專利名稱：一種工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)器人部件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及ー種介電弾性致動(dòng)器集群驅(qū)動(dòng)的兩自由度的エ業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)。
背景技術(shù)：
機(jī)器人關(guān)節(jié)是影響機(jī)器人動(dòng)靜態(tài)特性的重要部件。對(duì)于大多數(shù)エ業(yè)機(jī)器人來講，變形的主要來源是關(guān)節(jié)變形，由此帶來一系列問題:1)嚴(yán)重影響了機(jī)器人的定位精度和軌跡精度；2) CNC機(jī)床相比，機(jī)器人在銑削和去毛刺過程中可以發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的低頻顫振現(xiàn)象；
3)關(guān)節(jié)柔性的引入増加了控制的難度；4)存在內(nèi)部零件剛度不一致導(dǎo)致的剛度非線性等。針對(duì)上述問題，Bittencourt、Erkaya、蔡鶴皋、余躍慶、何廣平和Rigatos等國內(nèi)外學(xué)者分別從關(guān)節(jié)摩擦、關(guān)節(jié)間隙、關(guān)節(jié)剛度辨識(shí)、柔性關(guān)節(jié)控制、關(guān)節(jié)阻抗控制等角度展開研究，對(duì)提高機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)精度、抖動(dòng)抑制等具有明顯的促進(jìn)作用，但由于這些研究主要圍繞電機(jī)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)構(gòu)造模式展開，不能從根本上消除上述問題，因此，解決該問題成為ー項(xiàng)重要研究課題之一。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種介電弾性致動(dòng)器集群驅(qū)動(dòng)的兩自由度的エ業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)。所述的ー種エ業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)，包括頂板、底板、配合設(shè)置在頂板與底板之間的十字軸式兩自由度萬向節(jié)機(jī)構(gòu)及介電弾性體聚合物致動(dòng)器集群，其特征在于所述的頂板上配合設(shè)置通過螺柱與其連接的電路板，所述的頂板、底板的四角分別設(shè)置4個(gè)沉頭孔，介電彈性體聚合物致動(dòng)器集群為4塊，每塊介電弾性體聚合物致動(dòng)器集群的兩端分別設(shè)置在頂板和底板的對(duì)應(yīng)沉頭孔上，并由螺釘固定，所述的電路板與介電弾性體聚合物致動(dòng)器集群連接。所述的ー種エ業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)，其特征在于所述的十字軸式兩自由度萬向節(jié)機(jī)構(gòu)包括十字軸、上框架、下框架、滾動(dòng)軸承，所述的上框架、下框架均為U形結(jié)構(gòu)，通過螺母分別固定在頂板、底板上，上框架、下框架上分別設(shè)有用于安裝滾動(dòng)軸承的兩個(gè)通孔，十字軸上設(shè)置4個(gè)呈十字交叉的凸起，其中相対的兩個(gè)凸起通過滾動(dòng)軸承和上框架連接，另外相對(duì)的兩個(gè)凸起通過滾動(dòng)軸承和下框架連接，任意相鄰兩個(gè)凸起上分別設(shè)置編碼器。所述的ー種エ業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)，其特征在于所述的下框架底面棱邊與底板棱邊呈45度夾角。所述的ー種エ業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)，其特征在于所述的上框架底面棱邊與頂板棱邊呈45
度夾角。所述的ー種エ業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)，其特征在于所述的頂板與底板上還分別配合設(shè)置用于エ業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)與連桿機(jī)構(gòu)連接的通孔。所述的ー種エ業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)，其特征在于所述的介電弾性體聚合物致動(dòng)器集群為柱形結(jié)構(gòu)，它由ー組DE致動(dòng)器單元通過串聯(lián)連接構(gòu)成，所述的DE致動(dòng)器單元為柱形、菱形或碟形結(jié)構(gòu)。所述的ー種エ業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)，其特征在于所述的電路板分別與編碼器、介電彈性體聚合物致動(dòng)器集群連接，用于給介電弾性體聚合物致動(dòng)器集群、編碼器提供電源和控制信號(hào)。所述的ー種エ業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)，其特征在于所述的介電弾性體聚合物致動(dòng)器集群由膜軟硅樹脂或聚丙烯酸橡膠制成的柔性致動(dòng)機(jī)構(gòu)。通過采用上述技術(shù)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下:
