关节机构及其控制方法、多臂装置和机器人与流程

本发明涉及一种关节机构，尤其是一种用于机器人的关节机构，以及一种用于控制该关节机构的方法。本发明还涉及包含这种关节机构的多臂装置，以及包含这种关节机构或多臂装置的机器人。

背景技术：

机器人在工业领域中已经得到了广泛的应用。其中，关节型机器人以其工作范围大、动作灵活、结构紧凑等诸多优点而尤令人关注。机器人的关节通常包括可以旋转的摇臂，以及用于驱动摇臂旋转的驱动机构。

在现有的关节型机器人中，机器人的各个关节都是用电机(例如步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机、液压伺服电机等)来直接驱动。然而，由于电机自身的特性，这种设计会导致机器人的各个关节的摇臂动作惯量大，难以实现高速的往复摆动。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种关节机构，其能够利用磁流变液来实现关节机构的快速的运动状态变化。本发明还希望提供一种用于控制该关节机构的方法，包含这种关节机构的多臂装置，以及包含这种关节机构或多臂装置的机器人。

根据本发明的第一方面，提供了一种关节机构，其包括：具有枢轴的基座；摇臂，所述摇臂的第一端安装在所述枢轴上；安装在所述枢轴上并用于接受来自驱动源的动力的第一驱动件和第二驱动件，所述第一驱动件和第二驱动件分别通过磁流变液与所述摇臂相互作用；以及第一电磁组件和第二电磁组件，所述第一电磁组件和第二电磁组件构造成能够使磁流变液产生应变，由此所述第一驱动件和第二驱动件能够选择性地驱动所述摇臂分别沿第一方向和第二方向旋转，其中，所述第一方向与所述第二方向相反。

磁流变液是将微米尺寸的磁极化颗粒分散于非磁性液体(矿物油、硅油等)中形成的悬浮液。在零磁场情况下，磁流变液表现为流动性能良好的液体，其表观粘度很小。然而在强磁场作用下，磁流变液的表观粘度可在短时间(毫秒级)内增加两个数量级以上，并呈现类固体特性。而且，这种变化是连续的、可逆的，即，去掉磁场后磁流变液又恢复到原来的状态。由于磁流变液在磁场作用下的流变是瞬间的、可逆的，而且其流变后的剪切屈服强度与磁场强度具有稳定的对应关系，因此磁流变液是一种用途广泛、性能优良的智能材料。磁流变液随着磁场强度的变化而产生粘度变化的过程通常称为磁流变液的应变。

根据本发明，在关节机构、尤其是用于机器人的关节机构中，驱动件通过磁流变液与摇臂相互作用(即，形成驱动连接关系)，并利用电磁组件所产生的磁场来使磁流变液产生应变。当电磁组件不产生磁场时，磁流变液表现为流动性能良好的液体，在这种情况下，驱动件与摇臂之间不形成驱动连接。也就是说，驱动件无法驱动摇臂旋转。而当电磁组件产生磁场时，磁流变液发生应变而表现为类固体，在这种情况下，驱动件与摇臂之间就形成了驱动连接。也就是说，驱动件能够驱动摇臂旋转。由于电磁组件的通断可以在很短时间内进行，而磁流变液的响应时间也非常快，因此就可以在很短时间内使得驱动件与摇臂形成驱动连接或断开驱动连接。因此，通过布置两个旋转方向不同的驱动件并根据需要来使一个或两个驱动件与摇臂形成或不形成驱动连接关系，就能够使摇臂进行所需的各种运动，以及实现快速的转向。

在一个实施例中，所述第一驱动件和第二驱动件分别与所述摇臂共同限定了密闭的第一液腔和第二液腔，在所述第一液腔和第二液腔内均填充有磁流变液。

在一个具体的实施例中，所述摇臂的第一端形成为套筒，所述套筒由径向延伸的分隔壁分成两个凹槽。所述两个凹槽的敞开端分别由所述第一驱动件和第二驱动件封闭，从而分别形成所述第一液腔和第二液腔。

