CN107175657A - 一种用于柔性机器人的永磁变刚度驱动模块 - Google Patents

Abstract

一种柔性机器人用永磁变刚度驱动模块,适用于拮抗式柔性变刚度机器人，特别适合于多自由度柔性并联变刚度机器人的构建。本发明与现有技术相比，在不增加电机力矩的情况下，增加了刚度调整范围。在构建多自由柔性机器人时，可以将驱动单元和变刚度模块后置，极大的减轻操作臂的质量与惯量，从而解决了传统串联模式，由于质量与惯量逐级递增引起的刚度变化能力不足的缺点。发明所述绳索一端固定于绳索绞盘上，依次穿过定滑轮、动滑轮、绳索绞盘、所述绳索绞盘和定滑轮外切于同一条直线，动滑轮夹于两定滑轮的对称轴线上。环形永磁体间气隙间距，随着移动滑座和固定座间距减小而减小，绳索拉力与刚度增加。本发明为运动形式简洁、制造简便、操作简单的柔性机器人用永磁变刚度驱动模块。

Description

一种用于柔性机器人的永磁变刚度驱动模块

技术领域

本发明属于柔性机器人技术领域，特别是涉及一种柔性机器人用永磁变刚度驱动模块，用于构建拮抗式柔性变刚度机器人，特别适合于多自由度并联柔性变刚度机器人的构建。

背景技术

柔性变刚度机器人是不同于传统刚性机器人的一类刚度可调的柔性机器人，由于自身刚度可调，可以很大程度的提高人机安全性和环境适应性，涉及仿生学，机器人学，材料学以及控制等学科，已经成为未来机器人发展的重要方向。

基于并联绳索对抗驱动的变刚度机器人关节，在驱动方式上与人类关节最为接近，大都通过在绳索上串联非线性弹性单元的方式来改变关节刚度，这些非线性弹性单元由若干线性弹簧和产生非线性的机械装置组成，通过二者的配合使原本受力与变形之间呈线性变化的弹簧展现出非线性变刚度特性。此种布置的好处除了实现机器人的柔性外，可以将驱动单元和变刚度模块后置，特别在构建多自由度机器人时，可以极大的减轻操作臂的质量与惯量，从而解决了传统串联模式，质量与惯量逐级递增引起的关节刚度变化能力不足的缺点，因此并联绳索驱动的机器人变刚度能力主要取决于非线性变刚度模块性能的好坏。所以设计一款体积小、重量轻、变刚度能力强的变刚度驱动模块对于解决新一代机器人的人机安全、提高动态特性和轨迹跟踪等关键问题具有重要意义。

近些年来，永磁材料性能大幅度提高，特别是稀土永磁材料单位体积磁能高，性能优良，在简化计算时可等同于理想永磁体。利用永磁体间磁力相互作用的永磁弹簧，由于拥有无机械接触、无磨损、功耗低、寿命长、噪音小、无需润滑、不发热等优点，可以取代金属弹簧用于快速机械响应机构。

发明内容

本发明的目的是提供一种柔性机器人用永磁变刚度驱动模块，在不增加驱动电机力矩的情况下，实现更大的刚度调整范围，在构建柔性机器人时，可以将驱动单元和变刚度模块后置，特别是在构建多自由度柔性机器人时，可以极大的减轻操作臂的质量与惯量，从而解决了传统串联模式，由于质量与惯量逐级递增引起的柔性机器人刚度变化能力不足的缺点；

为了解决上述问题，本发明提供了一种柔性机器人用永磁变刚度驱动模块，其特征在于，包括绳索绞盘、定滑轮A、动滑轮、绳索、定滑轮B,所述绳索一端固定于绳索绞盘依次穿过定滑轮A、动滑轮、定滑轮B,绳索另一端固定于执行部件，所述绳索绞盘、定滑轮A、定滑轮B的上边缘外切于同一条水平直线，所述动滑轮设置于定滑轮A和定滑轮B之间的对称轴位置上。

