CN111496840B - 一种基于张拉整体结构的多自由度可变刚度机器人关节及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于张拉整体结构的多自由度可变刚度机器人关节及其工作方法，包括动平台、静平台、节点、拉索A、拉索B、驱动部件和刚度调节部件；节点通过三根刚性杆件与动平台底部固定连接，刚度调节部件设置在静平台上表面的中心，三个驱动部件均布设置在静平台上表面的同一圆周上；三条拉索A的顶端与动平台固定连接，末端分别连接三个驱动部件，驱动部件调节拉索A的长度；三条拉索B的顶端与节点固定连接，末端分别绕过三组惰轮A、惰轮B分别与刚度调节部件连接，刚度调节部件调节拉索B的长度。本发明机器人关节灵活性高，柔顺性好，驱动效率高，相较于现有的张拉整体结构关节，增大了关节的运动范围，提高了关节的响应速度。

Description

一种基于张拉整体结构的多自由度可变刚度机器人关节及其 工作方法

技术领域

本发明涉及一种基于张拉整体结构的多自由度可变刚度机器人关节及其工作方法，属于机器人技术领域。

背景技术

传统的机器人并联关节具有结构刚度大、运动精度高、承载能力强等优点，在工业领域得到广泛应用。在越来越多的应用场景中，需要机器人与人、环境进行直接交互，但是并联关节采用的刚性结构带来惯性力大、柔顺性差、安全性低等缺点，即使通过适当的控制方法使关节表现出主动柔顺也仍然存在很大的局限。软体结构虽然具有良好的柔顺性和适应性，但是受制于驱动器和材料特性，存在运动形式单一、移动速度慢、承载能力弱等缺点。单纯地采用刚体结构或软体结构均不能兼顾机器人的柔顺性、灵活性、适应性、安全性、承载能力、移动速度等多个性能指标，无法达到预期的效果。

美国著名建筑师Fuller受到大自然万有引力现象的启发，提出了“张拉整体”的概念，认为宇宙的运行是按照张拉整体原理进行的，基于这个思想将张拉整体结构定义为由一组不连续的刚性受压构件与一组连续的柔性受拉构件组成的自支承、自应力的空间网格结构。张拉整体结构同时保留了刚性构件的承载能力与柔性构件的变形能力，兼具刚体结构与软体结构的优点，广泛应用于建筑与结构工程领域，并在近年来逐渐获得了机器人领域研究人员的青睐。

发明内容

本发明针对现有机器人并联关节存在的问题，设计一种基于张拉整体结构的多自由度可变刚度机器人关节，综合刚体结构与软体结构的优点，具有惯性力小、柔顺性好、灵活性高等优点，在机器人、航空航天、医疗康复和教育娱乐等多个领域具有广阔的应用前景。

本发明还提供上述一种基于张拉整体结构的多自由度可变刚度机器人关节的工作方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于张拉整体结构的多自由度可变刚度机器人关节，包括动平台、静平台、节点、拉索A、拉索B、驱动部件和刚度调节部件；

节点通过三根刚性杆件与动平台底部固定连接，刚度调节部件设置在静平台上表面的中心，三个驱动部件均布设置在静平台上表面的同一圆周上；

三条拉索A的顶端与动平台固定连接，三条拉索A的末端分别连接三个驱动部件，通过驱动部件调节拉索A的长度；三条拉索B的顶端与节点固定连接，三条拉索B的末端分别绕过三组惰轮A、惰轮B与刚度调节部件连接，通过刚度调节部件调节拉索B的长度。

优选的，所述三组惰轮A、惰轮B均布设置在静平台上表面的同一圆周上，惰轮A通过角座A安装在静平台上，惰轮B通过角座B安装在静平台上。

进一步优选的，所述惰轮A位于惰轮B的正上方。

优选的，所述刚度调节部件包括直流电机B、电机固定座和滑轮B，直流电机B通过电机固定座安装在静平台上，直流电机B的输出轴连接滑轮B。

优选的，所述拉索B的末端通过锁紧器B、紧固螺钉B连接在滑轮B上。

优选的，所述驱动部件包括齿轮、齿条、滑轮A、滑块、直线导轨、角座C和直流电机A，角座C安装在静平台上，齿条和直线导轨相对地安装在角座C上，滑块连接在直线导轨上，直流电机A通过电机安装板连接在滑块上，直流电机A的输出轴连接齿轮和滑轮A，齿轮与齿条啮合。

优选的，所述拉索A的顶端通过锁紧器C、吊码、螺栓B固定连接在动平台上，拉索A的末端通过锁紧器A、紧固螺钉A连接在滑轮A上。

优选的，所述拉索B的顶端通过紧固器连接在节点上。

优选的，所述节点的高度低于惰轮A、高于惰轮B。

优选的，所述齿轮、滑轮A分别通过平键连接在直流电机A的输出轴上。

优选的，所述滑轮B通过平键连接在直流电机B的输出轴上。

优选的，所述拉索A、拉索B选用弹性绳。

优选的，所述动平台、静平台均为圆形平台。

一种基于张拉整体结构的多自由度可变刚度机器人关节的工作方法，包括以下步骤：

当直流电机A旋转时，滑轮A转动，使拉索A在滑轮A上缠绕，进而带动动平台运动；同时，通过齿轮齿条之间的啮合传动，直流电机A、齿轮、滑轮A一起沿直线导轨向下滑动，也带动动平台运动；

