一种复合柔顺机构及其仿生臂装置

1.本实用新型涉及仿生装置技术领域，更具体地，涉及一种复合柔顺机构及其仿生臂装置。


背景技术：

2.目前，为了降低仿人臂本体重量和惯量，提升柔顺性能和高速运动性能，绳驱动技术被越来越多的学者应用于仿人臂研究领域中。该技术实现方式是将驱动电机、减速器置放于基座上，通过绳索驱动关节运动，减轻仿人臂执行环节的重量。但由于绳索的柔性和单向受力特性，其刚度变化范围有限，绳索在高刚度状态下人机交互时并不具备安全性和柔顺性，在低刚度状态下位置控制精度差且响应速度慢。传统的变刚度驱动器有高惯量、质量大、制造复杂、刚度变化区间非线性集中等缺陷，不利于研究。
3.现有技术公开了一种实现柔性缓冲的绳驱动关节和绳驱动机械臂，包括定平台、相对于定平台在第一平面内转动的动平台，在定平台和动平台之间设有能在第一平面内转动的中间平台；中间平台相对于定平台顺时针转动时设有用于限制转动的第一刚性绳，逆时针转动时设有用于转动缓冲的第一弹性绳；动平台相对于中间平台顺时针转动时设有用于转动缓冲的第二弹性绳，逆时针转动时设有用于限制转动的第二刚性绳。本发明将多个实现柔性缓冲的绳驱动关节串联组合成绳驱动机械臂，使得绳驱动机械臂实现柔性缓冲的功能，在外载荷较小时处于高刚度状态以保证运动精度和控制精度，在受到较大外载荷如外力冲击时，表现出柔顺性以保证本质安全。
4.但上述方案中的刚度变化范围有限，具有运动灵活性差的缺陷。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种复合柔顺机构及其仿生臂装置，通过对人体骨肌系统的仿生，动态模拟调节人工肌肉的刚度，实现仿生臂刚度可调。
6.为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：
7.提供一种复合柔顺机构，包括基座和装设于所述基座上的变刚度机构，所述变刚度机构用于与仿生臂装置的活动部传动连接，所述基座用于与仿生臂装置的固定部传动连接。
8.优选地，所述变刚度机构包括与基座连接的正刚度结构、负刚度结构，且所述正刚度结构与负刚度结构之间通过连接柱连接；所述连接柱用于与仿生臂装置的活动部传动连接。
9.优选地，所述正刚度结构包括对称设置于所述连接柱两侧的若干第一连接片，所述负刚度结构包括对称设置于所述连接柱两侧的若干第二连接片；所述第一连接片的两端分别与基座、连接柱连接，所述第二连接片的两端也分别与基座、连接柱连接；所述第一连接片与第二连接片之间互不平行。
10.优选地，所述基座为框架结构，所述第一连接片、第二连接片、连接柱均位于所述
框架结构内。
11.本实用新型还提供一种仿生臂装置，包括第一支撑台和与所述第一支撑台转动连接的第二支撑台，所述第一支撑台的两端与第二支撑台的两端分别通过牵引件连接，所述第二支撑台能够通过所述牵引件的牵引进行逆时针或顺时针转动；所述仿生臂装置还包括上述的复合柔顺机构，所述变刚度机构通过牵引件与第二支撑台连接，所述基座通过牵引件与第一支撑台连接。
12.优选地，还包括驱动组件，所述驱动组件用于驱动所述基座与第一支撑台之间连接的牵引件。
13.优选地，所述牵引件包括第一牵引绳、第一滑轮，所述第一滑轮连接于所述第二支撑台的两端，所述变刚度机构与第一滑轮之间通过第一牵引绳连接；所述牵引件还包括第二牵引绳、第二滑轮，所述第二滑轮连接于所述第一支撑台的两端，所述第二牵引绳的一端与基座连接，另一端绕过所述第二滑轮后与驱动组件连接。
14.优选地，所述驱动组件包括绕线轮、电机，所述绕线轮与电机的输出端连接，所述第二牵引绳绕过所述第二滑轮后与绕线轮连接。
15.优选地，所述第二支撑台位于所述第一支撑台的上方，所述第一支撑台与第二支撑台之间通过支撑杆组件转动连接。
16.优选地，所述支撑杆组件包括第一连接杆组和与所述第一连接杆组交叉设置的第二连接杆组，所述第一连接杆组的两端分别与第一支撑台、第二支撑台相铰接，所述第二连接杆组的两端也分别与第一支撑台、第二支撑台相铰接。
17.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
