CN115978157A - 一种自适应调节边界约束的双向恒力机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及恒力控制技术领域的一种自适应调节边界约束的双向恒力机构，包括第一杆件、第二杆件、第三杆件、第一平面、第二平面和第三平面；其中，第一杆件的一端连接第一平面，另一端连接第二杆件；第三杆件一端可沿第二平面相对滑动，另一端连接第二杆件的一端；第二杆件与第三杆件的连接处与第三平面接触但不连接。第三平面使得机构在受拉和受压时受到不同的边界约束，进而可对参与受力的构件进行限制/选择，有利于将机构的受拉性能和受压性能分别设计，达到在受拉和受压两个方向都可以获得恒力的效果。本发明结构简单、易于设计，可应用于机械手末端/训练器材等需要双向恒力的机构中，达到节约成本、节省空间的目的。

Description

一种自适应调节边界约束的双向恒力机构

技术领域

本发明涉及恒力控制技术领域，特别涉及一种自适应调节边界约束的双向恒力机构。

背景技术

恒力机构是一类能够提供稳定的接近于恒定的输出力的传动装置。在恒力区间内，机构的静态刚度接近于0，其输出力不随着压缩位移的变化而改变。这一特性不符合胡克定律，也正是恒力机构与工程中常见的弹性机构的本质力学区别。这种独特的性质使得恒力机构在很多领域有着独特而不可获取的应用，例如可以通过恒力机构有效降低施加于物体上的冲击，在机器人、航天器领域得到广泛应用，例如应用于轮廓检测、机械夹持和机器人末端执行机构运动等。

目前的恒力机构都只能在一个方向上提供恒力，比如在拉的方向或者压的方向提供恒力，但是不能够在拉和压的方向都提供恒力。Liu,Y.,D.-p.Yu和J.Yao于2016年发表在Mechanism and Machine Theory期刊上的题为Design of an adjustable cam basedconstant force mechanism的文章中提出了一种可调的恒力机构。这个恒力机构由互相垂直的两个线性弹簧、一个CAM机构，滚轮和固定边界构成。对CAM机构的轮廓进行仔细的设计，可以使得这个机构在压力的方向输出恒力。在拉力作用下，CAM机构与竖直方向的弹簧脱离，只有水平方向的线性弹簧承受拉力，整个机构不具有恒力特性。此外，PatriceLambert和Just L.Herder与2017年发表在New Trends in Mechanism and MachineScience上的题为An Adjustable Constant Force Mechanism Using Pin Joints andSprings的文章提出了一种带销钉和弹簧的可调节的恒力机构，通过合理设计，这个机构在受压时，可表现出恒力的特性，但是在受拉时，这个机构不可能出现恒力的情况。

上述文献中的恒力机构都是只能在拉力或者压力的方向具有恒力特性，不能在两个方向同时具有恒力特性，这极大限制了恒力机构的使用场景。比如，机器人末端执行机构运动时，当需要同时实现握和拉的操作时，就需要设置一个机构来实现握的操作(提供压力)，再设置另一个机构来实现拉的操作(提供拉力)，这就增加了操作的复杂性。

发明内容

为了解决现有恒力机构仅能在一个方向提供恒力的技术问题，本发明中披露了一种自适应调节边界约束的双向恒力机构，通过灵活的第三平面使得机构在受拉和受压时受到不同的边界约束，进而可对参与受力的构件进行限制/选择，有利于将机构的受拉性能和受压性能分别设计，达到在受拉和受压两个方向都可以获得恒力的效果，在受拉时第三平面不参与受力，拉力传递至所有的杆件然后传递至第二平面；在受压时第三平面参与受力，限制了第一杆件和第二杆件的受力。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种自适应调节边界约束的双向恒力机构，包括第一杆件、第二杆件、第三杆件、第一平面、第二平面和第三平面；第一杆件的一端连接第一平面，另一端连接第二杆件；

第三杆件一端可沿第二平面相对滑动，另一端连接第二杆件的一端；

第二杆件与第三杆件的连接处与第三平面接触但不连接。

优选地，所述第一杆件、第二杆件和第三杆件为柔性杆件。

优选地，所述第一杆件与水平面的夹角为60-90°，所述第三杆件与水平面的夹角为60-90°。

优选地，所述第一杆件与所述第三杆件平行。

优选地，还包括系杆，所述系杆一端连接第一杆件，另一端连接第二杆件。

优选地，所述第一杆件数量为2、所述第二杆件数量为2，所述第三杆件数量为2，所述第三平面数量为2。

优选地，所述第一杆件包括第一部分杆件和第二部分杆件；

其中，所述第二部分杆件一端连接第一部分杆件，另一端连接第一平面；

第一部分杆件连接第二杆件。

一种自适应调节边界约束的双向恒力机构，包括第一杆件、第二杆件、第三杆件、第一平面、第二平面和第三平面；其特征在于，第一杆件的一端连接第一平面，另一端连接第二杆件；

