CN114888843A - 一种基于摩擦锁死的关节变刚度方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于摩擦锁死的关节变刚度方法及装置，属于机械连接关节的驱动技术领域。关节包括第一关节、第二关节、……、第N关节，其中，N≥2，且N个关节串联连接，所述方法包括：设置一根刚度控制线，使所述刚度控制线分别经过所述N个关节的旋转中心；将所述刚度控制线的一端固定在第N关节上，通过所述刚度控制线的另一端施加拉力，改变各关节间的接触正压力，从而改变各关节间的摩擦力，进而改变各关节的旋转刚度。本发明还提供了一种基于摩擦锁死的关节变刚度装置。相比现有技术，本发明具有简单、可移植性高、可靠性高及刚度变化范围大的优势。

Description

一种基于摩擦锁死的关节变刚度方法及装置

技术领域

本发明属于机械连接关节的驱动技术领域，更具体地，涉及一种基于摩擦锁死的关节变刚度方法及装置。

背景技术

现在柔性机械的发展非常迅速，且为机械的一大发展方向，柔性机械因为其刚度低，在重载的情况下，常因为变形过大而失去对物体的支撑能力及对物体位置的保持能力，通过变刚度方法可以在需要承载时增大柔性机械的刚度实现对重物的支持。

现有技术中，常用的变刚度方法包括层干扰、层阻塞、静电吸附等，层干扰、层阻塞的方法，需要通过控制机构内部的气压，装置复杂，且数十层的摩擦层或摩擦颗粒的加工也会十分困难；静电吸附同层干扰、层阻塞一样，需要控制机构内部的电场强度，也需要复杂的驱动装置，机构限制较范围较大。还有一部分现有技术采用磁变流体、记忆金属进行变刚度，对加工材料的要求比较高。同时，上述方法由于机构复杂或加工材料要求高等特点，导致可靠性不高，并且可移植性低的缺点。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于摩擦锁死的关节变刚度方法及装置，其目的在于降低现有变刚度方法的复杂度。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于摩擦锁死的关节变刚度方法，所述关节包括第一关节、第二关节、……、第N关节，其中，N≥2，且N个关节串联连接，所述方法包括：

设置一根刚度控制线，使所述刚度控制线分别经过所述N个关节的旋转中心；

将所述刚度控制线的一端固定在第N关节上，通过所述刚度控制线的另一端施加拉力，改变各关节间的接触正压力，从而改变各关节间的摩擦力，进而改变各关节的旋转刚度。

进一步地，还包括给所述刚度控制线施加预紧力，使所述刚度控制线处于绷直状态时，分别经过所述N个关节的旋转中心。

进一步地，所述刚度控制线的一端固定在所述第N关节的旋转中心处。

进一步地，所述刚度控制线为凯夫拉线，碳纤维线或钢丝线。

进一步地，在所述各关节的旋转中心处分别设有固定机构，在所述固定机构上设有穿线孔，所述穿线孔与所述N个关节的旋转中心一致。

按照本发明的第二个方面，提供了一种基于摩擦锁死的关节变刚度装置，包括N个串联连接的关节、刚度控制线及拉力控制机构；

所述N个串联连接的关节包括：第一关节、第二关节、……、第N关节，其中，N≥2，所述刚度控制线分别经过所述N个关节的旋转中心，且所述刚度控制线的一端固定在第N关节上，另一端与所述拉力控制机构相连；

通过所述拉力控制机构为所述刚度控制线施加拉力，改变各关节间的接触正压力，从而改变各关节间的摩擦力，进而改变各关节的旋转刚度。

进一步地，所述N个串联连接的关节为N个串联连接的球关节或平面关节。

进一步地，所述N个串联连接的平面关节为被动适应柔性手指或主动夹取柔性手指。

进一步地，所述被动适应柔性手指包括两个手指爪、可控滑台及运动控制线，所述两个手指爪的一端固定在所述可控滑台上，每个手指爪包括N个串接的平面关节，在所述平面关节的外侧设有穿线孔，所述运动控制线依次穿过所述穿线孔分别固定在第一平面关节和第N平面关节上；

每个手指爪通过一根刚度控制线控制，所述刚度控制线经过所述手指爪各平面关节的旋转中心。

进一步地，所述主动夹取柔性手指包括两个手指爪、基座、运动控制线及线长控制机构，所述两个手指爪的一端固定在所述基座上，每个手指爪包括N个串接的平面关节，在所述平面关节的外侧设有穿线孔，所述运动控制线依次穿过所述穿线孔分别固定在第N平面关节和所述线长控制机构上；

