CN113246102B - 一种具有可变柔度方向的刚柔耦合装置和一种机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有可变柔度方向的刚柔耦合装置，包括末端平台和4个柔顺机构；4个柔顺机构以末端平台为中心均匀分布于末端平台四周；每个柔顺机构均包括机架和2个子机构；每个子机构均设有转动件、牵引件、支架和驱动装置；转动件转动连接于机架；驱动装置用于驱使转动件转动；牵引件与转动件之间通过柔性旋转副连接；支架转动连接于牵引件，支架与末端平台之间通过柔性平动副连接，在一个平动方向上具有较大的柔度而在其余运动方向上具有较小的柔度。可变柔度方向表现为通过控制机构内部分构件的位置，其柔性自由度方向可以被精确且大范围地控制，从而实现机器人末端平台可变柔度方向的功能。本发明还涉及一种机械臂。

Description

一种具有可变柔度方向的刚柔耦合装置和一种机械臂

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种具有可变柔度方向的刚柔耦合装置和一种机械臂。

背景技术

机器人具有一定的刚度和柔度。刚度一般指的是结构抵抗变形的能力，而柔度则相反，指的是在外界载荷下结构的形变能力。

在机器人与环境进行交互的过程中，形变不可避免地发生，柔度也因此成为了交互过程中最重要的因素。不一样的应用场景往往需要不一样的柔度。握手、搀扶等人机协作场景需要机器人呈现出较大的柔度以避免伤害，夹取、移动物件等日常操作操作需要机器人呈现出适中的柔度，在保证操作力的前提下避免破坏物体，打磨、定位等高精度操作需要机器人呈现出较小的柔度以确保精度。

传统的工业机器人无法适应各种场景的柔度需求。为了扩大机器人技术的应用场景，变柔度机构应运而生并迅速成为热门研究方向。通过在机器人中加入变柔度机构，机器人的整体柔度能被控制，在复杂的场景中能根据环境需要调节自身的柔度以更灵活地与环境进行交互。变柔度机构在机器人中最广泛的应用是变刚度驱动器。它将变柔度机构与机器人关节驱动器进行结合，既可以控制机器人关节的位置，也可以控制机器人关节的柔度，被广泛应用到人机协作等复杂应用之中。这种变刚度驱动器一般由两根对拉的非线性弹簧组成，控制两根弹簧的长度就能控制弹簧的柔度进而控制驱动器的柔度。一般而言，驱动器的柔度增大，机器人的整体柔度也会相应增大从而达到根据环境变化动态调节柔度的目的。

空间物体的柔度一般具有方向性，在不一样的载荷方向下，形变量往往不同。比方说筷子状细长物体的弯折变形比较容易，拉压变形却比较困难。在柔顺机构的研究中，较容易发生形变(具有较大柔度)的方向被称为柔性自由度方向，而较难发生形变(具有较小柔度)的方向被称为柔性约束方向。合理地利用柔度的这种方向性，我们不仅能控制机构的形变量，也能控制该形变所发生的方向。然而，当前研究的最多的变刚度驱动器通过轴承等刚性运动副外加非线性弹簧形成变柔度机构，这种配置忽略了物体柔度的方向特性，表现为单一关节的柔度。但是，机器人的关节柔度与整体柔度之间的映射关系一般由机器人的雅可比矩阵给出，而雅可比矩阵完全依赖于机器人的整体构型。因此，对于集成了变刚度驱动器的机器人系统而言，整体柔度的控制与机器人的位置控制是耦合的。这种耦合关系一方面使得机器人整体的柔度大小不能被精确地控制，另一方面使得机器人整体的柔度方向不能被控制。而机器人整体的柔度方向在类似于轨迹追踪，打磨等的操作任务中往往需要精确控制。因此，设计出能控制柔度方向的机构对于机器人技术的广泛应用有着重要的意义。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之一是：提供一种具有可变柔度方向的刚柔耦合装置，在一个平动方向上具有较大的柔度而在其余运动方向上具有较小的柔度，柔性自由度方向可以被精确且大范围地控制，从而实现机器人末端平台可变柔度方向的功能。

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之二是：提供一种机械臂，能实现柔度方向的控制与位置控制解耦，其空间柔度不受关节之间相对位置的影响，具有较好的泛用性和灵活性。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有可变柔度方向的刚柔耦合装置，包括末端平台和4个柔顺机构；

