CN204450579U - 刚性驱动、柔顺调控的自适应机器人关节 - Google Patents
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Abstract
一种刚性驱动、柔顺调控的自适应机器人关节,该关节位于机器人的前杆和后杆的连接处,所述自适应机器人关节包括磁流变柔顺控制器和磁控变刚度驱动器,磁流变柔顺控制器包括密封腔体、第一齿轮、第二齿轮和电磁线圈,所述密封腔体内填充磁流变液,第一齿轮轴固定安装在所述前杆的下部;磁控变刚度驱动器包括电机、旋转磁铁摩擦片、离合器腔体、弹簧、弹簧端摩擦片和离合器传动轴,所述第二齿轮轴固定在所述后杆的上部,所述第二齿轮轴与所述离合器传动轴呈相互垂直,所述第二齿轮轴上安装第二伞轮,所述第二伞轮与所述第一伞轮啮合。本实用新型提供一种同时具备刚性、被动柔性、主动柔性的刚性驱动、柔顺调控的自适应机器人关节。
Description
技术领域
本实用新型涉及机器人领域,尤其是一种机器人关节。
背景技术
目前,机器人的转动关节驱动原理主要包括两类。一类是通过电机驱动,通过齿轮、绳索、滑轮等传动,这类关节具有较好的刚性及被动柔性,但是不具备主动柔性;另一类是通过流体驱动,这类关节具有较好的主动柔性,但是刚性表现不足。然而,机器人尤其是机器人灵巧手在进行抓、握操作时,一方面需要其根据抓、握对象的不同保持足够的抓持力,并根据需要实时调整抓持力;另一方面又需要其具有较好的主动柔性来保证其本质安全性,同时还要保证被抓、握对象的安全性、舒适性。这就要求机器人仿人灵巧手需要同时具备刚性、被动柔性、主动柔性三种特性。
发明内容
为了克服已有机器人关节的无法同时具备刚性、被动柔性、主动柔性的不足,本实用新型提供一种同时具备刚性、被动柔性、主动柔性的刚性驱动、柔顺调控的自适应机器人关节。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种刚性驱动、柔顺调控的自适应机器人关节,该关节位于机器人的前杆和后杆的连接处,所述自适应机器人关节包括磁流变柔顺控制器和磁控变刚度驱动器,
所述磁流变柔顺控制器包括密封腔体、第一齿轮、第二齿轮和电磁线圈,所述密封腔体内填充磁流变液,所述密封腔体内设置第一齿轮和第二齿轮,所述第一齿轮和第二齿轮啮合,所述第一齿轮的第一齿轮轴、第二齿轮的第二齿轮轴均分别伸出所述密封腔体,所述密封腔体的侧边安装用以改变密封腔体内磁场强度的电磁线圈,所述第一齿轮轴固定安装在所述前杆的下部;
所述磁控变刚度驱动器包括电机、旋转磁铁摩擦片、离合器腔体、弹簧、弹簧端摩擦片和离合器传动轴,所述电机固定安装在所述后杆内,所述电机的输出轴上安装所述旋转磁铁摩擦片,所述旋转磁铁摩擦片为具有调节磁场强度功能的旋转电磁铁,所述旋转磁铁摩擦片与弹簧端摩擦片正对,所述弹簧端摩擦片与离合器传动轴一端连接,所述离合器传动轴的中部安装在离合器腔体上,靠近弹簧端摩擦片侧的离合器传动轴上套装弹簧,所述弹簧一端连接在离合器腔体内,所述弹簧的另一端与弹簧端摩擦片连接;所述离合器传动轴的另一端安装第一伞轮;
所述第二齿轮轴固定在所述后杆的上部,所述第二齿轮轴与所述离合器传动轴呈相互垂直,所述第二齿轮轴上安装第二伞轮,所述第二伞轮与所述第一伞轮啮合。
进一步,所述前杆的下部开有下凹槽,所述密封腔体的上部伸入所述下凹槽内,所述电磁线圈位于下凹槽底部。
再进一步,所述后杆的上部开有上凹槽,所述电机位于所述上凹槽的底部,所述离合器腔体位于上凹槽的中部,所述第二齿轮轴位于所述上凹槽的上部。
