一種基于串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器的三自由度柔順機(jī)械臂的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種三自由度機(jī)械臂，具體涉及一種基于串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器的三自由度柔順機(jī)械臂。
【背景技術(shù)】
[0002]柔順機(jī)械臂是一種模仿人類手臂功能的末端具有柔順輸出效果的機(jī)械臂，能夠提高人機(jī)交互的安全性，在服務(wù)機(jī)器人，醫(yī)療機(jī)器人甚至需要人機(jī)合作的工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。在柔順機(jī)械臂領(lǐng)域，美國的研宄比較先進(jìn)和成熟，已被食品與藥品管理局批準(zhǔn)上市的用于醫(yī)療器械領(lǐng)域的仿生機(jī)械臂Luke臂，代表了目前該領(lǐng)域的最高水平，大小與人體手臂相當(dāng)，可以完成撿起葡萄和硬幣等非常復(fù)雜和精細(xì)的動(dòng)作；麻省理工學(xué)院研制的機(jī)器人平臺(tái)Meka，其12自由度的機(jī)械臂采用了串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器，可以實(shí)現(xiàn)很好的柔順性仿人特性。國內(nèi)對(duì)于柔順機(jī)械臂和串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器的研宄都處于起步階段，串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用于機(jī)械臂尚未有深入的研宄和成果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題:機(jī)械臂要實(shí)現(xiàn)較好的柔順性能，且其外觀和關(guān)節(jié)比例符合人體特征，傳統(tǒng)的剛性驅(qū)動(dòng)器不具備良好的柔順性，無法保證人機(jī)交互的安全性，因此需要一種新的驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)；機(jī)械臂采用關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)，但串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器的彈性元件是線彈簧，因此需要一種機(jī)械結(jié)構(gòu)使線彈簧應(yīng)用于轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)；柔順機(jī)械臂既要將動(dòng)力由關(guān)節(jié)輸出，也要有承受負(fù)載反饋力的能力，需要實(shí)現(xiàn)這種動(dòng)力的雙向彈性緩沖；機(jī)械臂要實(shí)現(xiàn)柔順特性，其關(guān)節(jié)部位不能過于冗雜龐大，同時(shí)要降低末端負(fù)載，需要驅(qū)動(dòng)器與彈性元件的結(jié)合的結(jié)構(gòu)足夠緊湊和輕量。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案:一種基于串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器的三自由度柔順機(jī)械臂，包括關(guān)節(jié)處組成串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器的電機(jī)和圓盤式驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊，以及連接各關(guān)節(jié)的主動(dòng)和被動(dòng)連接臂。其中舵機(jī)和驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊通過主動(dòng)舵盤和圓盤連接，副連接臂上端通過副舵盤與舵機(jī)連接，下端連接下一關(guān)節(jié)的舵機(jī)，主動(dòng)連接臂上端和驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊中的彈簧掃臂連接，下端與一下關(guān)節(jié)的舵機(jī)連接，構(gòu)成手臂的一個(gè)環(huán)節(jié)；驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊中的中軸和圓盤固定，與舵機(jī)的主動(dòng)舵盤相連，構(gòu)成舵機(jī)動(dòng)力輸出的第一環(huán)節(jié)；彈簧掃臂套在中軸上，通過一對(duì)深溝球軸承形成轉(zhuǎn)動(dòng)副，掃臂的三條臂成120°布置，其上各有一對(duì)彈簧卡柱，固定在圓盤上的三個(gè)三角擋塊也成120°布置，亦各有一對(duì)彈簧卡柱，掃臂上的卡柱與三角擋塊的卡柱之間嵌有彈簧，動(dòng)力從圓盤上的三角擋塊傳遞至彈簧，再通過彈簧緩沖傳遞至掃臂，完成驅(qū)動(dòng)方式的彈性轉(zhuǎn)換；與掃臂連接的主動(dòng)連接臂將動(dòng)力傳遞至下一驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，完成關(guān)節(jié)間的驅(qū)動(dòng)傳遞。
[0005]所述的彈簧掃臂的數(shù)量是可以改變的，是進(jìn)行彈性緩沖的結(jié)構(gòu)，可以是奇數(shù)個(gè)均勻布置，也可以是偶數(shù)個(gè)對(duì)稱布置；所述的彈簧類型及數(shù)量是可以改變的，可以全部是壓簧預(yù)壓縮布置，也可以是拉簧預(yù)拉伸布置；所述的驅(qū)動(dòng)傳遞方式是可以改變的，可以是舵機(jī)與中軸連接將動(dòng)力傳至掃臂，再傳遞至負(fù)載，也可以是舵機(jī)與掃臂連接，將動(dòng)力傳遞至中軸，再連接負(fù)載；所述的機(jī)械臂的肩部的自由度布置是可以改變的，第一個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向可以是偏航方向，也可以是橫滾方向布置。
