CN108621197A - 一种用于绳驱动机器人的变刚度控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于绳驱动机器人的变刚度控制装置，包括用于驱动活动关节运动的绳索，绳索具有第一连接端和第二连接端，在第一连接端和第二连接端之间串联有菱形伸缩机构，菱形伸缩机构具有驱动其收缩以向第一连接端和第二连接端之间施加拉力的弹簧。本发明采用驱动绳索中串联菱形伸缩机构的方式，通过绳索的拉力与弹簧的拉力控制菱形伸缩机构的伸缩状态，使绳驱动机器人的活动关节达到柔性控制。并利用菱形伸缩机构的力与位移具有非线性关系的特点，可以实现活动关节不同刚度级别的控制。

Description

一种用于绳驱动机器人的变刚度控制装置

技术领域

本发明涉及机器人驱动控制技术，具体地说是一种用于绳驱动机器人的变刚度控制装置。

背景技术

近年来，随着新材料与快速加工制造技术的发展，软体机器人技术已成为机器人技术领域的研究热点。软体机器人技术涉及仿生学，软物质学和机器人学等学科，与传统的刚性机器人相比，具有多方面优势：在理论上具有无限多个自由度，不需要复杂的机构，易实现多功能性；能够通过变形更好地适应未知或复杂非结构化作业环境；与作业对象之间为柔性接触，能够操作形状复杂各异的物体，对自身与操作对象的损伤很小等，在物理辅助医疗康复、微创手术、复杂环境搜索与探测等方面具有广阔的应用前景。

然而，目前软体机器人通常以硅橡胶等柔性材料为主体，以牺牲机器人刚度为代价提高柔顺性。对于一些特殊的应用场合，纯软体机器人会带来末端震颤、抖动以及作用力小等问题，限制了软体机器人的应用范围。因此，刚度主动可变的软体机器人具有重要的研究意义。

绳驱动机器人是一种由绳索驱动运动平台运动的特殊的混联机构，由若干单自由度或多自由度绳驱动关节组成。绳驱动机器人具有轻量化，惯量小，承重能力强，柔顺性好等优点，因此非常适合应用于服务机器人，具有很高的研究价值。为了保证绳驱动服务机器人的安全性，绳驱动关节是需要变刚度控制的，现有技术中还未有控制绳驱动关节刚度的技术方案。

发明内容

本发明针对上述现有技术现状，而提供一种用于绳驱动机器人的变刚度控制装置，解决了绳驱动关节不易调节刚度的技术问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于绳驱动机器人的变刚度控制装置，包括用于驱动活动关节运动的绳索，绳索具有第一连接端和第二连接端，在第一连接端和第二连接端之间串联有菱形伸缩机构，菱形伸缩机构具有驱动其收缩以向第一连接端和第二连接端之间施加拉力的弹簧。

作为一种优化的技术方案，本发明还包括以下改进的技术方案。

上述的菱形伸缩机构包括两个控制菱形伸缩机构张开角度的第一刚性调节臂和第二刚性调节臂。弹簧包括向第一刚性调节臂施加拉力的第一拉簧和向第二刚性调节臂施加拉力的第二拉簧。

上述的菱形伸缩机构具有安装座，第一刚性调节臂和第二刚性调节臂转动设置在安装座上。第一拉簧的第一端和第二拉簧的第一端分别与安装座相连接，第一拉簧的第二端和第二拉簧的第二端分别与对应的第一刚性调节臂和第二刚性调节臂相连接。

上述的第一刚性调节臂、第二刚性调节臂和安装座通过第一销轴转动连接。

上述的第一刚性调节臂通过第二销轴与安装座转动连接。第二刚性调节臂通过第三销轴与安装座转动连接。

上述的菱形伸缩机构包括与第一刚性调节臂、第二刚性调节臂构成菱形结构的第三臂和第四臂，第三臂和第四臂是刚性臂或绳索段。

作为另一种优化的技术方案，本发明还包括以下改进的技术方案。

上述的菱形伸缩机构包括与第一刚性调节臂、第二刚性调节臂呈菱形排列的第三刚性调节臂和第四刚性调节臂。第一拉簧的两端分别与第一刚性调节臂的第一延伸部和第三刚性调节臂的第三延伸部相连接。第二拉簧的两端分别与第二刚性调节臂的第二延伸部和第四刚性调节臂的第四延伸部相连接。

