本發(fā)明涉及一種基于拮抗式變剛度驅(qū)動(dòng)器的2-DOF柔性機(jī)械臂，屬于工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人，為了實(shí)現(xiàn)精確控制，需要整個(gè)系統(tǒng)具有較高的剛度，響應(yīng)速度越快越好。驅(qū)動(dòng)器是機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)力來源，其性能的好壞以及剛度的大小直接影響機(jī)器人的整體性能以及控制的準(zhǔn)確性，現(xiàn)有的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式大多采用純剛性的電機(jī)，雖然高剛性的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精確定位以及精確的軌跡跟蹤，但隨著人們生活節(jié)奏的加快，人們更加追求健康的生活方式和舒適的工作環(huán)境，不愿意做很艱難、很危險(xiǎn)、很不衛(wèi)生的工作，也不愿意去做無味、重復(fù)性的工作，機(jī)器人研究的熱點(diǎn)已經(jīng)逐漸轉(zhuǎn)移到以“人為中心”的服務(wù)機(jī)器人，從而給機(jī)器人研究領(lǐng)域帶來了新的挑戰(zhàn)，即人-機(jī)器人交互。服務(wù)機(jī)器人與人接觸的過程中最大的危險(xiǎn)來自于他們之間的碰撞，雖然已經(jīng)有大量碰撞檢測和避免碰撞的研究，但是，避免絕對(duì)不碰撞是不可能。這樣剛變剛度柔順驅(qū)動(dòng)器就顯得極其重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的變剛度柔順驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)最初來源于仿生學(xué)思想，以具有粘彈性性質(zhì)的肌肉骨骼作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的人類，外加一個(gè)極其精確的神經(jīng)機(jī)械控制系統(tǒng)，使得人類能夠很好的適應(yīng)外部復(fù)雜環(huán)境，保護(hù)自身安全。

為解決上述技術(shù)問題本發(fā)明的構(gòu)思是：

通過兩個(gè)二次曲面和彈簧實(shí)現(xiàn)將彈簧的線性轉(zhuǎn)化為非線性，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的變剛度。肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)分別用兩個(gè)變剛度柔順驅(qū)動(dòng)器形成兩對(duì)拮抗肌來驅(qū)動(dòng)兩個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種基于拮抗式變剛度驅(qū)動(dòng)器的2-DOF柔性機(jī)械臂，包括安裝底板、肘關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置、肩關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置、仿生手臂，所述肘關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置、肩關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置和仿生手臂分別安裝于安裝底板的后部。

所述肘關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置包括兩個(gè)直流伺服電機(jī)通過兩個(gè)第一電機(jī)支架安裝在安裝底板上，電機(jī)輸出軸通過第一鋼絲滑輪和第一鋼絲繩與變剛度柔順驅(qū)動(dòng)器的側(cè)面板固定架連接，變剛度柔順驅(qū)動(dòng)器的曲面板通過第二鋼絲繩和第二鋼絲滑輪與2軸關(guān)節(jié)軸連接，變剛度柔順驅(qū)動(dòng)器通過變剛度柔順驅(qū)動(dòng)器固定架與第一導(dǎo)軌滑塊相連，第一直線導(dǎo)軌安裝于安裝底板上，2軸關(guān)節(jié)軸通過編碼器支架和2軸關(guān)節(jié)軸支架固定在安裝底板上，2軸關(guān)節(jié)軸與2軸關(guān)節(jié)軸支架之間通過軸承連接，第一編碼器固定于第一編碼器支架上。

