CN112140126A - 一种恒力传导装置 - Google Patents

Abstract

本申请的目的是提供一种恒力传导装置，包括力输入端、力输出端、上力传导件、第一中间导向装置、连杆组件，其中上力传导件包括第一上力传导件和第二上力传导件，连杆组件包括第一连杆组件，第一上力传导件的一端接力输入端，另一端接第一中间导向装置的第一端，第二上力传导件的一端接第一中间导向装置的第二端，另一端接力输出端，第一连杆组件的一端接力输入端，另一端接力输出端，且中间部分与第一中间导向装置连接。通过设置连杆组件实现了恒力的输出，结构简单，易于加工制作。

Description

一种恒力传导装置

技术领域

本申请涉及力传导领域，尤其涉及一种恒力传导装置。

背景技术

目前针对机器人在未知环境下的精细操作技术的研究大多是通过力控制技术实现，并通过力控制算法进行闭环控制，然而，在未知环境下操作，机器人的末端执行机构可能会瞬时突变过载或受到碰撞冲击作用，力或力矩传感器的信号很容易被干扰信号淹没，导致力控制算法非常复杂或失效；甚至有可能超出力或力矩传感器的量程，有造成系统破坏的风险。

因此，现有基于力控制的机器人精细操作方式将对系统软硬件成本、操作安全和可靠性带来一系列问题，有必要开发一种可同时满足精细操作和安全性可靠性要求的恒力末端执行机构。

发明内容

本申请的一个目的是提供一种恒力传导装置。

恒力传导装置包括力输入端、力输出端、上力传导件、第一中间导向装置、连杆组件，其中上力传导件包括第一上力传导件和第二上力传导件，连杆组件包括第一连杆组件，第一上力传导件的一端接力输入端，另一端接第一中间导向装置的第一端，第二上力传导件的一端接第一中间导向装置的第二端，另一端接力输出端，第一连杆组件的一端接力输入端，另一端接力输出端，且中间部分与第一中间导向装置连接。

进一步的，恒力传导装置还包括下力传导件、第二中间导向装置，连杆组件包括第二连杆组件，其中下力传导件包括第一下力传导件和第二下力传导件，第一下力传导件的一端接力输入端，另一端接第二中间导向装置的第一端，第二下力传导件的一端接第二中间导向装置的第二端，另一端接力输出端，第二连杆组件的一端接力输入端，另一端接力输出端，且中间部分与第二中间导向装置连接。

进一步的，力输入端包括连接法兰、上直角块、下直角块，其中连接法兰与上直角块、下直角块连接，上直角块与第一上力传导件连接，下直角块与第一下力传导件连接，其中上直角块、下直角块的上下平面为直角三角形，直角面与斜面为长方形。

进一步的，第一中间导向装置、第二中间导向装置包括三角块、上连接点、下连接点以及带轴杆轴承，其中三角块上下平面为三角形，左右两侧斜面为长方形，上连接点位于三角块三角形顶点，下连接点位于三角块三角形底边中点，带轴杆轴承位于上连接点、下连接点中，用于与连杆组件连接。

进一步的，力输入端的上直角块斜边和下直角块斜边上均设有条形槽，第一中间导向装置、第二中间导向装置的三角块斜边上也均设有条形槽，第一上力传导件夹持在力输入端的上直角块与第一中间导向装置上的条形槽中，第一下力传导件夹持在力输入端的下直角块与第二中间导向装置上的条形槽中。

进一步的，上力传导件两端有孔，第一中间导向装置以及力输入端的上直角块上均设有定位销，上力传导件与第一中间导向装置以及力输入端的上直角块通过销轴固定，以防止上力传导件与输入端和第一中间导向装置产生相对运动。

