【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及机械臂，尤其涉及一种基于变刚度关节的可重构机械臂。
技术介绍
1、随着科学技术的进步,机器人技术快速发展，简单枯燥的工作岗位逐步由机器人或机械臂替代。与传统固定构形的机械臂相比，模块化机械臂具有可重构性、自修复性、自适应性等特点，具有较强的环境适应性，因此模块化机械臂在深海作业、深空探测、康复医疗等领域都具有很好的应用前景。
2、模块化机械臂是由若干个具有相同结构、互换性机械接口与关节模组组成，通过模块之间的连接形成多种构形以适应工作和环境需求，而模块化机械臂的核心就在于关节模组。而大部分关节模组都属于刚性驱动关节，在进行高速运动或面对紧急情况下极易对机械臂造成损害，且难以立刻停止这种伤害。为避免此类损害，在机械臂中安装可变刚度关节也成为重要的研究方向。
3、现有的可变刚度关节中存在调刚机构控制系统复杂的问题，且大多是调刚和驱动相分离的工作形式，即调刚电机和驱动电机分开控制，即调刚电机就负责调刚，输出电机就负责驱动，且若是需要调刚，需要将整个结构停止再进行调刚，这样无疑会降低整个结构的工作效率。
4、同时，针对机械臂的模块化设计更多是指使用模块化软件系统对机械臂及其关节组件进行控制，关节组件的安装及机械臂的整体结构大多停留在刚性固接，这就导致机械臂的内部结构存在不可替换的问题，若其中某一处出现故障，就需要整个结构一起更换，进而增加使用成本的问题。
技术实现思路
1、本专利技术为解决上述问题，提供一种基于变刚度关节的可重构机械臂，其中
2、本专利技术提供的一种基于变刚度关节的可重构机械臂，包括中央控制器、变刚度关节和臂杆，变刚度关节和臂杆的数量均不少于两个，且每个变刚度关节上均安装有关节连接件；其中，中央控制器通过关节连接件与变刚度关节可拆卸连接；变刚度关节的输出直接驱动或通过臂杆间接驱动相邻的变刚度关节进行旋转；两个相邻的变刚度关节通过臂杆可拆卸连接。
3、进一步的，变刚度关节包括关节外壳、调刚机构、调刚电机、转动机构和转动电机；其中，调刚机构和转动机构同轴安装在关节外壳的内部，调刚电机和转动电机的输出轴伸入关节外壳中，并分别通过联轴器和蜗杆控制调刚机构和转动机构的转速，通过调节调刚机构和转动机构之间的转速比，当调刚机构和转动机构保持特定转速比时，调刚机构和转动机构保持相对静止的转动；当调刚机构和转动机构的转速比偏离特定转速比时，调刚机构配合转动机构进行转动刚度的调整。
4、进一步的，调刚机构包括中心轴、调刚涡轮、太阳轮、行星轮、保持架和滚轮滑块组；其中，调刚涡轮同轴固定在中心轴的一端，调刚电机的输出轴通过联轴器和蜗杆驱动调刚涡轮转动，进而带动中心轴转动；保持架通过轴承同轴套设在中心轴上，并沿保持架的周向均匀安装有不少于2个的行星轮，使行星轮与固定在中心轴上的太阳轮啮合；滚轮滑块组与转动机构和关节外壳接触；滚轮滑块组的数量与行星轮的数量一致并与行星轮齿纹啮合。
5、进一步的，滚轮滑块组包括滚轮、压块、齿条滑块、啮合滑块和滑轨；其中，滑轨安装在转动机构上，齿条滑块安装在滑轨上，在齿条滑块的一侧设有与行星轮啮合的边齿；啮合滑块位于齿条滑块的上方，在啮合滑块的底面和齿条滑块的顶面均匀布设有相吻合的倾斜滑槽，在啮合滑块的两侧开设有保持滑槽，使啮合滑块在卡位和保持滑槽的配合下，将沿倾斜滑槽的运动分解为齿条滑块沿滑轨的平动和啮合滑块面向行星轮的平动；滚轮通过压块安装在啮合滑块上，使滚轮与转动机构接触。
6、进一步的，转动机构包括转动蜗轮、转动齿轮轴、传动齿轮、转动架、转动铰链和输出端；其中，滑轨固定在转动架上，传动齿轮与转动架同轴固接，转动架通过轴承套设在中心轴上，传动齿轮与套装转动蜗轮的转动齿轮轴相啮合，转动电机的输出轴经联轴器和蜗杆驱动转动蜗轮旋转，进而通过转动齿轮轴带动传动齿轮和转动架进行转动；转动铰链通过轴承同轴套设在中心轴上，并与滚轮接触；输出端通过轴承套设在中心轴上，且与转动铰链相连，用于向外部输出转动。
7、进一步的，在输出端的一侧设置有装配孔，与转动铰链的一侧表面设置的凸起块相配合，使凸起块插入装配孔中完成转动铰链与输出端的连接；在转动铰链的周向设置有柔性部分，柔性部分的组数与行星轮的数量相同，每一组柔性部分包括两个柔性片，滚轮伸入两个柔性片之间并与两个柔性片接触，通过改变两个柔性片对滚轮的支撑位置调整输出端向外输出的转动刚度。