上述的第一刚性调节臂与第一延伸部、第二刚性调节臂与第二延伸部、第三刚性调节臂与第三延伸部、第四刚性调节臂与第四延伸部分别呈L型。

上述的第一连接端具有第一凹形座，第三刚性调节臂和第四刚性调节臂通过第五销轴转动设置在第一凹形座上。第二连接端具有第二凹形座，第一刚性调节臂和第二刚性调节臂通过第四销轴转动设置在第二凹形座上。

与现有技术相比，本发明用于绳驱动机器人的变刚度控制装置，采用驱动绳索中串联菱形伸缩机构的方式，通过绳索的拉力与弹簧的拉力控制菱形伸缩机构的伸缩状态，使绳驱动机器人的活动关节达到柔性控制。并利用菱形伸缩机构的力与位移具有非线性关系的特点，可以实现活动关节不同刚度级别的控制。

附图说明

图1是本发明活动关节的第一状态示意图。

图2是本发明活动关节的第二状态示意图。

图3是本发明实施例1的立体结构示意图。

图4是图3的正面结构示意图。

图5是本发明实施例2的立体结构示意图。

图6是图5的正面结构示意图。

图7是本发明菱形伸缩机构的力-位移曲线示意图。

具体实施方式

以下结合附图、实施例对本发明作进一步详细说明。需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

图1至图7所示为本发明的结构示意图。

其中的附图标记为：绳索1、第一连接端1a、第二连接端1b、活动关节11、第一凹形座12、第二凹形座13、菱形伸缩机构2、第一刚性调节臂21、第一延伸部21a、第二刚性调节臂22、第二延伸部22a、第三刚性调节臂23、第三延伸部23a、第四刚性调节臂24、第四延伸部24a、第三臂25、第四臂26、第一拉簧31、第二拉簧32、安装座4、第二销轴52、第三销轴53、第四销轴54、第五销轴55。

绳驱动机器人主要依靠绳索1来驱动其活动关节11。现有普通的驱动绳，无法调整绳上的张力，因此活动关节11处于靜止状态时，活动关节11是刚性的，无法活动运转。

本发明用于绳驱动机器人的变刚度控制装置中，驱动活动关节11运动的绳索1具有第一连接端1a和第二连接端1b，在第一连接端1a和第二连接端1b之间串联有菱形伸缩机构2。菱形伸缩机构2具有驱动其收缩以向第一连接端1a和第二连接端1b之间施加拉力的弹簧。弹簧的作用在于提供菱形伸缩机构2的张紧力，使菱形伸缩机构2的回复力与绳索1上的拉力保持平衡，这样可以保持运动的可重复性。

菱形伸缩机构2包括两个控制菱形伸缩机构2张开角度的第一刚性调节臂21和第二刚性调节臂22。弹簧包括向第一刚性调节臂21施加拉力的第一拉簧31和向第二刚性调节臂22施加拉力的第二拉簧32。在第一拉簧31和第二拉簧32的弹性力作用下，菱形伸缩机构2具有拉近第一连接端1a和第二连接端1b之间距离的趋势。

该变刚度控制装置的作用主要是串联在绳驱动机器人的绳索1中，利用菱形伸缩机构2刚度可调的特性，调节活动关节11的刚度。

绳驱动关节是一个驱动冗余的机构，即驱动准装置的数量大于机构的自由度数。这意味着即使关节位置和外载荷不变，绳索1的张力有无穷多种可能。利用这一特性，通过选取不同的张力组合，实现活动关节11刚度的变化。

以图1和图2所示的单自由度关节为例，当使用两条绳索1驱动一个单自由度的活动关节11，活动关节11在同一位置可以实现不同的刚度状态。

当绳索1的张力较小时，如图1所示，串联于绳索1中的变刚度控制装置受到第一连接端1a与第二连接端1b的拉力小，处于低刚度状态。菱形伸缩机构2中第一刚性调节臂21与第二刚性调节臂22的张角较大，使菱形伸缩机构2有一定的弹性，使得整个活动关节11的刚度也较小。此时活动关节11的运动柔顺性好，机械臂灵活安全，适用于需要一定柔顺性的工作任务。

