CN111993460A - 一种骨架连接的三维机械关节、机械臂和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种骨架连接的三维机械关节、机械臂和控制方法，三维机械关节包括第一可旋转结构和第二可旋转结构，第一可旋转结构包括第一关节外壳和第一关节骨架，第一关节骨架与第一关节外壳转动连接；第二可旋转结构包括第二关节外壳和第二关节骨架，第二关节骨架倾斜连接第一关节骨架；第一关节外壳包括第一圆柱部和第一骨架连接部，第一圆柱部倾斜连接第一骨架连接部；第二关节外壳包括第二圆柱部和第二骨架连接部，第二圆柱部倾斜连接第二骨架连接部，第一圆柱部转动连接第二圆柱部。与现有技术相比，本发明具有可进行三维空间转动、实现可编程转动控制、控制精确、结构稳定可靠、能自锁和结构紧凑等优点。

Description

一种骨架连接的三维机械关节、机械臂和控制方法

技术领域

本发明涉及机械臂领域，尤其是涉及一种骨架连接的三维机械关节、机械臂和控制方法。

背景技术

随着以机器人为代表的工业机械逐渐精准化、灵活化、智能化发展，目前涌现出大量的通过机械臂实现的转动传动方案。但对这些转动传动方案的要求也越来越多，如今，能实现灵活、紧凑、精准、可主动控制、运动可编程、可三维转动、可自锁的转动传动方案变得极为重要，但是，可以同时实现以上要求的设计方案不易实现。

中国专利CN201822040737.2公开了一种机械关节，该机械关节包括：基座；球头杆，球头杆包括相连接的球头和支杆，球头可转动地设置在基座上；麦克纳姆轮，麦克纳姆轮与球头相接触；驱动装置，驱动装置与基座相对固定地设置，驱动装置驱动连接麦克纳姆轮，以使麦克纳姆轮驱动球头绕球头的球心转动。该机器人包括该机械关节。该关节因设计限制，无法真正实现空间三维转动，同时该设计在外力矩施加在机械臂上时不能自锁，容易损坏传动结构。

中国专利CN201920687886.X公开了一种通过控制球铰达到三维转动目的的设计，包括：端部设有凹面的窝体、与凹面转动连接的壳体以及与壳体转动连接的摆臂；凹面上设有第一凹槽，壳体与凹面的配合面上设有滑动插装于第一凹槽上的第一凸台，壳体与摆臂的配合面上设有与第一凸台的滑动方向垂直的第二凹槽，摆臂上设有滑动插装于第二凹槽内的第二凸台，还包括用于控制第一凸台沿第一凹槽滑动以带动壳体沿凹面转动、控制第二凸台沿第二凹槽滑动以带动摆臂沿壳体摆动的执行器。但是该方案由于借助了层层的球形设计，导致结构不紧凑，并且球形设计不易控制，精确度差。

在一些领域中存在着对机械转动传动方案结构精巧且能严格自锁的需求，例如采用机器人进行全自动静脉穿刺过程中，由于静脉本身朝向任意，且机械臂必须控制穿刺针精准、灵活地实现预定穿刺轨迹：对准静脉朝向—选定刺入角度—刺入—刺入后针头向上微微挑起。该复杂动作难以精确实现，即使实现，也很难做到结构精巧紧凑。

同时，为保证被穿刺患者的安全，该场景要求机械臂严格自锁：当外力试图转动机械臂时，结构应具备保持不动的能力。

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缺陷而提供一种能严格自锁且控制精确的骨架连接的三维机械关节、机械臂和控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种骨架连接的三维机械关节，包括第一可旋转结构和第二可旋转结构，所述第一可旋转结构包括第一关节外壳和第一关节骨架，所述第一关节骨架位于所述第一关节外壳的内部，并与所述第一关节外壳转动连接；所述第二可旋转结构包括第二关节外壳和第二关节骨架，所述第二关节骨架位于所述第二关节外壳内部，所述第二关节骨架倾斜连接所述第一关节骨架；

