CN109849047B - 一种具有可控刚度的机械臂关节 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有可控刚度的机械臂关节，包括上平台、下平台以及连接在平台之间的第一运动支链和第二运动支链。第一运动支链包括六个转动副，第六转动副、第七转动副和上平台相连；第一转动副通过连杆与第二转动副相连，第二转动副通过连杆与第三转动副相连，第三转动副通过连杆与第四转动副相连，第四转动副通过连杆与第五转动副相连，第五转动副通过连杆与第六转动副相连；第二运动支链包括第七转动副；第七转动副连接上平台和下平台。驱动第二转动副改变第三转动副轴线的位置，改变第一支链运动中第一转动副轴线、第三转动副轴线和第六转动副轴线汇交点的位置，破坏转动条件，实现机构刚度可控和任意位置的锁死。

Description

一种具有可控刚度的机械臂关节

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其是涉及一种具有可控刚度的机械臂关节。

背景技术

机械臂是一种仿生机电设备，能模拟人手动作通过改变目标物体的位姿来实现作业。广泛应用大型设备、机器人、传感器及微操作领域。机器人在空间中保持指定的位置和姿态，必须使其关节能在给定的位姿下锁紧，因此机器人的关节锁紧成为机器人机构设计不可或缺的部分。然而，机械臂关节大多通过转轴来实现机构的运动，当其停止工作时，由于惯性等原因可能仍会导致两个构件之间的微量相对转动，因此设计出一种可实现其自锁的机械关节，提高运动精度称为富有挑战性的课题。

文献《基于外摩擦的医疗机器人关节锁紧结构实验研究》提出一种基于外摩擦的机械臂关节的锁紧结构，但由于摩擦片与关节之间长期摩擦，导致摩擦系数越来越小，锁紧能力下降。中国专利CN109421040A公开了一种六自由度智能化协作机器人，包括基座、若干节点和若干连接杆，所述基座与节点固定连接，所述节点之间固定连接或通过所述连接杆连接，所述电机、刹车、编码器和减速器依次套装于传动轴上，所述编码器安装壳一侧表面开有一供驱动器嵌入的安装槽，所述编码器安装壳与安装槽相对的一侧设置有一外连部，此外连部用于与外部结构连接，所述电机安装壳中央具有一电机腔，此电机腔靠近刹车安装盖的一端具有一内凸缘，此支撑套套装于传动轴上，此支撑套由外圈部、滚珠部和内圈部组成，所述内圈部与传动轴外侧表面紧密连接，所述外圈部与编码器安装壳内侧表面接触连接。但是该专利仍然没有解决运动精度的问题。

发明内容

本发明的目的就是提供一种具有可控刚度的机械臂关节，克服现有技术中结构复杂、控制不便、运动精度低的缺陷。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种具有可控刚度的机械臂关节，包括上平台、下平台以及连接在上平台和下平台之间的第一运动支链和第二运动支链，

所述的第一运动支链包括第一转动副、第二转动副、第三转动副、第四转动副、

第五转动副和第六转动副，

所述的第二运动支链包括第七转动副，

所述第六转动副与所述上平台相连，所述第一转动副与所述下平台相连，所述第七转动副分别与上平台及下平台相连，

所述第五转动副通过两根连杆分别与第四转动副及第六转动副相连，

所述第三转动副通过连根连杆分别与第四转动副及第二转动副相连，

所述第二转动副通过连杆与第一转动副相连。

所述第一转动副、第三转动副及第六转动副的轴线汇交于一点，该点位于第七转动副的轴线延长线上。所述第二转动副、第四转动副、第五转动副的轴线与所述第七转动副的轴线空间平行。只有当两个转动副的轴线同轴时，机构才能够转动，当两个转动副轴线不同轴时无法转动。

所述第三转动副的轴线与其他转动副轴线不在同一平面。具体来说，第一转动副、第三转动副、第六转动副的轴线不在同一平面，空间汇交一点；第二转动副、第四转动副、第五转动副的轴线空间平行。只有当两个转动副的轴线同轴时，机构才能够转动，当两个转动副轴线不同轴时无法转动。第一转动副、第三转动副、第六转动副的轴线汇交于一点，相当于一个球铰链，初始状态下球铰链的轴线跟右侧第七转动副的轴线同轴，则满足转动条件。其中，第二转动副，第三转动副，第四转动副和第五转动副构成一个四杆机构，当整个机构转动到一定角度时，通过在第二转动副上添加的驱动力驱动，促使第三转动副轴线的改变，从而使第一转动副、第三转动副、第六转动副的轴线不再汇交，此时不满足同轴的条件，此时机构刚度变大，实现刚度的可控，同时机构锁死。第二关节通过伺服电机控制其转动角度，从而提高了运动精度。

上述转动副可以为刚性铰链也可以为柔性铰链，用以保证相连的两个杆件能够绕着铰链轴线做相对转动，构成转动副的两个枢纽分别连接一根连杆。

所述第七转动副经连接杆分别与上平台及下平台连接。

与现有技术相比，本发明通过改变第一支链中第三转动副轴线的位置，从而破坏转动条件，具有以下优点：

1、能够实现刚度可控：只有当两个转动副的轴线同轴时，机构才能够转动，当两个转动副轴线不同轴时无法转动。第一转动副、第三转动副、第六转动副的轴线汇交于一点，相当于一个球铰链，初始状态下球铰链的转动轴线跟右侧第七转动副的轴线同轴，则满足转动条件。第二转动副，第三转动副，第四转动副和第五转动副构成一个四杆机构，当整个机构转动到一定角度时，通过在第二转动副上添加的驱动力驱动，促使第三转动副轴线的改变，从而使第一转动副、第三转动副、第六转动副的轴线不再汇交，此时不满足同轴的条件，此时机构刚度变大，实现刚度的可控，同时机构锁死。