当绳索1的张力较大时，如图2所示，串联于绳索1中的变刚度控制装置受到第一连接端1a与第二连接端1b的拉力大，处于高刚度状态。菱形伸缩机构2中第一刚性调节臂21与第二刚性调节臂22的张角较小，菱形伸缩机构2几乎被拉成了直线，使得整个活动关节11的刚度也较大。此时活动关节11运动精度高，承载能力强。

以下是本发明的优选实施例1。

如图3和图4所示，本实施例中的菱形伸缩机构2具有安装座4。第一刚性调节臂21和第二刚性调节臂22转动设置在安装座4上。第一连接端1a通过绳索段构成的第三臂25与第一刚性调节臂21相连接。第一连接端1a通过绳索段构成的第四臂26与第二刚性调节臂22相连接。

第一刚性调节臂21、第二刚性调节臂22以及第三臂25和第四臂26构成菱形伸缩机构2的四边，并由第一刚性调节臂21和第二刚性调节臂22决定菱形伸缩机构2的伸缩状态。第三臂25和第四臂26可以是绳索段，也可以是刚性臂，不影响第一连接端1a与第二连接端1b之间的伸缩状态。

第一拉簧31的第一端和第二拉簧32的第一端分别与安装座4相连接，第一拉簧31的第二端和第二拉簧32的第二端分别与对应的第一刚性调节臂21和第二刚性调节臂22相连接。

第一连接端1a与第二连接端1b之间的拉力变大时，第一刚性调节臂21与第二刚性调节臂22克服第一拉簧31和第二拉簧32的拉力，使第一刚性调节臂21与第二刚性调节臂22的张角变小，这样活动关节11的刚度大。反之第一刚性调节臂21与第二刚性调节臂22的张角大，活动关节11的刚度小。

本实施例中，第一刚性调节臂21通过第二销轴52与安装座4转动连接。第二刚性调节臂22通过第三销轴53与安装座4转动连接。但第一刚性调节臂21和第二刚性调节臂22构成菱形伸缩机构2的两边，其安装结构也可以适当变形，如第一刚性调节臂21和第二刚性调节臂22可以通过共用的第一销轴与安装座4转动连接。

以下是本发明的优选实施例2。

如图5和图6所示，本实施例中，菱形伸缩机构2包括与第一刚性调节臂21、第二刚性调节臂22、呈菱形排列的第三刚性调节臂23和第四刚性调节臂24。

第一拉簧31的两端分别与第一刚性调节臂21的第一延伸部21a和第三刚性调节臂23的第三延伸部23a相连接。

第二拉簧32的两端分别与第二刚性调节臂22的第二延伸部22a和第四刚性调节臂24的第四延伸部24a相连接。

第一刚性调节臂21与第一延伸部21a、第二刚性调节臂22与第二延伸部22a、第三刚性调节臂23与第三延伸部23a、第四刚性调节臂24与第四延伸部24a分别呈L型。

并且，第一延伸部21a和第三延伸部23a位于菱形伸缩机构2的同一侧，便于第一拉簧31的安装和工作。第二延伸部22a和第四延伸部24a位于菱形伸缩机构2的另一侧，便于第二拉簧32的安装和工作。

第一连接端1a具有第一凹形座12，第三刚性调节臂23和第四刚性调节臂24通过第五销轴55转动设置在第一凹形座12上。第二连接端1b具有第二凹形座13，第一刚性调节臂21和第二刚性调节臂22通过第四销轴54转动设置在第二凹形座13上。

本发明的变刚度控制装置主要基于菱形伸缩机构2的非线性特性，当菱形伸缩机构2处于初始状态时，绳索1上的张力小，菱形伸缩机构2上的弹簧变形也小，因此变刚度控制装置的刚度较小。当绳索1上的张力处于最大值时，菱形伸缩机构2达到最大拉伸状态，接近一条直线，两端很难再伸长，此时变刚度控制装置的刚度较大。

如图7所示，菱形伸缩机构2的“力-位移”曲线呈现非线性的特点，其斜率随菱形伸缩位移的增加而增加。区别于普通弹簧，普通弹簧“力-位移”曲线是一条直线，是常刚度的。因此本发明的变刚度控制装置由于采用菱形伸缩机构2，可以根据绳索1的拉力状态，调整菱形伸缩机构2的伸缩状态，从而使活动关节11达到柔性控制，并能实现不同级别的刚度调节。

