一種變剛度服務(wù)機(jī)器人關(guān)節(jié)的制作方法

本發(fā)明涉及服務(wù)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特指一種變剛度服務(wù)機(jī)器人關(guān)節(jié)。

背景技術(shù)：

目前，市面上出現(xiàn)的機(jī)器人大多是由剛性材料和剛性驅(qū)動(dòng)組成的，它們具有良好的機(jī)械性，執(zhí)行速度，精度控制簡單等優(yōu)點(diǎn)。但是這種剛性機(jī)器人的靈活度有限，無法適應(yīng)目前越來越復(fù)雜的工況，這也使剛性機(jī)器人只能在特定的生產(chǎn)車間、實(shí)驗(yàn)室等簡單的工作環(huán)境下執(zhí)行預(yù)先設(shè)定的任務(wù)，而在一些復(fù)雜的、狹小多變的環(huán)境下則很難應(yīng)用。如需要隨時(shí)進(jìn)行人機(jī)交互的環(huán)境下，剛性機(jī)器人就很難保證用戶的人身安全。而根據(jù)仿生學(xué)設(shè)計(jì)的變剛度柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)器人就能很好在這種復(fù)雜多變的環(huán)境下工作。

目前，柔性驅(qū)動(dòng)變剛度驅(qū)動(dòng)器大多以氣動(dòng)，液壓為主，該類驅(qū)動(dòng)器需要配套的空氣或者液體流通的管道，通過外部提供的氣體或者液體驅(qū)動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)動(dòng)作。這種驅(qū)動(dòng)形式受輔助機(jī)構(gòu)的影響，驅(qū)動(dòng)器通常設(shè)計(jì)的很大，而且需要做好防漏措施，不適合應(yīng)用于需要人機(jī)交互的環(huán)境。

目前也有高校采用形狀記憶合金絲(sma)作為柔性機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器，但受形狀記憶合金絲收縮率小的限制，很難實(shí)現(xiàn)柔性關(guān)節(jié)的大范圍動(dòng)作，因此迫切需要找出一種新的柔性機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)器，來彌補(bǔ)上述驅(qū)動(dòng)方式的不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)以上問題，本發(fā)明提供了一種變剛度服務(wù)機(jī)器人關(guān)節(jié)，采用以形狀記憶合金彈簧作為柔性關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)單元，形狀記憶合金彈簧具有驅(qū)動(dòng)方式簡單，體積小，輸出功率大，行程范圍大等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了柔性關(guān)節(jié)的拮抗驅(qū)動(dòng)，很好地實(shí)現(xiàn)了柔性關(guān)節(jié)的變剛度特征，為了保證該柔性關(guān)節(jié)在指定位置的剛度，采用了位置信息采集單元和驅(qū)動(dòng)力采集單元來獲得該變剛關(guān)節(jié)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)剛度，并通過負(fù)反饋系統(tǒng)保證該柔性關(guān)節(jié)剛度的精度。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種變剛度服務(wù)機(jī)器人關(guān)節(jié)，包括基座、驅(qū)動(dòng)單元、位置信息采集單元、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)單元與驅(qū)動(dòng)力采集單元，位置信息采集單元與旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)單元上端同軸連接，位置信息采集單元與旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)單元下端分別固定于基座上，驅(qū)動(dòng)力采集單元固定于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)單元上，驅(qū)動(dòng)單元一端連接于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)單元上，另一端連接于驅(qū)動(dòng)力采集單元上。

進(jìn)一步而言，所述驅(qū)動(dòng)單元包括形狀記憶合金彈簧、可調(diào)數(shù)字電源、電壓控制模塊與控制器，形狀記憶合金彈簧一端通過接線端子連接于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)單元上，另一端通過接線端子連接于驅(qū)動(dòng)力采集單元上。

進(jìn)一步而言，所述位置信息采集單元包括支撐柱、編碼器座、編碼器與彈性聯(lián)軸器，編碼器固定于編碼器座上，編碼器座側(cè)部連接于彈性聯(lián)軸器，編碼器座底部連接于支撐柱，支撐柱固定于基座上。

進(jìn)一步而言，所述編碼器采用1000線的數(shù)字旋轉(zhuǎn)編碼器。

進(jìn)一步而言，所述旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)單元包括傳動(dòng)軸一、連桿一、傳動(dòng)軸二、深溝球軸承與連桿二，傳動(dòng)軸一的一端與位置信息采集單元的彈性聯(lián)軸器同軸連接，另一端與傳動(dòng)軸二連接，傳動(dòng)軸二設(shè)于深溝球軸承內(nèi)，連桿一鉸接于深溝球軸承上，深溝球軸承固定于連桿二上，連桿二固定于基座上。