1)本發(fā)明的介電弾性體聚合物致動(dòng)器集群由膜軟硅樹脂或聚丙烯酸橡膠制成，膜軟硅樹脂或聚丙烯酸橡膠是ー類膜狀絕緣材料，在直流電場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生大幅度的形變，如面積增大、厚度減小、變形幅度大、反應(yīng)速度快，柔性好，在致動(dòng)器的兩段施加一定電壓，致動(dòng)器收縮；取消電壓，則回復(fù)到原來長度，具有頻率高、軟體、應(yīng)カ應(yīng)變大等優(yōu)點(diǎn)；
2)本發(fā)明的上框架、下框架底面棱邊分別與頂板、底板棱邊呈45度夾角，可以提高整個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊性，從而提高操作精度；
3)本發(fā)明在十字軸的相鄰兩凸起上設(shè)置編碼器，用于控制關(guān)節(jié)角位移和高精度定位檢測(cè)，提高定位精度和軌跡精度；
4)本發(fā)明設(shè)置的十字軸，通過滾動(dòng)軸承分別與上框架和上框架連接，在介電弾性體聚合物致動(dòng)器集群的不同程度伸縮控制下，可以在十字軸兩自由度上隨意變向調(diào)節(jié)，自由度高，操作方便；
5)本發(fā)明通過采用上述技術(shù)得到的エ業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)エ業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)的直接驅(qū)動(dòng)，提高工業(yè)機(jī)器人末端的定位精度、軌跡精度和柔順性，從而提高工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)在銑肖IJ、拋光等領(lǐng)域的加工質(zhì)量。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意 圖2為本發(fā)明的關(guān)節(jié)位姿結(jié)構(gòu)示意 圖3為本發(fā)明的另ー關(guān)節(jié)位姿結(jié)構(gòu)示意圖。圖中:1-電路板，2-螺柱，3-頂板，4-螺釘，5-十字軸，6-介電弾性體聚合物致動(dòng)器集群，7-下框架,8-底板,9-螺母,10-滾動(dòng)軸承，11-編碼器，12-上框架。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合說明書附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步的描述:
如圖1-3所示，一種エ業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)，包括頂板3、底板8、配合設(shè)置在頂板3與底板8之間的十字軸式兩自由度萬向節(jié)機(jī)構(gòu)及介電弾性體聚合物致動(dòng)器集群6，所述的頂板3上配合設(shè)置通過螺柱2與其連接的電路板1，頂板3、底板8的四角分別設(shè)置4個(gè)沉頭孔，介電弾性體聚合物致動(dòng)器集群6為4塊，每塊介電弾性體聚合物致動(dòng)器集群6的兩端分別設(shè)置在頂板3和底板8的對(duì)應(yīng)沉頭孔上，并由螺釘4固定，所述的十字軸式兩自由度萬向節(jié)機(jī)構(gòu)包括十字軸5、上框架12、下框架7、滾動(dòng)軸承10，所述的上框架12、下框架7均為U形結(jié)構(gòu)，通過螺母9分別固定在頂板3、底板8上，上框架12、下框架7上分別設(shè)有用于安裝滾動(dòng)軸承10的兩個(gè)通孔，十字軸5上設(shè)置4個(gè)呈十字交叉的凸起，其中相対的兩個(gè)凸起通過滾動(dòng)軸承10和上框架12連接，另外相對(duì)的兩個(gè)凸起通過滾動(dòng)軸承10和下框架I連接，相鄰兩個(gè)凸起上分別設(shè)置編碼器11，電路板I與編碼器11、介電弾性體聚合物致動(dòng)器集群6均電連接，用于給介電弾性體聚合物致動(dòng)器集群6、編碼器11提供電源和控制信號(hào)，用于控制整個(gè)機(jī)器人關(guān)節(jié)，為了提高整個(gè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)緊湊性，本發(fā)明的下框架7底面棱邊與底板3棱邊、上框架12底面棱邊與頂板8棱邊分別設(shè)置成45度夾角，十字軸式兩自由度萬向節(jié)為本關(guān)節(jié)的核心機(jī)構(gòu)，用于提供關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的自由度和運(yùn)動(dòng)空間，使關(guān)節(jié)得到不同的位姿，如圖2、圖3所示，為兩種不同的位姿。