18.本实用新型为一种复合柔顺机构及其仿生臂装置，第二支撑台与第一支撑台之间的转动用于仿人臂的关节转动，牵引件的牵引用于仿人臂的位姿改变牵引，复合柔顺机构的张力变化则用于仿人臂的骨骼肌肌丝纤维，能够提升装置的变刚度性能和柔顺性，实现装置刚度在较大范围内的可调性。
附图说明
19.图1为本实用新型一种复合柔顺机构的结构示意图；
20.图2为本实用新型一种仿生臂装置实施例2的结构示意图；
21.图3为本实用新型第二支撑台的结构示意图；
22.图4为本实用新型一种仿生臂装置实施例3的结构示意图。
23.图示标记说明如下：
24.1-第一支撑台，2-第二支撑台，21-第一平台座，22-第二平台座，23-凸起部，3-支撑杆组件，31-第一连接杆组，32-第二连接杆组，33-第一通孔，4-复合柔顺机构，41-基座，42-连接柱，43-正刚度结构，44-负刚度结构，45-第二通孔，5-牵引件，51-第一牵引绳，52-第一滑轮，53-第二牵引绳，54-第二滑轮，6-驱动组件，61-绕线轮，62-电机。
具体实施方式
25.下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本实
用新型的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
26.本实用新型实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
27.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
28.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
29.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
30.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
31.实施例1
32.如图1所示为本实用新型一种复合柔顺机构的实施例，复合柔顺机构4包括基座41和装设于基座41上的变刚度机构，变刚度机构用于与仿生臂装置的活动部传动连接，基座41用于与仿生臂装置的固定部传动连接。
33.其中，变刚度机构包括与基座41连接的正刚度结构43、负刚度结构44，且正刚度结构43与负刚度结构44之间通过连接柱42连接；连接柱42用于与仿生臂装置的活动部传动连接。
34.如图1所示，连接柱42竖直设置，正刚度结构43包括对称设置于连接柱42两侧的若干第一连接片，负刚度结构44包括对称设置于连接柱42两侧的若干第二连接片；第一连接片的两端分别与基座41、连接柱42连接，第二连接片的两端也分别与基座41、连接柱42连
接；第一连接片与第二连接片之间互不平行。
35.本实施例中基座41为框架结构，第一连接片、第二连接片、连接柱42均位于框架结构内。第一连接片的两端分别与基座41内侧壁、连接柱42外侧部连接，第二连接片的两端也分别与基座41内侧壁、连接柱42外侧部连接。具体地，第一连接片与第二连接片均位于同一竖直平面上，第一连接片水平设置且位于第二连接片的上方，第二连接片从与基座41连接的一端朝向与连接柱42连接的一端向下倾斜设置。作为优选，连接柱42的两侧均设置有一个第一连接片和两个第二连接片；第二连接片与水平方向之间呈3
°
，第二连接片的片长为25mm；第一连接片、第二连接片的厚度均为0.5mm；第一连接片与第二连接片之间、相邻的第二连接片之间的间距均为5mm。需要说明的是，第一连接片与第二连接片的数量、长度、片与片之间的间距，以及第二连接片的角度设置均可根据实际使用场景进行灵活调整，以实现不同的刚度特性。还有，复合柔顺机构4为一体成型的钢性件。
36.实施例2
37.如图1至图3所示为本实用新型一种仿生臂装置的第一实施例，包括第一支撑台1和与第一支撑台1转动连接的第二支撑台2，第一支撑台1的两端与第二支撑台2的两端分别通过牵引件5连接，第二支撑台2能够通过牵引件5的牵引进行逆时针或顺时针转动；仿生臂装置还包括实施例1所述复合柔顺机构4，变刚度机构通过牵引件5与第二支撑台2连接，基座41通过牵引件5与第一支撑台1连接。
