超柔性機(jī)器人關(guān)節(jié)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)器人領(lǐng)域，尤其是一種機(jī)器人關(guān)節(jié)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著機(jī)器人技術(shù)的日漸發(fā)展，以及各類產(chǎn)業(yè)政策的大力推動，機(jī)械臂在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)加工、醫(yī)療康復(fù)、家庭服務(wù)、教育科研等領(lǐng)域已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)在一定程度上減輕了人類的勞動強(qiáng)度，使得人類已經(jīng)或者可以遠(yuǎn)離一些危險、極端的作業(yè)環(huán)境，機(jī)械臂作為人類不可或缺的助手，將在眾多領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。
[0003]伴隨著機(jī)械臂應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，科研工作者們已經(jīng)不僅僅將目光停留在勞動強(qiáng)度大、作業(yè)環(huán)境差等應(yīng)用場合了，普遍開始關(guān)注一些新的應(yīng)用需求。比如，科研工作者們已經(jīng)在思考或探索如何讓一臺機(jī)械臂走出鐵絲網(wǎng)圍成的籠子，能夠與人近距離密切配合共同完成一項復(fù)雜的裝配工作，從而讓機(jī)械臂不僅僅扮演助手的角色，還能扮演伙伴的角色，這對機(jī)械臂的安全性提出了更高的要求。同樣對其安全性有更高要求的一些未來的可能應(yīng)用還包括人體健康理療、家庭生活服務(wù)、助幼助老助殘、果蔬采摘揀選包裝、人機(jī)交互與娛樂等等。
[0004]以減速機(jī)等剛性傳動部件為基礎(chǔ)的機(jī)械臂轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)在剛性、精確度、穩(wěn)定性等方面具有明顯優(yōu)勢；以鋼絲、齒輪等剛性傳動部件為基礎(chǔ)的機(jī)器人仿人靈巧手指關(guān)節(jié)同樣在剛性、精確度和靈巧性等方面表現(xiàn)良好?？蒲泄ぷ髡邆?yōu)閺浹a(bǔ)剛性傳動關(guān)節(jié)給機(jī)械臂和機(jī)器人仿人靈巧手帶來的安全性的不足，做了大量的工作并取得了成功，其實現(xiàn)策略大體上都是采用末端力反饋并配合智能算法的方式，可稱之為主動柔性。另一類研宄成果如基于氣動柔性驅(qū)動器的機(jī)器人仿人靈巧手，可通過調(diào)整氣壓來任意改變指關(guān)節(jié)的剛度，使之能充分保障被接觸對象的安全及其本體安全，可稱之為被動柔性，但是卻帶來了剛性不足的問題。現(xiàn)有的機(jī)器人關(guān)節(jié)無法同時兼顧主動柔性、被動柔性、剛性的需求，從而在本質(zhì)安全性方面有一定欠缺。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服已有機(jī)器人關(guān)節(jié)的無法兼顧主動柔性、被動柔性和傳動剛性，從而導(dǎo)致安全性較低的不足，本發(fā)明提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)同時兼有主動柔性、被動柔性和傳動剛性，且安全性較高的超柔性機(jī)器人關(guān)節(jié)。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0007]一種超柔性機(jī)器人關(guān)節(jié)，該關(guān)節(jié)位于機(jī)器人的前桿和后桿的連接處，所述關(guān)節(jié)包括磁致超柔性驅(qū)動器，所述磁致超柔性驅(qū)動器包括主動轉(zhuǎn)子、從動轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子保護(hù)罩，所述后桿內(nèi)安裝驅(qū)動電機(jī)，所述驅(qū)動電機(jī)的輸出軸與所述主動轉(zhuǎn)子的主動軸連接，所述從動轉(zhuǎn)子與所述主動轉(zhuǎn)子相互嵌入式裝配且相互之間設(shè)有轉(zhuǎn)動間隙，所述轉(zhuǎn)動間隙的敞口處設(shè)有動密封件，所述動密封件和轉(zhuǎn)動間隙形成供磁流變液填充的密封腔體，所述從動轉(zhuǎn)子和主動轉(zhuǎn)子均位于轉(zhuǎn)子保護(hù)罩內(nèi)，所述轉(zhuǎn)子保護(hù)罩上安裝用以改變密封腔體內(nèi)磁場強(qiáng)度的電磁線圈，所述從動轉(zhuǎn)子的從動軸與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的下端連接，所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)的上端與所述前桿連接。