由于变刚度控制装置的形状是连续变化的，因此菱形伸缩机构2的力-位移曲线是连续且平滑的，方便进行刚度控制。理论上可以达到刚度调节范围内的任意刚度。

本发明的最佳实施例已阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。

Claims (10)

1.一种用于绳驱动机器人的变刚度控制装置，包括用于驱动活动关节(11)运动的绳索(1)，其特征是：所述的绳索(1)具有第一连接端(1a)和第二连接端(1b)，在所述的第一连接端(1a)和第二连接端(1b)之间串联有菱形伸缩机构(2)，所述的菱形伸缩机构(2)具有驱动其收缩以向第一连接端(1a)和第二连接端(1b)之间施加拉力的弹簧。

2.根据权利要求1所述的一种用于绳驱动机器人的变刚度控制装置，其特征是：所述的菱形伸缩机构(2)包括两个控制菱形伸缩机构(2)张开角度的第一刚性调节臂(21)和第二刚性调节臂(22)；所述的弹簧包括向第一刚性调节臂(21)施加拉力的第一拉簧(31)和向第二刚性调节臂(22)施加拉力的第二拉簧(32)。

3.根据权利要求2所述的一种用于绳驱动机器人的变刚度控制装置，其特征是：所述菱形伸缩机构(2)具有安装座(4)，所述的第一刚性调节臂(21)和第二刚性调节臂(22)转动设置在所述的安装座(4)上；所述第一拉簧(31)的第一端和第二拉簧(32)的第一端分别与所述的安装座(4)相连接，第一拉簧(31)的第二端和第二拉簧(32)的第二端分别与对应的第一刚性调节臂(21)和第二刚性调节臂(22)相连接。

4.根据权利要求3所述的一种用于绳驱动机器人的变刚度控制装置，其特征是：所述的第一刚性调节臂(21)、第二刚性调节臂(22)和安装座(4)通过第一销轴转动连接。

5.根据权利要求3所述的一种用于绳驱动机器人的变刚度控制装置，其特征是：所述的第一刚性调节臂(21)通过第二销轴(52)与所述的安装座(4)转动连接；所述的第二刚性调节臂(22)通过第三销轴(53)与所述的安装座(4)转动连接。

6.根据权利要求4或5所述的一种用于绳驱动机器人的变刚度控制装置，其特征是：所述的菱形伸缩机构(2)包括与第一刚性调节臂(21)、第二刚性调节臂(22)构成菱形结构的第三臂(25)和第四臂(26)，所述的第三臂(25)和第四臂(26)是刚性臂或绳索段。

7.根据权利要求2所述的一种用于绳驱动机器人的变刚度控制装置，其特征是：所述的菱形伸缩机构(2)包括与第一刚性调节臂(21)、第二刚性调节臂(22)呈菱形排列的第三刚性调节臂(23)和第四刚性调节臂(24)；所述第一拉簧(31)的两端分别与第一刚性调节臂(21)的第一延伸部(21a)和第三刚性调节臂(23)的第三延伸部(23a)相连接；所述第二拉簧(32)的两端分别与第二刚性调节臂(22)的第二延伸部(22a)和第四刚性调节臂(24)的第四延伸部(24a)相连接。

8.根据权利要求7所述的一种用于绳驱动机器人的变刚度控制装置，其特征是：所述的第一刚性调节臂(21)与第一延伸部(21a)、第二刚性调节臂(22)与第二延伸部(22a)、第三刚性调节臂(23)与第三延伸部(23a)、第四刚性调节臂(24)与第四延伸部(24a)分别呈L型。

9.根据权利要求7所述的一种用于绳驱动机器人的变刚度控制装置，其特征是：所述的第一连接端(1a)具有第一凹形座(12)，所述的第三刚性调节臂(23)和第四刚性调节臂(24)通过第五销轴(55)转动设置在第一凹形座(12)上；所述的第二连接端(1b)具有第二凹形座(13)，所述的第一刚性调节臂(21)和第二刚性调节臂(22)通过第四销轴(54)转动设置在第二凹形座(13)上。

10.一种绳驱动机器人，包括如权利要求1-5、7-9中任一权利要求所述的变刚度控制装置。