机构提供被动平移DOF。
铰接式柔性补偿机构可任选地具体实施为平行四边形配置，和/或可包括上和/或下柔性补偿机构。在一个实施例中，上柔性补偿机构被配置成连接到支撑机构。下柔性补偿机构可附接到上柔性补偿机构以确保静载荷以如上所述的一个或多个水平DOF和/或一个垂直DOF柔性地移动。
在一些实施例中，所述铰接式柔性补偿机构包括托架和一对平行的四连杆联动装置，所述装置具有：第一组连杆，其被配置成刚性地连接到支撑结构；第二组连杆，其可旋转地联接到托架，与第一组连杆相距一段距离；以及第三组连杆，其可旋转地联接到第一组连杆和第二组连杆之间的距离并且跨越所述距离。所述铰接式柔性补偿机构被配置成支撑托架，并且使用重力回复力向托架提供稳定的平衡点，并且响应于来自操作员的输入力沿着第一水平轴向托架提供被动平移自由度。
可使用附加的铰接式柔性补偿机构(诸如萨鲁斯连杆机构或平行四边形连杆机构)来沿着垂直轴提供被动/平移DOF。例如，所述附加的铰接式柔性补偿机构可包括顶板、底板和连接在它们之间的第一对连杆和第二对连杆。所述第一对连杆和第二对连杆相对于铰链或旋转接头旋转，从而导致顶板和底板之间的距离根据围绕铰链的弧形行进运动而增加和减小。
某些实施例可利用设置在各种接头或接头限制器处的制动器和/或锁定装置并且对来自任选的控制器的控制信号作出响应。例如，所述系统可包括一个或多个范围极限传感器，所述范围极限传感器被配置成检测给定连杆接近接头的运动，并且在一个或多个连杆移动超过预定范围极限时将范围极限信号传达给控制器。所述控制器可响应于范围极限信号，而例如通过经由制动器拦阻运动或切削功率来选择性地抑制具有主动DOF的系统的支撑结构或任何其它机构的操作。还可接合锁定装置来根据需要阻止铰接式柔性补偿机构或支撑结构沿着任何轴的运动。
下文结合附图和随附权利要求对用于实行本发明的实施例和最佳模式进行详细描述，本发明的上述特征和优点以及其它特征和优点将根据以下详细描述变得显而易见。
附图说明
图1是利用根据本发明的铰接式柔性补偿机构的系统的示意性侧视图。
图1A和1B是图1所示的系统的附加示意性侧视图。
图2是提供两个水平自由度(DOF)的实施例中的一个示例性铰接式柔性补偿机构的透视图。
图3A和3B是图2所示的铰接式柔性补偿机构的一部分的透视图。
图4A-4B是提供一个垂直DOF的实施例中的一个铰接式柔性补偿机构的透视图。
图5是替代的垂直DOF实施例中的的铰接式柔性补偿机构的示意性侧视图。
图6是提供三个DOF平移柔性的铰接式柔性补偿机构的替代实施例的透视图。
图7是图2-3B所示的铰接式柔性补偿机构的任选的平行四边形实施例的示意性侧视图。
图8是组合图2和图5的铰接式柔性补偿机构以沿着三个不同轴提供平移DOF的替代实施例的透视图。
具体实施方式
现在将详细参考本发明在附图中所示的若干实施例。附图和说明书中使用相同或类似的参考符号来指代相同或相似结构。附图是呈简化形式并且不是按比例的。出于方便和清晰目的，可相对于附图使用方向性术语，诸如顶部、底部、左边、右边、上、上面、上方、下方、下面、后面和前面。这些以及类似于方向性术语的术语不被解释为以任何方式限制本发明的范围。
示例性系统11示于图1中，系统11被配置成支撑静载荷32(即，有效载荷、工作工具或具有已知/不变的并且因此为静态的质量的其它物件)并控制其位置。系统11包括铰接式柔性补偿机构16，为说明简洁性，铰接式柔性补偿机构16在图1-1B中被示意性地示为框。在如本文参考图2-8陈述的不同实施例中，铰接式柔性补偿机构16提供一个、两个或三个线性/平移自由度(DOF)，并且可包括任选的支撑结构12和控制器(C)18。铰接式柔性补偿机构16可包括末端效应器13或连接到末端效应器13，末端效应器13被配置成联接到静载荷32、固定或以其它方式支撑静载荷32。