38.第二支撑台2与第一支撑台1之间的转动用于仿人臂的关节转动，牵引件5的牵引用于仿人臂的位姿改变牵引，复合柔顺机构4的张力变化则用于仿人臂的骨骼肌肌丝纤维，提升仿生臂装置的变刚度性能和柔顺性，实现装置刚度在较大范围内的可调性。本实施例中还包括驱动组件6，驱动组件6用于驱动基座41与第一支撑台1之间连接的牵引件5。
39.如图2所示，基座41以及连接柱42上均设置有便于牵引件5搭接的第二通孔45，且基座41、连接柱42上设置的第二通孔45均位于与连接柱42的轴线方向重合的位置上。本实施例中连接柱42柱体的延伸方向与牵引件5的牵引方向相同，第一连接片的延伸方向与牵引件5的牵引方向之间相互垂直设置，第二连接片的延伸方向与牵引件5的牵引方向之间倾斜设置。
40.如图4所示，牵引件5包括第一牵引绳51、第一滑轮52，第一滑轮52连接于第二支撑台2的两端，变刚度机构与第一滑轮52之间通过第一牵引绳51连接；牵引件5还包括第二牵引绳53、第二滑轮54，第二滑轮54连接于第一支撑台1的两端，第二牵引绳53的一端与基座41连接，另一端绕过第二滑轮54后与驱动组件6连接。作为优选，第一牵引绳51、第二牵引绳53均为凯夫拉纤维绳；需要说明的是，第一牵引绳51、第二牵引绳53还可以根据实际使用场景进行选择，在此不做限制。如图2和图4所示，驱动组件6包括绕线轮61、电机62，绕线轮61与电机62的输出端连接，第二牵引绳53的一端与基座41连接，第二牵引绳53的另一端绕过所述第二滑轮54后与绕线轮61连接。本实施例中绕线轮61位于第二滑轮54的正下方。使用时，通过驱动电机62使绕线轮61转动，为牵引件5的牵引提供动力。
41.如图2所示，第二支撑台2位于第一支撑台1的正上方，第一支撑台1与第二支撑台2之间通过支撑杆组件3转动连接，使得第二支撑台2能够围绕第一支撑台1顺时针或逆时针转动。本实施例中支撑杆组件3包括第一连接杆组31和与第一连接杆组31交叉设置的第二连接杆组32，第一连接杆组31的两端分别与第一支撑台1、第二支撑台2相铰接，第二连接杆
组32的两端也分别与第一支撑台1、第二支撑台2相铰接。为了减轻支撑杆组件3的载重负荷，第一连接杆组31、第二连接杆组32上均设置有若干第一通孔33，本实施例中第一通孔33为腰形孔。具体地，第一连接杆组31包括两根相互平行的第一连接杆，第二连接杆组32包括两根相互平行的第二连接杆，两根第一连接杆均位于两根第二连接杆之间，连接杆的数量设置能够提高支撑杆组件3的稳定性。需要说明的是，第一连接杆组31、第二连接杆组32分别设置有两根的数量设置仅为优选，具体可根据实际使用场景进行选择，在此不做限制。
42.如图3所示，第二支撑台2包括第一平台座21和连接于第一平台座21前后两侧的第二平台座22，第二平台座22上靠近第一支撑台1的一端设有两个凸起部23。第一支撑台1与第二支撑台2的结构相类似，第一支撑台1包括第三平台座和连接于第三平台座前后两侧的第四平台座，第四平台座上靠近第二支撑台2的一端也设有两个凸起部23；第一连接杆组31、第二连接杆组32均铰接于第一支撑台1与第二支撑台2上的凸起部23处。凸起部23的设置能够避免支撑杆组件3在活动时受到阻碍。第一滑轮52转动连接于第一平台座21的两端，第二滑轮54转动连接于第三平台座的两端；本实施例中第一支撑台1一体成型，第二支撑台2也一体成型。
43.使用时，通过驱动电机62使绕线轮61转动，再通过牵引件5的牵引使得第二支撑台2能够围绕第一支撑台1顺时针或逆时针转动，在拉扯的过程中，复合柔顺机构4通过发生轻微形变使得仿生臂装置的刚度可调，实现模拟协同控制仿人臂的刚度与位姿。
44.实施例3
45.本实施例与实施例2类似，所不同之处在于，本实施例中驱动组件6连接于第一支撑台1上，具体地，电机62的电机座与第一支撑台1的底部连接，如图4所示。
46.尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
47.显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。