進(jìn)一步而言，所述驅(qū)動(dòng)力采集單元包括連接板、壓力傳感器安裝板、壓力傳感器與輸入端采集連接板，連接板與壓力傳感器安裝板對(duì)應(yīng)設(shè)置，并固定于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)單元的連桿二上，壓力傳感器一端安裝于壓力傳感器安裝板上，另一端安裝有輸入端采集連接板，輸入端采集連接板通過多條形狀記憶合金彈簧連接于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)單元的連桿一上。

進(jìn)一步而言，所述壓力傳感器采用應(yīng)變式壓力傳感器。

本發(fā)明有益效果：

本發(fā)明采用以形狀記憶合金彈簧作為柔性關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)單元，形狀記憶合金彈簧具有驅(qū)動(dòng)方式簡單，體積小，輸出功率大，行程范圍大等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了柔性關(guān)節(jié)的拮抗驅(qū)動(dòng)，很好地實(shí)現(xiàn)了柔性關(guān)節(jié)的變剛度特征，為了保證該柔性關(guān)節(jié)在指定位置的剛度，采用了位置信息采集單元和驅(qū)動(dòng)力采集單元來獲得該變剛關(guān)節(jié)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)剛度，并通過負(fù)反饋系統(tǒng)保證該柔性關(guān)節(jié)剛度的精度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)立體圖；

圖2是本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)平面圖；

圖3是圖2側(cè)面結(jié)構(gòu)圖；

圖4是位置信息采集單元與旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)單元示意圖；

圖5是驅(qū)動(dòng)力采集單元示意圖。

1.基座；2.驅(qū)動(dòng)單元；20.形狀記憶合金彈簧；3.位置信息采集單元；30.支撐柱；31.編碼器座；32.編碼器；33.彈性聯(lián)軸器；4.旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)單元；40.傳動(dòng)軸一；41.連桿一；42.傳動(dòng)軸二；43.深溝球軸承；44.連桿二；5.驅(qū)動(dòng)力采集單元；50.連接板；51.壓力傳感器安裝板；52.壓力傳感器；53.輸入端采集連接板。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行說明。

如圖1和圖5所示，本發(fā)明所述一種變剛度服務(wù)機(jī)器人關(guān)節(jié)，包括基座1、驅(qū)動(dòng)單元2、位置信息采集單元3、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)單元4與驅(qū)動(dòng)力采集單元5，位置信息采集單元3與旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)單元4上端同軸連接，位置信息采集單元3與旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)單元4下端分別固定于基座1上，驅(qū)動(dòng)力采集單元5固定于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)單元4上，驅(qū)動(dòng)單元2一端連接于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)單元4上，另一端連接于驅(qū)動(dòng)力采集單元5上，驅(qū)動(dòng)單元2包括形狀記憶合金彈簧20、可調(diào)數(shù)字電源、電壓控制模塊與控制器，形狀記憶合金彈簧20一端通過接線端子連接于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)單元4上，另一端通過接線端子連接于驅(qū)動(dòng)力采集單元5上。

本發(fā)明采用以形狀記憶合金彈簧20作為柔性關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)單元2，形狀記憶合金彈簧20具有驅(qū)動(dòng)方式簡單，體積小，輸出功率大，行程范圍大等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了柔性關(guān)節(jié)的拮抗驅(qū)動(dòng)，很好地實(shí)現(xiàn)了柔性關(guān)節(jié)的變剛度特征，其工作原理：接線端子作為電源的輸入端，通過控制器發(fā)送pwm信號(hào)，利用電壓控制模塊控制形狀記憶合金彈簧20兩端的電壓，本發(fā)明為了提高該旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的可調(diào)剛度范圍，根據(jù)不同的工況調(diào)整關(guān)節(jié)的剛度特性，剛度調(diào)節(jié)是通過兩邊六根獨(dú)立的形狀記憶合金彈簧20實(shí)現(xiàn)的(如圖1所示)，其工作流程：根據(jù)仿人工肌肉拮抗工作原理，通過控制六根形狀記憶合金彈簧20上的電流大小，控制關(guān)節(jié)的位置和對(duì)應(yīng)位置下的剛度大小，當(dāng)該關(guān)節(jié)系統(tǒng)工作在復(fù)雜的人機(jī)交互環(huán)境下，為了保證用戶的安全，就必須保證關(guān)節(jié)擁有較小的剛度，通過給兩邊形狀記憶合金彈簧20通較小的電流來驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，控制關(guān)節(jié)在特定位置保持較小的剛度，當(dāng)關(guān)節(jié)工作在需要具有較強(qiáng)的抗干擾環(huán)境下，就必須保證關(guān)節(jié)具有較大的剛度，通過給兩邊形狀記憶合金彈簧20通較大的電流來驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，控制關(guān)節(jié)保持較大的剛度。為了保證該柔性關(guān)節(jié)在指定位置的剛度，采用了位置信息采集單元3和驅(qū)動(dòng)力采集單元5來獲得該變剛關(guān)節(jié)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)剛度，并通過負(fù)反饋系統(tǒng)保證該柔性關(guān)節(jié)剛度的精度。另外，位置信息采集單元3與旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)單元4上端同軸連接，其起到在一定程度上抵消了由于零件加工和裝配時(shí)產(chǎn)生的同軸度誤差，進(jìn)一步保證了采集的位置信息的精度。