支撑结构12可被具体实施为具有多个控制DOF的任何定位和支撑结构，所述控制DOF中的一些可被主动控制(“主动DOF”)，另一些可被被动控制(“被动DOF”)。在图1的示例性实施例中，支撑结构12包括对来自控制器18的电子控制信号(箭头CCO)作出响应的基座总成14和各种悬挂连杆30。在其它实施例中，诸如在图1B所示的实施例中，支撑结构12可包括多轴机械手60，例如，6轴工业机械手。这类机械手60可安装到支撑构件51，诸如底座、柱子、或梁，无论是如所示垂直取向还是架空悬挂，都使得机械手60能够固定并定位铰接式柔性补偿机构。图1B还描绘了图1和1B所示的操作员20的手20H，此时操作员20抓握定位手柄并且移动铰接式柔性补偿机构16和连接至其的任何静载荷32，其中为了说明清楚起见，图1B省略了载荷32。尽管描绘了人类操作员20，但是在各种实施例中，如本文所公开的操作员20可为机器、机械手或机器辅助的人类操作员。因此，如本文所用，术语“操作员”不旨在限于人类操作员。
图1和1A的铰接式柔性补偿机构16被配置成通过在完成给定工作任务时减少或消除目标任务载荷而减少静摩擦并且被动地辅助操作员20，以及允许操作员20在如图1中由笛卡尔XYZ参考坐标系所表示的三维空间中操纵末端效应器13。举例来说，铰接式柔性补偿机构16可结合由美国临时申请号14/811，072所定义的系统使用，所述申请提交于2015年7月28日，标题为“用于辅助手动装配任务的低阻抗铰接式装置和方法(Low-ImpedanceArticulatedDevice and Method for Assisting a Manual Assembly Task)”，其全部内容以引用的方式并入本文中。
在图1和1A的示例性实施例中，支撑结构12可包括任选的架空支撑梁22，所述架空支撑梁22具有主动/致动的线性定位机构，例如，两个线性DOF门式或架空的桥式起重机，其具有驱动轮17，从而形成具有悬挂连杆30的吊运车，并且可提供旋转DOF。支撑梁22可包括一个或多个水平轨条24、垂直支撑梁26和成角的支撑梁28。如本文所用，术语“水平”和“垂直”指代相对于XYZ笛卡尔参考坐标系的典型取向，其中Z轴是正交于水平X和Y轴的垂直轴，并且X和Y轴相对于彼此正交。垂直支撑梁26和成角的支撑梁28一起支撑水平轨条24和从其悬挂下来的任何结构的重量，其中水平轨条24定位成相对于如所示处于站立姿势的操作员20架空。驱动轮17可经由马达、链条、皮带等(未示出)致动使得铰接式柔性补偿机构16和任何支撑的静载荷32如由双箭头AA所示沿着水平轨条24平移，或根据需要旋转。
在一些实施例中，相同驱动轮17和悬挂连杆30可如经由图1A中的双箭头BB所示相对于水平轨条24正交平移。所述两个平移DOF可连同任选的基座总成14的平移和旋转DOF一起由控制器18控制，使得基座总成14包括提供示例性支撑结构22的平移DOF的任何结构。如上所述，图1和1A的结构仅仅是一个可行配置，其中图1B所示的机械手60在其它实施例中用于提供相同或附加平移和/或旋转DOF。
图1和1A的控制器18可被具体实施为具有处理器(P)和存储器(M)的数字计算机。存储器(M)包括足量的有形、非暂时性存储器，例如，只读存储器、快速存储器、光学和/磁存储器、电可编程只读存储器等。存储器(M)也包括足够的瞬时存储器，诸如随机存取存储器、电子缓冲器。控制器18的硬件可包括高速时钟、模拟转数字和数字转模拟电路以及输入/输出电路和装置，以及适当的信号调节和缓冲电路。存储器(M)可用计算机可读指令100编程，使得控制器18能够根据需要控制任何主动接头、制动器B和锁定机构182，包括拦阻支撑结构12的运动或如果需要暂时阻止其沿着给定轴移动。编码器(未示出)可与各种接头定位在一起以在需要时向控制器18报告接头位置或角度。