更进一步,所述离合器腔体的下部设有开口朝下的圆柱形槽,所述圆柱形槽的内径比所述旋转磁铁摩擦片、弹簧端摩擦片大,所述旋转磁铁摩擦片和弹簧端摩擦片大小相等,所述旋转磁铁摩擦片、弹簧端摩擦片和弹簧依次位于所述圆柱形槽内。
本实用新型的有益效果主要表现在:同时具备刚性、被动柔性、主动柔性的刚性驱动、柔顺调控。
附图说明
图1是刚性驱动、柔顺调控的自适应机器人关节的结构图。
图2是自适应机器人关节弯曲工作状态示意图。
图3是磁流变柔顺控制器的结构示意图。
图4是磁控变刚度驱动器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步描述。
参照图1~图4,一种刚性驱动、柔顺调控的自适应机器人关节,该关节位于机器人的前杆1和后杆2的连接处,所述自适应机器人关节包括磁流变柔顺控制器和磁控变刚度驱动器,
所述磁流变柔顺控制器包括密封腔体3、第一齿轮4、第二齿轮5和电磁线圈6,所述密封腔体3内填充磁流变液7,所述密封腔体1内设置第一齿轮4和第二齿轮5,所述第一齿轮4和第二齿轮5啮合,所述第一齿轮4的第一齿轮轴8、第二齿轮5的第二齿轮轴9均分别伸出所述密封腔体,所述密封腔体3的侧边安装用以改变密封腔体内磁场强度的电磁线圈6,所述第一齿轮轴8固定安装在所述前杆1的下部;
所述磁控变刚度驱动器包括电机10、旋转磁铁摩擦片11、离合器腔体12、弹簧13、弹簧端摩擦片14和离合器传动轴15,所述电机10固定安装在所述后杆2内,所述电机10的输出轴上安装所述旋转磁铁摩擦片11,所述旋转磁铁摩擦片11为具有调节磁场强度功能的旋转电磁铁,所述旋转磁铁摩擦片11与弹簧端摩擦片12正对,所述弹簧端摩擦片12与离合器传动轴15一端连接,所述离合器传动轴15的中部安装在离合器腔体12上,靠近弹簧端摩擦片侧的离合器传动轴15上套装弹簧13,所述弹簧13一端连接在离合器腔体12内,所述弹簧13的另一端与弹簧端摩擦片14连接;所述离合器传动轴15的另一端安装第一伞轮16;
所述第二齿轮轴9固定在所述后杆2的上部,所述第二齿轮轴9与所述离合器传动轴15呈相互垂直,所述第二齿轮轴9上安装第二伞轮17,所述第二伞轮17与所述第一伞轮16啮合。
进一步,所述前杆1的下部开有下凹槽,所述密封腔体3的上部伸入所述下凹槽内,所述电磁线圈6位于下凹槽底部。
再进一步,所述后杆2的上部开有上凹槽,所述电机10位于所述上凹槽的底部,所述离合器腔体12位于上凹槽的中部,所述第二齿轮轴9位于所述上凹槽的上部。
更进一步,所述离合器腔体12的下部设有开口朝下的圆柱形槽,所述圆柱形槽的内径比所述旋转磁铁摩擦片11、弹簧端摩擦片14大,所述旋转磁铁摩擦片11和弹簧端摩擦片14大小相等,所述旋转磁铁摩擦片11、弹簧端摩擦片14和弹簧13依次位于所述圆柱形槽内。
本实施例中,磁控变刚度驱动器由电机、弹簧、旋转磁铁摩擦片、弹簧端摩擦片、离合器传动轴等组成,其中旋转磁铁摩擦片是一个旋转电磁铁。当旋转磁铁摩擦片通电时,两摩擦片吸合,离合器可以传递旋转运动;当旋转磁铁摩擦片断电时,两摩擦片在弹簧的作用下分开,离合器失去传动作用;当调节旋转磁铁摩擦片的磁场强度,可以实现两摩擦片之间的有差传动,从而实现对传动比和传动刚度的无极调节。
磁流变柔顺控制器由密封腔体、第一齿轮、第二齿轮、第一齿轮轴、第二齿轮轴、电磁线圈、磁流变液组成。磁流变液受到磁场作用时会由液态向固态无极变化,磁场强度为零时磁流变液保持液态,磁场强度足够大时磁流变液转变为固态。因此,当磁场强度为零时,柔顺控制器具有零阻尼特性,为零阻尼传动部件;当磁场强度足够大时,相互啮合的两个齿轮均被固定,柔顺控制器处于完全制动状态;改变电磁线圈的电流,可以改变通过磁流变液的磁场强度,从而可以改变磁流变液的粘度,获得需要的阻尼。