在一个具体的实施例中，所述第一驱动件和第二驱动件均形成为一端敞开而一端封闭的中空轴。所述中空轴的敞开端用于安装所述枢轴，而封闭端分别延伸到所述凹槽中。另外，所述中空轴具有位于其外周上的环形台肩，所述环形台肩与所述凹槽的敞开端通过轴承密封式连接，以封闭所述第一液腔和第二液腔。

在一个实施例中，所述第一电磁组件和第二电磁组件均为环状构件，分别安装在所述第一磁流变液腔和第二磁流变液腔内，并且分别套设于所述第一驱动件和第二驱动件的封闭端上。

在一个具体的实施例中，所述第一驱动件和第二驱动件的伸入到凹槽中的部分由软磁材料制成。

在一个具体的实施例中，所述第一电磁组件和第二电磁组件安装在所述第一液腔和第二液腔旁侧。

在一个实施例中，所述驱动源通过传动机构来驱动所述第一驱动件和第二驱动件分别沿所述第一方向和第二方向旋转，其中所述传动机构选自由带轮、齿轮和链轮所构成的组。

在一个具体的实施例中，所述驱动源通过第一传动带和第一驱动带轮来驱动所述第一驱动件，并通过第二传动带和第二驱动带轮来驱动所述第二驱动件。其中，所述第一传动带采用开口传动和交叉传动中的一种，所述第二传动带采用开口传动和交叉传动中的另一种。或者，所述第一传动带和第二传动带均采用半交叉传动。

在一个实施例中，所述第一驱动件和第二驱动件均设有用于检测所述摇臂的转动角度的传感器。

根据本发明的第二方面，提供了一种多臂装置，包括：第一个如上所述的关节机构，以及安装在第一个关节机构的摇臂的第二端处的第二个如上所述的关节机构。其中，第二个关节机构的基座由所述第一个关节机构的摇臂的第二端形成，并且第二个关节机构的驱动源由所述第一个关节机构的第一驱动件和第二驱动件形成。

根据本发明的第三方面，提供了一种控制如上所述的关节机构的方法，包括：向所述第一电磁组件和/或第二电磁组件施加电流以使磁流变液产生应变，使得所述第一驱动件和/或第二驱动件能够选择性地驱动所述摇臂分别沿第一方向和第二方向旋转。

在所述方法的一个工作模式中，仅向所述第一电磁组件施加第一电流，使得所述第一液腔内的磁流变液产生应变。由此，所述第一驱动件能够驱动所述摇臂沿第一方向旋转。

在所述方法的另一个工作模式中，仅向所述第二电磁组件施加第二电流，使得所述第二液腔内的磁流变液产生应变。由此，所述第二驱动件能够驱动所述摇臂沿第二方向旋转。

在所述方法的另一个工作模式中，同时向所述第一电磁组件和第二电磁组件分别持续施加第三电流和第四电流，使得所述第一液腔和第二液腔内的磁流变液均产生应变，并且所述第一驱动件对所述摇臂施加的驱动力等于所述第二驱动件对所述摇臂施加的驱动力，导致所述摇臂处于自然静止状态。

在所述方法的另一个工作模式中，向所述第一电磁组件和/或第二电磁组件分别持续施加第五电流和/或第六电流，使得所述第一液腔和/或第二液腔内的磁流变液产生应变。由此，所述第一驱动件和/或所述第二驱动件对所述摇臂施加的驱动力抵消所述摇臂的重力，导致所述摇臂处于静止状态。其中，所述第五电流和第六电流均为脉冲电流。

在所述方法的另一个工作模式中，向所述第一电磁组件和第二电磁组件交替地施加第七电流和第八电流，使得所述第一液腔和/或第二液腔内的磁流变液交替地产生应变，由此，所述第一驱动件和所述第二驱动件交替地驱动所述摇臂，导致所述摇臂进行往复摆动。

根据本发明的第四方面，提供了一种机器人，其包括至少一个如上所述的关节机构，或者至少一个如上所述的多臂装置。

附图说明

下面将仅参照以下附图、通过非限制性实施例对本发明的优选的实施方案进行描述，其中：

图1显示了根据本发明的多臂装置的立体图，该多臂装置包括两个根据本发明的关节机构；以及

图2显示了根据本发明的关节机构的剖视图。

具体实施方式

下面将结合附图来对本发明进行详细的说明。

图1显示了根据本发明的多臂装置200的立体图。如图1所示，多臂装置200包括两个彼此相连的根据本发明的关节机构100。容易理解，该多臂装置200也可以包括更多个彼此相连的关节机构100。

