CN109551465B - 一种高离轴刚度的被动柔性恒力机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高离轴刚度的被动柔性恒力机构，包括底盘、固定在底盘上的中心基座、位于中心基座上方的受力座、第一柔性组件、第二柔性组件；第一柔性组件包括第一柔性薄梁、第二柔性薄梁、连接架；第二柔性组件包括第三柔性薄梁；第一柔性薄梁的一端与受力座连接，第一柔性薄梁的另一端与连接架连接，第二柔性薄梁的一端与中心基座连接，第二柔性薄梁的另一端与连接架连接，第三柔性薄梁的一端与受力座连接，第三柔性薄梁的另一端与底盘连接。被动柔性恒力机构的离轴刚度好，输出响应速度快，机构运动不受运动摩擦、回程误差等因素影响，从而有较好的输出精度，可广泛用于机器人的各类接触式作业，提高机器人与环境间的交互性。

Description

一种高离轴刚度的被动柔性恒力机构

技术领域

本发明涉及一种被动柔性恒力机构，尤其涉及一种高离轴刚度的被动柔性恒力机构。

背景技术

现阶段的机器人运动控制中，常会遇到与未知环境交互的作业任务，即接触作业，这类运动要求机器人同时控制好输出位置和输出力，以提供良好的环境交互性，接触作业常见的有抛光、打磨、微型操作等任务。如果单纯只对机器人运动位置进行控制，往往会因为位置的突变导致力的突变，从而对机器人和环境造成破坏，交互性差。恒力机构一般是指在一定输入运动范围内其输出端产生的反作用力近似恒定的机构。主动恒力机构和被动恒力机构是目前常见的两类恒力机构，其中主动恒力机构由于需要使用到精密的传感器和复杂的控制算法以提高过程控制的响应速度和精度，从而需要复杂的运算和设计成本。被动恒力机构又细分为被动柔性机构和被动刚性机构。其中，被动刚性恒力机构由于所使用到的弹簧不完全符合胡克定律，且该类机构往往存在摩擦力、磨损、装配复杂等问题，导致最终输出精度较低。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种高离轴刚度的被动柔性恒力机构，该被动柔性恒力机构结构简单，当输入端的输入位移在一定程度内时，机构仍能提供近似恒定输出的反作用力。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高离轴刚度的被动柔性恒力机构，包括底盘、固定在底盘上的中心基座、位于中心基座上方的受力座、第一柔性组件、第二柔性组件；第一柔性组件包括第一柔性薄梁、第二柔性薄梁、连接架；第二柔性组件包括第三柔性薄梁；第一柔性薄梁的一端与受力座连接，第一柔性薄梁的另一端与连接架连接，第二柔性薄梁的一端与中心基座连接，第二柔性薄梁的另一端与连接架连接，第三柔性薄梁的一端与受力座连接，第三柔性薄梁的另一端与底盘连接，受力座受到一定范围内的力时，第一柔性组件、第二柔性组件能提供恒定的反作用力。

进一步的是：第一柔性组件、第二柔性组件均有若干个，若干个第一柔性组件和若干个第二柔性组件均以受力座为中心圆周交替分布，第一柔性组件、第二柔性组件的数量与被动柔性恒力机构的输出恒力值呈线性关系。

进一步的是：受力座呈八棱柱状，第一柔性组件和第二柔性组件均有四个，四个第一柔性组件的第一柔性薄梁分别固定在受力座其中四个互不相邻的侧面，四个第二柔性组件的第三柔性薄梁分别固定在受力座另外四个互不相邻的侧面。

进一步的是：每个第一柔性组件的第一柔性薄梁和第二柔性薄梁均有两条，每个第二柔性组件的第三柔性薄梁有一条，使得被动柔性恒力机构的能够承受更大的作用力，提供更稳定的反作用力。

进一步的是：受力座其中四个互不相邻的侧面均设有方形凹槽，受力座另外四个互不相邻的侧面均设有第一V形架，每个第一柔性组件的两条第一柔性薄梁分别固定在方形凹槽的上端面和下端面，第三柔性薄梁固定在第一V形架上，方形凹槽用于固定第一柔性薄梁，第一V形架用于固定第三柔性薄梁。

进一步的是：连接架包括连接板；连接板从上往下依次设有第一凸台、第二凸台、第三凸台、第四凸台，每个第一柔性组件的两条第一柔性薄梁通过螺栓分别固定在第一凸台和第二凸台上，每个第一柔性组件的两条第二柔性薄梁通过螺栓分别固定在第三凸台和第四凸台上。连接板用于固定第一柔性薄梁和第二柔性薄梁。