控制器18也可包括任选的人机界面(HMI)，诸如触摸屏，以利于选择支撑结构12的不同控制模式。HMI被编程为允许操作员20选择特定任务、控制模式和相关的控制律作为输入信号(箭头CCI)。例如，支撑结构12的致动接头可以自主模式控制，其中接头独立于操作员20执行预先编程的任务，以便减少操作员20的非增值努力，例如，大致定位装置16、末端效应器13和静载荷32。
作为系统11的整体控制的部分，控制器18可从相对于系统11的接头(即任何被动或主动致动的接头)的接头致动器(未示出)定位的多个接头位置传感器(SP)接收位置信号(箭头PX)。附加的接头位置传感器(SP)可相对于铰接式柔性补偿机构16定位，即，定位在铰接式柔性补偿机构16上、中或定位成紧邻铰接式柔性补偿机构16。尽管为简洁起见仅示出了两个这类接头位置传感器(SP)，但是可使用任何数量的接头位置传感器(SP)。如此，控制器18能够在系统11的整个运动控制中使用位置反馈。附加的输入信号(箭头CCI)可由控制器18接收，诸如操作员20经由HMI装置对特定任务和/或优选控制模式的选择。
而且，范围极限信号(箭头L)可由设置在系统11内的一个或多个范围极限传感器(SL)感测，所述范围极限传感器设置为诸如紧邻铰接式柔性补偿机构16、末端效应器13和支撑结构12的各种接头限制器。控制信号(箭头CCO)由控制器18例如无线地或经由低压电线传输到系统11的各种接头致动器，以便在使用系统11的各种主动接头的情况下维持这类主动接头的期望的相对定位。
当铰接式柔性补偿机构16到达其任何一个接头的如由范围极限传感器(SL)所检测并以范围极限信号(箭头L)报告给控制器18的范围极限时，作为控制信号(箭头CCO)的部分，控制器18可命令抑制或拦阻支撑结构12的运动。例如，控制器18可通过将控制信号(箭头CCO)传输给设置在系统11的各种接头处的制动致动器或制动器(B)命令支撑结构12的紧急停止，这样做是对范围极限信号(箭头L)作出响应。范围极限信号(箭头L)可包含用于信号冗余性的双重通道。锁定装置182可定位在下文所述的柔性装置16的对应旋转接头处以暂时阻止沿着给定轴的运动(在需要这样做时)。
本领域中已知的类型的制动器(B)可包括螺线管装置或液压夹具、摩擦制动器、磁制动器或其它机械或电互锁。可独立地接合这类制动致动器，即，无关于范围极限信号(箭头L)的状态。即，可选择性地接合制动器(B)以将末端效应器13和任何连接的静载荷32的运动限制在铰接式柔性补偿机构16的自由度中的对应自由度中。尽管图1中示意性地示出了制动致动器(B)的示例性位置，但是本领域中的技术人员应当认识到所有接头均可配备有类似的制动致动器(B)并且进行自动控制使得单独的主动DOF可经由控制信号(箭头CCO)选择性地锁定。同样地，锁定装置182可为夹具、销或其它合适的互锁机构。对于给定的柔性装置16，围绕一个接头的锁定旋转足以阻止沿着给定轴/自由度运动。