4个柔顺机构以末端平台为中心均匀分布于末端平台四周；

每个柔顺机构均包括机架和2个子机构；

每个子机构均设有转动件、牵引件、支架和驱动装置；

转动件转动连接于机架；

驱动装置固接于机架，用于驱使转动件转动；

牵引件设于转动件一侧，牵引件与转动件之间通过柔性旋转副连接；

支架转动连接于牵引件，支架与末端平台之间通过柔性平动副连接。

进一步，牵引件与转动件之间设有交叉弹簧片，交叉弹簧片一端固接于牵引件，交叉弹簧片另一端固接于转动件，交叉弹簧片形成牵引件与转动件之间的柔性旋转副。

进一步，支架与转动件之间设有活动件，活动件一端固接于牵引件，活动件另一端转动连接于支架，活动件与转动件之间留有空隙。

进一步，活动件上设有朝向标志线，朝向标志线平行于活动件延伸方向。

进一步，支架固设有转轴，活动件铰接于转轴，转动件的转动轴心与支架转轴延长线重合。

进一步，支架一侧依次设有平面弹簧片和中部连接件，中部连接件固接于末端平台，平面弹簧片两端分别连接于支架和中部连接件，平面弹簧片形成支架与末端平台之间的柔性平动副。

进一步，支架、平面弹簧片和中部连接件分别平行于机架。

进一步，平面弹簧片为平行四边形弹簧片。

进一步，驱动装置为电机，电机和转动件分别位于机架两侧，电机连接于转动件。

一种机械臂，包括具有可变柔度方向的刚柔耦合装置。

总的说来，本发明具有如下优点：

在一个平动方向上具有较大的柔度而在其余运动方向上具有较小的柔度。可变柔度方向表现为通过控制机构内部分构件的位置，其柔性自由度方向可以被精确且大范围地控制，从而实现机器人末端平台可变柔度方向的功能。

附图说明

图1为刚柔耦合装置的立体结构示意图。

图2为柔顺机构的立体结构示意图。

图3为柔顺机构的柔性自由度示意图(虚线框代表柔性自由度平面)。

图4为刚柔耦合装置的柔性自由度示意图。

图5为电机工作后柔顺机构的柔性自由度变化示意图。

图6为电机工作后刚柔耦合装置柔性自由度变化示意图一。

图7为电机工作后刚柔耦合装置柔性自由度变化示意图二。

附图标记说明：

1-柔顺机构，2-末端平台，3-基座，4-机架，5-转动件，6-交叉弹簧片，7-牵引件，8-活动件，9-支架，10-刚性旋转副，11-平行四边形弹簧片，12-中部连接件，13-柔性旋转副，14-朝向标志线，15-子机构，16-电机，17-柔性自由度平面，18-平动柔性自由度方向。

具体实施方式

下面来对本发明做进一步详细的说明。

如图1～图7所示，一种具有可变柔度方向的刚柔耦合装置，包括末端平台2和4个柔顺机构1；

4个柔顺机构1以末端平台2为中心均匀分布于末端平台2四周；

每个柔顺机构1均包括机架4和2个子机构15，2个子机构15以末端平台2为中心对称布置；

每个子机构15均设有转动件5、牵引件7、支架9和驱动装置；

转动件5转动连接于机架4；

驱动装置固接于机架4，用于驱使转动件5转动；

牵引件7设于转动件5一侧，牵引件7与转动件5之间通过柔性旋转副13连接；

支架9转动连接于牵引件7，支架9与末端平台2之间通过柔性平动副连接。

具体地，刚柔耦合装置共设有4个机架4，分别两两对称布置于末端平台2的4周。每两个相邻机架4之间相差90度角。机架4的延伸方向垂直于末端平台2。牵引件7与转动件5之间旋转副的旋转轴垂直于转动件5。机架4的一侧固接于机器人的基座3，基座3和转动件5分别平行于末端平台2。

驱动装置驱使转动件5转动，进而带动牵引件7转动。支架9转动连接于牵引件7，形成刚性旋转副10。

每个柔顺机构1具有两个柔性平动副、两个柔性旋转副13以及两个刚性旋转副10。两个柔性平动副位于同一直线上，两个柔性旋转副13的旋转轴互相平行，两个刚性旋转副10的旋转轴互相平行。

如图3、图4所示，根据运动与约束的关系，每个柔顺机构1具有两个平动的柔性自由度，组成一个柔性自由度平面17，该柔性自由度平面17应垂直于牵引件7与相邻的转动件5之间的连线。通过控制各个驱动装置动作，同一个柔顺机构1中以及以末端平台2为对称中心的两个柔顺机构1中，牵引件7与相邻的转动件5之间的连线均互相平行，使以末端平台2为对称中心的两个柔顺机构1的柔性自由度平面17重合。

根据柔性机构并联的特性，刚柔耦合装置的柔性自由度将是所有柔顺机构1的柔性自由度平面17的交集。因此，在满足上述几何约束的前提下，刚柔耦合装置的平动柔性自由度方向18为相邻的两个柔顺机构1的柔性自由度平面17的交集。4个柔顺机构1的柔性自由度平面17相交为空间中的一条直线，即为刚柔耦合装置的平动柔性自由度方向18。

