基于拮抗式变刚度驱动器的2‑DOF柔性机械臂

技术领域

本发明涉及一种基于拮抗式变刚度驱动器的2-DOF柔性机械臂，属于工业机器人领域。

背景技术

传统的工业机器人，为了实现精确控制，需要整个系统具有较高的刚度，响应速度越快越好。驱动器是机器人系统的动力来源，其性能的好坏以及刚度的大小直接影响机器人的整体性能以及控制的准确性，现有的机器人驱动方式大多采用纯刚性的电机，虽然高刚性的驱动系统实现了执行机构的精确定位以及精确的轨迹跟踪，但随着人们生活节奏的加快，人们更加追求健康的生活方式和舒适的工作环境，不愿意做很艰难、很危险、很不卫生的工作，也不愿意去做无味、重复性的工作，机器人研究的热点已经逐渐转移到以“人为中心”的服务机器人，从而给机器人研究领域带来了新的挑战，即人-机器人交互。服务机器人与人接触的过程中最大的危险来自于他们之间的碰撞，虽然已经有大量碰撞检测和避免碰撞的研究，但是，避免绝对不碰撞是不可能。这样刚变刚度柔顺驱动器就显得极其重要。

发明内容

本发明的变刚度柔顺驱动器的设计最初来源于仿生学思想，以具有粘弹性性质的肌肉骨骼作为驱动系统的人类，外加一个极其精确的神经机械控制系统，使得人类能够很好的适应外部复杂环境，保护自身安全。

为解决上述技术问题本发明的构思是：

通过两个二次曲面和弹簧实现将弹簧的线性转化为非线性，实现驱动器的变刚度。肩关节和肘关节分别用两个变刚度柔顺驱动器形成两对拮抗肌来驱动两个关节的运动。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种基于拮抗式变刚度驱动器的2-DOF柔性机械臂，包括安装底板、肘关节驱动装置、肩关节驱动装置、仿生手臂，所述肘关节驱动装置、肩关节驱动装置和仿生手臂分别安装于安装底板的后部。

所述肘关节驱动装置包括两个直流伺服电机通过两个第一电机支架安装在安装底板上，电机输出轴通过第一钢丝滑轮和第一钢丝绳与变刚度柔顺驱动器的侧面板固定架连接，变刚度柔顺驱动器的曲面板通过第二钢丝绳和第二钢丝滑轮与2轴关节轴连接，变刚度柔顺驱动器通过变刚度柔顺驱动器固定架与第一导轨滑块相连，第一直线导轨安装于安装底板上，2轴关节轴通过编码器支架和2轴关节轴支架固定在安装底板上，2轴关节轴与2轴关节轴支架之间通过轴承连接，第一编码器固定于第一编码器支架上。

所述肩关节驱动装置包括两个直流伺服电机通过两个第二电机支架安装在安装底板上，电机输出轴通过第一钢丝滑轮和第一钢丝绳与变刚度柔顺驱动器的侧面板固定架连接，变刚度柔顺驱动器的曲面板通过第二钢丝绳和第三钢丝滑轮与2轴关节轴连接，第三钢丝滑轮与2轴关节轴之间通过中间轮和滚动轴承连接，这样两轴运动不干涉，肘关节驱动轮与第三钢丝滑轮通过中间轮连接，肘关节驱动轮与2轴关节轴之间通过滚动轴承连接，2轴关节轴穿过第一轴支架和第二编码器支架，这两个支架固定于支架底板上，支架底板安装于安装底板上，变刚度柔顺驱动器通过变刚度柔顺驱动器固定架与第一导轨滑块相连，第一直线导轨通过铝型材垫块安装于安装底板上，第一同步带轮与第一编码器同轴安装于第二编码器支架两侧，第二同步带轮安装于2轴关节轴上，与第三钢丝滑轮同轴运动，分布在第一同步带轮同侧，第一同步带安装于第一同步带轮和第二同步带轮之间。

所述变刚度柔顺驱动器包括曲面板的曲面和两个大滚轮接触，曲面板的中空部分与四个小滚轮接触，小滚轮是由滚动轴承和一小轴构成的；两个侧面板通过一个侧面板固定架连接，同时，小滚轮的两端安装于两个侧面板上，大滚轮通过大滚轮轴嵌入侧面板的槽沟中，每个侧面板的两个大滚轮轴之间通过线性弹簧连接，变刚度柔顺驱动器通过其曲面板与变刚度柔顺驱动器固定架连接。