第三杆件一端可沿第二平面相对滑动，另一端连接第二杆件的一端；

第一杆件与第二杆件的连接处与第三平面接触但不连接。

本发明结构简单、易于设计，可应用于机械手末端/训练器材等需要双向恒力的机构中，达到节约成本、节省空间的目的。

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种实施例，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获得其他的附图。

图1为实施例1的结构示意图；

图2为实施例1的受力变形曲线图；

图3为实施例2的基本单元结构示意图；

图4为实施例2的结构示意图；

图5为实施例3的结构示意图；

图6为实施例4的结构示意图；

图7为实施例5的结构示意图。

在上述附图中，各图号标记分别表示：

1，第一杆件；

1-1，第一部分杆件；1-2，第二部分杆件；

2，第二杆件；

3，第三杆件；

4，系杆；

5，第一平面；

6，第二平面；

7，第三平面；

F，拉力；

F'，压力。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例及实施例的附图，对本发明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。

实施例1

在一种具体的实施例1中，如图1所示，一种自适应调节边界约束的双向恒力机构，包括：第一杆件1、第二杆件2、第三杆件3、第一平面5、第二平面6、第三平面7；

其中，第一杆件1的一端连接第一平面5，另一端连接第二杆件2；第三杆件3一端可沿第二平面6相对滑动，另一端连接第二杆件2的一端；第二杆件2与第三杆件3的连接处与第三平面接触但不连接。

当在第三杆件3的滑动端施加一个向下的拉力F时，拉力F经由第三杆件3、传递至第二杆件2和第一杆件1，再传递到第一平面5，在这种情况下，第一杆件1、第二杆件2和第三杆件3都是主要受力构件。当在第三杆件3的滑动端施加一个向上的压力F'时，第二杆件2与第三杆件3的连接处接触到第三平面7，把全部或部分压力传递至第三平面7，第三平面7阻碍第二杆件2与第三杆件3的连接处向上移动，在这种情况下，压力F'主要是由第三杆件3承担并传递至第三平面7，第二杆件2和第一杆件1参与承担的力较小。

对第一杆件1、第二杆件2和第三杆件3进行合理设计，使得此机构在第三杆件3的滑动端受拉和受压两种情况时，机构的输出力都是恒力。如图2所示，根据需要的恒力大小，对机构各个杆件进行设计，此为本领域技术人员的公知常识。本实施例1仅对发明构思进行阐述。本实施例可根据具体应用需求，来对拉压两个方向的恒力输出水平进行设计，相同或者不相同均可。

实施例2

在一种优选的实施例2中，如图3和图4所示，一种自适应调节边界约束的双向恒力机构，包括：2个第一杆件1、2个第二杆件2、2个第三杆件3、1个第一平面5、1个第二平面6和2个第三平面7；

第一平面5与第一杆件1的连接点为第一连接点，第一杆件1与第二杆件2的连接点为第二连接点，第二杆件2和第三杆件3的连接点为第三连接点，第三杆件3与第二平面6的连接点为第四连接点。

本实施例2施加外力的方向与第二连接点(第一杆件1的边界约束端)和第四连接点(第三杆件3的边界约束端)的连线在同一直线上。将这个设计作为基本单元(基本单元如图3所示)成对设计，形成图4的结构。

本实施例2有赖于实施例1的原理实现，不同点在于，第二平面6为虚拟的平面，2个第三杆件3的下端连接在一起，各自为对方提供限位固定的作用，因为基本单元结构对称，因此2个第三杆件3的下端可沿着虚拟的第二平面6同时滑动。

2个第一杆件1共用1个第一平面5，两个第三杆件3共用1个第二平面6；

在第三杆件3的下端施加拉力F或者压力F'时，由于结构是对称的，第三杆件3的下端会竖直向上或向下运动。

本实施例中，无论是左半边的恒力结构还是右半边的恒力结构，都与实施例1相同。因此可看作2个实施例1的结构左右对称组合。

理论上说，第三杆件3的下端可不设置限定其做竖直滑动的第二平面6。在实际应用中，也可在第三杆件3下端增加设置第二平面6，并通过滑动连接将第三杆件3的下端连接到第二平面6，以确保第三杆件3下端做竖直运动。

实施例3

在一种具体的实施例3中，如图5所示，在一种优选的实施例2中，如图4所示，一种自适应调节边界约束的双向恒力机构，包括：2个第一杆件1、2个第二杆件2、2个第三杆件3、1个第一平面5、1个第二平面6和2个第三平面7；

