一种变刚度服务机器人关节制造技术

本发明专利技术涉及服务机器人技术领域，特指一种变刚度服务机器人关节，包括基座、驱动单元、位置信息采集单元、旋转关节单元与驱动力采集单元，位置信息采集单元与旋转关节单元上端同轴连接，位置信息采集单元与旋转关节单元下端分别固定于基座上，驱动力采集单元固定于旋转关节单元上，驱动单元一端连接于旋转关节单元上，另一端连接于驱动力采集单元上。采用了位置信息采集单元和驱动力采集单元来获得该变刚关节系统的实时刚度，并通过负反馈系统保证该柔性关节刚度的精度。

A variable stiffness service robot joint

The present invention relates to the technical field of service robot, in particular to a variable stiffness service robot joint, which comprises a base, a driving unit, position information acquisition unit, rotary joint unit and the driving force acquisition unit, position information acquisition unit is connected with the upper end of the coaxial rotary joint unit, position information acquisition unit and the rotating joint unit bottom respectively fixed on the base. And the driving force acquisition unit is fixed on the rotating joint unit, the drive unit is connected to the rotating joint, the other end is connected to the driving force acquisition unit. The position information acquisition unit and the driving force acquisition unit are adopted to obtain the real-time stiffness of the variable stiffness joint system, and the stiffness of the flexible joint is ensured by the negative feedback system.

