专利名称：用于机械臂的柔性可控机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种机械技术领域的装置，具体的说，是一种用于机械臂的 柔性可控机构。
技术背景现行的机械臂虽然样式很多，自由度的分配各种各样，总体来说有两种类型， 一种类型是刚性机械臂，一种类型是柔性机械臂。前一种类型的机械臂结构简单， 各个关节之间刚性连接，必须借助外部传感器才能够实现运行过程中的避障以及 对驱动元器件的保护。后者主要是在机械臂内装上弹簧、扭矩限制器等装置，使 机械臂具有一定的被动柔顺性能。经对现有技术的文献检索发现，加藤惠辅等在日本《AdvancedRobotics》(高 级机器人学，pp. 191， Vol. 15， No. 2, 2001)上发表论文《Devel叩ment of Quardruped Walking Robot, TITAN-IX _ Mechanical Design Concept and Application for the Humanitarian Demining Robot》(四足步行机器人的开发， TITAN-IX -排雷机器人的机构设计理念及应用)中发明一种叫做"M-Drive"的 具有被动柔顺性能机构。该机构使用钢丝绳索、带轮和弹簧等元件，装备该机构 的机械足(臂)一定程度上能够适应复杂的环境，同时保护驱动元器件不受损坏。 但只有在机械臂遇到障碍或出现故障时，这种被动柔性才会产生效果，起到缓冲 的作用，这种柔性无法通过主动控制进行调整。发明内容本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种用于机械臂的柔性可控机 构，使其解决了以上两种类型机械臂存在的不足，可以主动调节机械臂的柔性， 使其适应不同的环境和条件。这种结构比较简单，造价低，适应范围广，能在各 种环境和条件下作业，通用性比较强。本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明包括小臂驱动轴、第一轴承、 大臂联结板、大臂、钢丝、柔性控制模块、小臂从动轴、轴承盖、第二轴承、小臂联结板、小臂。大臂和小臂的横截面都为中空筒状，以便用于其他零部件的安 装。小臂驱动轴设有V形槽结构用来缠绕钢丝绳，小臂驱动轴两端通过第一轴承 安装在大臂根部，轴线与大臂的长度方向保持垂直并使小臂驱动轴的V形槽处于 大臂内部。小臂从动轴也设有V形槽结构用来缠绕钢丝绳，V形槽的直径、旋向 和导程分别与小臂驱动轴的V形槽直径、旋向和导程相同，小臂从动轴与小臂根 部固定连接，两端通过第二轴承安装在大臂顶部，小臂从动轴的轴线与小臂驱动 轴的轴线保持平行。小臂从动轴的V形槽处于大臂和小臂的内部。钢丝绳的缠绕 顺序为钢丝绳一端固定在小臂联结板上，从小臂从动轴一端开始缠绕，再绕过 柔性控制模块，接着绕过小臂从动轴中间，然后绕过小臂驱动轴，最后绕过小臂 从动轴并固定在另一块小臂联结板上。所述的柔性控制模块包括驱动电机、传动装置、力传感器、U型联结板、 滚轮、固定板。柔性控制模块整体通过固定板固定安装在大臂内部小臂驱动轴和 小臂从动轴之间，用来主动控制钢丝绳的张紧力。驱动电机通过传动装置与力传 感器连接，力传感器通过U型联结板与滚轮连接，而钢丝缠绕在滚轮上，这样通 过电机的转动来拉动滚轮，进而改变钢丝绳的张紧力，从而改变系统的柔性。