如图2所示，铰接式柔性补偿机构16可被配置成在操纵图1的末端效应器13和任何其它静载荷32时提供一个或两个水平线性/平移DOF，即沿着示例性笛卡尔参考坐标系中的X和/或Y轴提供被动平移DOF。图2的非限制示例性实施例中的铰接式柔性补偿机构16包括上柔性补偿机构36和下柔性补偿机构38，其中“上”和“下”指代图1和1A的操作员20的正常垂直取向。当仅需要一个平移DOF时，下柔性补偿机构38可省略。可使用任何合适的附接硬件，例如，螺栓、紧固件或夹具，将上柔性补偿机构36联接到支撑结构12。下柔性补偿机构38可例如经由如所示的垂直轨条37安装为邻近上柔性补偿机构36。上柔性补偿机构36的连杆46同轴对准并且可例如经由螺旋连接、夹持或其它合适方法刚性地连接到支撑结构12，使得图3A和3B的旋转运动发生，同时连杆46的取向保持固定。
相应的上和下柔性补偿机构36和38中的每个可例如通过轨条24(图1和1A)或机械手60(图1B)从上方悬挂下来或以其它方式从上方支撑。在操作时，机构36和/或38被配置成支撑托架92，托架92可包括至少一个连杆57，或彼此刚性地联接并且以预定几何形状(例如，矩形或正方形)装置的多个连杆57。如文本所用，措辞“刚性地联接”意指托架92作为整个单元移动，即如所示作为刚性箱形框架。如果托架92连接到末端效应器13和静载荷32，具有稳定的平衡点，使用重力作为回复力，即重力回复力，来这样做。这通过仅使用重力，即当操作员20释放图1和1A的静载荷32时，将铰接式柔性补偿机构16的连杆装置的旋转移动转化成大体线性/准线性行进而实现。托架92可例如使用夹具、螺栓、紧固件或任何其它合适硬件连接到图1的末端效应器13。
图3A和3B示出了图2的铰接式柔性补偿机构16关于上柔性补偿机构36的操作。下柔性补偿机构38的操作在配置上是相同的，各者提供相同结构，但是沿着不同水平轴取向。因此，对上柔性补偿机构36的描述适用于下柔性补偿机构38。
上柔性补偿机构36可包括一组平行的四连杆联动装置41，所述装置的两个横向侧如所示是对称的，例如，在一些实施例中是相同的，并且在平行平面中旋转。这类装置提供末端效应器13的旋转移动向大体线性行进(例如，在真实水平的约5-10度内的平弧)的转变。应当理解，各种平行的四杆连杆41可用于实现本发明的目标。例如，所述组平行的四杆连杆41可结合经过修改的切比雪夫连杆设计。在本公开的其它非限制实施例中，霍肯连杆或切比雪夫的λ连杆可用于将旋转运动转换成大体直线运动或线性行进并且实现本发明的目标。直线运动在本发明中被修改以变成由圆弧的一部分组成的准直线运动，所述圆弧的中心位于滑轮92上方远处。这有助于产生本文所述的中心平衡位置。
所述组平行的四连杆联动装置41可被具体实施为如图3A-3B所示的第一组平行的四连杆联动装置和第二组平行的四连杆联动装置42和44。连杆装置42和44可包括上连杆46，所述上连杆46可为连杆装置41之间的共用元件。然而，应当理解不同的上连杆46可用在相应组的连杆装置42和44中的每个组中以实现本发明的目标。尽管图3A和3B中没有描绘，但是上连杆46可被配置成固定到邻近的柔性补偿机构16或刚性地连接到图1的支撑结构12。
所述组四连杆联动装置42可包括跨越上连杆46和下连杆82、98之间的距离的第一连杆和第二连杆48和50。每个连杆48、50在相应旋转接头52和54处可调整地连接到上连杆46。出于清楚目的，第一连杆和第二连杆48和50中的每个一般从上连杆46朝向下连杆82、98向下延伸。旋转接头52和54与相应的第一连杆和第二连杆48和50协作使得每个连杆48和50可绕延伸穿过对应的旋转接头52或54的轴旋转，如由箭头56和58所示。第一连杆和第二连杆48、50的下端通过旋转接头62和64可调整地连接到下连杆98。上连杆46、第一连杆和第二连杆48和50以及下连杆98一旦互连，便产生第一组平行的四连杆联动装置42的连杆。连杆48和50可绕延伸穿过相应的旋转接头62和64的轴旋转，如由箭头66和68所示。