进一步的是：中心基座呈十字形，中心基座的四个端面均与两条第二柔性薄梁固定连接，中心基座用于固定第二柔性薄梁。

进一步的是：底盘包括底板、固定在底板上的三角架、固定在三角架上的侧板；侧板上设有第二V形架，第二V形架的一端固定在侧板上，第二V形架的另一端与第三柔性薄梁的一端固定连接。

进一步的是：三角架呈三棱柱状，三角架其中一个侧面上设有三棱柱凹槽，三角架另外的两个侧面(通过螺栓)分别与底盘和底板固定连接，底板呈十字形，三角架和侧板均有四个，四个侧板通过四个三角架分别固定在底板的四端。

进一步的是：第一柔性薄梁、第二柔性薄梁、第三柔性薄梁均为聚丙烯，受力座在一定范围内随意运动时，第一柔性薄梁、第二柔性薄梁、第三柔性薄梁的变形均是弹性变形，因此，第一柔性薄梁、第二柔性薄梁、第三柔性薄梁将会不断在被压缩和反弹回复这两种状态中跳转，第一柔性薄梁、第二柔性薄梁、第三柔性薄梁在这段运动过程中存储能量，实现能量的存储与释放，而这个过程中能量的储存和释放近似相等，从而实现恒力输出。

总的说来，本发明具有如下优点：

本高离轴刚度的被动柔性恒力机构，当受力座受到垂直于受力座上表面(从受力座指向底板)的输入位移时，第一柔性薄梁、第二柔性薄梁、第三柔性薄梁均受力发生挠曲变形(弹性变形)，并产生相应的反作用力。在一定的范围内，第一柔性薄梁、第二柔性薄梁、第三柔性薄梁产生的反作用力的力总和大小近似为恒定。本机构运动避免了传统机构的一些缺点。比如本发明机构的装配中没有间隙，因此运动不受回程误差等因素影响；另外，机构中没有传统的运动副，因此运动过程中不受摩擦力影响且无磨损。这些特性使得机构的输出力有较高的精度。同时，机构有较好的抗干扰能力，由于机构设计时考虑到了整体机构的离轴刚度，因此机构在单方向运动过程中受到其他方向的干扰时，仍能保持近似恒力的输出。因为机构制作简单且成本较低，刚性部件可由常见的塑料件加工，柔性部件可由金属薄板、有机塑料薄板等制作，因此机构质量较轻。本机构的运动等同于柔性薄梁的变形运动，因此运动过程中产生的噪音几乎无噪音产生。

附图说明

图1是被动柔性恒力机构的结构示意图。

图2是被动柔性恒力机构的俯视图。

图3是第一柔性组件的结构示意图。

图4是第二柔性组件的结构示意图。

图5是受力座的结构示意图。

图6是中心基座的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。

为了便于统一查看说明书附图里面的各个附图标记，现对说明书附图里出现的附图标记统一说明如下：

1为底盘，2为中心基座，3为受力座，4为第一柔性组件，5为第二柔性组件，6为第一柔性薄梁，7为第二柔性薄梁，8为连接架，9为第三柔性薄梁，10为方形凹槽，11为第一V形架，12为第一凸台，13为第二凸台，14为第三凸台，15为第四凸台，16为底板，17为三角架，18为侧板，19为第二V形架。

结合图1、图2、图3所示，一种高离轴刚度的被动柔性恒力机构，包括底盘、固定在底盘上的中心基座、位于中心基座上方的受力座、第一柔性组件、第二柔性组件；第一柔性组件包括第一柔性薄梁、第二柔性薄梁、连接架；第二柔性组件包括第三柔性薄梁；本被动机构中只有第一柔性薄梁、第二柔性薄梁、第三柔性薄梁是柔性部件，可以发生弹性变形，其他的零部件均为刚性部件。第一柔性薄梁的一端与受力座固定连接，第一柔性薄梁的另一端与连接架固定连接，第二柔性薄梁的一端与中心基座固定连接，第二柔性薄梁的另一端与连接架固定连接，第三柔性薄梁的一端与受力座固定连接，第三柔性薄梁的另一端与底盘固定连接。第一柔性薄梁、第二柔性薄梁水平设置，第三柔性薄梁倾斜设置，连接架悬空，第一柔性薄梁、第二柔性薄梁发生变形的时候连接架自由移动，第三柔性薄梁与受力座连接的一端高于第三柔性薄梁与底盘连接的一端，第三柔性薄梁与受力座连接的一端可以自由移动，第三柔性薄梁与底盘连接的一端固定不动。受力座与中心基座位于同一竖直线上且受力座与中心基座之间存在一定的运动空间，中心基座固定在底盘的中心。

第一柔性组件、第二柔性组件均有若干个，若干个第一柔性组件和若干个第二柔性组件均以受力座为中心圆周交替分布，第一柔性组件、第二柔性组件的个数一致且第一柔性组件、第二柔性组件均以受力座为中心圆周分布，相邻的两个第一柔性组件之间设置有一个第二柔性组件(或相邻的两个第二柔性组件之间设置有一个第一柔性组件)。