每个手指爪通过一根刚度控制线控制，所述刚度控制线经过所述手指爪各平面关节的旋转中心。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明的方法和装置，仅用一根刚度控制线依次通过各关节的旋转中心，使刚度控制线的一端固定在末端关节上，另一端施加拉力，改变各关节间的接触正压力，从而改变各关节间的摩擦力，就可以改变各关节的旋转刚度，相比现有技术复杂的控制结构，本发明的控制方法极其简单；并且本发明的控制方法没有额外的约束限制，不限于关节的驱动方式是主动还是被动，可移植性高。

(2)本发明的方法和装置，由于刚度控制线仅通过各关节的旋转中心，在刚度控制线拉力变化的过程中不会对关节施加弯曲的扭矩，从而实现改变刚度时不会改变关节当前姿态，可靠性高。

(3)本发明的方法和装置，由于刚度与摩擦力成正相关，摩擦力与正压力成正相关，正压力与刚度控制线的拉力成正相关，因此，当刚度控制线的拉力足够大，能实现由小刚度到大刚度的变化，即相比现有技术，刚度变化范围大。

(4)本发明的方法和装置，对刚度控制线材料的无特殊要求，可根据应用场景来确定使用的材料。

附图说明

图1为本发明实施例1中串联的球关节结构的立体示意图。

图2为本发明实施例1中串联的球关节结构的剖视图。

图3为本发明实施例1中串联的球关节结构的正视图。

图4为本发明实施例1中球关节杆的半剖视图。

图5为本发明实施例1中球关节杆的正视图。

图6为本发明实施例2中被动适应柔性手指的立体示意图。

图7为本发明实施例2中被动适应柔性手指的剖视图。

图8为本发明实施例2中被动适应柔性手指的正视图。

图9是本发明实施例2中的平面关节杆的正视图。

图10为本发明实施例3中主动夹取柔性手指的立体示意图。

图11为本发明实施例3中主动夹取柔性手指的剖视图。

图12为本发明实施例3中主动夹取柔性手指的正视图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

110-球关节杆，111-半球关节杆，112-支架，113-紧固螺丝，120-刚度控制线，200-手指爪，210-平面关节杆，211-半平面关节杆，230-被动运动控制线，240-可控滑台，330-主动运动控制线，340-绞线机；

111.1-半球关节外圈，111.2-半球关节内圈，111.3-圆锥环；

211.1-半平面关节外圈，211.2半平面关节内圈，211.3-半方壳环，211.4-穿线孔，211.5-运动控制穿线孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

本发明提供了一种基于摩擦锁死的关节变刚度方法，该关节包括第一关节、第二关节、……、第N关节，其中，N≥2，且N个关节串联连接，方法包括：

设置一根刚度控制线，使刚度控制线分别经过N个关节的旋转中心；

将刚度控制线的一端固定在第N关节上，通过刚度控制线的另一端施加拉力，改变各关节间的接触正压力，从而改变各关节间的摩擦力，进而改变各关节的旋转刚度。

作为优选，使刚度控制线分别经过N个关节的旋转中心之间，给刚度控制线施加预紧力，使刚度控制线处于绷直状态。

作为优选，刚度控制线的一端固定在第N关节的旋转中心处。

作为优选，在各关节的旋转中心处分别设有固定机构，在固定机构上设有穿线孔，穿线孔与N个关节的旋转中心一致。本实施例中，固定机构为支架。

刚度控制线可以根据实际应用场景，选择不同的材料，作为优选，可以是凯夫拉线，碳纤维线，钢丝线。

本发明提供这种变刚度方法，当刚度控制线在受力绷紧时，刚度控制线穿过各关节的旋转中心，则刚度控制线对各关节的作用力以及对相邻关节间的压力都通过关节的旋转中心，从而在刚度控制线拉力的作用下，关节不会受到额外的旋转力矩，拉力只改变改变各关节间的接触正压力，改变各关节间的接触正压力，而改变了各关节间的接触正压力，能够改变各关节间的最大摩擦力，进而改变关节的刚度。同时，由于关节不会受到额外的旋转力矩，因而也不会改变关节的旋转角度，即改变刚度时不会改变关节当前姿态，可以实现在增加刚度的同时，实现关节的锁死。

由于刚度与摩擦力成正相关，摩擦力与正压力成正相关，正压力与刚度控制线的拉力成正相关，当刚度控制线的拉力足够大，能实现由小刚度到很大刚度的变化。

本发明还提供了一种基于摩擦锁死的关节变刚度装置，包括N个串联连接的关节、刚度控制线及拉力控制机构；

N个串联连接的关节包括：第一关节、第二关节、……、第N关节，其中，N≥2，刚度控制线分别经过N个关节的旋转中心，且刚度控制线的一端固定在第N关节上，另一端与拉力控制机构相连；

