一种可主动和被动调节刚度的柔性机械臂装置的制作方法

本发明属于机器人领域，具体涉及一种可主动和被动调节刚度的柔性机械臂装置。

背景技术：

目前大多数机器人的柔性依赖于电机和减速器的柔性或者柔性调节装置，减速器的柔性一般是通过谐波减速器的柔轮变形来实现。柔性调节装置大多采用弹性元件，包括弹簧、扭簧、弹性绳、弹簧或具有弹性的材料、带有弹性构件的机构等装置。工农业生产加工、康复医疗、家庭以及社会服务业等领域要求机械臂不再封闭在加工空间能够实现人机交互，具有更高的柔性，确保人机交互过程中的安全性。但是现有技术存在结构复杂、体积大以及结构柔性差的问题。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种可主动和被动调节刚度的柔性机械臂装置解决了现有技术结构复杂、体积大以及结构柔性差的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种可主动和被动调节刚度的柔性机械臂装置，包括第一机械臂、第一电磁铁、圆柱体空腔、第二电磁铁、第二机械臂、花键形弹性元件、第一锥齿轮、第二锥齿轮、中心轴、弹簧、谐波减速器、无刷直流电机和第三机械臂；

所述第一电磁铁固定在第一机械臂的一端，且安装在圆柱体空腔的内部，所述第二电磁铁固定在第二机械臂的一端，且安装在圆柱体空腔的内部；

所述第二机械臂的另一端安装有花键形弹性元件，花键形弹性元件通过第一锥齿轮与第二锥齿轮连接，所述弹簧的一端安装在第二锥齿轮远离第二机械臂的一面，所述中心轴安装在弹簧的轴心上，并且其一端与第二锥齿轮连接，其另一端与谐波减速器连接；

所述弹簧的另一端安装在谐波减速器上，所述谐波减速器安装在无刷直流电机的输出端，所述无刷直流电机安装在第三机械臂上。

优选的，所述第一电磁铁和第二电磁铁互斥安装。

采用上述优选方案的有益效果为：在第一电磁铁和第二电磁铁通电时，可通过调整电流大小调整两个电磁铁之间的排斥力，电流越强，抵抗外加轴向力压缩的能力也越强，轴向的刚度越大，为刚度从零到无限的变化的基础。

优选的，所述圆柱体空腔内部设置有2个滑轨，所述第一电磁铁和第二电磁铁均安装在滑轨上。

采用上述优选方案的有益效果为：可以保证第一电磁铁和第二电磁铁始终保持正对，使电磁铁只产生轴向位移。

优选的，所述圆柱体空腔、第一电磁铁和第二电磁铁均密封，所述第一机械臂和第二机械臂位于圆柱体空腔中的一端均安装有密封圈，且圆柱体空腔内充有定量气体。

采用上述优选方案的有益效果为：可以保证第一机械臂和第二机械臂不会发生碰撞。

优选的，所述第一机械臂上安装有执行机构，所述执行机构上设置有力传感器和位移传感器，所述第一机械臂上还安装有角速度传感器。

采用上述优选方案的有益效果为：能够通过力传感器实时反馈力的大小，判断接触安全性，通过位移传感器反馈机械臂的收缩量，用于判断执行端的实际位置。

优选的，所述花键形弹性元件内部为花键形式设计，其包括圆形的外圈，外圈上设置有与第一锥齿轮啮合连接的轮齿，所述花键形弹性元件中心设置有圆形的内圈，所述内圈通过多个对称安装的弹簧片与外圈连接，所述内圈上设置有三角形孔，所述三角形孔的中心与外圈的中心重合，所述花键形弹性元件通过三棱柱连接件与第二机械臂连接，所述三棱柱连接件径向穿设于第二机械臂中。