2、可以实现在任意弯曲角度下的机构不再转动的目的：只有当两个转动副的轴线同轴时，机构才能够转动，当两个转动副轴线不同轴时无法转动。第一转动副、第三转动副、第六转动副的轴线汇交于一点，相当于一个球铰链，初始状态下球铰链的轴线跟右侧第七转动副的轴线同轴，则满足转动条件。第二转动副，第三转动副，第四转动副和第五转动副构成一个四杆机构，当整个机构转动到一定角度时，通过在第二转动副上添加的驱动力驱动，促使第三转动副轴线的改变，从而使第一转动副、第三转动副、第六转动副的轴线不再汇交，此时不满足同轴的条件，同时机构锁死。

3、安装方便、转动惯量小，运动响应快：本发明中的关节结构，是通过尺寸较小的杆件之间的连接，所以关节的整体尺寸也很小，又是通过伺服电机对其进行运动控制，所以具有较小的转动惯量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的原理图。

图中，1-上平台、2-下平台、12-第七转动副、13-第一转动副、14-第六转动副、15-第三转动副、16-第二转动副、17-第四转动副、18-第五转动副、19-第一连杆、20-第二连杆、21-第三连杆、22-第四连杆、23-第五连杆。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例

一种具有可控刚度的机械臂关节，其结构如图1所示，包括上平台1、下平台2以及连接在上平台与下平台之间的第一运动支链和第二运动支链。

第一运动支链包括第一转动副13、第二转动副16、第三转动副15、第四转动副17、第五转动副18和第六转动副14；第六转动副14、第七转动副12与上平台1相连，第一转动副13、第七转动副12与下平台2相连。第二运动支链包括第五第七转动副16；第五转动副18通过第一连杆19与第一转动副14相连，第五转动副18通过第二连杆20与第六转动副17相连。第六转动副17通过第三连杆21与第三转动副15相连，第三转动副15通过第四连杆22与第七转动副16相连，第七转动副16通过第五连杆23与第二转动副13相连；第一转动副13通过第五连杆23与第二转动副16相连，第二转动副16通过第四连杆22与第三转动副15相连，第三转动副15通过第三连杆21与第四转动副17相连，第四转动副17通过第二连杆20与第五转动副18相连，第五转动副18通过第一连杆与第六转动副14相连；第二运动支链包括第七转动副；第七转动副12经过连接杆分别连接上平台1和下平台2。

上述第一转动副13的轴线、第三转动副15的轴线和第六转动副14的轴线汇交于一点，该点位于第七转动副12的轴线延长线上。第二转动副16、第四转动副17和第五转动副118的轴线与第七转动副12的轴线平行，第三转动副15的轴线与其他转动副轴线不在同一平面。

本发明的工作原理可结合图2说明如下：

当第一运动支链内的第一转动副13的轴线、第三转动副15的轴线、第六转动副14的轴线汇交于一点，相当于汇交的转动副，或者相当于一个球铰链，汇交点又在第七转动副12的轴线延长线上，即第一转动副13的轴线、第三转动副15的轴线、第六转动副14的轴线和第七转动副18的轴线空间汇交于一点，满足同轴的条件，所以当第七转动副18转动时，机构可绕第七转动副18的轴线转动。第一转动副、第三转动副、第六转动副的轴线汇交于一点。初始状态下球铰链的转动轴线跟右侧第七转动副的轴线同轴，则满足转动条件。第二转动副16、第三转动副15、第四转动副17和第五转动副18构成一个四杆机构，当整个机构转动到一定角度时，通过在第二转动副16上添加的驱动力驱动，促使第三转动副15轴线的改变，从而使第一转动副13、第三转动副15、第六转动副14的轴线不再汇交，此时不满足同轴的条件，此时机构刚度变大，实现刚度的可控，同时机构锁死。

当第一运动支链内的第二转动副16通过电机驱动时转动后，改变第三转动副15的轴线位置，使得第一转动副13的轴线、第三转动副15的轴线、第六转动副14的轴线和第七转动副12的轴线空间不再汇交，则不满足同轴的条件，所以机构不能再转动，刚度增大，实现刚度可控。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种具有可控刚度的机械臂关节，包括上平台、下平台以及连接在上平台和下平台之间的第一运动支链和第二运动支链，

其特征在于：

所述的第一运动支链包括第一转动副、第二转动副、第三转动副、第四转动副、第五转动副和第六转动副，

所述第六转动副与所述上平台相连，所述第一转动副与所述下平台相连，所述第五转动副通过两根连杆分别与第四转动副及第六转动副相连，所述第三转动副通过两根连杆分别与第二转动副及第四转动副相连，所述第二转动副通过连杆与第一转动副相连，

所述的第二运动支链包括第七转动副，所述第二运动支链分别与上平台及下平台相连；

所述第一转动副、第三转动副及第六转动副的轴线汇交于一点，该点位于第七转动副的轴线延长线上；

所述第二转动副、第四转动副、第五转动副的轴线与所述第七转动副的轴线空间平行；

所述第三转动副的轴线与其他转动副轴线不在同一平面；

所述第一转动副、第三转动副、第六转动副的轴线不在同一平面，空间汇交一点。

2.根据权利要求1所述的一种具有可控刚度的机械臂关节，其特征在于，上述转动副采用刚性铰链或柔性铰链。

3.根据权利要求2所述的一种具有可控刚度的机械臂关节，其特征在于，构成转动副的两个枢纽分别连接一根连杆。

4.根据权利要求1所述的一种具有可控刚度的机械臂关节，其特征在于，所述第七转动副经连接杆分别与上平台及下平台连接。

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