随着各个驱动装置的驱动，各个柔顺机构1的柔性自由度平面17的方向分别发生变化，刚柔耦合装置的平动柔性自由度方向18也随着发生相应变化。

因此，本发明的具有可变柔度方向的刚柔耦合装置在一个平动方向上具有较大的柔度而在其余运动方向上具有较小的柔度。可变柔度方向表现为通过控制机构内部分构件的位置，其柔性自由度方向可以被精确且大范围地控制，从而实现机器人末端平台2可变柔度方向的功能。

相比于现有的变柔度机构，本发明的突出优势是具有可控制的柔度方向，能在实际应用中让机器人更灵活地调整自身柔度，进而更好地适应环境的变化。由于本发明的柔度方向只与机构当前的朝向有关而与机器人的构型无关，因此能广泛、简易地应用在各式各样的机器人中，也能与现有的集成了变刚度驱动器的机器人结合使用，具有较好的泛用性和灵活性。

牵引件7与转动件5之间设有交叉弹簧片6，交叉弹簧片6一端固接于牵引件7，交叉弹簧片6另一端固接于转动件5，交叉弹簧片6形成牵引件7与转动件5之间的柔性旋转副13。

具体地，两个弹簧片交叉连接形成交叉弹簧片6。牵引件7平行于转动件5，交叉弹簧片6的两端均设有安装孔，用于与牵引件7和转动件5安装连接。交叉弹簧片6能被近似看作绕其交叉轴线旋转的柔性旋转副13。

支架9与转动件5之间设有活动件8，活动件8一端固接于牵引件7，活动件8另一端转动连接于支架9，活动件8与转动件5之间留有空隙。

活动件8与转动件5之间的空隙为活动件8相对转动件5转动提供了转动空间。通过活动件8的设置，扩大了牵引件7与转动件5之间距离，增大了柔性旋转副13的转动幅度，提高了刚柔耦合装置的柔度调节能力。

活动件8上设有朝向标志线14，朝向标志线14平行于活动件8延伸方向。

在柔顺机构1中，朝向标志线14是柔性旋转副13与刚性旋转副10的公垂线。柔性自由度平面17垂直于朝向标志线14。驱动装置能改变柔性旋转副13的轴线位置，进而改变朝向标志线14以及柔性自由度平面17的方向。通过观察朝向标志线14的走向，可以方便判断当前柔顺机构1的柔性自由度平面17的方向。

支架9固设有转轴，活动件8铰接于转轴，转动件5的转动轴心与支架9转轴延长线重合。

采用这种结构后，驱动装置工作时，刚柔耦合装置以内自由度形式进行运动，运动过程中末端平台2不会发生位移或是姿态上的变化。在刚柔耦合装置控制自身柔度方向时，末端平台2不会发生运动，实现了刚柔耦合装置在与机器人系统结合后整体柔度方向控制与机器人位置控制之间的解耦，增强系统的易用性、灵活性以及可靠性。同时，这种柔度控制与位置控制之间的解耦关系免去了机器人系统实时工作中的大部分计算消耗，大幅度节省了计算资源并提高计算效率，降低了成本。

支架9一侧依次设有平面弹簧片和中部连接件12，中部连接件12固接于末端平台2，平面弹簧片两端分别连接于支架9和中部连接件12，平面弹簧片形成支架9与末端平台2之间的柔性平动副。

具体地，支架9一侧设有2个相互平行的平面弹簧片，2个平面弹簧片包夹于支架9和中部连接件12外侧。每个平面弹簧片两端分别设有安装孔，用于与支架9和中部连接件12安装连接。2个平面弹簧片能被近似看作沿着两平面法向运动的柔性平动副。

支架9、平面弹簧片和中部连接件12分别平行于机架4。

采用这种结构后，支架9、平面弹簧片和中部连接件12均垂直于转动件5，刚柔耦合装置的柔度方向更加容易控制。

平面弹簧片为平行四边形弹簧片11。

驱动装置为电机16，电机16和转动件5分别位于机架4两侧，电机16连接于转动件5。

采用这种结构后，机架4两侧受力较均衡，电机16工作对其他活动零件的影响较小，有利于提高刚柔耦合装置的柔度控制精度。

一种机械臂，包括具有可变柔度方向的刚柔耦合装置。

传统的变刚度驱动器往往集成到机器人关节中，而机器人关节的相对位置会随着机器人的运动而运动，导致传统的变刚度驱动器在集成到机器人后，无法令机器人整体柔度控制与位置控制解耦。

本发明的刚柔耦合装置集成到机器人末端后，刚柔耦合装置的柔度方向只与机构当前的朝向有关而与机器人的构型无关，能实现柔度方向的控制与位置控制解耦，其空间柔度不受关节之间相对位置的影响，具有较好的泛用性和灵活性。