本实施例的刚性驱动、柔顺调控的自适应机器人关节由磁控变刚度驱动器驱动,由第一伞轮、第二伞轮和磁流变柔顺控制器将电机的旋转运动传递至前臂,使前臂做弯曲和伸直运动。运动控制策略分析如下:
1)磁控离合器通电,摩擦片吸合,柔顺控制器的电磁线圈保持断电,此时控制电机旋转,前臂开始做弯曲或者伸直运动。该运动过程表现为刚性。
2)当运动到目标位姿后,降低磁控离合器的磁场强度,减小旋转电磁铁的吸附力,从而减小两摩擦片之间的摩擦力,柔顺控制器通电,磁流变液转变为胶态或固态,胶态或固态的磁流变液使前臂的位姿得到保持。此时,可以通过控制电磁线圈的磁场强度使磁流变液达到需要的粘稠度,从而使前臂得到需要的抓持力,抓持过程中还可以通过改变电磁线圈的磁场强度来改变抓持力。该过程表现为主动柔性。
3)当运动到目标位姿后,通过磁流变液来保持位姿,此时可以通过力反馈与相关补偿策略来协调控制磁控变刚度驱动器、柔顺控制器的接触刚度、磁流变液阻尼、运动速度与运动方向,使前臂保持有效的抓持姿势。该过程表现为被动柔性。
Claims (4)
1.一种刚性驱动、柔顺调控的自适应机器人关节,该关节位于机器人的前杆和后杆的连接处,其特征在于:所述自适应机器人关节包括磁流变柔顺控制器和磁控变刚度驱动器,
所述磁流变柔顺控制器包括密封腔体、第一齿轮、第二齿轮和电磁线圈,所述密封腔体内填充磁流变液,所述密封腔体内设置第一齿轮和第二齿轮,所述第一齿轮和第二齿轮啮合,所述第一齿轮的第一齿轮轴、第二齿轮的第二齿轮轴均分别伸出所述密封腔体,所述密封腔体的侧边安装用以改变密封腔体内磁场强度的电磁线圈,所述第一齿轮轴固定安装在所述前杆的下部;
所述磁控变刚度驱动器包括电机、旋转磁铁摩擦片、离合器腔体、弹簧、弹簧端摩擦片和离合器传动轴,所述电机固定安装在所述后杆内,所述电机的输出轴上安装所述旋转磁铁摩擦片,所述旋转磁铁摩擦片为具有调节磁场强度功能的旋转电磁铁,所述旋转磁铁摩擦片与弹簧端摩擦片正对,所述弹簧端摩擦片与离合器传动轴一端连接,所述离合器传动轴的中部安装在离合器腔体上,靠近弹簧端摩擦片侧的离合器传动轴上套装弹簧,所述弹簧一端连接在离合器腔体内,所述弹簧的另一端与弹簧端摩擦片连接;所述离合器传动轴的另一端安装第一伞轮;
所述第二齿轮轴固定在所述后杆的上部,所述第二齿轮轴与所述离合器传动轴呈相互垂直,所述第二齿轮轴上安装第二伞轮,所述第二伞轮与所述第一伞轮啮合。
2.如权利要求1所述的刚性驱动、柔顺调控的自适应机器人关节,其特征在于:所述前杆的下部开有下凹槽,所述密封腔体的上部伸入所述下凹槽内,所述电磁线圈位于下凹槽底部。
3.如权利要求1或2所述的刚性驱动、柔顺调控的自适应机器人关节,其特征在于:所述后杆的上部开有上凹槽,所述电机位于所述上凹槽的底部,所述离合器腔体位于上凹槽的中部,所述第二齿轮轴位于所述上凹槽的上部。
4.如权利要求3所述的刚性驱动、柔顺调控的自适应机器人关节,其特征在于:所述离合器腔体的下部设有开口朝下的圆柱形槽,所述圆柱形槽的内径比所述旋转磁铁摩擦片、弹簧端摩擦片大,所述旋转磁铁摩擦片和弹簧端摩擦片大小相等,所述旋转磁铁摩擦片、弹簧端摩擦片和弹簧依次位于所述圆柱形槽内。
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AV01 | Patent right actively abandoned |
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