通过拉力控制机构为刚度控制线施加的拉力，改变各关节间的接触正压力，从而改变各关节间的摩擦力，进而改变各关节的旋转刚度。

作为优选，刚度控制线的一端固定在第N关节的旋转中心处。

作为优选，在各关节的旋转中心处分别设有固定机构，在固定机构上设有穿线孔，穿线孔与N个关节的旋转中心一致。本实施例中，固定机构为支架。

刚度控制线可以根据实际应用场景，选择不同的材料，作为优选，可以是凯夫拉线，碳纤维线，钢丝线。

N个串联连接的关节为N个串联连接的球关节或平面关节。

实施例1

如图1-3所示，摩擦变刚度球关节包括三个串联连接的球关节杆110，刚度控制线120依次穿过三个球关节杆110的旋转中心，一端固定在末端关节杆上，另一端连接拉力控制机构(图中未显示拉力控制机构)。

作为优选，刚度控制线的一端直接与末端关节杆的旋转中心固定连接，可以减小对末端关节的压力。

具体的，如图4所示，每个球关节杆110包括两个半球关节杆111，在每个半球关节杆上设有螺纹孔，两个半球关节杆通过紧固螺丝113栓接。本实施例中，每个半球关节杆上设有四个螺纹孔，配合紧固螺丝来将两个半球关节杆栓接成球关节杆。

作为优选，在每个球关节杆的旋转中心设有支架112，在支架上设有穿线孔，穿线孔与三个关节的旋转中心一致，刚度控制线通过该穿线孔经过三个关节的旋转中心。

如图5所示，每个半球关节杆分为半球关节外圈111.1和半球关节内圈111.2，外圈和内圈之间通过圆锥环111.3连接。本实施例中，半球关节的上部为外圈，半球关节的下部为内圈。

作为优选，在两个半球面内圈的内表面上还各设计有两个榫卯孔，支架112上设有对应的四个榫卯凸台，榫卯孔和榫卯凸台榫接在半球关节杆上。

在本实施例中，三个球关节杆依次通过球关节外圈配合球关节内圈顺序相连，在主动的驱动力或被动的反力的作用下各关节会发生转角的变化，当转角满足工况场景要求时，拉紧或放松刚度控制线，便可实现对刚度的控制。

实施例2

本实施例中，多个串联连接的平面关节为被动适应柔性手指。如图6-8所示，该柔性手指包括两个手指爪200、可控滑台240及被动运动控制线230，两个手指爪的一端固定在可控滑台上，另一端不受物体反力作用时，在重力的作用下处于自然伸直状态，当需要夹持物体时，两个手指爪的这两端在被动运动控制线及物体反力的作用下使手指爪弯曲形成弧形夹持部，进而包裹住物体；每个手指爪包括八个串接的平面关节杆210，其中，每个手指爪的第一平面关节杆固定在可控滑台上，可控滑台用于为两个手指爪提供被动的驱动力使两个手指爪能够靠近或远离；在平面关节杆的外侧设有运动控制穿线孔211.5，被动运动控制线230依次穿过穿线孔，一端固定在第一平面关节杆上，另一端固定在末端平面关节杆上；

两个手指爪分别通过不同的刚度控制线进行刚度控制，即一根刚度控制线分别经过一个手指爪的各平面关节的旋转中心。

如图9所示，每个平面关节杆包括两个半平面关节杆211，两个半平面关节杆栓接。

每个半平面关节杆分为半平面关节外圈211.1和半平面关节内圈211.2，外圈和内圈之间通过半方壳环211.3连接。本实施例中，半平面关节的上部为外圈，半平面关节的下部为内圈。

在内圈的内部设有约束刚度控制线通过关节旋转中心的穿线孔211.4，八个平面关节的穿线孔与八个平面关节的旋转中心一致，刚度控制线通过穿线孔分别经过八个平面关节的旋转中心。

工作时，在刚度控制线放松的情况，即刚度控制线上的预紧力较小，处于低刚度状态时，两根手指在可控滑台的拖动下靠近需要夹取的物体时，由于物体的反力的作用以及两根被动运动控制线的约束，低刚度的各关节的转角会自适应的变化最终包裹住需要抓取的物体，当转角满足工况要求时，拉紧刚度控制线，便可实现对物体的夹持。主要特点在于，当刚度控制线拉力较小时，手指的刚度较低，能较好的包覆住物体，而刚度控制线拉紧后手指能保持当前的位置不变而让物体无法脱离机械手的抓取。