所述第一关节外壳包括第一圆柱部和第一骨架连接部，所述第一圆柱部倾斜连接所述第一骨架连接部；

所述第二关节外壳包括第二圆柱部和第二骨架连接部，所述第二圆柱部倾斜连接所述第二骨架连接部，所述第一圆柱部转动连接所述第二圆柱部。

进一步地，所述第二圆柱部通过滚动轴承或滑动轴承转动连接所述第一圆柱部。

进一步地，所述第一圆柱部形成有容纳所述第二圆柱部的凹槽，所述第二圆柱部位于所述凹槽内，并转动连接所述第一圆柱部。

进一步地，所述第一关节外壳连接有第一电机，所述第一关节骨架连接有第二电机。

进一步地，所述第一关节外壳连接有第一电机具体为，所述第一关节外壳依次连接有从动齿轮、主动齿轮和第一电机，所述从动齿轮套设在所述第一关节外壳外侧，并与所述第一关节外壳固定连接，所述主动齿轮受所述第一电机驱动，所述主动齿轮与所述从动齿轮相配合，用于带动所述从动齿轮转动。

进一步地，所述第一电机通过键连接所述主动齿轮，所述从动齿轮通过键连接所述第一关节外壳，所述第二电机通过键连接所述第一关节骨架。

进一步地，所述第二关节骨架通过铰链倾斜连接所述第一关节骨架。

进一步地，所述三维机械关节，用于连接被控制件，进行三维转动；所述第二关节外壳连接所述被控制件。

进一步地，所述被控制件为注射器。

进一步地，所述被控制件连接在所述第二关节外壳的侧面。

本发明还提供一种如上所述的一种骨架连接的三维机械关节的控制方法，所述第二可旋转结构连接有被控制件，所述方法包括以下步骤：

以所述第一骨架连接部的轴线为Z轴，以所述第二圆柱部的自转中心为原点，建立空间坐标系A；

以所述第一圆柱部的倾斜平面的法线为Z轴，以所述第二圆柱部的自转中心为原点，建立空间坐标系B；

以所述第二骨架连接部的轴线为Z轴，以所述第二圆柱部的自转中心为原点，建立空间坐标系C；

获取所述被控制件在所述空间坐标系C中的坐标，通过坐标系变换，计算得到所述被控制件在所述空间坐标系A中的坐标，从而制定所述三维机械关节的控制方案。

进一步地，所述坐标系变换的计算表达式为：

式中，^CP为被控制件P在空间坐标系C中的坐标，

为从空间坐标系B中转换到空间坐标系A的变换，

为从空间坐标系C中转换到空间坐标系B的变换，

为第一可旋转结构的旋转角度，

为第二可旋转结构的旋转角度，θ₁为第一圆柱部和第一骨架连接部的倾角，θ₂为第二圆柱部和第二骨架连接部的倾角。

本发明还提供一种机械臂，包括多个依次串联的，如上所述的一种骨架连接的三维机械关节。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)可实现三维空间转动：本发明通过带动第一骨架连接部旋转，使得整个三维机械关节以第一骨架连接部的旋转中心轴旋转，第一圆柱部和第一骨架连接部的倾角，决定了此时第二关节外壳的转动范围；通过带动第一关节骨架旋转，使得第二关节骨架与第二关节外壳在第一圆柱部上随之旋转，第二圆柱部和第二骨架连接部的倾角，决定了此时第二关节外壳的转动范围；两次转动中，第二关节外壳分别处于两个相互倾斜的转动平面中，两转动平面的夹角由第二关节骨架与第一关节骨架的倾角决定，由此实现可主动控制的三维空间转动；

(2)结构稳定可靠：本发明三维机械关节可将重量较大的驱动电机均设置在下方，不会给三维机械关节带动被控制件带来负担，更加稳定可靠；

(3)实现可编程转动控制：该发明通过对两电机的转动进行编程控制，可以实现机械铰在转动范围内沿任意轨迹转动；

(4)精确控制：传统的三维转动关节，例如球铰结构，难以实现精确的控制，本发明可以轻易通过齿轮传动，保证转角精确；

(5)结构自锁：本发明三维机械关节的转动只由电机控制，外力施加于关节直接连接的机械臂将使机构自锁，进而保护机械臂、电机以及机械臂操作对象；

(6)结构紧凑：利用较简单的机构、较少的零部件实现三维空间转动。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