【技术实现步骤摘要】
一种变刚度服务机器人关节
本专利技术涉及服务机器人
，特指一种变刚度服务机器人关节。
技术介绍
目前，市面上出现的机器人大多是由刚性材料和刚性驱动组成的，它们具有良好的机械性，执行速度，精度控制简单等优点。但是这种刚性机器人的灵活度有限，无法适应目前越来越复杂的工况，这也使刚性机器人只能在特定的生产车间、实验室等简单的工作环境下执行预先设定的任务，而在一些复杂的、狭小多变的环境下则很难应用。如需要随时进行人机交互的环境下，刚性机器人就很难保证用户的人身安全。而根据仿生学设计的变刚度柔性驱动机器人就能很好在这种复杂多变的环境下工作。目前，柔性驱动变刚度驱动器大多以气动，液压为主，该类驱动器需要配套的空气或者液体流通的管道，通过外部提供的气体或者液体驱动机器人关节动作。这种驱动形式受辅助机构的影响，驱动器通常设计的很大，而且需要做好防漏措施，不适合应用于需要人机交互的环境。目前也有高校采用形状记忆合金丝(SMA)作为柔性机器人的驱动器，但受形状记忆合金丝收缩率小的限制，很难实现柔性关节的大范围动作，因此迫切需要找出一种新的柔性机器人关节的驱动器，来弥补上述驱动方式的不足。
技术实现思路
针对以上问题，本专利技术提供了一种变刚度服务机器人关节，采用以形状记忆合金弹簧作为柔性关节的驱动单元，形状记忆合金弹簧具有驱动方式简单，体积小，输出功率大，行程范围大等优点，实现了柔性关节的拮抗驱动，很好地实现了柔性关节的变刚度特征，为了保证该柔性关节在指定位置的刚度，采用了位置信息采集单元和驱动力采集单元来获得该变刚关节系统的实时刚度，并通过负反馈系统保证该柔性关节刚度的精度。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种变刚度服务机器人关节，包括基座、驱动单元、位置信息采集单元、旋转关节单元与驱动力采集单元，位置信息采集单元与旋转关节单元上端同轴连接，位置信息采集单元与旋转关节单元下端分别固定于基座上，驱动力采集单元固定于旋转关节单元上，驱动单元一端连接于旋转关节单元上，另一端连接于驱动力采集单元上。进一步而言，所述驱动单元包括形状记忆合金弹簧、可调数字电源、电压控制模块与控制器，形状记忆合金弹簧一端通过接线端子连接于旋转关节单元上，另一端通过接线端子连接于驱动力采集单元上。进一步而言，所述位置信息采集单元包括支撑柱、编码器座、编码器与弹性联轴器，编码器固定于编码器座上，编码器座侧部连接于弹性联轴器，编码器座底部连接于支撑柱，支撑柱固定于基座上。进一步而言，所述编码器采用1000线的数字旋转编码器。进一步而言，所述旋转关节单元包括传动轴一、连杆一、传动轴二、深沟球轴承与连杆二，传动轴一的一端与位置信息采集单元的弹性联轴器同轴连接，另一端与传动轴二连接，传动轴二设于深沟球轴承内，连杆一铰接于深沟球轴承上，深沟球轴承固定于连杆二上，连杆二固定于基座上。进一步而言，所述驱动力采集单元包括连接板、压力传感器安装板、压力传感器与输入端采集连接板，连接板与压力传感器安装板对应设置，并固定于旋转关节单元的连杆二上，压力传感器一端安装于压力传感器安装板上，另一端安装有输入端采集连接板，输入端采集连接板通过多条形状记忆合金弹簧连接于旋转关节单元的连杆一上。进一步而言，所述压力传感器采用应变式压力传感器。本专利技术有益效果：本专利技术采用以形状记忆合金弹簧作为柔性关节的驱动单元，形状记忆合金弹簧具有驱动方式简单，体积小，输出功率大，行程范围大等优点，实现了柔性关节的拮抗驱动，很好地实现了柔性关节的变刚度特征，为了保证该柔性关节在指定位置的刚度，采用了位置信息采集单元和驱动力采集单元来获得该变刚关节系统的实时刚度，并通过负反馈系统保证该柔性关节刚度的精度。附图说明图1是本专利技术整体结构立体图；图2是本专利技术整体结构平面图；图3是图2侧面结构图；图4是位置信息采集单元与旋转关节单元示意图；图5是驱动力采集单元示意图。1.基座；2.驱动单元；20.形状记忆合金弹簧；3.位置信息采集单元；30.支撑柱；31.编码器座；32.编码器；33.弹性联轴器；4.旋转关节单元；40.传动轴一；41.连杆一；42.传动轴二；43.深沟球轴承；44.连杆二；5.驱动力采集单元；50.连接板；51.压力传感器安装板；52.压力传感器；53.输入端采集连接板。具体实施方式下面结合附图与实施例对本专利技术的技术方案进行说明。如图1和图5所示，本专利技术所述一种变刚度服务机器人关节，包括基座1、驱动单元2、位置信息采集单元3、旋转关节单元4与驱动力采集单元5，位置信息采集单元3与旋转关节单元4上端同轴连接，位置信息采集单元3与旋转关节单元4下端分别固定于基座1上，驱动力采集单元5固定于旋转关节单元4上，驱动单元2一端连接于旋转关节单元4上，另一端连接于驱动力采集单元5上，驱动单元2包括形状记忆合金弹簧20、可调数字电源、电压控制模块与控制器，形状记忆合金弹簧20一端通过接线端子连接于旋转关节单元4上，另一端通过接线端子连接于驱动力采集单元5上。本专利技术采用以形状记忆合金弹簧20作为柔性关节的驱动单元2，形状记忆合金弹簧20具有驱动方式简单，体积小，输出功率大，行程范围大等优点，实现了柔性关节的拮抗驱动，很好地实现了柔性关节的变刚度特征，其工作原理：接线端子作为电源的输入端，通过控制器发送PWM信号，利用电压控制模块控制形状记忆合金弹簧20两端的电压，本专利技术为了提高该旋转关节的可调刚度范围，根据不同的工况调整关节的刚度特性，刚度调节是通过两边六根独立的形状记忆合金弹簧20实现的(如图1所示)，其工作流程：根据仿人工肌肉拮抗工作原理，通过控制六根形状记忆合金弹簧20上的电流大小，控制关节的位置和对应位置下的刚度大小，当该关节系统工作在复杂的人机交互环境下，为了保证用户的安全，就必须保证关节拥有较小的刚度，通过给两边形状记忆合金弹簧20通较小的电流来驱动关节，控制关节在特定位置保持较小的刚度，当关节工作在需要具有较强的抗干扰环境下，就必须保证关节具有较大的刚度，通过给两边形状记忆合金弹簧20通较大的电流来驱动关节，控制关节保持较大的刚度。为了保证该柔性关节在指定位置的刚度，采用了位置信息采集单元3和驱动力采集单元5来获得该变刚关节系统的实时刚度，并通过负反馈系统保证该柔性关节刚度的精度。另外，位置信息采集单元3与旋转关节单元4上端同轴连接，其起到在一定程度上抵消了由于零件加工和装配时产生的同轴度误差，进一步保证了采集的位置信息的精度。更具体而言，所述位置信息采集单元3包括支撑柱30、编码器座31、编码器32与弹性联轴器33，编码器32固定于编码器座31上，编码器座31侧部连接于弹性联轴器33，编码器座31底部连接于支撑柱30，支撑柱30固定于基座1上，编码器32采用1000线的数字旋转编码器，旋转关节单元4包括传动轴一40、连杆一41、传动轴二42、深沟球轴承43与连杆二44，传动轴一40的一端与位置信息采集单元3的弹性联轴器33同轴连接，另一端与传动轴二42连接，传动轴二42设于深沟球轴承43内，连杆一41铰接于深沟球轴承43上，深沟球轴承43固定于连杆二44上，连杆二44固定于基座1上。采用这样的结构设置，编码器32采用1000线的数字旋转编码器，测量精度可达到0.36度，很好地保本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种变刚度服务机器人关节，其特征在于：包括基座(1)、驱动单元(2)、位置信息采集单元(3)、旋转关节单元(4)与驱动力采集单元(5)，所述位置信息采集单元(3)与旋转关节单元(4)上端同轴连接，所述位置信息采集单元(3)与旋转关节单元(4)下端分别固定于基座(1)上，所述驱动力采集单元(5)固定于旋转关节单元(4)上，所述驱动单元(2)一端连接于旋转关节单元(4)上，另一端连接于驱动力采集单元(5)上。