[0008]進(jìn)一步，所述主動轉(zhuǎn)子上開有供所述從動轉(zhuǎn)子插裝的安裝腔，所述從動轉(zhuǎn)子的插裝段的截面呈齒形，所述安裝腔的內(nèi)壁開有與所述齒形匹配的齒形缺口，所述安裝腔的開口與所述插裝段之間設(shè)有所述動密封件。該方式屬于優(yōu)選的一種方案，當(dāng)然，只要所述從動轉(zhuǎn)子與所述主動轉(zhuǎn)子相互嵌入式裝配且相互之間設(shè)有轉(zhuǎn)動間隙，也可以采用其他實現(xiàn)方式。
[0009]再進(jìn)一步，所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)為彎曲執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所述彎曲執(zhí)行結(jié)構(gòu)包括主動錐齒輪和從動錐齒輪，所述從動軸上安裝所述主動錐齒輪，所述主動錐齒輪與所述從動錐齒輪嚙合，所述從動錐齒輪的轉(zhuǎn)軸安裝在所述前桿的下端。上述方案為彎曲執(zhí)行機(jī)構(gòu)的一種方式，當(dāng)然，也可以采用其他機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)；再者，執(zhí)行結(jié)構(gòu)也可以是旋轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等具有其他功能的結(jié)構(gòu)。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為:磁流變液是一種在磁場環(huán)境中具有相變特性的智能材料，當(dāng)磁場強(qiáng)度為零時表現(xiàn)為液態(tài)，當(dāng)磁場強(qiáng)度足夠大時轉(zhuǎn)變?yōu)槟虘B(tài)，相變過程可控、可逆、時間短。本專利定義的超柔性機(jī)器人關(guān)節(jié)以基于磁流變液的磁致超柔性驅(qū)動器為主要傳動裝置，并通過施加前桿受力的反饋控制，使該關(guān)節(jié)在運動過程中能同時滿足傳動剛性、主動柔性與被動柔性的需求，適用于開發(fā)具有本質(zhì)安全性的機(jī)械臂或機(jī)器人仿人靈巧手產(chǎn)品。
[0011]本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在:通過施加前桿受力的反饋控制，使得所述的關(guān)節(jié)兼有主動柔性、被動柔性和傳動剛性，從而具有較高的安全性。
【附圖說明】
[0012]圖1是超柔性機(jī)器人關(guān)節(jié)的伸直狀態(tài)示意圖。
[0013]圖2是超柔性機(jī)器人關(guān)節(jié)的彎曲狀態(tài)示意圖。。
[0014]圖3是主動轉(zhuǎn)子的示意圖。
[0015]圖4是從動轉(zhuǎn)子的示意圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0017]參照圖1?圖4，一種超柔性機(jī)器人關(guān)節(jié)，該關(guān)節(jié)位于機(jī)器人的前桿I和后桿2的連接處，所述關(guān)節(jié)包括磁致超柔性驅(qū)動器，所述磁致超柔性驅(qū)動器包括主動轉(zhuǎn)子3、從動轉(zhuǎn)子4和轉(zhuǎn)子保護(hù)罩5，所述后桿2內(nèi)安裝驅(qū)動電機(jī)，所述驅(qū)動電機(jī)的輸出軸與所述主動轉(zhuǎn)子3的主動軸6連接，所述從動轉(zhuǎn)子4與所述主動轉(zhuǎn)子3相互嵌入式裝配且相互之間設(shè)有轉(zhuǎn)動間隙，所述轉(zhuǎn)動間隙的敞口處設(shè)有動密封件，所述動密封件和轉(zhuǎn)動間隙形成供磁流變液7填充的密封腔體，所述從動轉(zhuǎn)子4和主動轉(zhuǎn)子3均位于轉(zhuǎn)子保護(hù)罩5內(nèi)，所述轉(zhuǎn)子保護(hù)罩5上安裝用以改變密封腔體內(nèi)磁場強(qiáng)度的電磁線圈8，所述從動轉(zhuǎn)子4的從動軸9與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的下端連接，所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)的上端與所述前桿I連接。