如图1所示，关节机构100包括具有枢轴41的基座4，以及安装在枢轴41上的摇臂1。摇臂1通过其第一端11安装在枢轴41上，见图2。如图2所示，摇臂1的第一端11形成为套筒形结构，其中心设有沿径向延伸的分隔壁12，通过该分隔壁12将套筒形的第一端11分成两个轴向上相邻的两个凹槽，即第一凹槽13和第二凹槽14。在本发明，用语“轴向”和“径向”是相对于枢轴41来定义的。在这种情况下，枢轴41实际上包括两个分别安装在第一凹槽13和第二凹槽14内的枢轴部分。

根据本发明，关节机构100还包括并列安装在枢轴41上的第一驱动件2和第二驱动件3。第一驱动件2和第二驱动件3均能够接受来自驱动源(未示出)的驱动力而旋转。不同的是，第一驱动件2和第二驱动件3的旋转方向设置成彼此不同。在图1所示的实施例中，第一驱动件2能够沿顺时针方向旋转，而第二驱动件3能够沿逆时针方向旋转。驱动源例如可以是电动机。

如图2所示，第一驱动件2形成为中空轴，其一端敞开而一端封闭。由此，枢轴41可穿入到第一驱动件2的敞开端中，使得第一驱动件2可以安装在枢轴41上以围绕枢轴41旋转。另外，第一驱动件2的封闭端伸入到摇臂1的第一端11的第一凹槽13中，使得第一驱动件2和摇臂1共同形成了一个密闭的第一液腔21。在第一液腔21中填充有磁流变液。在图2所示的实施例中，第一驱动件2还具有位于其外周上的径向向外伸出的环形台肩25。环形台肩25通过轴承26与摇臂1的第一端11连接。为此，摇臂1的第一端11的第一凹槽13的自由端处可形成有用于安装轴承26的轴承止口15。由此，摇臂1能够在第一驱动件2的驱动下旋转。为密封起见，在第一轴承26处可设有密封件(未示出)。

从上述内容可知，第一驱动件2和摇臂1通过第一液腔21中的磁流变液而相互作用，可形成驱动连接关系。

根据本发明的图示实施例，在第一液腔21内设置有第一电磁组件22。第一电磁组件22例如可构造成环形构件，其套入在第一驱动件2的伸入到第一凹槽13中的部分28上。在一个未示出的实施例中，第一电磁组件22并未设置在第一液腔21内，而是设置在第一液腔21的外部，例如设置在第一液腔21的旁边。容易理解，只要第一电磁组件22能够影响第一液腔21内的磁流变液产生应变，其位置就可以根据具体结构的需要而由本领域的技术人员任意地选择。然而，第一电磁组件22布置在第一液腔21内能够使得整个关节机构100的布局更加紧凑，且第一电磁组件22对磁流变液的作用也更加直接，因而是优选的。

在一个实施例中，第一电磁组件21可由电动机的定子形成。电动机的定子可以直接套入到第一驱动件2的伸入到第一凹槽13内的部分28上，其装配非常简便。另外，电动机的定子有现成的市售优质部件可以直接使用，无须独立设计，因而节省了很大一部分成本。当然，也可以使用无轴的电动机定子。

第一驱动件2和第二驱动件3具有相似的结构。因此，容易理解，针对第一驱动件2的结构描述类似地可用于第二驱动件3。具体地说，第二驱动件3也形成为中空轴，其一端敞开而一端封闭。枢轴41穿入到第二驱动件3的敞开端中，使得第二驱动件3可以安装在枢轴41上以便围绕枢轴41旋转。另外，第二驱动件3的封闭端伸入到第二凹槽14中。使得第二驱动件3和摇臂1共同形成了一个密闭的第二液腔31。在第二液腔31中填充有磁流变液。在图2所示的实施例中，第二驱动件3还具有位于其外周上的径向向外伸出的环形台肩35。环形台肩35通过轴承36与摇臂1的第一端11连接。为此，摇臂1的第一端11的第二凹槽14的自由端处可形成有用于承接轴承36的轴承止口。由此，摇臂1能够在第二驱动件3的驱动下旋转。为密封起见，在第二轴承35处可设有密封件(未示出)。因此，第二驱动件3和摇臂1通过第二液腔31中的磁流变液而相互作用，可形成驱动连接关系。