进一步的，第一连杆组件与第二连杆组件相同，第一连杆组件包括第一短连杆、第二短连杆、第一长连杆、第二长连杆、第三长连杆、第四长连杆、第三短连杆、第四短连杆，其中所有连杆两端均设有端部连接件，且第一长连杆、第二长连杆、第三长连杆、第四长连杆上还设有中部连接件，第一长连杆与第二长连杆、第三长连杆与第四长连杆分别通过中部连接件连接，其中第一短连杆的一端、第二短连杆的一端相接后与力输入端相连，第一短连杆的另一端通过端部连接件与第二长连杆一端相连，第二短连杆的另一端通过端部连接件与第一长连杆一端相连，第一长连杆的另一端与第四长连杆的一端通过端部连接件相连，第二长连杆的另一端与第三长连杆的一端通过端部连接件相连，第三长连杆的另一端通过端部连接件与第四短连杆的一端相连，第四长连杆的另一端通过端部连接件与第三短连杆的一端相连，第四短连杆的另一端以及第三短连杆的另一端相接后与力输出端相连，第一连杆组件上第二长连杆与第三长连杆的连接点接第二中间导向装置的上连接点，第一长连杆与第四长连杆的连接点接第一中间导向装置的下连接点，第二连杆组件上第二长连杆与第三长连杆的连接点接第二中间导向装置的下连接点，第一长连杆与第四长连杆的连接点接第一中间导向装置的上连接点。

进一步的，第一中间导向装置、第二中间导向装置均还包括导向槽，导向槽位于上连接点、下连接点之间，第一中间导向装置的上连接点中带轴杆轴承的插入第二中间导向装置的导向槽，第二中间导向装置的上连接点中带轴杆轴承的插入第一中间导向装置的导向槽。

进一步的，力传导件为固定导向梁，将力输入端、力输出端和中间导向装置连接起来，并传输力的作用。

进一步的，连杆组件中长连杆与短连杆的长度比为2.228:1。

与现有技术相比，本申请优势在于：

1.本发明的整体结构对称布置，且有导向装置，受力情况良好，输出力波动小，精度较高。

2.本发明恒力机构的整体运动行程大，改变连杆尺度，可以调整所需行程。

3.本发明通过改变力传导件的厚度、长度、宽度、和数量，可以精准提供所需恒力。

4.本发明由于采用连杆组件连接传递运动，克服了传统传动零件具有摩擦、间隙以及冲击等缺点，使输出恒力精度更高。

5.本发明通过设置连杆组件，实现了恒力输出，结构简单，易于加工制作。

综上，本发明可实现恒力精确保持，完成对工件抛光、打磨加工的自动化系统，保持打磨工件的一致性，提高打磨精度和工件质量

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出根据本申请一个实施例的恒力传导装置结构示意图；

图2示出根据本申请一个实施例的恒力传导装置局部结构示意图；

图3示出根据本申请一个实施例的恒力传导装置中间导向装置的分解示意图；

图4示出根据本申请一个实施例的恒力传导装置工作状态时的连杆组件展开示意图；

图5示出根据本申请一个实施例的恒力传导装置连杆组件尺寸示意图；

图6示出根据本申请一个实施例的恒力传导装置固定导向梁结构示意图；

图7示出根据本申请一个实施例的固定导向梁发生屈曲变形时产生的输出力和行程位移的曲线。

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件，包括：

力输入端1、连接法兰1-1、上直角块1-2、下直角块1-3、定位销1-4、力输出端2、第一上力传导件3-1、第二上力传导件3-2、第一中间导向装置4、三角块4-1、上连接点4-3、下连接点4-2、导向槽4-4、带轴杆轴承4-5、定位销4-6、第一连杆组件5-1、第二连杆组件5-2、第一短连杆5-21、第二短连杆5-22、第一长连杆5-23、第二长连杆5-24、第三长连杆5-25、第四长连杆5-26、第三短连杆5-27、第四短连杆5-28、第二下力传导件6-2、第二中间导向装置7。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步详细描述。

图1示出根据本申请一个实施例的恒力传导装置结构示意图，图2示出根据本申请一个实施例的恒力传导装置局部结构示意图。

根据本发明的一实施例，恒力传导装置包括力输入端、力输出端、上力传导件、第一中间导向装置、连杆组件，其中上力传导件包括第一上力传导件和第二上力传导件，连杆组件包括第一连杆组件，第一上力传导件的一端接力输入端，另一端接第一中间导向装置的第一端，第二上力传导件的一端接第一中间导向装置的第二端，另一端接力输出端，第一连杆组件的一端接力输入端，另一端接力输出端，且中间部分与第一中间导向装置连接。