所述传动装置，可以采用现有技术中的多种结构，例如齿轮齿条装置，或滚 珠丝杠等，用于将电机的旋转运动转变为直线往复运动。本发明的优点是钢丝绳的张紧力可以通过力传感器测得，力传感器测得的信 号可以作为反馈提供给驱动电机，驱动电机可以拉动滚轮，进而改变钢丝绳的张 紧力，从而形成闭环控制，这样不但可以通过改变钢丝绳的张紧力来改变系统的 柔性还可以保证系统末端的执行精度。柔性机械臂具有诸多刚性机械臂无法比拟 的优点重量轻、响应速度快、负载率高、功耗低、可以有效地减小机械臂与环 境接触过程中因碰撞引起的设备损坏。与现有技术相比，该发明可以通过控制电 机改变钢丝绳的张紧力来主动控制系统的柔性，从而适应环境的需要。与对比文 件中所提到的被动柔性相比具有更强的适应性和通用性，例如可以在遇到障碍 之前通过主动控制主动避障，而不是在遇到障碍之后再去缓冲，这样就克服了对 比文件柔性不可控的缺点，对比文件中所提到的柔性是通过弹簧的柔性来适应不 同的环境，而在本发明可以主动调节来改变系统的柔性，适用范围更广。
图1为本发明结构示意2为本发明柔性控制模块结构示意图具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例是在以本发明技术方 案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保 护范围不限于下述的实施例。如图1所示，本实施例包括小臂驱动轴1、第一轴承2、大臂联结板3、大臂4、钢丝绳5、柔性控制模块6、小臂从动轴7、轴承盖8、第二轴承9、小臂联结板10、小臂11。各部件相互连接关系为大臂4和小臂11的横截面都为中空筒状，小臂驱动轴1设有v形槽结构用来缠绕钢丝绳，小臂驱动轴1两端通 过第一轴承2安装在大臂4根部，轴线与大臂4的长度方向保持垂直并使小臂驱 动轴1的V形槽处于大臂4内部。小臂从动轴7也设有V形槽结构用来缠绕钢丝 绳5， V形槽的直径、旋向和导程分别与小臂驱动轴1的V形槽直径、旋向和导 程相同，小臂从动轴7与小臂11根部固定连接，两端通过第二轴承9安装在大 臂4顶部，小臂从动轴7的轴线与小臂驱动轴1的轴线保持平行。小臂从动轴7 的V形槽处于大臂4和小臂11的内部。钢丝绳5的缠绕顺序为钢丝绳一端固 定在小臂联结板10上，从小臂从动轴7—端开始缠绕，再绕过柔性控制模块6， 接着绕过小臂从动轴7中间，然后绕过小臂驱动轴l，最后绕过小臂从动轴7并 固定在另一块小臂联结板10上。钢丝绳5的端部最后固定在小臂11上。 图2为柔性控制模块6结构示意图。所述的柔性控制模块6，包括驱动电机12、传动装置13、力传感器14、 U 型联结板15、滚轮16、固定板17。各部件相互连接关系为柔性控制模块6整 体通过固定板17固定安装在大臂4内部小臂驱动轴1和小臂从动轴7之间，用 来主动控制钢丝绳5的张紧力。驱动电机12通过传动装置13与力传感器14连 接，力传感器14通过U型联结板15与滚轮16连接，而钢丝绳5缠绕在滚轮16 上，这样通过电机12的转动来拉动滚轮16，进而改变钢丝绳5的张紧力，从而 改变系统的柔性。力传感器14测得的信号可以作为反馈提供给驱动电机12，形 成闭环控制，这样不但可以主动改变系统的柔性还可以保证系统末端的执行精 度。传动装置13可以采用齿轮齿条装置或滚珠丝杠等，将电机的旋转运动转变 为直线往复运动。本实施例工作时，电机驱动小臂驱动轴1转动，并通过钢丝绳5的传动使小 臂从动轴7及小臂11一起相对于大臂4转动，由此实现机械臂的运动。在机械 臂运动过程中，如发现可疑障碍物而来不及避开，可以通过柔性控制模块6的调 节来改变钢丝绳的张紧力，从而改变系统的柔性。具体来讲，就是当机械臂接触 到障碍物时，通过力传感器14检测钢丝绳的张紧力信号并反馈给驱动电机12， 驱动电机12改变转速，传动装置13输出的直线运动速度也相应改变，从而改变 钢丝绳5的张紧状况。接着力传感器14再将信号反馈给驱动电机12，形成一个 闭环控制，直至钢丝绳5的张紧状况满足