[0018]進(jìn)一步，所述主動轉(zhuǎn)子4上開有供所述從動轉(zhuǎn)子4插裝的安裝腔，所述從動轉(zhuǎn)子4的插裝段的截面呈齒形，所述安裝腔的內(nèi)壁開有與所述齒形匹配的齒形缺口，所述安裝腔的開口與所述插裝段之間設(shè)有所述動密封件。該方式屬于優(yōu)選的一種方案，當(dāng)然，只要所述從動轉(zhuǎn)子與所述主動轉(zhuǎn)子相互嵌入式裝配且相互之間設(shè)有轉(zhuǎn)動間隙，也可以采用其他實現(xiàn)方式。
[0019]再進(jìn)一步，所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)為彎曲執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所述彎曲執(zhí)行結(jié)構(gòu)包括主動錐齒輪10和從動錐齒輪11，所述從動軸9上安裝所述主動錐齒輪10，所述主動錐齒輪10與所述從動錐齒輪11嚙合，所述從動錐齒輪11的轉(zhuǎn)軸安裝在所述前桿I的下端。上述方案為彎曲執(zhí)行機(jī)構(gòu)的一種方式，當(dāng)然，也可以為其他機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)；再者，執(zhí)行結(jié)構(gòu)也可以是旋轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等具有其他功能的結(jié)構(gòu)。
[0020]本實施例中，磁流變液7填充在所述密封腔體內(nèi)，當(dāng)電磁線圈8斷電時，磁場強(qiáng)度為零，磁流變液7為液態(tài)，主從動轉(zhuǎn)子之間不能傳遞扭矩，磁致超柔性驅(qū)動器無扭矩傳遞功能；當(dāng)電磁線圈8通電時，磁場強(qiáng)度增大，磁流變液7向凝固態(tài)轉(zhuǎn)變呈現(xiàn)半固態(tài)，磁致超柔性驅(qū)動器可實現(xiàn)變速傳動，傳動比可調(diào)；當(dāng)磁場強(qiáng)度足夠大時，磁流變液7轉(zhuǎn)變?yōu)槟虘B(tài)，主從動轉(zhuǎn)子之間實現(xiàn)硬連接。
[0021]本實施例的超柔性機(jī)器人關(guān)節(jié)由磁致超柔性驅(qū)動器、后桿、前桿、主動錐齒輪、從動錐齒輪組成，以磁致超柔性驅(qū)動器為主要傳動裝置，電動機(jī)固定在后桿內(nèi)部，驅(qū)動電機(jī)的輸出軸與磁致超柔性驅(qū)動器的輸入軸相連，主從動錐齒輪將磁致超柔性驅(qū)動器從動軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榍皸U的彎曲和伸直運動。運動控制策略分析如下:
[0022]I)磁致超柔性驅(qū)動器的電磁線圈通電后，磁流變液由液態(tài)向凝固態(tài)轉(zhuǎn)變，此時控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)，前桿可以做彎曲或伸直運動。當(dāng)磁流變液處于半固態(tài)時，可以實現(xiàn)變速傳動，傳動比可控可調(diào)；當(dāng)磁流變液處于凝固態(tài)時，傳動過程表現(xiàn)為剛性；
[0023]2)當(dāng)關(guān)節(jié)運動到達(dá)目標(biāo)位姿后，電動機(jī)停止輸出，通過調(diào)節(jié)磁致超柔性驅(qū)動器電磁線圈的磁場強(qiáng)度來保持關(guān)節(jié)位姿，同時使前桿得到需要的扭矩，過程中還可以通過改變電磁線圈的磁場強(qiáng)度來調(diào)整扭矩大小；
[0024]3)當(dāng)前桿突遇碰撞危險時，可通過前桿受力的反饋控制實時改變電磁線圈的磁場強(qiáng)度，進(jìn)而改變關(guān)節(jié)的剛度，從而對關(guān)節(jié)本身和被接觸對象同時起到保護(hù)作用；當(dāng)前桿突遇碰撞危險時，即使傳感裝置或控制裝置失效，也能通過固態(tài)/半固態(tài)磁流變液的剪切破壞效應(yīng)對關(guān)節(jié)本身和被接觸對象進(jìn)行保護(hù)，從而提高了機(jī)器人產(chǎn)品的本質(zhì)安全性。