更具體而言，所述位置信息采集單元3包括支撐柱30、編碼器座31、編碼器32與彈性聯(lián)軸器33，編碼器32固定于編碼器座31上，編碼器座31側(cè)部連接于彈性聯(lián)軸器33，編碼器座31底部連接于支撐柱30，支撐柱30固定于基座1上，編碼器32采用1000線的數(shù)字旋轉(zhuǎn)編碼器，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)單元4包括傳動(dòng)軸一40、連桿一41、傳動(dòng)軸二42、深溝球軸承43與連桿二44，傳動(dòng)軸一40的一端與位置信息采集單元3的彈性聯(lián)軸器33同軸連接，另一端與傳動(dòng)軸二42連接，傳動(dòng)軸二42設(shè)于深溝球軸承43內(nèi)，連桿一41鉸接于深溝球軸承43上，深溝球軸承43固定于連桿二44上，連桿二44固定于基座1上。采用這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)置，編碼器32采用1000線的數(shù)字旋轉(zhuǎn)編碼器，測(cè)量精度可達(dá)到0.36度，很好地保證了采集的位置信息的精度，本發(fā)明所述位置信息采集單元3在工作中起到位置信息輸入、位置信息采集與位置信息處理的作用，由于位置信息采集單元3與旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)單元4上端同軸連接，當(dāng)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)動(dòng)作時(shí)，位置信息被實(shí)時(shí)輸入到位置采集單元中，位置信息采集由編碼器32完成，位置信息處理由控制器完成，控制器接受來自編碼器采集到的位置信息，實(shí)時(shí)顯示并分析該關(guān)節(jié)系統(tǒng)的位置信息，并通過負(fù)反饋信號(hào)控制位置的輸入，從而達(dá)到精確控制該變剛度關(guān)節(jié)的位置和相應(yīng)的剛度。

更具體而言，所述驅(qū)動(dòng)力采集單元5包括連接板50、壓力傳感器安裝板51、壓力傳感器52與輸入端采集連接板53，連接板50與壓力傳感器安裝板51對(duì)應(yīng)設(shè)置，并固定于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)單元4的連桿二44上，壓力傳感器52一端安裝于壓力傳感器安裝板51上，另一端安裝有輸入端采集連接板53，輸入端采集連接板53通過多條形狀記憶合金彈簧20連接于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)單元4的連桿一41上，壓力傳感器52采用應(yīng)變式壓力傳感器。本發(fā)明所述驅(qū)動(dòng)力采集單元5在工作中起到驅(qū)動(dòng)力信息輸入、驅(qū)動(dòng)力信息采集與驅(qū)動(dòng)力信息處理的作用，其中，驅(qū)動(dòng)力信息輸入端連接到形狀記憶合金彈簧20的一端，這樣就可以準(zhǔn)確得到實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)力的大小，驅(qū)動(dòng)力信息采集由應(yīng)變式壓力傳感器完成，驅(qū)動(dòng)力信息處理同樣采用控制器完成，用于實(shí)時(shí)顯示和分析該關(guān)節(jié)系統(tǒng)的位置信息，并通過反饋信息控制驅(qū)動(dòng)力信息的輸入，從而達(dá)到精確控制該變剛度關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力和相應(yīng)的剛度。

更具體而言，本發(fā)明根據(jù)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)剛度定義，即關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)單位角度所需要的驅(qū)動(dòng)力矩大小，所以通過簡單的采集位置信息和驅(qū)動(dòng)力信息還是無法獲得關(guān)節(jié)剛度，必須對(duì)采集的位置信息和驅(qū)動(dòng)力信息進(jìn)行相應(yīng)的分析處理計(jì)算出關(guān)節(jié)的實(shí)時(shí)剛度。

以上結(jié)合附圖對(duì)本用新型的實(shí)施例進(jìn)行了描述，但本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。