当直流电机B转动时，使缠绕在滑轮B上的拉索B长度发生变化，则拉索B承受的拉应力发生变化；当关节运动时需要克服拉索B作用力大小发生变化，即关节刚度产生相应变化。

本发明的有益效果在于：

1、本发明机器人关节灵活性高，关节具有3个主动自由度，可以实现灵活运动。

2、本发明机器人关节柔顺性好，关节在所有自由度上都具有一定的柔性，并且柔性可以调整。

3、本发明机器人关节驱动效率高，驱动电机在受拉构件中沿受载路径方向工作，并且驱动力只用于改变结构的平衡状态，而无需维持平衡状态，因此只消耗极少的能量。

4、本发明机器人关节利用驱动装置的耦合运动，相较于现有的张拉整体结构关节，提高了关节的响应速度。

5、本发明机器人关节相较于现有的张拉整体结构关节，增大了关节的运动范围。

附图说明

图1为本发明多自由度可变刚度机器人关节的结构示意图；

图2为本发明多自由度可变刚度机器人关节的局部示意图；

图3为本发明多自由度可变刚度机器人关节的局部侧视图；

图4为本发明多自由度可变刚度机器人关节的局部俯视图；

图5为本发明多自由度可变刚度机器人关节的局部立体图；

其中：1-动平台，2-拉索A，3-刚度调节部件，4-静平台，5-直流电机A，6-惰轮A，7-拉索B，8-惰轮B，9-直流电机B，10-电机安装板，11-齿条，12-滑块，13-直线导轨，14-角座C，15-螺栓A，16-螺栓B，17-吊码，18-锁紧器C，19-齿轮，20-滑轮A，21-螺栓C，22-角座A，23-螺栓D，24-紧固螺钉A，25-锁紧器A，26-刚性杆件，27-紧固器，28-滑轮B，29-锁紧器B，30-紧固螺钉B，31-电机固定座，32-角座B，33-节点。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

如图1-5所示，本实施例提供一种基于张拉整体结构的多自由度可变刚度机器人关节，包括动平台1、静平台4、节点33、拉索A2、拉索B7、驱动部件和刚度调节部件3；

节点33通过三根刚性杆件26与动平台1底部固定连接，刚度调节部件3设置在静平台4上表面的中心，三个驱动部件均布设置在静平台4上表面的同一圆周上；

三条拉索A2的顶端与动平台1固定连接，三条拉索A2的末端分别连接三个驱动部件，通过驱动部件调节拉索A2的长度；三条拉索B7的顶端与节点33固定连接，三条拉索B7的末端分别绕过三组惰轮A6、惰轮B8与刚度调节部件3连接，通过刚度调节部件3调节拉索B7的长度。

具体地，三组惰轮A6、惰轮B8均布设置在静平台4上表面的同一圆周上，惰轮A6通过角座A22安装在静平台4上，惰轮B8通过角座B32安装在静平台4上。角座A22和角座B32通过螺栓安装在静平台4上，角座A22和角座B32的外形都为L型，角座A22的高度大于角座B32，惰轮A6与角座A22的顶部铰接，惰轮B8与角座B32铰接，惰轮A6位于惰轮B8的正上方。拉索B7绕过惰轮A6和惰轮B8。

刚度调节部件3包括直流电机B9、电机固定座31和滑轮B28，直流电机B9通过电机固定座31安装在静平台4上，直流电机B9的输出轴连接滑轮B28。电机固定座31为Z型，通过螺栓固定安装在静平台4的中心位置，直流电机B9也通过螺栓安装在电机固定座31上，直流电机B9的输出轴通过平键连接滑轮B28，滑轮B28上设有紧固螺钉B30，拉索B7的末端环绕滑轮B28多圈后套在紧固螺钉B30上，并用锁紧器B29锁紧。

本实施例中，动平台1和静平台4均为圆形，动平台1的底面连接有三根刚性杆件26，三根刚性杆件26交汇为一体形成节点33，动平台1、刚性杆件、节点33三者可为一体成型制造，三根刚性杆件26与三条拉索A2间隔交替布置。节点33位于动平台1中心的正下方，节点33的高度(距离静平台)低于惰轮A6、高于惰轮B8，节点33上开设有通孔，三条拉索B7的顶端穿过通孔后利用紧固器27连接在节点33上。