根据本发明的一实施例，恒力传导装置还包括下力传导件、第二中间导向装置，连杆组件包括第二连杆组件，其中下力传导件包括第一下力传导件和第二下力传导件，第一下力传导件的一端接力输入端，另一端接第二中间导向装置的第一端，第二下力传导件的一端接第二中间导向装置的第二端，另一端接力输出端，第二连杆组件的一端接力输入端，另一端接力输出端，且中间部分与第二中间导向装置连接。

具体的，如图1所示，恒力传导装置包括力输入端1、力输出端2、上力传导件、第一中间导向装置4、连杆组件，其中上力传导件包括第一上力传导件3-1和第二上力传导件3-2，连杆组件包括第一连杆组件5-1，第一上力传导件3-1的一端接力输入端1，另一端接第一中间导向装置4的第一端，第二上力传导件3-2的一端接第一中间导向装置4的第二端，另一端接力输出端2，第一连杆组件5-1的一端接力输入端1，另一端接力输出端2，且中间部分与第一中间导向装置4连接。

如图1-2所示，恒力传导装置还包括下力传导件6-2、第二中间导向装置7，连杆组件包括第二连杆组件5-2，其中下力传导件包括第一下力传导件和第二下力传导件，第一下力传导件的一端接力输入端1，另一端接第二中间导向装置7的第一端，第二下力传导件的一端接第二中间导向装置7的第二端，另一端接力输出端2，第二连杆组件5-2的一端接力输入端1，另一端接力输出端2，且中间部分与第二中间导向装置7连接。

根据本发明的一实施例，力输入端包括连接法兰、上直角块、下直角块，其中连接法兰与上直角块、下直角块连接，上直角块与第一上力传导件连接，下直角块与第一下力传导件连接，其中上直角块、下直角块的上下平面为直角三角形，直角面与斜面为长方形。

具体的，如图2所示，力输入端包括连接法兰1-1、上直角块1-2、下直角块1-3，其中连接法兰1-1与上直角块1-2、下直角块1-3连接，上直角块1-2与第一上力传导件3-1连接，下直角块1-3与第一下力传导件连接，其中上直角块1-2、下直角块1-3的上下平面为直角三角形，直角面与斜面为长方形。

具体的，连接法兰1-1与上直角块1-2、下直角块1-3通过螺钉连接。

图3示出根据本申请一个实施例的恒力传导装置中间导向装置的分解示意图。

根据本发明的一实施例，第一中间导向装置、第二中间导向装置包括三角块、上连接点、下连接点以及带轴杆轴承，其中三角块上下平面为三角形，左右两侧斜面为长方形，上连接点位于三角块三角形顶点，下连接点位于三角块三角形底边中点，带轴杆轴承位于上连接点、下连接点中，用于与连杆组件连接。

具体的，如图3所示，第一中间导向装置4包括三角块4-1、上连接点4-3、下连接点4-2以及带轴杆轴承4-5，其中三角块4-1上下平面为三角形，左右两侧斜面为长方形，上连接点4-3位于三角块三角形顶点，下连接点4-2位于三角块三角形底边中点，带轴杆轴承4-5位于上连接点4-3、下连接点4-2中，用于与连杆组件连接。

此外，第二中间导向装置7与第一中间导向装置4相同。

根据本发明的一实施例，力输入端的上直角块斜边和下直角块斜边上均设有条形槽，第一中间导向装置、第二中间导向装置的三角块斜边上也均设有条形槽，第一上力传导件夹持在力输入端的上直角块与第一中间导向装置上的条形槽中，第一下力传导件夹持在力输入端的下直角块与第二中间导向装置上的条形槽中。

根据本发明的一实施例，上力传导件两端有孔，第一中间导向装置以及力输入端的上直角块上均设有定位销，上力传导件与第一中间导向装置以及力输入端的上直角块通过销轴固定，以防止上力传导件与输入端和第一中间导向装置产生相对运动。

