CN112025763A

CN112025763A - 一种机器人变刚度机构及柔性交互变刚度抓取装置

Info

Publication number: CN112025763A
Application number: CN202010936912.5A
Authority: CN
Inventors: 许都; 陆新江
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2020-09-08
Filing date: 2020-09-08
Publication date: 2020-12-04
Anticipated expiration: 2040-09-08
Also published as: CN112025763B

Abstract

本发明提供了一种机器人变刚度机构及柔性交互变刚度抓取装置，所述机器人变刚度机构包括驱动部件、固定部件、导向部件、滑动部件、记忆合金棒和输出端，所述导向部件沿长度方向设置于所述固定部件和所述输出端之间；所述滑动部件活动穿设于所述导向部件以及所述记忆合金棒上与所述驱动部件连接，所述驱动部件用于驱动所述滑动部件于所述导向部件上移动；所述记忆合金棒于所述固定部件相连，所述滑动部件用于调整所述记忆合金棒朝向所述输出端伸出所述滑动部件的长度，同时调整所述滑动部件与所述输出端之间的距离，从而调整所述机器人变刚度机构的刚度。本发明的技术方案有利于达到调整刚度的目的。

Description

一种机器人变刚度机构及柔性交互变刚度抓取装置

技术领域

本发明归属于机器人领域，具体涉及一种机器人变刚度机构，以及一种柔性交互变刚度抓取装置。

背景技术

随着机器人技术的发展，机器人在工业和服务领域得到广泛运用，作业过程往往比较复杂，需要控制机器人末端和作用对象间的柔性交互，在这种情况下，机器人除了要确保自身安全和作用对象的可控，还要避免出现力超调的现象，从而对作用对象造成损坏。

机器人末端与环境间的作用主要是进行避障或者控制末端力，通常都是一种刚性接触，控制往往是不精确的，一旦控制精度不精确的情况下，机器人和环境之间的刚性作用就会因此而发生破坏。

因此，现有技术中的机器人存在刚度不可变的弊端。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种机器人变刚度机构，旨在解决现有技术中机器人存在刚度不可变的问题。

为实现上述目的，本发明提出的技术方案是：

一种机器人变刚度机构，包括驱动部件、固定部件、导向部件、滑动部件、记忆合金棒和输出端；以及一种柔性交互变刚度抓取装置。

所述导向部件沿长度方向设置于所述固定部件和所述输出端之间；所述滑动部件活动穿设于所述导向部件以及所述记忆合金棒上，所述滑动部件与所述驱动部件连接；

所述记忆合金棒与所述固定部件相连；

所述驱动部件用于驱动所述滑动部件于所述导向部件上移动，以调整所述记忆合金棒朝向所述输出端的一端伸出所述滑动部件的长度，并调整所述滑动部件与所述输出端之间的距离，从而调整所述机器人变刚度机构的刚度。

优选的，所述的一种机器人变刚度机构还包括抓取固定部件与反馈部件；所述抓取固定部件与所述输出端连接，所述反馈部件安装于所述抓取固定部件；所述反馈信息用于确定所述滑动部件的滑动距离。

优选的，所述驱动部件包括相互连接的步进电机和丝杠，所述丝杠穿过所述固定部件与所述滑动部件连接；所述步进电机通过驱动所述丝杠运动来调整所述记忆合金棒朝向所述输出端的一端伸出所述滑动部件的长度。

优选的，所述固定部件包括固定架，所述输出端包括固定底板，所述固定架与所述输出端平行。

优选的，所述抓取固定部件包括空心软体抓手。

优选的，所述反馈部件包括力传感器，所述力传感器安装于所述输出端相连的所述抓取固定部件内，所述力传感器用于测量所述抓取固定部件与工件之间的接触力。

优选的，所述反馈信息用于输入变刚度模型，所述变刚度模型用于根据期望接触力向驱动部件发送驱动信号，以使驱动部件根据所述驱动信号调整所述记忆合金棒朝向所述输出端的一端伸出所述滑动部件的长度。

优选的，所述的一种机器人变刚度机构，所述导向部件数量至少为2根，所述记忆合金棒数量至少为2根。

为实现上述目的，本发明还提供一种柔性交互变刚度抓取装置，包括至少2个所述的机器人变刚度机构。

优选的，所述柔性交互变刚度抓取装置还包括直线电机和固定板，所述固定板与所述机器人变刚度机构相连，通过所述直线电机控制一组所述机器人变刚度机构之间的距离。

与现有技术相比，本发明至少具备以下有益效果：

本发明的技术方案中，所述记忆合金棒安装在所述固定部件上，所述驱动部件用于驱动所述滑动部件于所述导向部件上移动，以调整所述记忆合金棒朝向所述输出端伸出所述滑动部件的长度，同时调整所述滑动部件与所述输出端之间的距离，从而调整机器人变刚度机构的刚度，当所述滑动部件向下滑动时，所述滑动部件与所述输出端距离变短，所述记忆合金棒朝向所述输出端伸出所述滑动部件的长度变短，所述输出端输出的刚度变大，当所述滑动部件向上滑动时，所述滑动部件与所述输出端距离变长所述记忆合金棒朝向所述输出端伸出所述滑动部件的长度变长，所述输出端输出的刚度变小，因此，能达到主动改变装置刚度的效果，解决了机器人的刚度不可变问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明提出的一种机器人变刚度机构第一实施例的结构示意图；