[0006]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明所述的基于串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器的三自由度柔順機(jī)械臂采用的驅(qū)動(dòng)方式使機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)特性更加柔順化，有更高的安全性和仿人特性；所采用的圓盤式的動(dòng)力轉(zhuǎn)換模塊使用線彈簧對(duì)稱預(yù)壓縮布置實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)動(dòng)的彈性緩沖，解決扭簧只能承受單向負(fù)載的問題；所采用的圓盤式的動(dòng)力轉(zhuǎn)換模塊，內(nèi)嵌掃臂和三角擋塊，提高了空間利用率，使結(jié)構(gòu)更加緊湊，降低了整體尺寸的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了輕量化；所采用的動(dòng)力轉(zhuǎn)換模塊可以實(shí)現(xiàn)模塊化，應(yīng)用于不同的電機(jī)輸出端，適用于不同的工作要求和工作環(huán)境。
【附圖說明】
[0007]圖1基于串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器的三自由度機(jī)械臂三維圖
[0008]圖2基于串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器的三自由度機(jī)械臂肩部三維圖
[0009]圖3驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊三維圖
[0010]圖4驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊中軸線剖面圖
【具體實(shí)施方式】
[0011]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0012]機(jī)械臂的整體布置如附圖1，肩部橫滾自由度舵機(jī)3a與驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊Ia連接，肩部主動(dòng)上臂2上端與驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊連接，下端與過渡連接模塊5a和5b連接，5a和5b又與肩部主動(dòng)下臂6連接，左側(cè)的肩部副連接臂4上端與3a連接，4和6的下端分別連接在肩部俯仰自由度舵機(jī)3b的兩側(cè)，形成肩部橫滾關(guān)節(jié)。
[0013]舵機(jī)3b —側(cè)與驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊Ib連接，一側(cè)與上臂從動(dòng)臂7的上端連接，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊Ib與上臂主動(dòng)臂的上端孔連接，7和8分的下端分別于肘部舵機(jī)固定橫桿9連接，9又與肘部俯仰自由度舵機(jī)Ic連接，形成上臂關(guān)節(jié)。
[0014]肘部舵機(jī)Ic的兩側(cè)分別與小臂從動(dòng)臂10和驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊Ic連接，Ic又與小臂主動(dòng)臂11連接，10和11的下端均與末端手部12連接，形成小臂。
[0015]三個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)連接形式完全相同，以肩部橫滾自由度關(guān)節(jié)為例，具體連接形式如圖2圖3以及圖4，，舵機(jī)3a的輸出端與右側(cè)的主動(dòng)舵盤16a連接，16a和圓盤15a以及中軸22a通過均布孔連接在一起，一起轉(zhuǎn)動(dòng)，在中軸22a的軸兩端分別有深溝球軸承26a和27a，其外部套有內(nèi)掃臂13a，13a通過均布孔23與肩部主動(dòng)上臂2連接，圓盤端蓋14a和15a通過圓盤上的均布孔24相連，包裹內(nèi)部的零件，構(gòu)成封閉獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊；舵機(jī)3a的左側(cè)與副舵盤17a連接，17a又與肩部副連接臂4連接，形成副連接臂，輔助動(dòng)力輸出。
[0016]驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊的具體實(shí)施形式:
[0017]以肩部橫滾自由度的柔順驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊為例，如圖3圖4，圓盤15a內(nèi)均布三個(gè)完全相同的三角擋塊19a，三角擋塊19a通過孔18與圓盤固定，19a的兩側(cè)各有一個(gè)彈簧卡柱20a，內(nèi)掃臂13a有三個(gè)掃臂，均勻布置，每個(gè)掃臂上的兩側(cè)都有彈簧卡柱21a，內(nèi)掃臂13a上的卡柱與三角擋塊19a的彈簧卡柱20a之間卡有預(yù)壓縮的彈簧，在一個(gè)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊內(nèi)一共有6個(gè)彈簧形成彈簧組25，當(dāng)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，舵機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)舵盤16a轉(zhuǎn)動(dòng)，16a由于與圓盤15a和中軸固連，從而帶動(dòng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，圓盤15a帶動(dòng)內(nèi)部的三角擋塊19a轉(zhuǎn)動(dòng)，三角擋塊又將動(dòng)力傳遞給彈簧組25，彈簧組25在進(jìn)行緩沖之后帶動(dòng)內(nèi)掃臂轉(zhuǎn)動(dòng)，在此實(shí)現(xiàn)動(dòng)力有剛性驅(qū)動(dòng)到彈性驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)換，內(nèi)掃臂進(jìn)而帶動(dòng)其上固定的主動(dòng)連接臂2轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將動(dòng)力輸出至下一環(huán)節(jié)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器的三自由度仿人機(jī)械臂，其特征在于:該機(jī)械臂包括三個(gè)自由度，分別是肩部的一個(gè)橫滾自由度和俯仰自由度，以及上下臂之間的一個(gè)俯仰自由度，其中每個(gè)自由度關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)包括供動(dòng)力的舵機(jī)和驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊，各個(gè)關(guān)節(jié)之間又由主動(dòng)連接臂和副連接臂連接，分別形成上臂和下臂。