第二组平行的四连杆联动装置44可定位成邻近于装置42并且与装置42协作。装置44一般包括第三连杆和第四连杆70和72。第三连杆和第四连杆70和72通过旋转接头74和76可调整地连接到上连杆46。接头74和76允许相应的第三连杆和第四连杆70和72的如由箭头78和80所示的旋转移动，其绕延伸穿过接头74和76的旋转轴发生。连杆70和72的下端通过旋转接头84和86连接到下连杆82使得连杆70和72可绕延伸穿过旋转接头84和86的轴旋转，如分别由箭头88和90所示。
在非限制实施例中，托架92可通过接头94、96可调整地连接到相应的第一连杆装置和第二连杆装置42、44的下连杆82和98。托架92可被配置成接收并可释放地固定图1中示意性地示出的末端效应器13。托架92的形状可为矩形并且基本上平行于上连杆46延伸。
在图3B中，平行的四连杆联动装置42和44被示为相对于图3A的位置处在平移位置中。在平移位置中，第一连杆和第二连杆42、44的相应的第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆48、50、70和72绕接头52、54、74和76旋转。相应的第一连杆和第二连杆42、44的下连杆82和89响应于连杆装置42、44的连杆的旋转移动而旋转。响应于下连杆82和89的这个旋转移动，托架92沿着由双箭头LL表示的大体线性路径平移，从而确保图1的载荷32的期望柔性，载荷32虽然从图3B省略，但是其附接到托架92。
在平移之后，图3B的铰接式柔性补偿机构16的托架92，并且特定地说末端效应器13和任何连接的静载荷32使用重力作为回复力，即重力回复力，而返回到稳定的平衡点。即，如在本文中被修改成具有大半径的圆形运动的切比雪夫机构与重力组合，提供足够的回复力来促进旋转移动到静态平衡点。图2-3B的铰接式柔性补偿机构16中的连杆装置使用重力允许近乎线性柔性，同时显著减小一般与传统的线性引导件相关的静摩擦力。出于清楚目的，延伸穿过第一连杆装置和第二连杆装置42和44的各种旋转接头的旋转轴在此装置中可各自大体水平和横向并且大体彼此平行延伸。
如上文所述的每个铰接式柔性补偿机构16控制沿着单个水平移动轴或DOF的线性/平移运动。图2-3B的上柔性补偿机构36可任选地固定成邻近于图1所示的支撑结构12的垂直支撑梁26或邻近于图1B的机械手60，并且下柔性补偿机构38可例如经由如图2所示的轨条37固定到上柔性补偿机构36的一部分。上柔性补偿机构36提供平衡标准化并且控制一个方向或DOF(在这种情况下，为Y轴)上的线性运动，而下柔性补偿机构38提供平衡标准化并且控制不同移动轴或DOF(在这种情况下，为X轴)上的线性运动。上和下柔性补偿机构36和38中的每个可如所示被具体实施为第一组平行的四杆连杆和第二组平行的四杆连杆。
因此，当下柔性补偿机构38调整固定在托架92上的末端效应器13/静载荷32沿着受控的、线性或沿着X轴大体线性的路径的位置时，上柔性补偿机构36保持在稳定的平衡位置中。当在系统11内的相对位置被调整时，上柔性补偿机构36使末端效应器13/静载荷32的移动稳定并控制其移动在Y轴移动中，同时下柔性补偿机构38确保末端效应器13/静载荷32沿着X轴的稳定移动，或如果取向反向，则反之亦然。
将上和下柔性补偿机构36和38中的每个的双组平行的四连杆联动装置41结合上和下柔性补偿机构36、38的层叠使用，确保紧凑型柔性补偿机构16，其将重力作为回复力而具有稳定的平衡点，如上文所述。在本发明的另一实施例中，控制器18可传输停止信号以停止铰接式柔性补偿机构16的移动，从而导致上和下柔性补偿机构36、38中的每个停止行进并且返回到平衡位置以停止载荷32的行进。