具体的，如图1-图3所示，力输入端1的上直角块1-2斜边和下直角块1-3斜边上均设有条形槽，第一中间导向装置4的三角块斜边上也均设有条形槽，第一上力传导件3-1夹持在力输入端1的上直角块1-3与第一中间导向装置上4的条形槽中。

同样，第二中间导向装置的三角块斜边上也均设有条形槽，第一下力传导件夹持在力输入端的下直角块与第二中间导向装置上的条形槽中。

具体的，如图1-图3所示，上力传导件3-1两端有孔，第一中间导向装置4以及力输入端的上直角块1-2上均设有定位销，上力传导件与第一中间导向装置4以及力输入端1的上直角块1-2通过销轴固定，以防止上力传导件与输入端和第一中间导向装置产生相对运动。

图4示出根据本申请一个实施例的恒力传导装置工作状态时的连杆组件展开示意图，图5示出根据本申请一个实施例的恒力传导装置连杆组件尺寸示意图。

根据本发明的一实施例，第一连杆组件与第二连杆组件相同，第一连杆组件包括第一短连杆、第二短连杆、第一长连杆、第二长连杆、第三长连杆、第四长连杆、第三短连杆、第四短连杆，其中所有连杆两端均设有端部连接件，且第一长连杆、第二长连杆、第三长连杆、第四长连杆上还设有中部连接件，第一长连杆与第二长连杆、第三长连杆与第四长连杆分别通过中部连接件连接，其中第一短连杆的一端、第二短连杆的一端相接后与力输入端相连，第一短连杆的另一端通过端部连接件与第二长连杆一端相连，第二短连杆的另一端通过端部连接件与第一长连杆一端相连，第一长连杆的另一端与第四长连杆的一端通过端部连接件相连，第二长连杆的另一端与第三长连杆的一端通过端部连接件相连，第三长连杆的另一端通过端部连接件与第四短连杆的一端相连，第四长连杆的另一端通过端部连接件与第三短连杆的一端相连，第四短连杆的另一端以及第三短连杆的另一端相接后与力输出端相连，第一连杆组件上第二长连杆与第三长连杆的连接点接第二中间导向装置的上连接点，第一长连杆与第四长连杆的连接点接第一中间导向装置的下连接点，第二连杆组件上第二长连杆与第三长连杆的连接点接第二中间导向装置的下连接点，第一长连杆与第四长连杆的连接点接第一中间导向装置的上连接点。

根据本发明的一实施例，第一中间导向装置、第二中间导向装置均还包括导向槽，导向槽位于上连接点、下连接点之间，第一中间导向装置的上连接点中带轴杆轴承的插入第二中间导向装置的导向槽，第二中间导向装置的上连接点中带轴杆轴承的插入第一中间导向装置的导向槽。

具体的，如图4所示，第一连杆组件5-1与第二连杆组件5-2相同，以第二连杆组件5-2为例，第二连杆组件5-2包括第一短连杆5-21、第二短连杆5-22、第一长连杆5-23、第二长连杆5-24、第三长连杆5-25、第四长连杆5-26、第三短连杆5-27、第四短连杆5-28，其中所有连杆两端均设有端部连接件，且第一长连杆5-23、第二长连杆5-24、第三长连杆5-25、第四长连杆5-26上还设有中部连接件，第一长连杆5-23与第二长连杆5-24、第三长连杆5-25与第四长连杆5-26分别通过中部连接件连接，端部连接件、中部连接件均采用转动副，转动副包括微型滚珠轴承和销轴，其中第一短连杆5-21的一端、第二短连杆5-22的一端相接后与力输入端1相连，第一短连杆5-21的另一端通过转动副与第二长连杆5-24一端相连，第二短连杆5-22的另一端通过转动副与第一长连杆5-23一端相连，第一长连杆5-23的另一端与第四长连杆5-26的一端通过转动副相连，第二长连杆5-24的另一端与第三长连杆5-25的一端通过转动副相连，第三长连杆5-25的另一端通过转动副与第四短连杆5-28的一端相连，第四长连杆5-26的另一端通过转动副与第三短连5-27杆的一端相连，第四短连杆5-28的另一端以及第三短连杆5-27的另一端相接后与力输出端2相连。第一连杆组件上第二长连杆与第三长连杆的连接点接第二中间导向装置的上连接点(如图5中点B)，第一长连杆与第四长连杆的连接点接第一中间导向装置的下连接点(如图5中点A)，第二连杆组件上第二长连杆与第三长连杆的连接点接第二中间导向装置的下连接点(如图5中点D)，第一长连杆与第四长连杆的连接点接第一中间导向装置的上连接点(如图5中点C)。