权利要求
1、一种用于机械臂的柔性可控机构，包括小臂驱动轴、第一轴承、大臂联结板、大臂、钢丝、小臂从动轴、轴承盖、第二轴承、小臂联结板、小臂，其特征在于，还包括柔性控制模块，钢丝绳一端固定在小臂联结板上，从小臂从动轴一端开始缠绕，再绕过柔性控制模块，接着绕过小臂从动轴中间，然后绕过小臂驱动轴，最后绕过小臂从动轴并固定在另一块小臂联结板上，小臂驱动轴、小臂从动轴均设有V形槽结构用来缠绕钢丝绳，小臂驱动轴两端通过第一轴承设置在大臂根部，轴线与大臂的长度方向保持垂直并使小臂驱动轴的V形槽处于大臂内部，小臂从动轴与小臂根部固定连接，两端通过第二轴承设置在大臂顶部，小臂从动轴的V形槽处于大臂和小臂的内部，
2、 根据权利要求1所述的用于机械臂的柔性可控机构，其特征是，所述的 柔性控制模块包括驱动电机、传动装置、力传感器、U型联结板、滚轮、固定 板，柔性控制模块整体通过固定板固定安装在大臂内部小臂驱动轴和小臂从动轴 之间，用来主动控制钢丝绳的张紧力，驱动电机通过传动装置与力传感器连接， 力传感器通过U型联结板与滚轮连接，而钢丝缠绕在滚轮上。
3、 根据权利要求2所述的用于机械臂的柔性可控机构，其特征是，所述的力传感器检测钢丝绳的张紧力，力传感器测得的信号作为反馈提供给驱动电机， 驱动电机拉动滚轮，进而改变钢丝绳的张紧力，从而形成闭环控制。
4、 根据权利要求2所述的用于机械臂的柔性可控机构，其特征是，所述的 传动装置为齿轮齿条装置或滚珠丝杠，将电机的旋转运动转变为直线往复运动。
5、 根据权利要求1所述的用于机械臂的柔性可控机构，其特征是，所述的 小臂从动轴，其V形槽V形槽的直径、旋向和导程分别与小臂驱动轴的V形槽直 径、旋向和导程相同。
6、 根据权利要求1或5所述的用于机械臂的柔性可控机构，其特征是，所 述的小臂从动轴的轴线与小臂驱动轴的轴线保持平行。
7、 根据权利要求1所述的用于机械臂的柔性可控机构，其特征是，所述的 大臂和小臂的横截面都为中空筒状。
全文摘要
一种机械技术领域的用于机械臂的柔性可控机构。本发明中，钢丝绳一端固定在小臂联结板上，从小臂从动轴一端开始缠绕，再绕过柔性控制模块，接着绕过小臂从动轴中间，然后绕过小臂驱动轴，最后绕过小臂从动轴并固定在另一块小臂联结板上，小臂驱动轴、小臂从动轴设有V形槽结构用来缠绕钢丝绳，小臂驱动轴两端通过轴承安装在大臂根部，轴线与大臂的长度方向保持垂直并使小臂驱动轴的V形槽处于大臂内部。小臂从动轴与小臂根部固定连接，两端通过轴承安装在大臂顶部，小臂从动轴的V形槽处于大臂和小臂的内部。柔性控制模块整体通过固定板固定安装在大臂内部。本发明不但可以主动改变系统的柔性还可以保证系统末端的执行精度。
文档编号B25J18/00GK101214663SQ200810032479
公开日2008年7月9日 申请日期2008年1月10日 优先权日2008年1月10日
发明者琦 刘, 史耀强, 张伟军, 袁建军, 俊 陶 申请人:上海交通大学