CN110682323B - 一种具有可控刚度的机械臂关节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有可控刚度的机械臂关节，包括上平台、下平台以及连接在平台之间的第一运动支链和第二运动支链。第一运动支链包括第一转动副、第二转动副、第三转动副、第四转动副、第五转动副和第六转动副；第六转动副和上平台相连；第一转动副通过连杆与第二转动副相连，第二转动副通过连杆与第三转动副相连，第三转动副通过柔性薄片与第四转动副相连，第四转动副通过连杆与第五转动副相连，第五转动副通过连杆与第六转动副相连；第二运动支链包括第七转动副；第七转动副连接上平台和下平台。其中，通过驱动第一转动副，进而改变柔性薄片件位置使其与第七转动副轴线垂直，通过对柔性薄片件的弯曲，从而实现机构刚度可控和任意位置的锁死，易于实现，方便控制。

Description

一种具有可控刚度的机械臂关节

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其是涉及一种具有可控刚度的机械臂关节。

背景技术

机械臂是一种仿生机电设备，能模拟人手动作通过改变目标物体的位姿来实现作业。机器人在空间中保持指定的位置和姿态，必须使其关节能在给定的位姿下锁紧，因此机器人的关节锁紧成为机器人机构设计不可或缺的部分。然而，机械臂关节大多通过转轴来实现机构的运动，当其停止工作时，由于惯性等原因可能仍会导致两个构件之间的微量相对转动，因此设计出一种可实现其自锁的机械关节，提高运动精度称为富有挑战性的课题。

文献《基于外摩擦的医疗机器人关节锁紧结构实验研究》提出一种基于外摩擦的机械臂关节的锁紧结构，但由于摩擦片与关节之间长期摩擦，导致摩擦系数越来越小，锁紧能力下降。

中国专利CN109421040A公开了一种六自由度智能化协作机器人，包括基座、若干节点和若干连接杆，所述基座与节点固定连接，所述节点之间固定连接或通过所述连接杆连接，所述电机、刹车、编码器和减速器依次套装于传动轴上，所述编码器安装壳一侧表面开有一供驱动器嵌入的安装槽，所述编码器安装壳与安装槽相对的一侧设置有一外连部，此外连部用于与外部结构连接，所述电机安装壳中央具有一电机腔，此电机腔靠近刹车安装盖的一端具有一内凸缘，此支撑套套装于传动轴上，此支撑套由外圈部、滚珠部和内圈部组成，所述内圈部与传动轴外侧表面紧密连接，所述外圈部与编码器安装壳内侧表面接触连接。但是该专利仍然没有解决运动精度的问题。

中国专利CN109849047A公开了一种具有可控刚度的机械臂关节，包括上平台、下平台以及连接在平台之间的第一运动支链和第二运动支链。第一运动支链包括六个转动副，第六转动副、第七转动副和上平台相连；第一转动副通过连杆与第二转动副相连，第二转动副通过连杆与第三转动副相连，第三转动副通过连杆与第四转动副相连，第四转动副通过连杆与第五转动副相连，第五转动副通过连杆与第六转动副相连；第二运动支链包括第七转动副；第七转动副连接上平台和下平台。驱动第二转动副改变第三转动副轴线的位置，改变第一支链运动中第一转动副轴线、第三转动副轴线和第六转动副轴线汇交点的位置，破坏转动条件，实现机构刚度可控和任意位置的锁死。该项专利通过第一转动副轴线、第三转动副轴线、第六转动副轴线和第七转动副轴线空间汇交于一点，满足同轴的条件，此时机构可以转动。但是第一转动副、第三转动副和第六转动副三条轴线汇交于一点对精度要求很高，仅通过第三连杆进行连接，很难保证较高的运动精度。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的结构复杂、控制不便、运动精度低的缺陷的具有可控刚度的机械臂关节。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种具有可控刚度的机械臂关节，包括上平台、下平台以及连接在上平台和下平台之间的第一运动支链、第二运动支链，以及柔性薄片件，

所述的第一运动支链包括第一转动副、第二转动副、第三转动副、第四转动副、第五转动副和第六转动副，所述的第二运动支链包括第七转动副，

所述第六转动副与所述上平台相连，所述第一转动副与所述下平台相连，所述第七转动副分别与上平台及下平台相连，

所述第五转动副通过两根连杆分别与第四转动副及第六转动副相连，

所述第二转动副通过两根连杆分别与第一转动副及第三转动副相连，

所述第四转动副通过连杆与所述柔性薄片件的第一连接点连接，所述第四转动副通过连杆与所述柔性薄片件的第二连接点连接，所述第一连接点与所述第二连接点位于所述柔性薄片件的同一侧的上下不同位置。