本發(fā)明的頂板3與底板8上還配合設(shè)置用于エ業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)與連桿機(jī)構(gòu)連接的通孔，用于エ業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)與連桿機(jī)構(gòu)的連接，方便操作。本發(fā)明的介電弾性體聚合物致動(dòng)器集群6為ー種新型智能材料致動(dòng)機(jī)構(gòu)，它為柱形結(jié)構(gòu)，由ー組DE致動(dòng)器單元通過串并聯(lián)連接而成，該DE致動(dòng)器單元的外形有柱(管)形、菱形、碟形等結(jié)構(gòu)。DE致動(dòng)器單元的工作其原理麥克斯韋力，在介電弾性體聚合物致動(dòng)器集群6的兩段施加一定電壓，該致動(dòng)器收縮；取消電壓，則回復(fù)到原來長度，DE是ー類膜狀絕緣材料(如軟硅樹脂、聚丙烯酸橡膠等)，它在直流電場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生大幅度的形變，如面積增大，厚度減小等，本發(fā)明利用此類材料變形幅度大(例如:軟硅樹脂的應(yīng)變可以達(dá)到20% 30%，而聚丙烯酸橡膠甚至可以提供更大的應(yīng)變和能量輸出，其線性應(yīng)變達(dá)380%之多)、反應(yīng)速度快(微秒級(jí))的特點(diǎn)，具備了制作電致動(dòng)器的基礎(chǔ)材料的條件，將該材料用于制備本發(fā)明的介電弾性體聚合物致動(dòng)器集群，具有頻率高、軟體、應(yīng)カ應(yīng)變大等優(yōu)點(diǎn)，DE致動(dòng)器集群可以改善單個(gè)DE致動(dòng)器單元輸出力、位移小的缺陷，在保證單個(gè)DE致動(dòng)器單元響應(yīng)頻率和帶寬的前提下，増加力和位移的輸出。本發(fā)明的エ業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)中，頂板、底板，上框架、下框架等非標(biāo)件采用鋁合金材料，關(guān)節(jié)各機(jī)構(gòu)、零件、致動(dòng)器尺寸和螺釘、螺柱、螺桿、螺母、墊片等連接件的規(guī)格依具體的關(guān)節(jié)功率、扭矩而定。本發(fā)明的工作過程如下:給介電弾性體聚合物致動(dòng)器集群6的DE致動(dòng)器單元施加電壓，DE致動(dòng)器單元在麥克斯韋力的作用下收縮，產(chǎn)生カ輸出，拉動(dòng)上框架12、十字軸5、下框架7做相對(duì)運(yùn)動(dòng)。上框架12、下框架7分別通過頂板3、底板8連接桿件機(jī)構(gòu)，進(jìn)而產(chǎn)生了機(jī)器人關(guān)節(jié)的カ矩和位移輸出。本發(fā)明的エ業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)的カ矩和位移輸出情況與介電弾性體聚合物致動(dòng)器集群6內(nèi)被激活的DE致動(dòng)器單元位置、數(shù)目相關(guān)。如圖所示介電弾性體聚合物致動(dòng)器集群6有四塊，分別連接在頂板3、底板8的四個(gè)腳上。每塊介電弾性體聚合物致動(dòng)器集群6又由不同的致動(dòng)器單元通過串并聯(lián)連接而成。激活同一塊中不同位置、不同數(shù)目的DE致動(dòng)器單元，也可獲得不同的關(guān)節(jié)カ矩、位移輸出，工作時(shí)，根據(jù)實(shí)際需要，激活不同位置和數(shù)目的DE致動(dòng)器單元，能獲得所需的關(guān)節(jié)カ矩和位移。
權(quán)利要求
1.一種エ業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)，包括頂板(3)、底板(8)、配合設(shè)置在頂板(3)與底板(8)之間的十字軸式兩自由度萬向節(jié)機(jī)構(gòu)及介電弾性體聚合物致動(dòng)器集群(6)，其特征在于所述的頂板(3)上配合設(shè)置通過螺柱(2)與其連接的電路板(1)，所述的頂板(3)、底板(8)的四角分別設(shè)置4個(gè)沉頭孔，介電弾性體聚合物致動(dòng)器集群(6)為4塊，每塊介電弾性體聚合物致動(dòng)器集群(6)的兩端分別設(shè)置在頂板(3)和底板(8)的對(duì)應(yīng)沉頭孔上，并由螺釘(4)固定，所述的電路板(I)與介電弾性體聚合物致動(dòng)器集群(6)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種エ業