简要参考图7，图3A-B的配置可被简化并具体实施为基本的平行四边形装置36A。在这类实施例中，上连杆46可被设置成平行于下连杆46A，其中连杆70A和72A分别在旋转接头176和174处可旋转地连接到上连杆46。类似地，下连杆46A分别在接头186和184处可旋转地连接到连杆70A和72A。因此，图1的末端效应器13可附接的下连杆46A的运动导致末端效应器13的准线性平移，如由下连杆46A的中心点P1的平坦轨迹(T)所表示。尽管图7中仅示出一组连杆70A、72A，但是对于附加的支撑体，可使用一组平行的连杆70A、72A来以类似于图3A-B中所描绘的方式形成框型装置。
图2-3B和7的实施例描绘了用于实现与一个或两个水平DOF的被动柔性的方法。此外，图4A-4B描绘了有利于实现垂直DOF的实施例。形式为萨鲁斯连杆机构的铰接式柔性补偿机构160被示为能够被动地实现Z轴中的线性DOF。如图4A所示，顶板132，例如，矩形或正方形金属或刚性塑料片，包括接收构件134，诸如被配置成接合图1的支撑结构12的一部分的垂直取向的板。顶板132还连接到弹簧支撑体156。第一对连杆包括可调整地连接到上板132的一部分的上连杆138和可调整地连接到底板142的下连杆140。底板142可被配置成接收并支撑图1的末端效应器13和载荷32。因此，沿着Z轴提供静态平衡，如由箭头ZZ所表示。
上连杆138和下连杆140可通过铰链或旋转接头144可旋转地连接。设置成邻近于第一对连杆的第二组连杆或板146包括可调整地连接到顶板132的上连杆148和可调整地连接到底板142的下连杆150。上连杆148和下连杆150通过铰链或旋转接头152连接。弹簧元件154可连接在弹簧支撑体156和横向梁149之间，横向梁149延伸在上连杆138之间。弹簧元件154，例如，卷簧、气动或液压气缸、或其它合适结构，向铰接式柔性补偿机构160的范围中心处的平衡点提供静力。弹簧元件154因此支撑载荷32并且提供机械回复力，所述机械回复力与当载荷32或作用在载荷32上的操作员力被释放时用作水平轴上的回复力的重力回复力相反。
图4B描绘了图4A的铰接式柔性补偿机构160，其处在垂直延伸位置，即在如双箭头ZZ所示的垂直方向上延伸。相应的上和下连杆138和140绕铰链144、152旋转，从而导致顶板132和底板142之间的距离根据铰链144、152的圆形行进运动增加或减小。上文所述的弹簧元件154与第一对板132的铰接协作以便提供静力，其中平衡点在运动的垂直范围的中心处并且静摩擦减小。
弹簧支撑体156可能可调整地连接到顶板132。在一些实施例中，弹簧支撑体156的位置可相对于顶板132调整以便增加或减少弹簧元件154的偏置，从而增加或减小弹簧元件154的静力。这种调适允许根据待施加的载荷32而手动或主动调整静力，而无需在操作期间重新配置铰接式柔性补偿机构160。
在图5中，公开了替代的铰接式柔性补偿机构260，其提供类似于上文参考图4A-B描述的垂直柔性。铰接式柔性补偿机构260可包括连杆装置104，连杆装置104具有固定构件106，具有中点(m)的相对的第二连杆和第三连杆108和110分别在接头112和114处可调整地连接到固定构件106。第四连杆116在相应的接头118和120处连接到第二连杆和第三连杆108、110。连杆108、110安装到固定构件106。在本发明的一个实施例中，预期铰接式柔性补偿机构260形成平行四边形，其中相应的连杆108和116长度相同。