图2为本发明的转动状态示意图；

图3为本发明实施例1中三维机械关节的结构简图；

图4为本发明实施例1中三维机械关节的结构详细示意图；

图5为本发明实施例1中三维机械关节的局部示意图；

图6为图5为内部示意图；

图7为本发明的转动过程第一示意图；

图8为本发明的转动过程第二示意图；

图9为本发明的转动过程第三示意图；

图10为本发明机械臂的结构示意图；

图中，001、斜切面柱结构A，002、斜切面柱结构B，1、第一可旋转结构，11、第一电机，12、第一关节外壳，121、第一圆柱部，122、第一骨架连接部，13、第一关节骨架，14、主动齿轮，15、从动齿轮，16、齿轮箱，2、第二可旋转结构，21、第二电机，22、第二关节外壳，221、第二圆柱部，222、第二骨架连接部，23、第二关节骨架，3、铰链，4、三维机械关节，5、注射器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例提供一种骨架连接的三维机械关节，下面从概述、具体结构、控制方法和组合应用三个方面进行介绍。

一、概述

如图1和图2所示，本实施例三维机械关节的核心传动部件可概括为001：斜切面柱结构A；002：斜切面柱结构B。假设001中心线固定，002中心线可绕中心O转动。通过转动控制，使001和002沿自身轴向旋转，通过二者之间配合的斜面，实现002绕中心O的转动，效果如图2。

假设001和002绕自身旋转角度分别为Φ₁和Φ₂，自身斜切面的倾角分别为θ₁和θ₂，以O为原点，以001轴线为z轴建立空间坐标系A，以O为原点，以001斜切面法线为z轴建立空间坐标系B，以O为原点，以002轴线为z轴建立空间坐标系C。

由此，各坐标系间的变换可表示为：

以向量P代表002中心轴方向，则：

式中，^CP为被控制件P在空间坐标系C中的坐标，

为从空间坐标系B中转换到空间坐标系A的变换，

为从空间坐标系C中转换到空间坐标系B的变换，

为第一可旋转结构的旋转角度，

为第二可旋转结构的旋转角度，θ₁为空间坐标系A与空间坐标系B的倾角，θ₂为空间坐标系B与空间坐标系C的倾角。

通过上述变换步骤可实现三维空间转动。

二、具体结构

下面介绍本实施例骨架连接的三维机械关节的具体结构。

如图3所示，本实施例提供的骨架连接的三维机械关节，包括第一可旋转结构1和第二可旋转结构2，第一可旋转结构1包括第一关节外壳12和第一关节骨架13，第一关节骨架13位于第一关节外壳12的内部，并与第一关节外壳12转动连接；第二可旋转结构2包括第二关节外壳22和第二关节骨架23，第二关节骨架23位于第二关节外壳22内部，第二关节骨架23倾斜连接第一关节骨架13；

第一关节外壳12包括第一圆柱部121和第一骨架连接部122，第一圆柱部121倾斜连接第一骨架连接部122；

第二关节外壳22包括第二圆柱部221和第二骨架连接部222，第二圆柱部221倾斜连接第二骨架连接部222，第一圆柱部121转动连接第二圆柱部221。

下面对各部件的结构和工作原理进行详细描述。

1、圆柱部的连接

第二圆柱部221通过滚动轴承或滑动轴承转动连接第一圆柱部121。

第一圆柱部121形成有容纳第二圆柱部221的凹槽，第二圆柱部221位于凹槽内，并转动连接第一圆柱部121。

2、三维机械关节的驱动

第一关节外壳12连接有第一电机11，第一关节骨架13连接有第二电机21。

如图4所示，第一关节外壳12连接有第一电机11具体为，第一关节外壳12依次连接有从动齿轮15、主动齿轮14和第一电机11，从动齿轮15套设在第一关节外壳12外侧，并与第一关节外壳12固定连接，主动齿轮14受第一电机11驱动，主动齿轮14与从动齿轮15相配合，用于带动从动齿轮15转动。