根据本发明的图示实施例，在第二液腔31内设置有第二电磁组件32。第一电磁组件32可构造成环形构件，其套入在第二驱动件3的伸入到第二凹槽14内的部分上。容易理解，第二电磁组件32也可以设置在其它位置，只要第二电磁组件32能够影响第二液腔31内的磁流变液产生应变即可。同样地，第二电磁组件31可由电动机的定子形成。

根据本发明，当不给第一电磁组件31或第二电磁组件32通电而导致无磁场产生时，第一液腔21或第二液腔31内的磁流变液就会表现为流动性能良好的液体。在这种情况下，第一驱动件2或第二驱动件3不会与摇臂1形成驱动连接。也就是说，即使第一驱动件2或第二驱动件3旋转，摇臂1也不会被驱动而随之旋转。然而，当第一电磁组件31或第二电磁组件3通过通电而产生磁场时，第一液腔21或第二液腔31内的磁流变液受到磁场的作用而表现为类固体。在这种情况下，第一驱动件2或第二驱动件3会与摇臂1形成驱动连接。也就是说，如果第一驱动件2或第二驱动件3旋转，则摇臂1会被驱动而随之旋转。

如图1所示，在第一驱动件2与摇臂1形成驱动连接的情况下，当第一驱动件2顺时针旋转，则摇臂1也顺时针旋转。而在第二驱动件3与摇臂1形成驱动连接的情况下，第二驱动件3逆时针旋转，则摇臂1也逆时针旋转。由于磁流变液具有非常快的响应速度，因此摇臂1能够非常快速地跟随第一驱动件2或第二驱动件3而在两个不同的旋转方向上旋转。由此，通过适当地控制第一驱动件2和第二驱动件3的旋转方向以及第一电磁组件22和第二电磁组件32的通、断电状态，根据本发明的关节机构100就能够实现摇臂1的正转、反转，以及在两个不同旋转方向之间的快速切换。根据本发明的关节机构100的具体运动模式在下文中详细说明。

在一个优选的实施例中，第一驱动件2和第二驱动件3的分别伸入到第一凹槽13和第一凹槽14中的部分可由软磁材料制成，以便于磁力的传递。

在另一个优选的实施例中，在第一驱动件2和第二驱动件3上可设置编码器和读码器，用于对摇臂的转动角度进行读取和控制。

根据本发明，驱动源通过传动机构与第一驱动件2或第二驱动件3连接，从而将驱动力传递到第一驱动件2或第二驱动件3上，以使第一驱动件2或第二驱动件3旋转。优选地，传动机构可以是带轮、齿轮、链轮、同步带，等等。由此，整个驱动结构的惯量非常小，有利于摇臂1快速切换其运动方向。

在图示实施例中，传动机构为带轮和传动带。具体地说，驱动源通过第一传动带24和与之配合的第一驱动带轮27来驱动第一驱动件2，而通过第二传动带34和与之配合的第二驱动带轮37来驱动第二驱动件3。在一个实施例中，如图1所示，第一传动带24采用交叉传动，而第二传动带34采用开口传动，使得第一驱动件2和第二驱动件3的旋转方向相反。通过这种设计，可以在驱动源的转轴上同时设置两个并列的带轮，无须提供额外的转向机构就能够保证第一驱动件2和第二驱动件3的旋转方向相反。这种设计的结构简单，成本低，占用空间小。

容易理解的是，第一传动带24也可以采用开口传动，而第二传动带34采用交叉传动，这同样能实现上述效果。

在另一个实施例中，第一传动带24采用半交叉传动，而第二传动带34也采用半交叉传动，由此来保证第一驱动件2和第二驱动件3的旋转方向相反。通过这种布置，可以允许驱动源的转轴设置在任意方向上，同时也避免传动带的交叉传动而带来的自身摩擦问题。