第一柔性薄梁、第二柔性薄梁、第三柔性薄梁均由柔性薄板制备而成，根据柔性薄梁的受力特性调整薄板的物理尺寸和安装方式，使第一柔性组件和第二柔性组件的输出组合力近似为恒定，且柔性薄梁能够发生弹性变形，本实施例中第一柔性薄梁、第二柔性薄梁、第三柔性薄梁均为聚丙烯材料。

结合图1、图5所示，受力座呈八棱柱状，第一柔性组件和第二柔性组件均有四个，四个第一柔性组件的第一柔性薄梁分别固定在受力座其中四个互不相邻的侧面，四个第二柔性组件的第三柔性薄梁分别固定在受力座另外四个互不相邻的侧面。八棱柱有八个侧面，其中四个互不相邻的侧面分别固定有第一柔性薄梁，另外四个互不相邻的侧面固定有第三柔性薄梁。相邻的两个第一柔性组件之间的夹角为90°，相邻的两个第二柔性组件之间的夹角为90°，相邻第一柔性组件和第二柔性组件之间的夹角为45°。

优选地，每个第一柔性组件的第一柔性薄梁和第二柔性薄梁均有两条，每个第二柔性组件的第三柔性薄梁有一条。八棱柱有八个侧面，其中四个互不相邻的侧面上都分别有两条第一柔性薄梁，另外四个互不相邻的侧面固定有一条第三柔性薄梁。

受力座其中四个互不相邻的侧面均设有方形凹槽，受力座另外四个互不相邻的侧面均设有第一V形架，每个第一柔性组件的两条第一柔性薄梁分别固定在方形凹槽的上端面和下端面，第三柔性薄梁固定在第一V形架上。每个柔性组件的两条第一柔性薄梁的一端均通过螺栓分别固定在方形凹槽的上端面和下端面，每个柔性组件的两条第一柔性薄梁互相平行且位于同一竖直线上。第一V形架通过螺栓固定在受力座另外四个互不相邻的侧面上，第三柔性薄梁的一端通过螺栓固定在第一V形架上，第三柔性薄梁的一端另一端通过螺栓固定在第二V形架上。

结合图1、图3、图6所示，连接架包括连接板；连接板从上往下依次设有第一凸台、第二凸台、第三凸台、第四凸台，连接板、第一凸台、第二凸台、第三凸台、第四凸台一体成型。每个柔性组件的两条第一柔性薄梁的一端均通过螺栓分别固定在方形凹槽的上端面和下端面，每个第一柔性组件的两条第一柔性薄梁的另一端通过螺栓分别固定在第一凸台和第二凸台上。每个第一柔性组件的两条第二柔性薄梁的一端通过螺栓分别固定在第三凸台和第四凸台上，每个第一柔性组件的两条第二柔性薄梁的另一端通过螺栓固定在中心基座上。

中心基座呈十字形，中心基座的四个端面均与两条第二柔性薄梁通过螺栓固定连接。

结合图1、图4所示，底盘包括底板、固定在底板上的三角架、固定在三角架上的侧板；侧板上(上端)设有第二V形架，第二V形架的一端通过螺栓固定在侧板上，第二V形架的另一端与第三柔性薄梁的一端通过螺栓固定连接。

三角架呈三棱柱状，三角架其中一个侧面上设有三棱柱凹槽，三角架另外的两个侧面分别与底盘和底板固定连接，三角架和三棱柱凹槽均为直角三棱柱。三角架有两个侧面互相垂直，互相垂直的两个侧面中的一个通过螺栓固定在底板上，侧板通过螺栓固定在三角架另一个侧面上。底板呈十字形，三角架和侧板均有四个，四个侧板通过四个三角架分别固定在底板的四端。中心基座固定在底板的中心，四个侧板两两相对，相邻的两个侧板互相垂直。

在对受力座输入一定位移时，由于第一柔性薄梁、第二柔性薄梁、第三柔性薄梁发生的挠曲变形是弹性变形，因此受力座在一定范围内随意运动时，第一柔性薄梁、第二柔性薄梁、第三柔性薄梁将会不断在被压缩和反弹回复这两种状态中跳转。第一柔性薄梁、第二柔性薄梁、第三柔性薄梁在这段运动过程中存储能量，实现能量的存储与释放，而这个过程中能量的储存和释放近似相等，从而实现恒力输出。相比现有的恒力机构，大部分采用弹簧构件，是一种刚性恒力机构，例如现有的恒力吊架和恒力支架，都是采用弹簧来实现恒力的输出，本机构采用一种柔性薄梁，是一种柔性恒力机构，能够提供更加精确和稳定的恒力输出。