第一中间导向装置的上连接点(如图5中点C)中带轴杆轴承的插入第二中间导向装置的导向槽，第二中间导向装置的上连接点(如图5中点B)中带轴杆轴承的插入第一中间导向装置的导向槽。轴承在三角块槽中直线移动，保证整个机构在运动过程中不产生扭曲，减小能量损失，恒力效果更好。

根据本发明的一实施例，连杆组件中长连杆与短连杆的长度比为2.228:1。

具体的，如图5所示，连杆机构的尺寸参数主要有：a1，a2，a3，其中尺寸关系为：a3＝a1+a2，a2＝1.228*a1，所有长连杆尺寸相同，为a1+a2，所有短连杆的尺寸相同。

需要注意的是，所有连杆的尺寸均为连杆上两个端部连接件间的距离。

此外可以改变连杆尺度，可以调整所需行程。

图6示出根据本申请一个实施例的恒力传导装置固定导向梁结构示意图；图7示出根据本申请一个实施例的固定导向梁发生屈曲变形时产生的输出力和行程位移的曲线。

根据本发明的一实施例，力传导件为固定导向梁，即弹性梁，将力输入端、力输出端和中间导向装置连接起来，并通过自身变形输出恒定反作用力，以传输力的作用。

具体的，如图6-7所示，弹性梁是一种具有重量轻、强度高、弹性系数高等特点的固定导向梁。弹性梁通常用作复合材料中的增强材料，电绝缘材料和绝热保温材料等领域。

弹性梁在发生屈曲变形时产生的输出力和行程位移之间的关系曲线。在行程范围内，该恒力机构输出力波动小，波动范围在±4％以内，远远小于现有被动恒力方案。

此外可以通过改变力传导件的厚度、长度、宽度、和数量，以精准提供所需恒力。

本发明上力传导件和下力传导件并联夹持在力输入端1、力输出端2和中间导向装置条形槽中形成一端固定，而另一端活动的悬臂梁机构。当施加作用力到力输入端1后，悬臂梁机构的活动端运动并将作用力输出到力输出端2。

通过设置连杆组件实现了恒力的输出，结构简单，易于加工制作，而且相较于传统的传动零件由于具有摩擦、间隙以及冲击等缺点而无法实现高精度力输出，本发明的弹性梁恒力机构采用连杆组件克服了上述缺点，使力输出精度更高。

同时，中间导向装置是由导向槽、带轴杆轴承、上三角块、下三角块、定位销组成，轴承在三角块槽中直线移动，保证整个机构在运动过程中不产生扭曲，减小能量损失，恒力效果更好。

此外，本发明采用两套连杆组件、上力传导件和下力传导件都是对称布置在力输入端1和力输出端2之间，增加了机构的稳定性。

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。装置权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (10)

1.一种恒力传导装置，其特征在于，恒力传导装置包括力输入端、力输出端、上力传导件、第一中间导向装置、连杆组件，其中上力传导件包括第一上力传导件和第二上力传导件，连杆组件包括第一连杆组件，第一上力传导件的一端接力输入端，另一端接第一中间导向装置的第一端，第二上力传导件的一端接第一中间导向装置的第二端，另一端接力输出端，第一连杆组件的一端接力输入端，另一端接力输出端，且中间部分与第一中间导向装置连接。