在另外一个实施例中，传动机构为齿轮组。本领域的技术人员容易理解，通过适当地选择齿轮组内的齿轮数量，就可以使第一驱动件2和第二驱动件3的旋转方向相反。这种设计也能够为驱动源的转轴布置提供很大的灵活性。

下面来介绍控制该关节机构100的方法。

如上所述，通过向第一电磁组件22和/或第二电磁组件32施加电流，导致第一液腔21和/或第二液腔31内的磁流变液产生应变，就能够使得第一驱动件2和/或第二驱动件3能够选择性地驱动摇臂1分别沿第一方向和第二方向旋转。根据本发明的关节机构100尤其是能够以如下所述的几种工作模式来进行操作。

在第一工作模式中，仅向第一电磁组件22施加第一电流，使得第一液腔21内的磁流变液应变为高粘性状态。这样，仅有第一驱动件2和摇臂1形成驱动连接。由此，第一驱动件2能够驱动摇臂1沿第一方向(在图示实施例中为顺时针方向)旋转。

在第二工作模式中，仅向第二电磁组件32施加第二电流，使得第二液腔31内的磁流变液应变为高粘性状态。这样，仅有第二驱动件3和摇臂1形成驱动连接。由此，第二驱动件3能够驱动摇臂1沿第二方向(在图示实施例中为逆时针方向)旋转。

在第三工作模式中，同时向第一电磁组件22和第二电磁组件32分别持续施加第三电流和第四电流。这样，第一液腔21和第二液腔31内的磁流变液均应变为粘性状态，导致第一驱动件2和第二驱动件3均与摇臂1形成驱动连接。通过适当地选择第三电流和第四电流的大小，就能够使第一驱动件2对摇臂1施加的驱动力等于第二驱动件3对摇臂1施加的驱动力，导致摇臂1处于自然静止状态。优选地，第三电流小于或等于第一电流，而第四电流小于或等于第二电流。

在第四工作模式中，向第一电磁组件22和/或第二电磁组件32分别持续地施加第五电流和第六电流。这样，第一液腔21和第二液腔31内的磁流变液均应变为粘性状态，导致第一驱动件2和第二驱动件3均与摇臂1形成驱动连接。通过适当地选择第五电流和第六电流的大小，就能够使得第一驱动件2和/或第二驱动件3对摇臂1所施加的驱动力抵消摇臂1的重力，导致摇臂1处于静止状态。俦地，第五电流和第六电流均为脉冲电流。

在第五工作模式中，向第一电磁组件22和第二电磁组件32分别交替地施加第七电流和第八电流。这样，第一液腔21和第二液腔31内的磁流变液交替地应变为粘性状态，导致第一驱动件2和第二驱动件3交替地与摇臂1形成驱动连接。因此，第一驱动件2和第二驱动件3能够交替地驱动摇臂1沿不同的旋转方式运动，即实现了摇臂1的往复摆动。

可以根据具体情况的需要来顺序选择上述工作模式中的一种或多种，从而实现摇臂1的各种所需的功能。

根据本发明的多臂装置200可以包括若干个彼此相连的关节机构100。在图1所示的实施例中，两个关节机构100相互连接。其中，为简化结构，上一级关节机构100的摇臂1的第二端19形成为下一级关节机构100的基座。并且，下一级关节机构100的传动机构连接到上一级关节机构100的第一驱动件2和第二驱动件3上。也就是说，上一级关节机构100的第一驱动件2和第二驱动件3形成为下一级关节机构100的驱动源。当多臂装置200包括若干个关节机构100时，这些关节机构100如上所述地一级级连接。在最后一级关节机构100(图1中的处于上方的关节机构)上可安装作为终端作用件的臂杆110。

通过这种设计，多臂装置200具有非常紧凑的结构，并且能实现更加复杂的运动状态。另外，只需要一个为第一级关节机构100提供驱动力的驱动源，就可以驱动各级关节机构。因此，多臂装置200的成本得到了降低，且功耗也大大地减少。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种机器人，其包括根据本发明的关节机构100或根据本发明的多臂装置200。该机器人可以是单关节机器人或多关节机器人。

最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含本发明的保护范围之内。