图2为本发明提出的一种机器人变刚度机构第二实施例的结构示意图；

图3为本发明提出的一种机器人变刚度机构第三实施例的结构示意图；

图4为本发明提出的一种机器人变刚度机构变刚度控制模型的控制原理示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				1	固定板	8	滑块
3	直线电机	9	Ni-Ti合金棒
				4	导杆	10	空心软体抓手
5	步进电机	11	固定底板
				6	固定架	12	力传感器
7	丝杠	13	连接板

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种机器人变刚度机构。

请参考图1，为实现上述目的，本发明提出的一种机器人变刚度机构，包括驱动部件、固定部件、导向部件、滑动部件、记忆合金棒和输出端；

所述记忆合金棒与所述固定部件相连；

所述驱动部件用于驱动所述滑动部件于所述导向部件上移动，以调整所述记忆合金棒朝向所述输出端伸出所述滑动部件的长度，同时调整所述滑动部件与所述输出端之间的距离，从而调整机器人变刚度机构的刚度。

本发明的技术方案中，当所述滑动部件向下滑动时，所述滑动部件与所述输出端距离变短，所述记忆合金棒朝向所述输出端伸出所述滑动部件的长度变短，所述输出端输出的刚度变大，当所述滑动部件向上滑动时，所述滑动部件与所述输出端距离变长所述记忆合金棒朝向所述输出端伸出所述滑动部件的长度变长，所述输出端输出的刚度变小。因此，利用记忆合金的材料特性，能达到主动改变装置刚度的效果，解决了机器人的刚度不可变问题。

发明提出的机器人变刚度机构具有调整自身刚度能力，从而使输出端的刚度能够快速调整，提升所装载机械的适应性，在不损害机械工作效率的前提下进一步提高了机械作业的安全性。

此外，机器人变刚度机构，还包括抓取固定部件与反馈部件；所述抓取固定部件与所述输出端连接，所述反馈部件安装于所述抓取固定部件；所述反馈部件用于当所述抓取固定部件接触到物体时反馈信息，所述反馈信息用于确定所述滑动部件的滑动距离。所述抓取固定部件和所述反馈部件的组合赋予了机器人变刚度机构与外界交互的能力。反馈信息可以是温度信息、尺寸信息和接触力信息中的任一种。具体的，所述反馈部件将所述反馈信息反馈至控制装置，控制装置根据所述反馈信息控制所述驱动部件运动，从而带动滑动部件在所述导向部件上滑动，以调整所述记忆合金棒朝向所述输出端的一端伸出所述滑动部件的长度，并调整所述滑动部件与所述输出端之间的距离，从而调整所述机器人变刚度机构的刚度。

优选的，所述驱动部件包括相互连接的步进电机5和丝杠7，丝杠7穿过所述固定部件与所述滑动部件连接；步进电机5通过驱动丝杠7运动来调整所述记忆合金棒朝向输出端的一端伸出所述滑动部件的长度，同时调整所述滑动部件与所述输出端之间的距离，由于步进电机5结构简单，使用方便，没有累计误差，控制结构也相对简单，比较适合机器人变刚度机构的使用场合。

优选的，所述固定部件包括固定架6，所述输出端包括固定底板11，固定架6与固定底板11平行，这样的放置方式能提高机器人变刚度机构的使用寿命，运行质量。

优选的，所述抓取固定部件包括空心软体抓手10，空心软体抓手10能在与工件接触时产生一定的形变，具有柔性自适应能力，能够适应不同形状物体的抓取。

优选的，所述记忆合金棒包括Ni-Ti合金棒9，所述Ni-Ti合金棒9沿长度方向设置于所述固定部件与所述输出端之间，所述Ni-Ti合金棒9与所述固定部件相连，记忆合金的对形状的记忆特性能提高产品使用寿命。所述记忆合金棒包括但不限于In-Ti合金棒或Ti-Nb合金棒，选用Ni-Ti合金棒9主要是由于Ni-Ti合金棒9的刚度高，满足设计效果。

请参考图4，优选的，所述反馈信息用于输入变刚度模型，所述变刚度模型用于根据期望接触力向驱动部件发送驱动信号，以使驱动部件根据所述驱动信号调整所述记忆合金棒朝向所述输出端的一端伸出所述滑动部件的长度，所述反馈信息的反馈方式遵循刚度控制模型，所述刚度控制模型是指将所述机器人变刚度机构的实体进行数字化模拟，从而得到一套控制系统用于接受以及处理所述反馈信息，具体的，当所述反馈部件反馈信息到刚度控制模型时，所述反馈信息在机器人变刚度机构中具象化为接触力数据，实际情况包括但不限于接触力数据，温度数据，速度数据等，所述刚度控制模型对接触力数据与期望接触力数据进行分析对比，如果接触力数据大于期望力数据，那么刚度控制模型会通过控制步进电机5的运动来驱动丝杠7带动滑块8向上移动，降低固定底板11输出的刚度，如果接触力数据小于期望力数据，那么刚度控制模型会通过控制步进电机5驱动丝杠7带动滑块8向下移动，提高固定底板11输出的刚度，达到自动反馈控制的效果。