离轴刚度出自：机械工程前沿著作系列·机器人科学与技术丛书：“柔顺机构设计理论与实例”，翻译：陈贵敏，于靖军，马洪波，出版社：高等教育出版社，出版时间：2015-03-01。

本机构中除了第一柔性薄梁、第二柔性薄梁、第三柔性薄梁可以发生变形，其他的杆件都是刚性部件，离轴刚度是指在刚体机构的运动学分析中，通常假设所有的杆件刚度无限大，机构运动都发生在铰链处。对柔顺机构而言，其运动是由柔性构件在载荷作用下变形从而获得期望的行为，而任何局部的变形都是由于变形单元的刚度低于其他部件或者同一变形单元沿某一方向的刚度低于其他方向。将离轴刚度比定义为沿非期望运动轴的刚度与沿期望运动轴的刚度之比。如果离轴刚度比高，变形的局部化非常显著；相反，如果离轴刚度比低，这意味着柔性单元在载荷作用下容易向非期望的运动方向变形。本机构的理想受力方向或者运动方向是垂直于受力座负方向(从受力座指向底板)，但是在一定范围内这个力或者运动的方向可以有一定的偏离垂直于受力座负方向(从受力座指向底板)，也能够提供一个恒力的反作用力。

本高离轴刚度的被动柔性恒力机构的工作原理：底板固定在固定端，受力座与外界输入端连接，外界输入端输入垂直于受力座负方向(从受力座指向底板)的力或者运动时。由于所输入的力或者运动会对第一柔性薄梁、第二柔性薄梁、第三柔性薄梁进行挤压，因此第一柔性薄梁、第二柔性薄梁、第三柔性薄梁将会对受力座产生垂直于受力座正方向(从底板指向受力座)的反作用力F。在一定的运动范围内，该反作用力F将会保持近似恒定。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高离轴刚度的被动柔性恒力机构，其特征在于：包括底盘、固定在底盘上的中心基座、位于中心基座上方的受力座、第一柔性组件、第二柔性组件；第一柔性组件包括第一柔性薄梁、第二柔性薄梁、连接架；第二柔性组件包括第三柔性薄梁；第一柔性薄梁的一端与受力座连接，第一柔性薄梁的另一端与连接架连接，第二柔性薄梁的一端与中心基座连接，第二柔性薄梁的另一端与连接架连接，第三柔性薄梁的一端与受力座连接，第三柔性薄梁的另一端与底盘连接；

第一柔性组件、第二柔性组件均有若干个，若干个第一柔性组件和若干个第二柔性组件均以受力座为中心圆周交替分布；

受力座呈八棱柱状，第一柔性组件和第二柔性组件均有四个，四个第一柔性组件的第一柔性薄梁分别固定在受力座其中四个互不相邻的侧面，四个第二柔性组件的第三柔性薄梁分别固定在受力座另外四个互不相邻的侧面；

每个第一柔性组件的第一柔性薄梁和第二柔性薄梁均有两条，每个第二柔性组件的第三柔性薄梁有一条；

底盘包括底板、固定在底板上的三角架、固定在三角架上的侧板；侧板上设有第二V形架，第二V形架的一端固定在侧板上，第二V形架的另一端与第三柔性薄梁的一端固定连接。

2.按照权利要求1所述的一种高离轴刚度的被动柔性恒力机构，其特征在于：受力座其中四个互不相邻的侧面均设有方形凹槽，受力座另外四个互不相邻的侧面均设有第一V形架，每个第一柔性组件的两条第一柔性薄梁分别固定在方形凹槽的上端面和下端面，第三柔性薄梁固定在第一V形架上。

3.按照权利要求2所述的一种高离轴刚度的被动柔性恒力机构，其特征在于：连接架包括连接板；连接板从上往下依次设有第一凸台、第二凸台、第三凸台、第四凸台，每个第一柔性组件的两条第一柔性薄梁通过螺栓分别固定在第一凸台和第二凸台上，每个第一柔性组件的两条第二柔性薄梁通过螺栓分别固定在第三凸台和第四凸台上。

4.按照权利要求3所述的一种高离轴刚度的被动柔性恒力机构，其特征在于：中心基座呈十字形，中心基座的四个端面均与两条第二柔性薄梁固定连接。

5.按照权利要求1所述的一种高离轴刚度的被动柔性恒力机构，其特征在于：

三角架呈三棱柱状，三角架其中一个侧面上设有三棱柱凹槽，三角架另外的两个侧面分别与底盘和底板固定连接，底板呈十字形，三角架和侧板均有四个，四个侧板通过四个三角架分别固定在底板的四端。

6.按照权利要求1所述的一种高离轴刚度的被动柔性恒力机构，其特征在于：

第一柔性薄梁、第二柔性薄梁、第三柔性薄梁均为聚丙烯薄板。