第一电机11通过键连接主动齿轮14，从动齿轮15通过键连接第一关节外壳12，第二电机21通过键连接第一关节骨架13。

第二关节骨架23通过铰链3倾斜连接第一关节骨架13。

相当于，第一关节外壳12和第一关节骨架13共同组成大臂部分，二者仅轴向相对转动，第二关节外壳22和第二关节骨架23组成小臂部分，二者之间仅轴向相对转动，主动齿轮14和从动齿轮15啮合，从动齿轮15与第一关节外壳12之间用键连接，防止轴向相对转动，第二电机21与第一关节骨架13之间用键连接，带动第一关节骨架13转动，第一电机11与主动齿轮14之间用键连接，带动主动齿轮14转动，主动齿轮14和从动齿轮15设置于齿轮箱16的箱体内，齿轮箱箱体用作结构固定和保护。所有的键连接均可用焊接或一体化连接代替。

3、工作原理

使用时，通过带动第一骨架连接部122旋转，使得整个三维机械关节以第一骨架连接部122的旋转中心轴旋转；

虽然第一圆柱部121转动连接第二圆柱部221，但此时第一圆柱部121并不是以自身的旋转中心轴旋转，故第二圆柱部221在此过程中并不会相对于第一圆柱部121转动；

通过带动第一关节骨架13旋转，使得第二关节骨架23与第二关节外壳22在第一圆柱部121上随之旋转。

具体地，如图7至9所示，当仅第一电机11转动时，S111：第一电机11带动主动齿轮14转动；S112：主动齿轮14带动从动齿轮15转动；S113：从动齿轮15带动第一关节外壳12转动。

当仅第二电机21转动时，S121：第二电机21带动第一关节骨架13旋转；S122：第一关节骨架13通过铰链3带动第二关节骨架23旋转；S123：由于第一关节外壳12和第二关节外壳22采用斜面配合，该轴向旋转可以转化为小臂部分以铰链3中心点为转动中心的转动。

当第一电机11和第二电机21同时按预定程序控制旋转时，该三维机械关节可按预定轨迹在空间范围内转动。

4、三维机械关节的使用方法

三维机械关节，用于连接被控制件，进行三维转动；第二关节外壳22连接被控制件。被控制件为注射器。本实施例中将注射器连接在第二关节外壳22的侧面。

本实施例将该三维机械关节用于全自动静脉穿刺过程中，将注射器固定在第二关节外壳22的外侧，从而控制注射器进行静脉穿刺，能控制穿刺针精准、灵活地实现预定穿刺轨迹：对准静脉朝向—选定刺入角度—刺入—刺入后针头向上微微挑起，且可以保证结构在不需要电机大扭矩的情况下，即可实现结构自锁。

三、控制方法

上述的一种骨架连接的三维机械关节的控制方法，包括以下步骤：

以第一骨架连接部122的轴线为Z轴，以第二圆柱部221的自转中心为原点，建立空间坐标系A；

以第一圆柱部121的倾斜平面的法线为Z轴，以第二圆柱部221的自转中心为原点，建立空间坐标系B；

以第二骨架连接部222的轴线为Z轴，以第二圆柱部221的自转中心为原点，建立空间坐标系C；

获取被控制件在空间坐标系C中的坐标，通过坐标系变换，计算得到被控制件在空间坐标系A中的坐标，从而制定三维机械关节的控制方案。

坐标系变换的计算表达式为：

式中，^CP为被控制件P在空间坐标系C中的坐标，

为从空间坐标系B中转换到空间坐标系A的变换，

为从空间坐标系C中转换到空间坐标系B的变换，

为第一可旋转结构的旋转角度，

为第二可旋转结构的旋转角度，θ₁为第一圆柱部121和第一骨架连接部122的倾角，θ₂为第二圆柱部221和第二骨架连接部222的倾角。

四、组合应用

如图10所示，本实施例还提供一种机械臂，包括多个依次串联的，如上所述的一种骨架连接的三维机械关节4，为可精准编程控制的多节机械臂或柔性机械臂；

当各个机械关节的电机按照对应方式编程控制时，该机械臂可以实现对机械臂预定转角、预定形态的控制。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种骨架连接的三维机械关节，包括第一可旋转结构(1)和第二可旋转结构(2)，其特征在于，所述第一可旋转结构(1)包括第一关节外壳(12)和第一关节骨架(13)，所述第一关节骨架(13)位于所述第一关节外壳(12)的内部，并与所述第一关节外壳(12)转动连接；所述第二可旋转结构(2)包括第二关节外壳(22)和第二关节骨架(23)，所述第二关节骨架(23)位于所述第二关节外壳(22)内部，所述第二关节骨架(23)倾斜连接所述第一关节骨架(13)；