所述肩關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置包括兩個(gè)直流伺服電機(jī)通過兩個(gè)第二電機(jī)支架安裝在安裝底板上，電機(jī)輸出軸通過第一鋼絲滑輪和第一鋼絲繩與變剛度柔順驅(qū)動(dòng)器的側(cè)面板固定架連接，變剛度柔順驅(qū)動(dòng)器的曲面板通過第二鋼絲繩和第三鋼絲滑輪與2軸關(guān)節(jié)軸連接，第三鋼絲滑輪與2軸關(guān)節(jié)軸之間通過中間輪和滾動(dòng)軸承連接，這樣兩軸運(yùn)動(dòng)不干涉，肘關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)輪與第三鋼絲滑輪通過中間輪連接，肘關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)輪與2軸關(guān)節(jié)軸之間通過滾動(dòng)軸承連接，2軸關(guān)節(jié)軸穿過第一軸支架和第二編碼器支架，這兩個(gè)支架固定于支架底板上，支架底板安裝于安裝底板上，變剛度柔順驅(qū)動(dòng)器通過變剛度柔順驅(qū)動(dòng)器固定架與第一導(dǎo)軌滑塊相連，第一直線導(dǎo)軌通過鋁型材墊塊安裝于安裝底板上，第一同步帶輪與第一編碼器同軸安裝于第二編碼器支架兩側(cè)，第二同步帶輪安裝于2軸關(guān)節(jié)軸上，與第三鋼絲滑輪同軸運(yùn)動(dòng)，分布在第一同步帶輪同側(cè)，第一同步帶安裝于第一同步帶輪和第二同步帶輪之間。

所述變剛度柔順驅(qū)動(dòng)器包括曲面板的曲面和兩個(gè)大滾輪接觸，曲面板的中空部分與四個(gè)小滾輪接觸，小滾輪是由滾動(dòng)軸承和一小軸構(gòu)成的；兩個(gè)側(cè)面板通過一個(gè)側(cè)面板固定架連接，同時(shí)，小滾輪的兩端安裝于兩個(gè)側(cè)面板上，大滾輪通過大滾輪軸嵌入側(cè)面板的槽溝中，每個(gè)側(cè)面板的兩個(gè)大滾輪軸之間通過線性彈簧連接，變剛度柔順驅(qū)動(dòng)器通過其曲面板與變剛度柔順驅(qū)動(dòng)器固定架連接。

所述仿生手臂包括2軸關(guān)節(jié)軸穿過的兩個(gè)后臂板，第三同步帶輪安裝于兩個(gè)后臂板之間的2軸關(guān)節(jié)軸上，第三同步帶輪與2軸關(guān)節(jié)軸之間通過鍵連接，后臂板分別通過端蓋板與2軸關(guān)節(jié)軸連接并通過螺釘與肘關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)輪連接，后臂板上部連接有肩蓋板，兩個(gè)后臂板中部通過兩個(gè)后臂板支架固定，后臂板下部通過兩個(gè)端蓋板與2軸第二關(guān)節(jié)軸連接，2軸第二關(guān)節(jié)軸通過前臂板固定輪與第四同步帶輪連接，張緊輪通過張緊輪軸安裝在后臂板中下部，張緊輪與張緊輪軸之間通過軸承連接，第二同步帶安裝在第三同步帶輪和第四同步帶輪之間；兩個(gè)前臂板通過前臂板固定輪固定在2軸第二關(guān)節(jié)軸上，前臂板中部通過前臂板固定架固定，前臂板末端通過末端滾子固定。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下突出實(shí)質(zhì)特征點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明的變剛度柔順驅(qū)動(dòng)器與傳統(tǒng)的氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)器相比，氣動(dòng)肌肉的柔順性較強(qiáng)，不易實(shí)現(xiàn)精確控制，而本發(fā)明在剛度可變的基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)更加精確的位置控制。

附圖說明

圖1是一種基于拮抗式變剛度柔順驅(qū)動(dòng)器的2-DOF柔性機(jī)械臂的總裝配圖。

圖2是安裝底板示意圖。

圖3是肘關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置示意圖。

圖4是變剛度柔順驅(qū)動(dòng)器示意圖a。

圖5是變剛度柔順驅(qū)動(dòng)器示意圖b。

圖6是變剛度柔順驅(qū)動(dòng)器示意圖c。

圖7是肩關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置示意圖a。

圖8是肩關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置示意圖b。

圖9 是仿生手臂示意圖a。

圖10是仿生手臂示意圖b。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的具體運(yùn)動(dòng)過程做進(jìn)一步的說明。