所述仿生手臂包括2轴关节轴穿过的两个后臂板，第三同步带轮安装于两个后臂板之间的2轴关节轴上，第三同步带轮与2轴关节轴之间通过键连接，后臂板分别通过端盖板与2轴关节轴连接并通过螺钉与肘关节驱动轮连接，后臂板上部连接有肩盖板，两个后臂板中部通过两个后臂板支架固定，后臂板下部通过两个端盖板与2轴第二关节轴连接，2轴第二关节轴通过前臂板固定轮与第四同步带轮连接，张紧轮通过张紧轮轴安装在后臂板中下部，张紧轮与张紧轮轴之间通过轴承连接，第二同步带安装在第三同步带轮和第四同步带轮之间；两个前臂板通过前臂板固定轮固定在2轴第二关节轴上，前臂板中部通过前臂板固定架固定，前臂板末端通过末端滚子固定。

本发明与现有技术相比较，具有如下突出实质特征点和显著优点：

本发明的变刚度柔顺驱动器与传统的气动肌肉驱动器相比，气动肌肉的柔顺性较强，不易实现精确控制，而本发明在刚度可变的基础上可以实现更加精确的位置控制。

附图说明

图1是一种基于拮抗式变刚度柔顺驱动器的2-DOF柔性机械臂的总装配图。

图2是安装底板示意图。

图3是肘关节驱动装置示意图。

图4是变刚度柔顺驱动器示意图a。

图5是变刚度柔顺驱动器示意图b。

图6是变刚度柔顺驱动器示意图c。

图7是肩关节驱动装置示意图a。

图8是肩关节驱动装置示意图b。

图9 是仿生手臂示意图a。

图10是仿生手臂示意图b。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体运动过程做进一步的说明。

如图1和图2所示，一种基于拮抗式变刚度柔顺驱动器的2-DOF柔性机械臂，包括安装底板1，肘关节（2轴）驱动装置2、肩关节（1轴）驱动装置3，仿生手臂（柔性机械臂）4，所述轴关节（2轴）驱动装置2、肩关节（1轴）驱动装置3，仿生手臂（柔性机械臂）4依次按照图1的顺序安装于安装底板（1）的后部，肘关节（2轴）驱动装置2安装于安装底板1的安装孔5和安装孔9及其中间，肩关节（1轴）驱动装置3安装于安装底板1的安装孔6和安装孔8及其中间。

如图3所示，所述肘关节驱动装置2包括两个直流伺服电机10通过两个第一电机支架11安装在安装底板1上，电机输出轴通过第一钢丝滑轮16和第一钢丝绳17与变刚度柔顺驱动器12的侧面板固定架30连接，变刚度柔顺驱动器12的曲面板29通过第二钢丝绳24和第二钢丝滑轮13与2轴关节轴23连接，变刚度柔顺驱动器12通过变刚度柔顺驱动器固定架20与第一导轨滑块19相连，第一直线导轨18安装于安装底板1上，2轴关节轴23通过编码器支架15和2轴关节轴支架21固定在安装底板1上，2轴关节轴23与2轴关节轴支架21之间通过轴承22连接，第一编码器14固定于第一编码器支架15上。

如图4、图5和图6所示，所述变刚度柔顺驱动器12包括曲面板29的曲面和两个大滚轮28接触，曲面板29的中空部分与四个小滚轮31接触，小滚轮31是由滚动轴承和一小轴构成的；两个侧面板27通过一个侧面板固定架30连接，同时，小滚轮31的两端安装于两个侧面板27上，大滚轮28通过大滚轮轴26嵌入侧面板27的槽沟中，每个侧面板27的两个大滚轮轴26之间通过线性弹簧25连接，变刚度柔顺驱动器12通过其曲面板29与变刚度柔顺驱动器固定架20连接。