采用上述优选方案的有益效果为：简化了机械臂关节部分的结构。

优选的，所述第二锥齿轮中心设置有螺纹孔，所述中心轴为带螺纹的圆柱体结构，所述中心轴的一端设置有防脱帽，并通过螺纹与第二锥齿轮的螺纹孔连接，其另一端与谐波减速器连接。

采用上述优选方案的有益效果为：可以使弹簧沿中心轴进行轴向位移的同时，保证其弹性变形时不发生扭转，防脱帽避免了第二锥齿轮与中心轴脱离。

本发明的有益效果为：

(1)本发明的第一电磁铁和第二电磁铁通电时，可通过调整电流大小调整两个电磁铁之间的排斥力，电流越强，抵抗外加轴向力压缩的能力也越强，轴向的刚度越大，为刚度从零到无限的变化的基础。可以保证第一电磁铁和第二电磁铁始终保持正对，使电磁铁只产生轴向位移。以及保证第一机械臂和第二机械臂不会发生碰撞。

(2)本发明能够通过力传感器实时反馈力的大小，判断接触安全性，通过位移传感器反馈机械臂的收缩量，用于判断执行端的实际位置，简化了机械臂关节部分的结构。可以使弹簧沿中心轴进行轴向位移的同时，保证其弹性变形时不发生扭转。

(3)本发明将柔性分解为关节部分的被动柔性以及机械臂部分的主动柔性，避免了柔性结构冗余在关节部位，结构复杂将导致整体性能的下降。

(4)本发明利用电磁铁的相互排斥实现的机械臂柔性是可控的，且具有大的调节范围。

(5)本发明简化了关节处的设计，使关节结构简单紧凑，对复杂环境的适应性加强，同时极大地减轻了机械臂的整体质量。

附图说明

图1为本发明提出的一种可主动和被动调节刚度的柔性机械臂装置示意图。

图2为本发明中机械臂部分结构立体示意图。

图3为本发明中机械臂部分立体结构分解示意图。

图4为本发明中花键形弹性元件示意图。

图5为本发明中花键形弹性元件正视图。

其中，1-第一机械臂、2-第一电磁铁、3-圆柱体空腔、4-第二电磁铁、5-第二机械臂、6-花键形弹性元件、7-第一锥齿轮、8-第二锥齿轮、9-中心轴、10-弹簧、11-谐波减速器、12-无刷直流电机、13-第三机械臂、14-外圈、15-轮齿、16-内圈、17-三角形孔、18-弹簧片。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

下面结合附图详细说明本发明的一个实施例。

如图1-图3所示，一种可主动和被动调节刚度的柔性机械臂装置，包括第一机械臂1、第一电磁铁2、圆柱体空腔3、第二电磁铁4、第二机械臂5、花键形弹性元件6、第一锥齿轮7、第二锥齿轮8、中心轴9、弹簧10、谐波减速器11、无刷直流电机12和第三机械臂13；

第一电磁铁2固定在第一机械臂1的一端，且安装在圆柱体空腔3的内部，所述第二电磁铁4固定在第二机械臂5的一端，且安装在圆柱体空腔3的内部；

第二机械臂5的另一端安装有花键形弹性元件6，花键形弹性元件6通过第一锥齿轮7与第二锥齿轮8连接，所述弹簧10的一端安装在第二锥齿轮8远离第二机械臂5的一面，所述中心轴9安装在弹簧10的轴心上，并且其一端与第二锥齿轮8连接，其另一端与谐波减速器11连接；

弹簧10的另一端安装在谐波减速器11上，所述谐波减速器11安装在无刷直流电机12的输出端，所述无刷直流电机12安装在第三机械臂13上。

在本实施例中，第一机械臂1、第一电磁铁2、圆柱体空腔3、第二电磁铁4和第二机械臂5组成本发明的机械臂部分，花键形弹性元件6、第一锥齿轮7、第二锥齿轮8、中心轴9和弹簧10组成本发明的柔性关节部分。