本发明具有以下优点：

1、本发明采用了空间分布的组合型柔顺机构1(交叉弹簧片6、平行四边形弹簧片11)对空间柔度进行约束，使得刚柔耦合装置的柔度既有大小的概念也有方向的概念。利用这种优势，本发明可以通过控制空间柔度的约束方向来控制自身的柔度方向。传统的变刚度驱动器，集成了变柔度机构与关节驱动器，其柔度只有大小的概念而没有方向的概念，无法处理集成后机器人的柔度方向问题。

2.本发明采用了内自由度来实现整体机构柔度方向的转变，这种内自由度能使得本发明与机器人系统结合后，系统的位置控制与柔度控制相互解耦，进而极大地增强机器人对环境的适应能力。传统的变刚度驱动器由于与机器人关节进行了结合，机器人的整体柔度会与机器人的位置等运动过程中变化的物理量有关，使得机器人的柔度控制与机器人的位置控制相互耦合，增大系统的复杂度，也消耗了计算资源。

3.本发明利用刚性旋转副10来控制柔性运动副(柔性旋转副13和柔性平动副)的位置，利用柔性运动副来约束刚柔耦合装置的空间柔度，充分发挥了刚性旋转副10行程大和柔性运动副约束精确的优势，实现了大范围可控的柔度方向以及精确的柔度约束。在传统的变刚度驱动器中，柔性单元往往只需要考虑单一方向的柔度大小，约束则由轴承等刚性运动副提供，尽管其约束相当精确，可控的柔度方向却难以实现。

本发明实现柔度方向控制的步骤为：

1.获取所需要的平动柔性自由度方向18。

2.根据步骤1中所获取的平动柔性自由度方向18，解算出各个柔顺机构1的柔性自由度平面17的方向。具体地，平动柔性自由度方向18应该为各个柔顺机构1的柔性自由度平面17的交线。

3.根据步骤2中解算出的各个柔顺机构1柔性自由度平面17的方向，解算出各对应朝向标志线14的目标方向。具体地，各个柔顺机构1的柔性自由度平面17应该与对应的朝向标志线14垂直。

4.根据步骤3中解算出的各朝向标志线14的目标方向，控制电机16带动转动件5转动，进而通过牵引件7带动活动件8转动，使各朝向标志线14的实际方向分别与对应的目标方向重合，完成柔度方向的控制。具体地，根据步骤3中所解算出的各对应朝向标志线14的目标方向，求解出各朝向标志线14与对应的目标朝向标志线14之间的夹角，然后以该夹角作为位置指令控制相应的电机16相应动作。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有可变柔度方向的刚柔耦合装置，其特征在于：包括末端平台和4个柔顺机构；

4个柔顺机构以末端平台为中心均匀分布于末端平台四周；

每个柔顺机构均包括机架和2个子机构；

每个子机构均设有转动件、牵引件、支架和驱动装置；

转动件转动连接于机架；

驱动装置固接于机架，用于驱使转动件转动；

牵引件设于转动件一侧，牵引件与转动件之间通过柔性旋转副连接；

支架转动连接于牵引件，支架与末端平台之间通过柔性平动副连接；

牵引件与转动件之间设有交叉弹簧片，交叉弹簧片一端固接于牵引件，交叉弹簧片另一端固接于转动件，交叉弹簧片形成牵引件与转动件之间的柔性旋转副；

支架与转动件之间设有活动件，活动件一端固接于牵引件，活动件另一端转动连接于支架，活动件与转动件之间留有空隙。

2.按照权利要求1所述的一种具有可变柔度方向的刚柔耦合装置，其特征在于：活动件上设有朝向标志线，朝向标志线平行于活动件延伸方向。

3.按照权利要求1所述的一种具有可变柔度方向的刚柔耦合装置，其特征在于：支架固设有转轴，活动件铰接于转轴，转动件的转动轴心与支架转轴延长线重合。

4.按照权利要求1所述的一种具有可变柔度方向的刚柔耦合装置，其特征在于：支架一侧依次设有平面弹簧片和中部连接件，中部连接件固接于末端平台，平面弹簧片两端分别连接于支架和中部连接件，平面弹簧片形成支架与末端平台之间的柔性平动副。

5.按照权利要求4所述的一种具有可变柔度方向的刚柔耦合装置，其特征在于：支架、平面弹簧片和中部连接件分别平行于机架。

6.按照权利要求5所述的一种具有可变柔度方向的刚柔耦合装置，其特征在于：平面弹簧片为平行四边形弹簧片。

7.按照权利要求1所述的一种具有可变柔度方向的刚柔耦合装置，其特征在于：驱动装置为电机，电机和转动件分别位于机架两侧，电机连接于转动件。

8.一种机械臂，其特征在于：包括如权利要求1-7中任一项所述的具有可变柔度方向的刚柔耦合装置。