绳索绞盘与旋转轴形成一体的绞盘轴；沿绳索绞盘的旋转轴线依次布置有支架A、深沟球轴承A、绳索绞盘、深沟球轴承B、支架B、联轴器、法兰、减速器和伺服电机，所述伺服电机、减速器通过法兰与基座固定，所述绳索绞盘前后两侧分别通过深沟球轴承A、支架A和深沟球轴承B、支架B固定于基座上，所述绳索绞盘通过联轴器与减速器和伺服电机连接。

移动滑座与H型固定座上的移动滑槽滑动配合，所述轴向滑动轴承位于H型固定座的横梁的对称中心上，移动滑座的滑动杆与滑动轴承滑动配合，所述动滑轮位于移动滑座的滑动杆的顶端，所述定滑轮A和定滑轮B位于H型固定座的两侧上端部，动滑轮与定滑轮A和定滑轮B呈等腰三角形布置。

所述环形永磁体A固结于H型固定座的横梁下侧，环形永磁体B固结于移动滑座上侧，所述环形永磁体A与环形永磁体B同轴线布置，且环形永磁体A和环形永磁体B的结构参数相同，环形永磁体A和环形永磁体B轴向充磁，同向磁极相对布置，当移动滑座和H型固定座相对滑动时，环形永磁体A和环形永磁体B间隙减小。

进一步地，上述绳索由能弯曲却不能轴向伸缩的材料制成。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、设计一种全新的柔性机器人用永磁变刚度驱动模块，在不增加驱动电机力矩的情况下，实现更大的刚度调整范围而且体积小、重量轻。利用永磁间磁力随气隙改变呈非线性变化规律，与三角滑轮绳索结构中绳索拉力随着拉力与磁力夹角改变呈非线性变化规律的共同作用，实现拉力一定，刚度变化范围增加。

2、本发明在构建机器人柔性关节时，可以将驱动单元和变刚度模块后置，特别是在构建多自由度关节时，可以极大的减轻操作臂的质量与惯量，从而解决了传统串联模式，由于质量与惯量逐级递增引起的关节刚度变化能力不足的缺点。

3、本发明实现了柔性机器人模块的柔性输出，可以通过多个上述模块的组合实现一自由度或多自由度变刚度柔性机器人系统平台的搭建。

4、本发明应用范围广泛，通过多个模块的组合构建柔性机械臂，用于空间夹持装配、辅助医疗设备及其他设备中。

附图说明

图1为本发明的一种柔性机器人用永磁变刚度驱动模块结构示意图；

图2为可变刚度部分的原理结构剖面示意图；

图3为绳索绞盘的连接固定结构示意图；

图中，1联轴器；2绳索绞盘；3深沟球轴承A；4支架A；5H型固定座；6基座；7减速器；8伺服电机；9定滑轮A；10动滑轮；11环形永磁体A；12环形永磁体B；13移动滑座；14移动滑槽；15轴向滑动轴承；16绳索；17定滑轮B；18深沟球轴承B；19支架B；20法兰。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达到实现效果的技术过程能够充分理解并据以实施，需要说明的是，只要不构成冲突，本发明的各个实施例以及各个实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

实施例

结合图1，图2和图3说明本实施方式，本实施方式包括：绳索绞盘2、定滑轮A9、动滑轮10、绳索16、定滑轮B17,所述绳索16一端固定于绳索绞盘2然后依次穿过定滑轮A9、动滑轮19、定滑轮B17,所述绳索绞盘2、定滑轮A9、定滑轮B17外切于同一条直线，所述动滑轮10夹于定滑轮A9和定滑轮B17的对称轴上。