在本实施例中，第一电磁铁2和第二电磁铁4互斥安装，圆柱体空腔3内部设置有2个滑轨，所述第一电磁铁2和第二电磁铁4均安装在滑轨上。第一电磁铁2和第二电磁铁4始终正对，且沿滑轨轴向运动。

圆柱体空腔3、第一电磁铁2和第二电磁铁4均密封，所述第一机械臂1和第二机械臂5位于圆柱体空腔3中的一端均安装有密封圈，且圆柱体空腔3内充有定量气体。

在本实施例中，第一机械臂1上安装有执行机构，执行机构上设置有力传感器和位移传感器，第一机械臂13上安装有角速度传感器。通过力传感器实施反馈力的大小，判断接触安全性，当判断危险时，自动控制电磁铁上的电流减小，将刚度降到安全范围内。

如图4和图5所示，所述花键形弹性元件6内部为花键形式设计，其包括圆形的外圈14，外圈14上设置有与第一锥齿轮7啮合连接的轮齿15，所述花键形弹性元件6中心设置有圆形的内圈16，所述内圈16通过多个对称安装的弹簧片18与外圈14连接，所述内圈16上设置有三角形孔17，所述三角形孔17的中心与外圈14的中心重合，所述花键形弹性元件6通过三棱柱连接件与第二机械臂5连接，所述三棱柱连接件径向穿设于第二机械臂5中。

在本实施例中，所述第二锥齿轮8中心设置有螺纹孔，所述中心轴9为带螺纹的圆柱体结构，所述中心轴9的一端设置有防脱帽，并通过螺纹与第二锥齿轮8的螺纹孔连接，其另一端与谐波减速器11连接，通过第二锥齿轮8的螺纹孔与中心轴9的螺纹配合，使第二锥齿轮8旋转时沿中心轴9的轴进行轴向移动，此时弹簧会逐渐紧绷，使得此处刚度发生变化。

本发明的工作原理为：先将本发明安装到待作业区域，在第一机械臂1上装好执行机构，执行机构上安装有力传感器和位移传感器，并通过计算机控制装置开始作业，作业时通过控制第一电磁铁2和第二电磁铁4中的电流大小，使第一机械臂1沿圆柱体空腔3的轴进行轴向运动，通过执行机构上的力传感器调节第一电磁铁2和第二电磁铁4的电流大小，实现机械臂的刚度变化。通过无刷直流电机12和谐波减速器11带动中心轴9和弹簧10转动，中心轴9和弹簧10带动第二锥齿轮8转动，第二锥齿轮8通过第一锥齿轮7带动花键形弹性元件6转动，花键形弹性元件6通过与第二机械臂5连接的三棱柱带动机械臂部分进行水平转动。

本发明的第一电磁铁2和第二电磁铁4通电时，可通过调整电流大小调整两个电磁铁之间的排斥力，电流越强，抵抗外加轴向力压缩的能力也越强，轴向的刚度越大，为刚度从零到无限的变化的基础。本发明机械臂部分的设计可以保证第一电磁铁2和第二电磁铁4始终保持正对，使电磁铁只产生轴向位移。以及保证第一机械臂1和第二机械臂5不会发生碰撞。

本发明能够通过力传感器实时反馈力的大小，判断接触安全性，通过位移传感器反馈机械臂的收缩量，用于判断执行端的实际位置，简化了本发明柔性关节部分的结构。可以使弹簧10沿中心轴9进行轴向位移的同时，保证其弹性变形时不发生扭转。

本发明将柔性分解为关节部分的被动柔性以及机械臂部分的主动柔性，避免了柔性结构冗余在关节部位，结构复杂将导致整体性能的下降。

本发明利用电磁铁的相互排斥实现的机械臂柔性是可控的，且具有大的调节范围。本发明简化了关节处的设计，使关节结构简单紧凑，对复杂环境的适应性加强，同时极大地减轻了整个的整体质量。本发明的结构简化设计使装置在拥有良好的工作性能的同时，减小的整个装置的体积。