所述第一关节外壳(12)包括第一圆柱部(121)和第一骨架连接部(122)，所述第一圆柱部(121)倾斜连接所述第一骨架连接部(122)；

所述第二关节外壳(22)包括第二圆柱部(221)和第二骨架连接部(222)，所述第二圆柱部(221)倾斜连接所述第二骨架连接部(222)，所述第一圆柱部(121)转动连接所述第二圆柱部(221)。

2.根据权利要求1所述的一种骨架连接的三维机械关节，其特征在于，所述第二圆柱部(221)通过滚动轴承或滑动轴承转动连接所述第一圆柱部(121)。

3.根据权利要求1所述的一种骨架连接的三维机械关节，其特征在于，所述第一圆柱部(121)形成有容纳所述第二圆柱部(221)的凹槽，所述第二圆柱部(221)位于所述凹槽内，并转动连接所述第一圆柱部(121)。

4.根据权利要求1所述的一种骨架连接的三维机械关节，其特征在于，所述第一关节外壳(12)连接有第一电机(11)，所述第一关节骨架(13)连接有第二电机(21)。

5.根据权利要求4所述的一种骨架连接的三维机械关节，其特征在于，所述第一关节外壳(12)连接有第一电机(11)具体为，所述第一关节外壳(12)依次连接有从动齿轮(15)、主动齿轮(14)和第一电机(11)，所述从动齿轮(15)套设在所述第一关节外壳(12)外侧，并与所述第一关节外壳(12)固定连接，所述主动齿轮(14)受所述第一电机(11)驱动，所述主动齿轮(14)与所述从动齿轮(15)相配合，用于带动所述从动齿轮(15)转动。

6.根据权利要求5所述的一种骨架连接的三维机械关节，其特征在于，所述第一电机(11)通过键连接所述主动齿轮(14)，所述从动齿轮(15)通过键连接所述第一关节外壳(12)，所述第二电机(21)通过键连接所述第一关节骨架(13)。

7.根据权利要求1所述的一种骨架连接的三维机械关节，其特征在于，所述第二关节骨架(23)通过铰链(3)倾斜连接所述第一关节骨架(13)。

8.一种如权利要求1所述的一种骨架连接的三维机械关节的控制方法，所述第二可旋转结构(2)连接有被控制件，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

以所述第一骨架连接部(122)的轴线为Z轴，以所述第二圆柱部(221)的自转中心为原点，建立空间坐标系A；

以所述第一圆柱部(121)的倾斜平面的法线为Z轴，以所述第二圆柱部(221)的自转中心为原点，建立空间坐标系B；

以所述第二骨架连接部(222)的轴线为Z轴，以所述第二圆柱部(221)的自转中心为原点，建立空间坐标系C；

获取所述被控制件在所述空间坐标系C中的坐标，通过坐标系变换，计算得到所述被控制件在所述空间坐标系A中的坐标，从而制定所述三维机械关节的控制方案。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述坐标系变换的计算表达式为：

式中，^cP为被控制件P在空间坐标系C中的坐标，

为从空间坐标系B中转换到空间坐标系A的变换，

为从空间坐标系C中转换到空间坐标系B的变换，

为第一可旋转结构的旋转角度，

为第二可旋转结构的旋转角度，θ₁为第一圆柱部和第一骨架连接部的倾角，θ₂为第二圆柱部和第二骨架连接部的倾角。

10.一种机械臂，其特征在于，包括多个依次串联的，如权利要求1所述的一种骨架连接的三维机械关节(4)。

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