本发明中的绳索16为软钢丝绳或其他柔软的只能弯曲却不能轴向伸缩的材料制成的绳索；

本发明为运动形式简洁、制造简便、操作简单的永磁变刚度柔性机器人驱动模块；

本实施方式为具体实施方式一的进一步限定，本实施方式中绳索绞盘2为绳索绞盘与旋转轴一体的绞盘轴。沿绳索绞盘的旋转轴线依次布置有支架4、深沟球轴承A3、绳索绞盘2、深沟球轴承B18、支架B19、联轴器1、法兰20、伺服电机8、减速器7，所述伺服电机8、减速器7通过法兰20与基座6固定，所述绳索绞盘2通过深沟球轴承A3和深沟球轴承B18、支架A4和支架B19固定于基座6上，所述绳索绞盘2通过联轴器1与伺服电机8、减速器7连接；

本实施方式为具体实施方式一和二进一步限定，本实施方式中移动滑座13与固定座5上移动滑槽14滑动配合，所述轴向滑动轴承15位于H型固定座5横梁的对称中心上，移动滑座13的滑动杆与滑动轴承15滑动配合，所述动滑轮10位于移动滑座13的滑动杆的末端，所述定滑轮9和定滑轮17分别位于H型固定座5的两侧上端，动滑轮10与定滑轮A9和定滑轮B17呈等腰三角形布置。

本发明中的通过拉动绳索16进而带动动滑轮10和移动滑座13向上滑动；

本发明中固定座5固定在基座6上。

本实施方式为具体实施方式一至三进一步限定，所述固定座5与环形永磁体A11固结，所述环形永磁体B12与移动滑座13固结，所述环形永磁体A11的中轴线与环形永磁体B12的中轴线同轴线布置，环形永磁体A11和环形永磁体B12的结构参数相同，当移动滑座13和固定座5间距减小时，环形永磁体A11和环形永磁体B12间气隙减小。

本发明中的环形永磁体为轴向充磁，且环形永磁体A11和环形永磁体B12同向磁极相对布置。

Claims (2)

1.一种柔性机器人用永磁变刚度驱动模块，其特征在于，包括绳索绞盘、定滑轮A、动滑轮、绳索、定滑轮B,所述绳索一端固定于绳索绞盘依次穿过定滑轮A、动滑轮、定滑轮B,绳索另一端固定于执行部件所述绳索绞盘、定滑轮A、定滑轮B的上边缘外切于同一条水平直线，所述动滑轮设置于定滑轮A和定滑轮B之间的对称轴位置上；

绳索绞盘与旋转轴形成一体的绞盘轴；沿绳索绞盘的旋转轴线依次布置有支架A、深沟球轴承A、绳索绞盘、深沟球轴承B、支架B、联轴器、法兰、减速器和伺服电机，所述伺服电机、减速器通过法兰与基座固定，所述绳索绞盘前后两侧分别通过深沟球轴承A、支架A和深沟球轴承B、支架B固定于基座上，所述绳索绞盘通过联轴器与减速器和伺服电机连接；

移动滑座与H型固定座上的移动滑槽滑动配合，所述轴向滑动轴承位于H型固定座的横梁的对称中心上，移动滑座的滑动杆与滑动轴承滑动配合，所述动滑轮位于移动滑座的滑动杆的顶端，所述定滑轮A和定滑轮B位于H型固定座的两侧上端部，动滑轮与定滑轮A和定滑轮B呈等腰三角形布置；

所述环形永磁体A固结于H型固定座的横梁下侧，环形永磁体B固结于移动滑座上侧，所述环形永磁体A与环形永磁体B同轴线布置，且环形永磁体A和环形永磁体B的结构参数相同，环形永磁体A和环形永磁体B轴向充磁，同向磁极相对布置，当移动滑座和H型固定座相对滑动时，环形永磁体A和环形永磁体B间隙减小。

2.根据权利要求1所述的一种柔性机器人用永磁变刚度驱动模块，其特征在于，所述绳索由能弯曲却不能轴向伸缩的材料制成。