其中舵機(jī)和驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊通過主動(dòng)舵盤和圓盤連接，副連接臂上端通過副舵盤與舵機(jī)連接，下端連接下一關(guān)節(jié)的舵機(jī)，主動(dòng)連接臂上端和驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊中的彈簧掃臂連接，下端與一下關(guān)節(jié)的舵機(jī)連接，構(gòu)成手臂的一個(gè)關(guān)節(jié)；驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊中的中軸和圓盤固定，與舵機(jī)的主動(dòng)舵盤相連，彈簧掃臂套在中軸上，通過一對(duì)深溝球軸承形成轉(zhuǎn)動(dòng)副，掃臂的三條臂成120°布置，其上各有一對(duì)彈簧卡柱，固定在圓盤上的三個(gè)三角擋塊也成120°布置，亦各有一對(duì)彈簧卡柱，掃臂上的卡柱與三角擋塊的卡柱之間嵌有彈簧，動(dòng)力從圓盤上的三角擋塊傳遞至彈簧，再通過彈簧緩沖傳遞至掃臂，完成驅(qū)動(dòng)方式的柔順轉(zhuǎn)換；與掃臂連接的主動(dòng)連接臂將動(dòng)力傳遞至下一驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，完成關(guān)節(jié)間的驅(qū)動(dòng)傳遞。2.如權(quán)利要求1所述的基于串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器的三自由度仿人機(jī)械臂，其特征在于:其柔順驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊是置于動(dòng)力源和負(fù)載之間的一個(gè)封閉獨(dú)立模塊，其輸入端和輸出端是可以互換的，其輸入端可以是舵機(jī)，也可以接直流電機(jī)等其他動(dòng)力源。3.如權(quán)利要求1所述的基于串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器的三自由度仿人機(jī)械臂，其特征在于:所述的機(jī)械臂的肩部的自由度布置是可以改變的，第一個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向可以是偏航方向，也可以是橫滾方向布置。4.如權(quán)利要求1所述的基于串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器的三自由度仿人機(jī)械臂，其特征在于:所述的彈簧掃臂的數(shù)量是可以改變的，是進(jìn)行彈性緩沖的結(jié)構(gòu)，可以是奇數(shù)個(gè)均勻布置，也可以是偶數(shù)個(gè)對(duì)稱布置。5.如權(quán)利要求1所述的基于串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器的三自由度仿人機(jī)械臂，其特征在于:所述的彈簧類型及數(shù)量是可以改變的，可以全部是壓簧預(yù)壓縮布置，也可以是拉簧預(yù)拉伸布置。6.如權(quán)利要求1所述的基于串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器的三自由度仿人機(jī)械臂，其特征在于:所述的驅(qū)動(dòng)傳遞方式是可以改變的，可以是舵機(jī)與中軸連接將動(dòng)力傳至掃臂，再傳遞至負(fù)載，也可以是舵機(jī)與掃臂連接，將動(dòng)力傳遞至中軸，再連接負(fù)載。
【專利摘要】一種基于串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器的三自由度仿人機(jī)械臂，包括關(guān)節(jié)內(nèi)的舵機(jī)和驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊和關(guān)節(jié)之間的連接臂。肩部主動(dòng)上臂2和肩部副連接臂4相連，構(gòu)成肩部；肩部和肘部驅(qū)動(dòng)模塊通過上臂從動(dòng)臂7和上臂主動(dòng)臂8連接，構(gòu)成大臂，小臂從動(dòng)臂10和小臂主動(dòng)臂11與肘部和末端手部連接，構(gòu)成小臂；在驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊內(nèi)部，舵機(jī)的力矩通過中軸22a和圓盤15a輸出，傳遞至圓盤上的三角擋塊19a，三角擋塊將動(dòng)力傳遞給彈簧25，彈簧將剛性驅(qū)動(dòng)緩沖之后傳遞至內(nèi)掃臂13a，掃臂帶動(dòng)與其連接的輸出臂轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出動(dòng)力，完成柔性驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)換。該發(fā)明仿照人體自由度布置，采用的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊可以是剛性驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換成彈性驅(qū)動(dòng)，保證運(yùn)動(dòng)的柔順性和人機(jī)交互的安全性，裝配簡單，易于布置。
【IPC分類】B25J18/00
【公開號(hào)】CN104924320
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510261185
【發(fā)明人】張秀麗, 谷小旭, 龔加慶, 王昆
【申請(qǐng)人】北京交通大學(xué)
【公開日】2015年9月23日
【申請(qǐng)日】2015年5月21日