实施例3

与实施例2不同的是，本实施例中，多个串联连接的平面关节为主动夹取柔性手指。如图10-12所示，该主动夹取柔性手指包括两个手指爪、基座、主动运动控制线330及线长控制机构，两个手指爪的一端固定在基座上，另一端不受物体反力作用时，在重力的作用下处于自然伸直状态，当需要夹持物体时，两个手指爪的这两端在主动运动控制线的牵引及物体反力作用下弯曲形成弧形夹持部，进而包裹住物体；每个手指爪包括八个串接的平面关节杆，其中，每个手指爪的第一平面关节杆固定在基座上，在平面关节的外侧设有主动运动控制穿线孔，主动运动控制线依次穿过穿线孔，一端固定在最后一个平面关节上，另一端固定在线长控制机构上，本实施例中，线长控制机构为绞线机340，同时绞线机也作为拉力控制机构，既能控制旋转的角度，也能控制输出的力矩。

同实施例2相同，两个手指爪分别通过不同的刚度控制线进行刚度控制，即一根刚度控制线分别经过一个手指爪的各平面关节的旋转中心。

工作时，在刚度控制线放松的情况下，由绞线机的牵引，主动运动控制线带动手指发生弯曲运动，同时在被抓取物体的反力作用下夹持住物体，再通过绞线机对刚度控制线拉紧，实现对物体的夹取。主要特点在于，相对于实施例2，主动的抓取能在兼具顺应性的情况下让抓取的范围更大，并同时也能实现对手指的锁死。

本发明的装置还包括其它应用形式：比如用多个球关节杆串接而成一根便携式多功能杆，当处于存储状态时可以通过折叠的方式将多功能杆折叠成块状，并拉紧刚度控制线，使其固化来方便携带或运输；当需要工作时，可将其折叠成所需的形状，再拉紧刚度控制线固化成一些日常工具。

需要说明的是，本发明的控制方法中，控制手指变形的方法可以是气动、液动等常用方式。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于摩擦锁死的关节变刚度方法，其特征在于，所述关节包括第一关节、第二关节、……、第N关节，其中，N≥2，且N个关节串联连接，所述方法包括：

设置一根刚度控制线，使所述刚度控制线分别经过所述N个关节的旋转中心；

将所述刚度控制线的一端固定在第N关节上，通过所述刚度控制线的另一端施加拉力，改变各关节间的接触正压力，从而改变各关节间的摩擦力，进而改变各关节的旋转刚度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括给所述刚度控制线施加预紧力，使所述刚度控制线处于绷直状态时，分别经过所述N个关节的旋转中心。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述刚度控制线的一端固定在所述第N关节的旋转中心处。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述刚度控制线为凯夫拉线，碳纤维线或钢丝线。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述各关节的旋转中心处分别设有固定机构，在所述固定机构上设有穿线孔，所述穿线孔与所述N个关节的旋转中心一致。

6.一种基于摩擦锁死的关节变刚度装置，其特征在于，包括N个串联连接的关节、刚度控制线及拉力控制机构；

所述N个串联连接的关节包括：第一关节、第二关节、……、第N关节，其中，N≥2，所述刚度控制线分别经过所述N个关节的旋转中心，且所述刚度控制线的一端固定在第N关节上，另一端与所述拉力控制机构相连；

通过所述拉力控制机构为所述刚度控制线施加拉力，改变各关节间的接触正压力，从而改变各关节间的摩擦力，进而改变各关节的旋转刚度。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述N个串联连接的关节为N个串联连接的球关节或平面关节。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述N个串联连接的平面关节为被动适应柔性手指或主动夹取柔性手指。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述被动适应柔性手指包括两个手指爪、可控滑台及运动控制线，所述两个手指爪的一端固定在所述可控滑台上，每个手指爪包括N个串接的平面关节，在所述平面关节的外侧设有穿线孔，所述运动控制线依次穿过所述穿线孔分别固定在第一平面关节和第N平面关节上；

每个手指爪通过一根刚度控制线控制，所述刚度控制线经过所述手指爪各平面关节的旋转中心。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述主动夹取柔性手指包括两个手指爪、基座、运动控制线及线长控制机构，所述两个手指爪的一端固定在所述基座上，每个手指爪包括N个串接的平面关节，在所述平面关节的外侧设有穿线孔，所述运动控制线依次穿过所述穿线孔分别固定在第N平面关节和所述线长控制机构上；

每个手指爪通过一根刚度控制线控制，所述刚度控制线经过所述手指爪各平面关节的旋转中心。

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