【技术特征摘要】
1.一种变刚度服务机器人关节，其特征在于：包括基座(1)、驱动单元(2)、位置信息采集单元(3)、旋转关节单元(4)与驱动力采集单元(5)，所述位置信息采集单元(3)与旋转关节单元(4)上端同轴连接，所述位置信息采集单元(3)与旋转关节单元(4)下端分别固定于基座(1)上，所述驱动力采集单元(5)固定于旋转关节单元(4)上，所述驱动单元(2)一端连接于旋转关节单元(4)上，另一端连接于驱动力采集单元(5)上。2.根据权利要求1所述的一种变刚度服务机器人关节，其特征在于：所述驱动单元(2)包括形状记忆合金弹簧(20)、可调数字电源、电压控制模块与控制器，所述形状记忆合金弹簧(20)一端通过接线端子连接于旋转关节单元(4)上，另一端通过接线端子连接于驱动力采集单元(5)上。3.根据权利要求1所述的一种变刚度服务机器人关节，其特征在于：所述位置信息采集单元(3)包括支撑柱(30)、编码器座(31)、编码器(32)与弹性联轴器(33)，所述编码器(32)固定于编码器座(31)上，所述编码器座(31)侧部连接于弹性联轴器(33)，所述编码器座(31)底部连接于支撑柱(30)，所述支撑柱(30)固定于基座(1)上。4.根据权利要求3所述的一种变刚度服务机器人关节，其特征在于：所述编码...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹海斌，孔诚，李军锋，李骞，李勇光，何明畅，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42