2.根据权利要求1所述的恒力传导装置，其特征在于，恒力传导装置还包括下力传导件、第二中间导向装置，连杆组件包括第二连杆组件，其中下力传导件包括第一下力传导件和第二下力传导件，第一下力传导件的一端接力输入端，另一端接第二中间导向装置的第一端，第二下力传导件的一端接第二中间导向装置的第二端，另一端接力输出端，第二连杆组件的一端接力输入端，另一端接力输出端，且中间部分与第二中间导向装置连接。

3.根据权利要求2所述的恒力传导装置，其特征在于，力输入端包括连接法兰、上直角块、下直角块，其中连接法兰与上直角块、下直角块连接，上直角块与第一上力传导件连接，下直角块与第一下力传导件连接，其中上直角块、下直角块的上下平面为直角三角形，直角面与斜面为长方形。

4.根据权利要求3所述的恒力传导装置，其特征在于，第一中间导向装置、第二中间导向装置包括三角块、上连接点、下连接点以及带轴杆轴承，其中三角块上下平面为三角形，左右两侧斜面为长方形，上连接点位于三角块三角形顶点，下连接点位于三角块三角形底边中点，带轴杆轴承位于上连接点、下连接点中，用于与连杆组件连接。

5.根据权利要求4所述的恒力传导装置，其特征在于，力输入端的上直角块斜边和下直角块斜边上均设有条形槽，第一中间导向装置、第二中间导向装置的三角块斜边上也均设有条形槽，第一上力传导件夹持在力输入端的上直角块与第一中间导向装置上的条形槽中，第一下力传导件夹持在力输入端的下直角块与第二中间导向装置上的条形槽中。

6.根据权利要求5所述的恒力传导装置，其特征在于，上力传导件两端有孔，第一中间导向装置以及力输入端的上直角块上均设有定位销，上力传导件与第一中间导向装置以及力输入端的上直角块通过销轴固定，以防止上力传导件与输入端和第一中间导向装置产生相对运动。

7.根据权利要求6所述的恒力传导装置，其特征在于，第一连杆组件与第二连杆组件相同，第一连杆组件包括第一短连杆、第二短连杆、第一长连杆、第二长连杆、第三长连杆、第四长连杆、第三短连杆、第四短连杆，其中所有连杆两端均设有端部连接件，且第一长连杆、第二长连杆、第三长连杆、第四长连杆上还设有中部连接件，第一长连杆与第二长连杆、第三长连杆与第四长连杆分别通过中部连接件连接，其中第一短连杆的一端、第二短连杆的一端相接后与力输入端相连，第一短连杆的另一端通过端部连接件与第二长连杆一端相连，第二短连杆的另一端通过端部连接件与第一长连杆一端相连，第一长连杆的另一端与第四长连杆的一端通过端部连接件相连，第二长连杆的另一端与第三长连杆的一端通过端部连接件相连，第三长连杆的另一端通过端部连接件与第四短连杆的一端相连，第四长连杆的另一端通过端部连接件与第三短连杆的一端相连，第四短连杆的另一端以及第三短连杆的另一端相接后与力输出端相连，第一连杆组件上第二长连杆与第三长连杆的连接点接第二中间导向装置的上连接点，第一长连杆与第四长连杆的连接点接第一中间导向装置的下连接点，第二连杆组件上第二长连杆与第三长连杆的连接点接第二中间导向装置的下连接点，第一长连杆与第四长连杆的连接点接第一中间导向装置的上连接点。

8.根据权利要求7所述的恒力传导装置，其特征在于，第一中间导向装置、第二中间导向装置均还包括导向槽，导向槽位于上连接点、下连接点之间，第一中间导向装置的上连接点中带轴杆轴承的插入第二中间导向装置的导向槽，第二中间导向装置的上连接点中带轴杆轴承的插入第一中间导向装置的导向槽。

9.根据权利要求8所述的恒力传导装置，其特征在于，力传导件为固定导向梁，将力输入端、力输出端和中间导向装置连接起来，并传输力的作用。

10.根据权利要求9所述的恒力传导装置，其特征在于，连杆组件中长连杆与短连杆的长度比为2.228:1。

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