【主權(quán)項】
1.一種超柔性機(jī)器人關(guān)節(jié)，該關(guān)節(jié)位于機(jī)器人的前桿和后桿的連接處，其特征在于:所述關(guān)節(jié)包括磁致超柔性驅(qū)動器，所述磁致超柔性驅(qū)動器包括主動轉(zhuǎn)子、從動轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子保護(hù)罩，所述后桿內(nèi)安裝驅(qū)動電機(jī)，所述驅(qū)動電機(jī)的輸出軸與所述主動轉(zhuǎn)子的主動軸連接，所述從動轉(zhuǎn)子與所述主動轉(zhuǎn)子相互嵌入式裝配且相互之間設(shè)有轉(zhuǎn)動間隙，所述轉(zhuǎn)動間隙的敞口處設(shè)有動密封件，所述動密封件和轉(zhuǎn)動間隙形成供磁流變液填充的密封腔體，所述從動轉(zhuǎn)子和主動轉(zhuǎn)子均位于轉(zhuǎn)子保護(hù)罩內(nèi)，所述轉(zhuǎn)子保護(hù)罩上安裝用以改變密封腔體內(nèi)磁場強(qiáng)度的電磁線圈，所述從動轉(zhuǎn)子的從動軸與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的下端連接，所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)的上端與所述前桿連接。
2.如權(quán)利要求1所述的超柔性機(jī)器人關(guān)節(jié)，其特征在于:所述主動轉(zhuǎn)子上開有供所述從動轉(zhuǎn)子插裝的安裝腔，所述從動轉(zhuǎn)子的插裝段的截面呈齒形，所述安裝腔的內(nèi)壁開有與所述齒形匹配的齒形缺口，所述安裝腔的開口與所述插裝段之間設(shè)有所述動密封件。
3.如權(quán)利要求1或2所述的超柔性機(jī)器人關(guān)節(jié)，其特征在于:所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)為彎曲執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所述彎曲執(zhí)行結(jié)構(gòu)包括主動錐齒輪和從動錐齒輪，所述從動軸上安裝所述主動錐齒輪，所述主動錐齒輪與所述從動錐齒輪嚙合，所述從動錐齒輪的轉(zhuǎn)軸安裝在所述前桿的下端。
【專利摘要】一種超柔性機(jī)器人關(guān)節(jié)，該關(guān)節(jié)位于機(jī)器人的前桿和后桿的連接處，關(guān)節(jié)包括磁致超柔性驅(qū)動器，磁致超柔性驅(qū)動器包括主動轉(zhuǎn)子、從動轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子保護(hù)罩，后桿內(nèi)安裝驅(qū)動電機(jī)，驅(qū)動電機(jī)的輸出軸與主動轉(zhuǎn)子的主動軸連接，從動轉(zhuǎn)子與主動轉(zhuǎn)子相互嵌入式裝配且相互之間設(shè)有轉(zhuǎn)動間隙，轉(zhuǎn)動間隙的敞口處設(shè)有動密封件，動密封件和轉(zhuǎn)動間隙形成供磁流變液填充的密封腔體，從動轉(zhuǎn)子和主動轉(zhuǎn)子均位于轉(zhuǎn)子保護(hù)罩內(nèi)，轉(zhuǎn)子保護(hù)罩上安裝用以改變密封腔體內(nèi)磁場強(qiáng)度的電磁線圈，從動轉(zhuǎn)子的從動軸與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的下端連接，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的上端與前桿連接。本發(fā)明提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)同時兼有主動柔性、被動柔性和傳動剛性，且安全性較高的超柔性機(jī)器人關(guān)節(jié)。
【IPC分類】B25J17-02
【公開號】CN104552333
【申請?zhí)枴緾N201510019102
【發(fā)明人】蔡世波, 李昆, 錢振, 顏俊民, 夏罕彪, 姚鵬飛, 胥芳, 張立彬
【申請人】浙江工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年1月14日