优选的，所述反馈部件包括力传感器12，力传感器12安装于固定底板11相连的空心软体抓手10内，力传感器12能够测量空心软体抓手10与工件之间的接触力，同时与空心软体抓手10的结合使得力传感器12的受力更为均匀，提高了测量的精度。具体的，所述力传感器12将接触力信息反馈至所述刚度控制模型，所述刚度控制模型根据接触力数据控制所述驱动部件运动，从而带动滑动部件在所述导向部件上滑动，以调整所述记忆合金棒朝向所述输出端的一端伸出所述滑动部件的长度，并调整所述滑动部件与所述输出端之间的距离，从而调整所述机器人变刚度机构的刚度。

请参考图2，本发明还提出一种柔性交互变刚度抓取装置，包括至少2个所述的机器人变刚度机构。

请参考图2-图3，优选的，所述柔性交互变刚度抓取装置，还包括直线电机3和固定板1，固定板1与机器人变刚度机构相连，通过所述直线电机控制一组所述机器人变刚度机构之间的距离。

在本装置中机器人变刚度机构包括，步进电机5，丝杠7，固定架6，导杆4，滑块8，Ni-Ti合金棒9和固定底板11，还包括空心软体抓手10和力传感器11，本装置通过直线电机3控制一组机器人变刚度机构之间的距离，当距离变化时，设置于机器人变刚度机构上的空心软体抓手10与工件进行接触，空心软体抓手10与工件接触并施加作用力于工件表面从而实现抓取功能，同时力传感器12测量到空心软体抓手10与工件间的接触力通过变刚度控制模型的整理后反馈给步进电机5，步进电机5驱动丝杠7来驱动滑块8进行上移或者下移，驱动滑块8的移动来调整Ni-Ti合金棒9朝向所述输出端伸出所述滑动部件的长度，同时调整滑8块与固定底板11之间的距离，从而调整机器人变刚度机构的刚度，当滑块8向下滑动时，滑块8与固定底板11距离变短，Ni-Ti合金棒9朝向固定底板11伸出滑块8的长度变短，固定底板11输出的刚度变大，当滑块8向上滑动时，滑块8与固定底板11距离变长Ni-Ti合金棒9朝向固定底板11方向伸出滑块8的长度变长，固定底板11输出的刚度变小，从而形成一个闭环的控制系统，使得柔性交互变刚度抓取装置兼顾了主动柔顺和被动柔顺的优势，满足操作过程中的精准性和安全性的要求，能够根据环境自适应调整刚度。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种机器人变刚度机构，其特征在于，包括驱动部件、固定部件、导向部件、滑动部件、记忆合金棒和输出端；

所述记忆合金棒与所述固定部件相连；

2.根据权利要求1所述的一种机器人变刚度机构，其特征在于，还包括抓取固定部件与反馈部件；所述抓取固定部件与所述输出端连接，所述反馈部件安装于所述抓取固定部件；所述反馈部件用于当所述抓取固定部件接触到物体时反馈信息，所述反馈信息用于确定所述滑动部件的滑动距离。

3.根据权利要求1所述的一种机器人变刚度机构，其特征在于，所述驱动部件包括相互连接的步进电机和丝杠，所述丝杠穿过所述固定部件与所述滑动部件连接；所述步进电机通过驱动所述丝杠运动来调整所述记忆合金棒朝向所述输出端的一端伸出所述滑动部件的长度。

4.根据权利要求1所述的一种机器人变刚度机构，其特征在于，所述固定部件包括固定架，所述输出端包括固定底板，所述固定架与所述固定底板平行。

5.根据权利要求2所述的一种机器人变刚度机构，其特征在于，所述抓取固定部件包括空心软体抓手。

6.根据权利要求2所述的一种机器人变刚度机构，其特征在于，所述反馈部件包括力传感器，所述力传感器安装在与所述输出端相连的所述抓取固定部件内，所述力传感器用于测量所述抓取固定部件与工件之间的接触力。

7.根据权利要求2所述的一种机器人变刚度机构，其特征在于，所述反馈信息用于输入变刚度模型，所述变刚度模型用于根据期望接触力向驱动部件发送驱动信号，以使驱动部件根据所述驱动信号调整所述记忆合金棒朝向所述输出端的一端伸出所述滑动部件的长度。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的一种机器人变刚度机构，其特征在于，所述导向部件数量至少为2根，所述记忆合金棒数量至少为2根。

9.一种柔性交互变刚度抓取装置，其特征在于，包括至少2个如权利要求1-8中任一项所述的机器人变刚度机构。

10.根据权利要求9所述的一种柔性交互变刚度抓取装置，其特征在于，还包括直线电机和固定板，所述固定板与所述机器人变刚度机构相连，通过所述直线电机控制一组所述机器人变刚度机构之间的距离。