一种骨架连接的三维机械关节、机械臂和控制方法技术

本发明专利技术涉及一种骨架连接的三维机械关节、机械臂和控制方法，三维机械关节包括第一可旋转结构和第二可旋转结构，第一可旋转结构包括第一关节外壳和第一关节骨架，第一关节骨架与第一关节外壳转动连接；第二可旋转结构包括第二关节外壳和第二关节骨架，第二关节骨架倾斜连接第一关节骨架；第一关节外壳包括第一圆柱部和第一骨架连接部，第一圆柱部倾斜连接第一骨架连接部；第二关节外壳包括第二圆柱部和第二骨架连接部，第二圆柱部倾斜连接第二骨架连接部，第一圆柱部转动连接第二圆柱部。与现有技术相比，本发明专利技术具有可进行三维空间转动、实现可编程转动控制、控制精确、结构稳定可靠、能自锁和结构紧凑等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种骨架连接的三维机械关节、机械臂和控制方法
本专利技术涉及机械臂领域，尤其是涉及一种骨架连接的三维机械关节、机械臂和控制方法。
技术介绍
随着以机器人为代表的工业机械逐渐精准化、灵活化、智能化发展，目前涌现出大量的通过机械臂实现的转动传动方案。但对这些转动传动方案的要求也越来越多，如今，能实现灵活、紧凑、精准、可主动控制、运动可编程、可三维转动、可自锁的转动传动方案变得极为重要，但是，可以同时实现以上要求的设计方案不易实现。中国专利CN201822040737.2公开了一种机械关节，该机械关节包括：基座；球头杆，球头杆包括相连接的球头和支杆，球头可转动地设置在基座上；麦克纳姆轮，麦克纳姆轮与球头相接触；驱动装置，驱动装置与基座相对固定地设置，驱动装置驱动连接麦克纳姆轮，以使麦克纳姆轮驱动球头绕球头的球心转动。该机器人包括该机械关节。该关节因设计限制，无法真正实现空间三维转动，同时该设计在外力矩施加在机械臂上时不能自锁，容易损坏传动结构。中国专利CN201920687886.X公开了一种通过控制球铰达到三维转动目的的设计，包括：端部设有凹面的窝体、与凹面转动连接的壳体以及与壳体转动连接的摆臂；凹面上设有第一凹槽，壳体与凹面的配合面上设有滑动插装于第一凹槽上的第一凸台，壳体与摆臂的配合面上设有与第一凸台的滑动方向垂直的第二凹槽，摆臂上设有滑动插装于第二凹槽内的第二凸台，还包括用于控制第一凸台沿第一凹槽滑动以带动壳体沿凹面转动、控制第二凸台沿第二凹槽滑动以带动摆臂沿壳体摆动的执行器。但是该方案由于借助了层层的球形设计，导致结构不紧凑，并且球形设计不易控制，精确度差。在一些领域中存在着对机械转动传动方案结构精巧且能严格自锁的需求，例如采用机器人进行全自动静脉穿刺过程中，由于静脉本身朝向任意，且机械臂必须控制穿刺针精准、灵活地实现预定穿刺轨迹：对准静脉朝向—选定刺入角度—刺入—刺入后针头向上微微挑起。该复杂动作难以精确实现，即使实现，也很难做到结构精巧紧凑。同时，为保证被穿刺患者的安全，该场景要求机械臂严格自锁：当外力试图转动机械臂时，结构应具备保持不动的能力。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能严格自锁且控制精确的骨架连接的三维机械关节、机械臂和控制方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种骨架连接的三维机械关节，包括第一可旋转结构和第二可旋转结构，所述第一可旋转结构包括第一关节外壳和第一关节骨架，所述第一关节骨架位于所述第一关节外壳的内部，并与所述第一关节外壳转动连接；所述第二可旋转结构包括第二关节外壳和第二关节骨架，所述第二关节骨架位于所述第二关节外壳内部，所述第二关节骨架倾斜连接所述第一关节骨架；所述第一关节外壳包括第一圆柱部和第一骨架连接部，所述第一圆柱部倾斜连接所述第一骨架连接部；所述第二关节外壳包括第二圆柱部和第二骨架连接部，所述第二圆柱部倾斜连接所述第二骨架连接部，所述第一圆柱部转动连接所述第二圆柱部。进一步地，所述第二圆柱部通过滚动轴承或滑动轴承转动连接所述第一圆柱部。进一步地，所述第一圆柱部形成有容纳所述第二圆柱部的凹槽，所述第二圆柱部位于所述凹槽内，并转动连接所述第一圆柱部。进一步地，所述第一关节外壳连接有第一电机，所述第一关节骨架连接有第二电机。进一步地，所述第一关节外壳连接有第一电机具体为，所述第一关节外壳依次连接有从动齿轮、主动齿轮和第一电机，所述从动齿轮套设在所述第一关节外壳外侧，并与所述第一关节外壳固定连接，所述主动齿轮受所述第一电机驱动，所述主动齿轮与所述从动齿轮相配合，用于带动所述从动齿轮转动。