第一杆件1包括第一部分杆件1-1和第二部分杆件1-2；

第一部分杆件1-1一端连接第二杆件2，另一端连接第二部分杆件1-2；

第二部分杆件1-2的头端连接第一平面5；

本实施例有赖于实施例2的原理实现，不同点在于，第一杆件1为V形的双节杆件构造。第二部分杆件1-2一端连接第一部分杆件1-1，另一端固定连接或铰接第一平面5。

这样设计的好处在于，可以方便地将两个第三平面7和第一平面5连在一起作为一个整体约束，使得整个结构设计更加简洁。此外，第二部分杆件1-2也可设计为与其他机构之间的连接件。

实施例4

在一种优选的实施例4中，如图6所示，一种自适应调节边界约束的双向恒力机构，包括：第一杆件1、第二杆件2、第三杆件3、第一平面5、第二平面6、第三平面7；

第一杆件1的一端连接第一平面5，另一端连接第二杆件2；第三杆件3一端可沿第二平面6相对滑动，另一端连接第二杆件2的一端；第二杆件2与第三杆件3的连接处与第三平面接触但不连接。

第一杆件1与第三杆件3平行。

第一杆件1与第三杆件3之间设置有系杆4。

本实施例在实施例1的基础上，增加了系杆4，并限定了第一杆件1和第三杆件3是平行的，这样设计的好处是，系杆45可沿着第一杆件1和第三杆件3上下移动。系杆45的作用是调整机构的输出力，随着系杆45沿着第一杆件1和第三杆件3向下移动，整个机构的刚度逐渐增大，进而整个机构的输出力逐渐增大，随着系杆45沿着第一杆件1和第三杆件3向上移动，整个机构的刚度逐渐减小，进而整个机构的输出力逐渐减小。

实施例5

在一种具体的实施例5中，如图7所示，如图1所示，一种自适应调节边界约束的双向恒力机构，包括：第一杆件1、第二杆件2、第三杆件3、第一平面5、第二平面6、第三平面7；

其中，第一杆件1的一端连接第一平面5，另一端连接第二杆件2；第三杆件3一端可沿第二平面6相对滑动，另一端连接第二杆件2的一端；第二杆件2与第一杆件1的连接处与第三平面接触但不连接。

实施例5与实施例1的区别在于，第三平面7设置在第一杆件1和第二杆件2连接处。当在第三杆件3的滑动端施加一个向下的拉力F时，拉力F经由第三杆件3、传递至第二杆件2和第一杆件1，再传递到第一平面5，在这种情况下，第一杆件1、第二杆件2和第三杆件3都是主要受力构件。当在第三杆件3的滑动端施加一个向上的压力F'时，第三杆件3带动第二杆件2向上移动，进而第二杆件2与第一杆件1的连接处接触到第三平面7，把全部/部分压力传递至第三平面7，第三平面7阻碍第一杆件1向上移动，在这种情况下，压力F'主要是由第三杆件3和第二杆件2承担并传递至第三平面7，第一杆件1参与承担的力较小。

Claims (8)

1.一种自适应调节边界约束的双向恒力机构，包括第一杆件、第二杆件、第三杆件、第一平面、第二平面和第三平面；其特征在于，第一杆件的一端连接第一平面，另一端连接第二杆件；

第三杆件一端可沿第二平面相对滑动，另一端连接第二杆件的一端；

第二杆件与第三杆件的连接处与第三平面接触但不连接。

2.根据权利要求1上所述的一种自适应调节边界约束的双向恒力机构，其特征在于，所述第一杆件、第二杆件和第三杆件为柔性杆件。

3.根据权利要求2上所述的一种自适应调节边界约束的双向恒力机构，其特征在于，所述第一杆件与水平面的夹角为60-90o，所述第三杆件与水平面的夹角为60-90o。

4.根据权利要求3上所述的一种自适应调节边界约束的双向恒力机构，其特征在于，所述第一杆件与所述第三杆件平行。

5.根据权利要求4上所述的一种自适应调节边界约束的双向恒力机构，其特征在于，还包括系杆，所述系杆一端连接第一杆件，另一端连接第二杆件。

6.根据权利要求1-2任一所述一种自适应调节边界约束的双向恒力机构，其特征在于，所述第一杆件数量为2、所述第二杆件数量为2，所述第三杆件数量为2，所述第三平面数量为2。

7.根据权利要求6所述的一种自适应调节边界约束的双向恒力机构，其特征在于，所述第一杆件包括第一部分杆件和第二部分杆件；

其中，所述第二部分杆件一端连接第一部分杆件，另一端连接第一平面；

第一部分杆件连接第二杆件。

8.一种自适应调节边界约束的双向恒力机构，包括第一杆件、第二杆件、第三杆件、第一平面、第二平面和第三平面；其特征在于，第一杆件的一端连接第一平面，另一端连接第二杆件；

第三杆件一端可沿第二平面相对滑动，另一端连接第二杆件的一端；

第一杆件与第二杆件的连接处与第三平面接触但不连接。

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