在图5所示的图示中，铰接式柔性补偿机构260的平行四边形连杆机构装置包括具有可变长度(s)和刚度(k)的弹簧元件122，弹簧元件122放置在第一连杆和第二连杆106和108之间并且可调整地固定到第一连杆和第二连杆106和108。可手动或主动调整弹簧元件122在固定构件106上的附接点的位置(x，h)以提供不同的力载荷。弹簧元件122产生静力以确保连杆108、110和116经由重力(g)返回到处在柔性补偿机构260的范围中心处的平衡点。因此，如图1所示的末端效应器13可附接到连杆116并且相对于真实垂直移动穿过角度(θ)，从而向图1的载荷32提供垂直DOF。
弹簧元件122可被实施为任何载荷平衡器，其被配置成施加恒力。因此，在不同实施例中，弹簧元件122可为卷簧或气动或液压气缸，其安装在固定构件106和移动连杆(例如，连杆108、110或116)之间。
图6和8描绘了用于实施图1的系统11内的两个水平DOF和一个垂直DOF的两个示例性实施例。在图6中，铰接式柔性补偿机构360在一个总成中实现这个3-DOF柔性，其在某些应用中可能是需要的，例如，在静载荷32相对较轻的应用中。在所示实施例中，仅提供被动DOF的铰接式柔性补偿机构360包括框架162，所述框架162接收并支撑多个平行四边形装置164X、164Y和164Z。平行四边形164X、164Y和164Z被配置成允许图1的末端效应器13分别沿着X、Y和Z轴平移。任选的平衡物169可根据需要用于分配并平衡对应连杆的重量。锁定装置182可设置在平行四边形164X、164Y和164Z中的每个处以选择性地锁定平行四边形164X、164Y和164Z沿着给定轴的运动(在需要这样做时)。这类锁定装置182可结合所描绘的实施例的任何接头使用。
在一个实施例中，平行四边形164X、164Y和164Z中的每个包括平行四边形装置174，每个平行四边形装置174例如经由如所示的旋转接头旋转地连接到框架162。这类装置174的第一连杆176固定到框架162并且与第一部分176相对、具有相等长度的第二部分178可调整地连接到如所示的铰接式连杆总成170。
在操作中，连接构件/托架179可调整地连接到末端效应器13，其中托架179具有类似于上文所述的托架92的功能。连杆170A具有旋转接头180。连杆170B还在相对末端处可调整地连接到旋转接头180和连杆装置174。连杆装置174响应于来自操作员的输入力作出的旋转移动因此通过具有连杆170A、170B的铰接式连杆总成170平移以实现托架179大体线性方向的行进，并且在连接的情况下，末端效应器13设置在连接构件179的末端172处。连杆装置174可包括弹簧元件122，弹簧元件122固定到第一连杆176或连杆装置174和铰接式连杆总成170的另一部分。如上文所述，这类弹簧元件122可与连杆装置174和铰接的连杆总成170的铰接协作以沿着Z/垂直轴提供机械回复力，其中平衡点在铰接式柔性补偿机构360的范围中心处，并且静摩擦减小以确保沿着Z轴维持这类平衡。
图8描绘了示例性铰接式柔性补偿机构460，其包括图2的铰接式柔性补偿机构16和附加的柔性补偿机构，在本实例中为图5的一对联接的铰接式柔性补偿机构260，从而沿着X、Y和Z轴中的每个提供被动柔性。可根据工作任务设想其它实施例，例如，将图4A和4B的铰接式柔性补偿机构160定位在铰接式柔性补偿机构16上方或下方，或仅使用图2的上柔性补偿机构36来仅提供一个水平DOF。