如图7和图8所示，所述肩关节驱动装置3包括两个直流伺服电机10通过两个第二电机支架33安装在安装底板1上，电机输出轴通过第一钢丝滑轮16和第一钢丝绳17与变刚度柔顺驱动器12的侧面板固定架30连接，变刚度柔顺驱动器12的曲面板29通过第二钢丝绳24和第三钢丝滑轮38与2轴关节轴23连接，第三钢丝滑轮38与2轴关节轴23之间通过中间轮42和滚动轴承连接，这样两轴运动不干涉，肘关节驱动轮37与第三钢丝滑轮38通过中间轮连接，肘关节驱动轮37与2轴关节轴23之间通过滚动轴承连接，2轴关节轴23穿过第一轴支架36和第二编码器支架32，这两个支架固定于支架底板35上，支架底板35安装于安装底板1上，变刚度柔顺驱动器12通过变刚度柔顺驱动器固定架20与第一导轨滑块19相连，第一直线导轨18通过铝型材垫块34安装于安装底板1上，第一同步带轮40与第一编码器14同轴安装于第二编码器支架32两侧，第二同步带轮41安装于2轴关节轴23上，与第三钢丝滑轮38同轴运动，分布在第一同步带轮40同侧，第一同步带39安装于第一同步带轮40和第二同步带轮41之间。

如图9和图10所示，所述仿生手臂4包括2轴关节轴23穿过的两个后臂板44，第三同步带轮55安装于两个后臂板44之间的2轴关节轴23上，第三同步带轮55与2轴关节轴23之间通过键连接，后臂板44分别通过端盖板45与2轴关节轴23连接并通过螺钉与肘关节驱动轮37连接，后臂板44上部连接有肩盖板43，两个后臂板44中部通过两个后臂板支架52固定，后臂板44下部通过两个端盖板45与2轴第二关节轴49连接，2轴第二关节轴49通过前臂板固定轮56与第四同步带轮50连接，张紧轮53通过张紧轮轴54安装在后臂板44中下部，张紧轮53与张紧轮轴54之间通过轴承连接，第二同步带51安装在第三同步带轮55和第四同步带轮50之间；两个前臂板46通过前臂板固定轮56固定在2轴第二关节轴49上，前臂板46中部通过前臂板固定架48固定，前臂板46末端通过末端滚子47固定。

本发明装置的运动过程如下：

肘关节驱动装置2驱动仿生手臂4的肘关节进行运动，肩关节驱动装置3驱动仿生手臂4的肩关节进行运动，肘关节驱动装置2和肩关节驱动装置3通过变刚度柔顺驱动器12实现刚度变化，具体如下：

变刚度柔顺驱动12变刚度原理：如图4、图5和图6所示，线性弹簧25的形变量和拉力之间是成线性关系，大滚轮28沿着曲面板29的运动是非线性的，在垂直于弹簧形变量的方向上，第一钢丝绳17和第二钢丝绳24之间的拉力即变为非线性，从而实现驱动器的柔顺刚度变化。

仿生臂肩关节运动过程：如图7和图8所示，肩关节驱动装置3一端的直流电机10通过驱动第一钢丝滑轮16，带动第一钢丝绳17，经过变刚度柔顺驱动器12带动第二钢丝绳24，再驱动第三钢丝滑轮38，接着通过中间轮42驱动肘关节驱动轮37运动，肘关节驱动轮37驱动仿生手臂4的后臂板44运动，如图9所示；肩关节驱动装置3的另外一端原理同上，两端协同运动从而实现肩关节的运动。如图8所示，第一编码器14通过第一同步带轮40、第一同步带39和第二同步带轮41检测肩关节转动的角度。因为第二同步带轮41与第三钢丝滑轮38同轴运动。

仿生臂肘关节运动过程：如图3所示，肘关节驱动装置2一端的直流电机10通过驱动第一钢丝滑轮16，带动第一钢丝绳17，经过变刚度柔顺驱动器12带动第二钢丝绳24，再驱动第二钢丝滑轮13，第二钢丝滑轮13驱动2轴关节轴23运动，第一编码器14用来检测转动角度。如图10所示，2轴关节轴23驱动第三同步带轮55，第三同步带轮55通过第二同步带51带动第四同步带轮50运动，第四同步带轮50驱动前臂固定轮56运动，从而前臂板46实现绕着2轴第二关节轴49的运动，肘关节驱动装置2的另外一端原理同上，两端协同运动从而实现肘关节的运动。