如圖1和圖2所示，一種基于拮抗式變剛度柔順驅(qū)動(dòng)器的2-DOF柔性機(jī)械臂，包括安裝底板1，肘關(guān)節(jié)（2軸）驅(qū)動(dòng)裝置2、肩關(guān)節(jié)（1軸）驅(qū)動(dòng)裝置3，仿生手臂（柔性機(jī)械臂）4，所述軸關(guān)節(jié)（2軸）驅(qū)動(dòng)裝置2、肩關(guān)節(jié)（1軸）驅(qū)動(dòng)裝置3，仿生手臂（柔性機(jī)械臂）4依次按照?qǐng)D1的順序安裝于安裝底板（1）的后部，肘關(guān)節(jié)（2軸）驅(qū)動(dòng)裝置2安裝于安裝底板1的安裝孔5和安裝孔9及其中間，肩關(guān)節(jié)（1軸）驅(qū)動(dòng)裝置3安裝于安裝底板1的安裝孔6和安裝孔8及其中間。

如圖3所示，所述肘關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置2包括兩個(gè)直流伺服電機(jī)10通過兩個(gè)第一電機(jī)支架11安裝在安裝底板1上，電機(jī)輸出軸通過第一鋼絲滑輪16和第一鋼絲繩17與變剛度柔順驅(qū)動(dòng)器12的側(cè)面板固定架30連接，變剛度柔順驅(qū)動(dòng)器12的曲面板29通過第二鋼絲繩24和第二鋼絲滑輪13與2軸關(guān)節(jié)軸23連接，變剛度柔順驅(qū)動(dòng)器12通過變剛度柔順驅(qū)動(dòng)器固定架20與第一導(dǎo)軌滑塊19相連，第一直線導(dǎo)軌18安裝于安裝底板1上，2軸關(guān)節(jié)軸23通過編碼器支架15和2軸關(guān)節(jié)軸支架21固定在安裝底板1上，2軸關(guān)節(jié)軸23與2軸關(guān)節(jié)軸支架21之間通過軸承22連接，第一編碼器14固定于第一編碼器支架15上。

如圖4、圖5和圖6所示，所述變剛度柔順驅(qū)動(dòng)器12包括曲面板29的曲面和兩個(gè)大滾輪28接觸，曲面板29的中空部分與四個(gè)小滾輪31接觸，小滾輪31是由滾動(dòng)軸承和一小軸構(gòu)成的；兩個(gè)側(cè)面板27通過一個(gè)側(cè)面板固定架30連接，同時(shí)，小滾輪31的兩端安裝于兩個(gè)側(cè)面板27上，大滾輪28通過大滾輪軸26嵌入側(cè)面板27的槽溝中，每個(gè)側(cè)面板27的兩個(gè)大滾輪軸26之間通過線性彈簧25連接，變剛度柔順驅(qū)動(dòng)器12通過其曲面板29與變剛度柔順驅(qū)動(dòng)器固定架20連接。

如圖7和圖8所示，所述肩關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置3包括兩個(gè)直流伺服電機(jī)10通過兩個(gè)第二電機(jī)支架33安裝在安裝底板1上，電機(jī)輸出軸通過第一鋼絲滑輪16和第一鋼絲繩17與變剛度柔順驅(qū)動(dòng)器12的側(cè)面板固定架30連接，變剛度柔順驅(qū)動(dòng)器12的曲面板29通過第二鋼絲繩24和第三鋼絲滑輪38與2軸關(guān)節(jié)軸23連接，第三鋼絲滑輪38與2軸關(guān)節(jié)軸23之間通過中間輪42和滾動(dòng)軸承連接，這樣兩軸運(yùn)動(dòng)不干涉，肘關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)輪37與第三鋼絲滑輪38通過中間輪連接，肘關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)輪37與2軸關(guān)節(jié)軸23之間通過滾動(dòng)軸承連接，2軸關(guān)節(jié)軸23穿過第一軸支架36和第二編碼器支架32，這兩個(gè)支架固定于支架底板35上，支架底板35安裝于安裝底板1上，變剛度柔順驅(qū)動(dòng)器12通過變剛度柔順驅(qū)動(dòng)器固定架20與第一導(dǎo)軌滑塊19相連，第一直線導(dǎo)軌18通過鋁型材墊塊34安裝于安裝底板1上，第一同步帶輪40與第一編碼器14同軸安裝于第二編碼器支架32兩側(cè)，第二同步帶輪41安裝于2軸關(guān)節(jié)軸23上，與第三鋼絲滑輪38同軸運(yùn)動(dòng)，分布在第一同步帶輪40同側(cè)，第一同步帶39安裝于第一同步帶輪40和第二同步帶輪41之間。