铰接式柔性补偿机构260可联接到如上文参考图5所述的固定构件160。形式为十字件或连杆的互连构件99可用于将铰接式柔性补偿机构260彼此联接，其中铰接式柔性补偿机构16悬挂在如所示的铰接式柔性补偿机构260之间。虽然为了简洁起见图8省略了末端效应器13，但是末端效应器13(诸如具有多个指状物或吸盘的夹持器)可连接到铰接式柔性补偿机构16，其中铰接式柔性补偿机构16和260串联配置以提供3-DOF柔性，即，经由两个互连的铰接式柔性补偿机构260在垂直方向上提供一个平移DOF，以及由铰接式柔性补偿机构16提供一对正交设置的水平DOF。图8的串联配置就较重的静载荷32的附加结构支撑体而言也可以是有益的。
鉴于本发明，本领域的技术人员应当了解各种实施例可能用于提供柔性的线性自由度以用在人机或机器-机器互动中。伴随的益处包括与常规线性滑动相比静摩擦小，以及与常规平行四边设计相比更紧凑。所公开的实施例不管需要何种配置，都提供末端效应器13的自定心，而无需在水平/X平面中使用弹簧。
具体实施方式和附图或图示支持并描述本发明，但是本发明的范围仅由权利要求定义。尽管已经详细描述了用于实行本发明的最佳模式和其它实施例中的一些，但是存在用于实行随附权利要求中定义的本发明的各种替代设计和实施例。

Claims (10)

1.一种用于结合支撑机构使用的铰接式柔性补偿机构，所述铰接式柔性补偿机构包括：
托架，其具有至少一个连杆；以及
一对平行的四连杆联动装置，所述装置具有：第一组连杆，其被配置成刚性地连接到所述支撑结构；第二组连杆，其可旋转地联接到所述托架，与所述第一组连杆相距一段距离；以及第三组连杆，其可旋转地联接到所述第一组连杆和所述第二组连杆之间的所述距离并且跨越所述距离；
其中所述铰接式柔性补偿机构被配置成响应于来自操作员的输入力沿着第一水平轴向所述托架提供被动平移自由度，并且支撑所述托架并使用重力回复力沿着所述第一水平轴向所述托架提供稳定的平衡点。
2.根据权利要求1所述的铰接式柔性补偿机构，其中相同地配置所述平行的四连杆联动装置并且所述托架包括彼此刚性地联接的多个连杆。
3.根据权利要求1所述的铰接式柔性补偿机构，其还包括：一对附加的平行的四连杆联动装置，其串联联接到所述对平行的四连杆联动装置并且沿着第二水平轴提供被动平移自由度。
4.根据权利要求3所述的铰接式柔性补偿机构，其中所述第二水平轴正交于所述第一水平轴。
5.根据权利要求1所述的铰接式柔性补偿机构，其还包括：
附加的铰接式柔性补偿机构，其与所述对平行的四连杆联动装置串联联接，并且沿着正交于所述第一水平轴的垂直轴提供被动平移自由度。
6.根据权利要求5所述的铰接式柔性补偿机构，其还包括：
弹簧元件，其连接到所述附加的铰接式柔性补偿机构并且被配置成沿着所述垂直轴向所述附加的铰接式柔性补偿机构提供到平衡点的机械回复力。
7.根据权利要求6所述的铰接式柔性补偿机构，其中所述附加的铰接式柔性补偿机构包括萨鲁斯连杆机构。
8.根据权利要求6所述的铰接式柔性补偿机构，其中所述附加的铰接式柔性补偿机构包括平行四边形连杆机构。
9.根据权利要求1所述的铰接式柔性补偿机构，其还包括：
锁定装置，其被配置成选择性地接合以限制或阻止所述铰接式柔性补偿机构沿着所述第一水平轴的运动。
10.一种系统，其包括：
支撑结构，其具有至少一个主动自由度；
托架，其具有至少一个连杆；以及
一对平行的四连杆联动装置，其具有：第一组连杆，其被配置成刚性地连接到所述支撑结构；第二组连杆，其可旋转地联接到所述托架，与所述第一组连杆相距一段距离；以及第三组连杆，其可旋转地联接到所述第一组连杆和所述第二组连杆之间的所述距离并且跨越所述距离；
其中所述铰接式柔性补偿机构被配置成支撑所述托架，并且使用重力回复力沿着第一水平轴向所述托架提供稳定的平衡点，并且响应于来自操作员的输入力沿着所述第一水平轴向所述托架提供被动平移自由度。
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