驱动部件包括齿轮19、齿条11、滑轮A20、滑块12、直线导轨13、角座C14和直流电机A5，角座C14通过螺栓A15安装在静平台4上，三个角座C14均布在静平台4上表面同一圆周上，齿条11和直线导轨13相对地安装在角座C14上，齿条11通过螺栓C21安装在角座C14上，直线导轨13通过螺栓D23安装在角座C14上。滑块12连接在直线导轨13上，滑块12通过螺栓连接电机安装板10，直流电机A5安装在电机安装板10上，直流电机A5的输出轴通过平键连接齿轮19和滑轮A20，齿轮19与齿条11啮合。

拉索A2的顶端通过锁紧器C18、吊码17、螺栓B16固定连接在动平台1上，拉索A2的末端通过锁紧器A25、紧固螺钉A24连接在滑轮A20上。

拉索A2的顶端套在吊码17上，并利用锁紧器A25锁紧，吊码17通过螺栓B16安装在动平台1上；拉索A2的末端在绕过滑轮A20之后套在紧固螺钉A24上，并利用锁紧器A25锁紧，紧固螺钉A24固连在滑轮A20上。

拉索A2、拉索B7选用弹性绳。通过直流电机A5带动拉索A2运动，直流电机B9带动拉索B7运动，从而实现关节整体的运动以及刚度调节。

本实施例中，三个驱动部件置于静平台表面同一圆周上，三个角座C通过螺栓安装在静平台上表面，相互间隔120°，呈并联形式布置。当驱动部件中的一个或多个作业时，会使一个或多个拉索A伸缩，从而使关节动平台相对静平台发生位姿变化，由此关节具有3个主动自由度(两个转动与一个移动自由度)。

实施例2：

如实施例1所述的一种基于张拉整体结构的多自由度可变刚度机器人关节的工作方法，包括以下步骤：

当直流电机A5旋转时(图1顺时针方向)，滑轮A20转动，使拉索A2在滑轮A20上缠绕，进而带动动平台1运动；同时，通过齿轮19齿条11之间的啮合传动，直流电机A5、齿轮19、滑轮A20一起沿直线导轨13向下滑动，也带动动平台1运动；

当直流电机B9转动时，使缠绕在滑轮B28上的拉索B7长度发生变化，则拉索B7承受的拉应力发生变化；当关节运动时需要克服拉索B7作用力大小发生变化，即关节刚度产生相应变化。

Claims (8)

1.一种基于张拉整体结构的多自由度可变刚度机器人关节，其特征在于，包括动平台、静平台、节点、拉索A、拉索B、驱动部件和刚度调节部件；

节点通过三根刚性杆件与动平台底部固定连接，刚度调节部件设置在静平台上表面的中心，三个驱动部件均布设置在静平台上表面的同一圆周上；

三条拉索A的顶端与动平台固定连接，三条拉索A的末端分别连接三个驱动部件，通过驱动部件调节拉索A的长度；三条拉索B的顶端与节点固定连接，三条拉索B的末端分别绕过三组惰轮A、惰轮B与刚度调节部件连接，通过刚度调节部件调节拉索B的长度；

所述驱动部件包括齿轮、齿条、滑轮A、滑块、直线导轨、角座C和直流电机A，角座C安装在静平台上，齿条和直线导轨相对地安装在角座C上，滑块连接在直线导轨上，直流电机A通过电机安装板连接在滑块上，直流电机A的输出轴连接齿轮和滑轮A，齿轮与齿条啮合；

所述拉索A的顶端通过锁紧器C、吊码、螺栓B固定连接在动平台上，拉索A的末端通过锁紧器A、紧固螺钉A连接在滑轮A上。

2.如权利要求1所述的机器人关节，其特征在于，所述三组惰轮A、惰轮B均布设置在静平台上表面的同一圆周上，惰轮A通过角座A安装在静平台上，惰轮B通过角座B安装在静平台上。

3.如权利要求1或2所述的机器人关节，其特征在于，所述惰轮A位于惰轮B的正上方。

4.如权利要求1所述的机器人关节，其特征在于，所述刚度调节部件包括直流电机B、电机固定座和滑轮B，直流电机B通过电机固定座安装在静平台上，直流电机B的输出轴连接滑轮B。

5.如权利要求4所述的机器人关节，其特征在于，所述拉索B的末端通过锁紧器B、紧固螺钉B连接在滑轮B上。

6.如权利要求1所述的机器人关节，其特征在于，所述拉索B的顶端通过紧固器连接在节点上。

7.如权利要求1所述的机器人关节，其特征在于，所述节点的高度低于惰轮A、高于惰轮B。

8.一种如权利要求1所述的基于张拉整体结构的多自由度可变刚度机器人关节的工作方法，包括以下步骤：

当直流电机A旋转时，滑轮A转动，使拉索A在滑轮A上缠绕，进而带动动平台运动；同时，通过齿轮齿条之间的啮合传动，直流电机A、齿轮、滑轮A一起沿直线导轨向下滑动，也带动动平台运动；

当直流电机B转动时，使缠绕在滑轮B上的拉索B长度发生变化，则拉索B承受的拉应力发生变化；当关节运动时需要克服拉索B作用力大小发生变化，即关节刚度产生相应变化。

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