如圖9和圖10所示，所述仿生手臂4包括2軸關(guān)節(jié)軸23穿過的兩個(gè)后臂板44，第三同步帶輪55安裝于兩個(gè)后臂板44之間的2軸關(guān)節(jié)軸23上，第三同步帶輪55與2軸關(guān)節(jié)軸23之間通過鍵連接，后臂板44分別通過端蓋板45與2軸關(guān)節(jié)軸23連接并通過螺釘與肘關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)輪37連接，后臂板44上部連接有肩蓋板43，兩個(gè)后臂板44中部通過兩個(gè)后臂板支架52固定，后臂板44下部通過兩個(gè)端蓋板45與2軸第二關(guān)節(jié)軸49連接，2軸第二關(guān)節(jié)軸49通過前臂板固定輪56與第四同步帶輪50連接，張緊輪53通過張緊輪軸54安裝在后臂板44中下部，張緊輪53與張緊輪軸54之間通過軸承連接，第二同步帶51安裝在第三同步帶輪55和第四同步帶輪50之間；兩個(gè)前臂板46通過前臂板固定輪56固定在2軸第二關(guān)節(jié)軸49上，前臂板46中部通過前臂板固定架48固定，前臂板46末端通過末端滾子47固定。

本發(fā)明裝置的運(yùn)動(dòng)過程如下：

肘關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置2驅(qū)動(dòng)仿生手臂4的肘關(guān)節(jié)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，肩關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置3驅(qū)動(dòng)仿生手臂4的肩關(guān)節(jié)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，肘關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置2和肩關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置3通過變剛度柔順驅(qū)動(dòng)器12實(shí)現(xiàn)剛度變化，具體如下：

變剛度柔順驅(qū)動(dòng)12變剛度原理：如圖4、圖5和圖6所示，線性彈簧25的形變量和拉力之間是成線性關(guān)系，大滾輪28沿著曲面板29的運(yùn)動(dòng)是非線性的，在垂直于彈簧形變量的方向上，第一鋼絲繩17和第二鋼絲繩24之間的拉力即變?yōu)榉蔷€性，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的柔順剛度變化。

仿生臂肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過程：如圖7和圖8所示，肩關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置3一端的直流電機(jī)10通過驅(qū)動(dòng)第一鋼絲滑輪16，帶動(dòng)第一鋼絲繩17，經(jīng)過變剛度柔順驅(qū)動(dòng)器12帶動(dòng)第二鋼絲繩24，再驅(qū)動(dòng)第三鋼絲滑輪38，接著通過中間輪42驅(qū)動(dòng)肘關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)輪37運(yùn)動(dòng)，肘關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)輪37驅(qū)動(dòng)仿生手臂4的后臂板44運(yùn)動(dòng)，如圖9所示；肩關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置3的另外一端原理同上，兩端協(xié)同運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。如圖8所示，第一編碼器14通過第一同步帶輪40、第一同步帶39和第二同步帶輪41檢測肩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。因?yàn)榈诙綆л?1與第三鋼絲滑輪38同軸運(yùn)動(dòng)。

仿生臂肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過程：如圖3所示，肘關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置2一端的直流電機(jī)10通過驅(qū)動(dòng)第一鋼絲滑輪16，帶動(dòng)第一鋼絲繩17，經(jīng)過變剛度柔順驅(qū)動(dòng)器12帶動(dòng)第二鋼絲繩24，再驅(qū)動(dòng)第二鋼絲滑輪13，第二鋼絲滑輪13驅(qū)動(dòng)2軸關(guān)節(jié)軸23運(yùn)動(dòng)，第一編碼器14用來檢測轉(zhuǎn)動(dòng)角度。如圖10所示，2軸關(guān)節(jié)軸23驅(qū)動(dòng)第三同步帶輪55，第三同步帶輪55通過第二同步帶51帶動(dòng)第四同步帶輪50運(yùn)動(dòng)，第四同步帶輪50驅(qū)動(dòng)前臂固定輪56運(yùn)動(dòng)，從而前臂板46實(shí)現(xiàn)繞著2軸第二關(guān)節(jié)軸49的運(yùn)動(dòng)，肘關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置2的另外一端原理同上，兩端協(xié)同運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。