所述第一转动副、第二转动副及第三转动副的轴线的延长线汇交与第一汇交点，该第一汇交点位于所述柔性薄片件靠近第一连接点的上端面的角部；

所述第四转动副、第五转动副及第六转动副的轴线的延长线汇交与第二汇交点，该第二汇交点位于所述柔性薄片件靠近第二连接点的上端面的角部。

所述柔性薄片件所在的平面与第一汇交点与第二汇交点构成的直线平行。

初始状态时，所述柔性薄片件所在的平面与所述第七转动副的轴线平行，此时柔性薄片件可以任意弯曲，对第七转动副不做功，整个机构处于低刚度。

当在第一转动副上施加外力时，改变了第一转动副轴线位置，从而致使第一转动副、第二转动副、第三转动副轴线的交点发生了改变，相当于柔性薄片件绕着Z轴转动90度，此时柔性薄片件所在平面与第七转动副的转动轴线垂直，柔性薄片件不可以随便弯曲，整个机构处于高刚度。

所述第一转动副、第二转动副及第三转动副的轴线均不在一个平面，空间汇交于第一汇交点，所述第四转动副、第五转动副及第六转动副的轴线均不在一个平面，空间汇交于第二汇交点。

所述第七转动副经连接杆分别与上平台及下平台连接。

所述上平台能够绕第七转动副轴线上下转动。

各转动副为刚性铰链或柔性铰链，保证相连的两个连杆能够绕着铰链轴线做相对转动。

与现有技术相比，本发明通过改变第一支链中柔性薄片件相对于Z轴的位置，从而破坏转动条件，具有以下优点：

1、能够实现刚度可控只有当柔性薄片件平面同第七转动副转动轴线平行时，柔性薄片件可以任意弯曲，机构才能够转动。第一转动副、第二转动副、第三转动副的轴线汇交于第一汇交点，相当于一个球铰链，第四转动副、第五转动副、及第六转动副的轴线汇交于第二汇交点，相当于一个球铰链。初始状态下柔性薄片件所在平面与第七转动副的轴线平行，柔性薄片件所在平面可以弯曲，则机构可以运动。通过在第一转动副上添加的驱动力驱动，当整个机构转动到一定角度时，促使柔性薄片件与第七转动幅转动轴线垂直，此时柔性薄片件不可以弯曲，机构刚度变大，实现刚度的可控，同时机构锁死。

2、可以实现在任意转动角度下的机构不再转动的目的。只有当柔性薄片件平面同第七转动副转动轴线平行时，柔性薄片件可以任意弯曲，机构才能够转动，柔性薄片件所在平面与第七转动幅轴线垂直，不可转动。当第七转动副转动时，柔性薄片件所在平面绕第七转动副轴线弯曲，当在第一转动副上施加驱动力时，柔性薄片件所在平面绕着长径转动，只有当柔性薄片件所在平面同第七转动副转动轴线平行时，柔性薄片件可以任意弯曲，机构处于低刚度。当柔性薄片件所在平面与第七转动幅轴线垂直，柔性薄壁件不可以弯曲，此时机构不能转动，达到高刚度，可以实现任意转动角度下的机构不再转动。

3、高精度的运动精度。抵达操作地点后，能转化为“刚性”臂，实现高精度的运动精度，克服“柔性”臂的载荷低、易振动的不足。

附图说明

图1为实施例中具有可控刚度的机械臂关节初始状态的结构示意图；

图2为实施例中具有可控刚度的机械臂关节最终状态的结构示意图；

图3为可控刚度的机械臂关节的工作原理图。

图中，1-上平台、2-下平台、12-第七转动副、13-第一转动副、14-第二转动副、15-第三转动副、16-第四转动副、17-第五转动副、18-第六转动副、19-第一连杆、20-第二连杆、21-第三连杆、22-第四连杆、23-第五连杆、24-第六连杆、3-柔性薄片件、31-第一连接点、32-第二连接点、A-第一汇交点、B-第二汇交点。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例

一种具有可控刚度的机械臂关节，其结构如图1-2所示，所示，包括上平台1、下平台2、连接在上平台1与下平台2之间的第一运动支链和第二运动支链，以及柔性薄片件3。

第一运动支链包括第一转动副13、第二转动副14、第三转动副15、第四转动副16、第五转动副17和第六转动副18；第六转动副18与上平台1相连，第一转动副13与下平台2相连。第二转动副14通过第一连杆19与第一转动副13相连。第三转动副15通过第二连杆20与第二转动副14相连，第四转动副16通过第四连杆22与柔性薄片件3连接，第四连杆22固接于柔性薄片件3的第一连接点31上，第五转动副17通过第五连杆23与第四转动副16相连；第一转动副13通过第一连19与第二转动副14相连，第二转动副14通过第二连杆20与第三转动副15相连，第三转动副15通过第三连杆21与柔性薄片件3相连，第三连杆固接于柔性薄片件3的第二连接点32上，第一连接点31与第二连接点32位于柔性薄片件3的同一侧的上下不同位置，本实施例中，第一连接点31位于第二连接点32的上方。第四转动副16通过第五连杆23与第五转动副17相连，第五转动副17通过第六连杆与第六转动副18相连；第二运动支链包括第七转动副12；第七转动副12通过连杆分别连接上平台1和下平台2。各转动副为刚性铰链或柔性铰链，保证相连的两个连杆能够绕着铰链轴线做相对转动。