进一步地，所述第一电机通过键连接所述主动齿轮，所述从动齿轮通过键连接所述第一关节外壳，所述第二电机通过键连接所述第一关节骨架。进一步地，所述第二关节骨架通过铰链倾斜连接所述第一关节骨架。进一步地，所述三维机械关节，用于连接被控制件，进行三维转动；所述第二关节外壳连接所述被控制件。进一步地，所述被控制件为注射器。进一步地，所述被控制件连接在所述第二关节外壳的侧面。本专利技术还提供一种如上所述的一种骨架连接的三维机械关节的控制方法，所述第二可旋转结构连接有被控制件，所述方法包括以下步骤：以所述第一骨架连接部的轴线为Z轴，以所述第二圆柱部的自转中心为原点，建立空间坐标系A；以所述第一圆柱部的倾斜平面的法线为Z轴，以所述第二圆柱部的自转中心为原点，建立空间坐标系B；以所述第二骨架连接部的轴线为Z轴，以所述第二圆柱部的自转中心为原点，建立空间坐标系C；获取所述被控制件在所述空间坐标系C中的坐标，通过坐标系变换，计算得到所述被控制件在所述空间坐标系A中的坐标，从而制定所述三维机械关节的控制方案。进一步地，所述坐标系变换的计算表达式为：式中，CP为被控制件P在空间坐标系C中的坐标，为从空间坐标系B中转换到空间坐标系A的变换，为从空间坐标系C中转换到空间坐标系B的变换，为第一可旋转结构的旋转角度，为第二可旋转结构的旋转角度，θ1为第一圆柱部和第一骨架连接部的倾角，θ2为第二圆柱部和第二骨架连接部的倾角。本专利技术还提供一种机械臂，包括多个依次串联的，如上所述的一种骨架连接的三维机械关节。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)可实现三维空间转动：本专利技术通过带动第一骨架连接部旋转，使得整个三维机械关节以第一骨架连接部的旋转中心轴旋转，第一圆柱部和第一骨架连接部的倾角，决定了此时第二关节外壳的转动范围；通过带动第一关节骨架旋转，使得第二关节骨架与第二关节外壳在第一圆柱部上随之旋转，第二圆柱部和第二骨架连接部的倾角，决定了此时第二关节外壳的转动范围；两次转动中，第二关节外壳分别处于两个相互倾斜的转动平面中，两转动平面的夹角由第二关节骨架与第一关节骨架的倾角决定，由此实现可主动控制的三维空间转动；(2)结构稳定可靠：本专利技术三维机械关节可将重量较大的驱动电机均设置在下方，不会给三维机械关节带动被控制件带来负担，更加稳定可靠；(3)实现可编程转动控制：该专利技术通过对两电机的转动进行编程控制，可以实现机械铰在转动范围内沿任意轨迹转动；(4)精确控制：传统的三维转动关节，例如球铰结构，难以实现精确的控制，本专利技术可以轻易通过齿轮传动，保证转角精确；(5)结构自锁：本专利技术三维机械关节的转动只由电机控制，外力施加于关节直接连接的机械臂将使机构自锁，进而保护机械臂、电机以及机械臂操作对象；(6)结构紧凑：利用较简单的机构、较少的零部件实现三维空间转动。附图说明图1为本专利技术的原理示意图；图2为本专利技术的转动状态示意图；图3为本专利技术实施例1中三维机械关节的结构简图；图4为本专利技术实施例1中三维机械关节的结构详细示意图；图5为本专利技术实施例1中三维机械关节的局部示意图；图6为图5为内本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种骨架连接的三维机械关节，包括第一可旋转结构(1)和第二可旋转结构(2)，其特征在于，所述第一可旋转结构(1)包括第一关节外壳(12)和第一关节骨架(13)，所述第一关节骨架(13)位于所述第一关节外壳(12)的内部，并与所述第一关节外壳(12)转动连接；所述第二可旋转结构(2)包括第二关节外壳(22)和第二关节骨架(23)，所述第二关节骨架(23)位于所述第二关节外壳(22)内部，所述第二关节骨架(23)倾斜连接所述第一关节骨架(13)；/n所述第一关节外壳(12)包括第一圆柱部(121)和第一骨架连接部(122)，所述第一圆柱部(121)倾斜连接所述第一骨架连接部(122)；/n所述第二关节外壳(22)包括第二圆柱部(221)和第二骨架连接部(222)，所述第二圆柱部(221)倾斜连接所述第二骨架连接部(222)，所述第一圆柱部(121)转动连接所述第二圆柱部(221)。/n