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)，其特征在于所述的十字軸式兩自由度萬向節(jié)機(jī)構(gòu)包括十字軸(5)、上框架(12)、下框架(7)、滾動(dòng)軸承(10)，所述的上框架(12)、下框架(7)均為U形結(jié)構(gòu)，通過螺母(9)分別固定在頂板(3)、底板(8)上，上框架(12)、下框架(7)上分別設(shè)有用于安裝滾動(dòng)軸承(10)的兩個(gè)通孔，十字軸(5)上設(shè)置4個(gè)呈十字交叉的凸起，其中相対的兩個(gè)凸起通過滾動(dòng)軸承(10)和上框架(12)連接，另外相對(duì)的兩個(gè)凸起通過滾動(dòng)軸承(10)和下框架(7)連接，任意相鄰兩個(gè)凸起上分別設(shè)置編碼器(11)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種エ業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)，其特征在于所述的下框架(7)底面棱邊與底板(8 )棱邊呈45度夾角。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種エ業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)，其特征在于所述的上框架(12)底面棱邊與頂板(3 )棱邊呈45度夾角。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種エ業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)，其特征在于所述的頂板(3)與底板(8)上還分別配合設(shè)置用于エ業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)與連桿機(jī)構(gòu)連接的通孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種エ業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)，其特征在于所述的介電弾性體聚合物致動(dòng)器集群(6)為柱形結(jié)構(gòu)，它由ー組DE致動(dòng)器單元通過串聯(lián)連接構(gòu)成，所述的DE致動(dòng)器單元為柱形、菱形或碟形結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種エ業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)，其特征在于所述的電路板(I)分別與編碼器(11)、介電弾性體聚合物致動(dòng)器集群(6)連接，用于給介電弾性體聚合物致動(dòng)器集群(6 )、編碼器(11)提供電源和控制信號(hào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種エ業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)，其特征在于所述的介電弾性體聚合物致動(dòng)器集群(6 )由膜軟硅樹脂或聚丙烯酸橡膠制成的柔性致動(dòng)機(jī)構(gòu)。
全文摘要
一種工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)，屬于機(jī)器人部件技術(shù)領(lǐng)域。它包括頂板、底板、配合設(shè)置在頂板與底板之間的十字軸式兩自由度萬向節(jié)機(jī)構(gòu)及介電彈性體聚合物致動(dòng)器集群，所述的頂板上配合設(shè)置通過螺柱與其連接的電路板，所述的頂板、底板的四角分別設(shè)置4個(gè)沉頭孔，介電彈性體聚合物致動(dòng)器集群為4塊，每塊介電彈性體聚合物致動(dòng)器集群的兩端分別設(shè)置在頂板和底板的對(duì)應(yīng)沉頭孔上，并由螺釘固定，電路板與介電彈性體聚合物致動(dòng)器集群連接。本發(fā)明通過采用上述技術(shù)，得到的工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)的直接驅(qū)動(dòng)，提高工業(yè)機(jī)器人末端的定位精度、軌跡精度和柔順性，消除提高工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)在銑削、拋光等領(lǐng)域的加工質(zhì)量。
文檔編號(hào)B25J17/00GK103112014SQ20131005666
公開日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2013年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月22日
發(fā)明者應(yīng)申舜, 秦現(xiàn)生, 計(jì)時(shí)鳴 申請(qǐng)人:浙江工業(yè)大學(xué)