上述第一转动副13的轴线、第二转动副14的轴线和第三转动副15的轴线汇交于第一汇交点A，第四转动副16的轴线、第五转动副17的轴线和第六转动副18的轴线汇交于第二汇交点B，第一汇交点A与第二汇交点B连线为柔性薄片件的轴线。柔性薄片件3轴线与Z轴平行。

本发明的工作原理可结合图3说明如下：

当第一运动支链内的第一转动副13的轴线、第二转动副14的轴线、第三转动副15的轴线汇交于第一汇交点A，相当于汇交的转动副，第四转动副16的轴线、第五转动副17的轴线和第六转动副18的轴线汇交于第二汇交点B，第一汇交点A与第二汇交点B连线为柔性薄片件的轴线。柔性薄壁件3仅有一个绕与AB平行的轴线转动自由度，因为柔性薄片件3受到的约束力是两组汇交的约束力，根据约束力和自由度的对偶关系可得仅有轴线为柔性薄片件3的转动自由度。

具体来说，初始状态下，柔性薄片件3两侧较大的侧平面同第七转动副12转动轴线平行时，可以通过对薄片件的弯曲，机构可以转动，从而处于低刚度，如图1中的初始状态。

当第一运动支链内的第一转动副13通过电机驱动时转动后，改变第一汇交点A与第二汇交点B的位置，促使柔性薄片件3平面绕着第一汇交点A与第二汇交点B构成的长径轴转过一定角度，因为柔性薄片件3受到的约束力是两组汇交的约束力，根据约束力和自由度的对偶关系可得仅有轴线为第一汇交点A与第二汇交点B的转动自由度。此时柔性薄片件3两侧较大的侧平面和第七转动副12的转动轴线垂直，第一汇交点A与第二汇交点B平面不能弯曲，所以机构不能转动，刚度增大，实现刚度可控，如图2中的最终状态。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语、“上”、“下”、“平行”、“垂直”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有可控刚度的机械臂关节，包括上平台、下平台以及连接在上平台和下平台之间的第一运动支链和第二运动支链，

所述的第一运动支链包括第一转动副、第二转动副、第三转动副、第四转动副、第五转动副和第六转动副，所述的第二运动支链包括第七转动副，

所述第六转动副与所述上平台相连，所述第一转动副与所述下平台相连，所述第七转动副分别与上平台及下平台相连，

所述第五转动副通过两根连杆分别与第四转动副及第六转动副相连，

所述第二转动副通过两根连杆分别与第一转动副及第三转动副相连，

其特征在于，还包括柔性薄片件，所述第三转动副通过连杆与所述柔性薄片件的第一连接点连接，所述第四转动副通过连杆与所述柔性薄片件的第二连接点连接，所述第一连接点与所述第二连接点位于所述柔性薄片件的同一侧的上下不同位置。

2.根据权利要求1所述的一种具有可控刚度的机械臂关节，其特征在于，

所述第一转动副、第二转动副及第三转动副的轴线的延长线汇交与第一汇交点，该第一汇交点位于所述柔性薄片件靠近第二连接点的下端面的角部；

所述第四转动副、第五转动副及第六转动副的轴线的延长线汇交与第二汇交点，该第二汇交点位于所述柔性薄片件靠近第一连接点的上端面的角部。

3.根据权利要求2所述的一种具有可控刚度的机械臂关节，其特征在于，所述柔性薄片件所在的平面与第一汇交点与第二汇交点构成的直线平行。

4.根据权利要求3所述的一种具有可控刚度的机械臂关节，其特征在于，初始状态时，所述柔性薄片件所在的平面与所述第七转动副的轴线平行。

5.根据权利要求3所述的一种具有可控刚度的机械臂关节，其特征在于，最终状态时，所述柔性薄片件所在的平面与所述第七转动副的轴线垂直。

6.根据权利要求2所述的一种具有可控刚度的机械臂关节，其特征在于，所述第一转动副、第二转动副及第三转动副的轴线均不在一个平面，空间汇交于第一汇交点，所述第四转动副、第五转动副及第六转动副的轴线均不在一个平面，空间汇交于第二汇交点。

7.根据权利要求1所述的一种具有可控刚度的机械臂关节，其特征在于，所述第七转动副经连接杆分别与上平台及下平台连接。

8.根据权利要求7所述的一种具有可控刚度的机械臂关节，其特征在于，所述上平台能够绕第七转动副轴线上下转动。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的一种具有可控刚度的机械臂关节，其特征在于，各转动副为刚性铰链或柔性铰链，保证相连的两个连杆能够绕着铰链轴线做相对转动。

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