【技术特征摘要】
1.一种骨架连接的三维机械关节，包括第一可旋转结构(1)和第二可旋转结构(2)，其特征在于，所述第一可旋转结构(1)包括第一关节外壳(12)和第一关节骨架(13)，所述第一关节骨架(13)位于所述第一关节外壳(12)的内部，并与所述第一关节外壳(12)转动连接；所述第二可旋转结构(2)包括第二关节外壳(22)和第二关节骨架(23)，所述第二关节骨架(23)位于所述第二关节外壳(22)内部，所述第二关节骨架(23)倾斜连接所述第一关节骨架(13)；
所述第一关节外壳(12)包括第一圆柱部(121)和第一骨架连接部(122)，所述第一圆柱部(121)倾斜连接所述第一骨架连接部(122)；
所述第二关节外壳(22)包括第二圆柱部(221)和第二骨架连接部(222)，所述第二圆柱部(221)倾斜连接所述第二骨架连接部(222)，所述第一圆柱部(121)转动连接所述第二圆柱部(221)。


2.根据权利要求1所述的一种骨架连接的三维机械关节，其特征在于，所述第二圆柱部(221)通过滚动轴承或滑动轴承转动连接所述第一圆柱部(121)。


3.根据权利要求1所述的一种骨架连接的三维机械关节，其特征在于，所述第一圆柱部(121)形成有容纳所述第二圆柱部(221)的凹槽，所述第二圆柱部(221)位于所述凹槽内，并转动连接所述第一圆柱部(121)。


4.根据权利要求1所述的一种骨架连接的三维机械关节，其特征在于，所述第一关节外壳(12)连接有第一电机(11)，所述第一关节骨架(13)连接有第二电机(21)。


5.根据权利要求4所述的一种骨架连接的三维机械关节，其特征在于，所述第一关节外壳(12)连接有第一电机(11)具体为，所述第一关节外壳(12)依次连接有从动齿轮(15)、主动齿轮(14)和第一电机(11)，所述从动齿轮(15)套设在所述第一关节外壳(12)外侧，并与所述第一关节外壳(12)固定连接，所述主动齿轮(14)受所述第一电机(...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐鹏，陈禹，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31