8、进一步的，关节外壳包括输出连接盘、前端盖、电机前壳和电机后壳；其中，在电机前壳的内壁设置有与保持滑槽相对应的卡位，将调刚机构和转动机构放置在电机前壳和电机后壳连接后组成的内部空间中，调刚电机的输出轴和转动电机的输出轴伸入电机后壳后分别驱动调刚涡轮和转动蜗轮；前端盖安装在电机前壳上，输出连接盘同轴固接在输出端上。
9、进一步的，变刚度关节套装在关节连接件上，使输出连接盘穿过关节连接件的一侧与中央控制器、臂杆或相邻的变刚度关节直接可拆卸连接。
10、与现有技术相比，本专利技术能够取得如下有益效果：
11、1）本专利技术采用多个变刚度关节和臂杆，配合可拆卸的连接件构成基于变刚度关节的可重构机械臂，不仅可以自由增减机械臂的自由度、改变构型，同时还具有可变刚度调节的特点，使人机交互更加灵活，对人和机械臂都更加安全；
12、2）本专利技术提供的变刚度关节通过设计太阳轮、行星轮和滚轮滑块组的位置和结构，使用调刚电机和转动电机改变太阳轮和滚轮滑块组绕中心轴线的相对运动状态，进而改变行星轮的运动状态，在行星轮与滚轮滑块组的配合下完成后续的调刚工作，这一过程调刚电机和转动电机持续保持工作状态，提出的变刚度关节也始终保持输出旋转的工作状态，真正实现了边工作边调节刚度的技术效果，使得关节及与关节连接的外部设备运行更加平稳；
13、3）由于本专利技术提供的变刚度关节通过调刚电机和转动电机的转速比改变行星轮的运动状态，进而利用行星轮与滚轮滑块组的配合完成后续的调刚工作，因此较于传统的人工拆卸刚度调节方式和停止转动再调节刚度的方式，本专利技术提供的变刚度关节仅需调节调刚电机和转动电机的转速比即可实现刚度调节，无需过多的人工参与调节，进一步提升了可重构机械臂的刚度调节的准确性和便捷性。
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1.一种基于变刚度关节的可重构机械臂，其特征在于，包括中央控制器、变刚度关节和臂杆，所述变刚度关节和所述臂杆的数量均不少于两个，且每个变刚度关节上均安装有关节连接件；其中，所述中央控制器通过所述关节连接件与所述变刚度关节可拆卸连接；所述变刚度关节的输出直接驱动或通过所述臂杆间接驱动相邻的变刚度关节进行旋转；两个相邻的变刚度关节通过所述臂杆可拆卸连接。
2.根据权利要求1所述的基于变刚度关节的可重构机械臂，其特征在于，所述变刚度关节包括关节外壳、调刚机构、调刚电机、转动机构和转动电机；其中，所述调刚机构和所述转动机构同轴安装在所述关节外壳的内部，所述调刚电机和所述转动电机的输出轴伸入所述关节外壳中，并分别通过联轴器和蜗杆控制所述调刚机构和所述转动机构的转速，通过调节所述调刚机构和所述转动机构之间的转速比，当所述调刚机构和所述转动机构保持特定转速比时，所述调刚机构和所述转动机构保持相对静止的转动；当所述调刚机构和所述转动机构的转速比偏离所述特定转速比时，所述调刚机构配合所述转动机构进行转动刚度的调整。
3.根据权利要求2所述的基于变刚度关节的可重构机械臂，其特
4.根据权利要求3所述的基于变刚度关节的可重构机械臂，其特征在于，所述滚轮滑块组包括滚轮、压块、齿条滑块、啮合滑块和滑轨；其中，所述滑轨安装在所述转动机构上，所述齿条滑块安装在所述滑轨上，在所述齿条滑块的一侧设有与所述行星轮啮合的边齿；所述啮合滑块位于所述齿条滑块的上方，在所述啮合滑块的底面和所述齿条滑块的顶面均匀布设有相吻合的倾斜滑槽，在所述啮合滑块的两侧开设有保持滑槽，使所述啮合滑块在所述卡位和所述保持滑槽的配合下，将沿所述倾斜滑槽的运动分解为所述齿条滑块沿滑轨的平动和所述啮合滑块面向所述行星轮的平动；所述滚轮通过所述压块安装在所述啮合滑块上，使所述滚轮与所述转动机构接触。
5.根据权利要求4所述的基于变刚度关节的可重构机械臂，其特征在于，所述转动机构包括转动蜗轮、转动齿轮轴、传动齿轮、转动架、转动铰链和输出端；其中，所述滑轨固定在所述转动架上，所述传动齿轮与所述转动架同轴固接，所述转动架通过轴承套设在所述中心轴上，所述传动齿轮与套装所述转动蜗轮的转动齿轮轴相啮合，所述转动电机的输出轴经联轴器和蜗杆驱动所述转动蜗轮旋转，进而通过所述转动齿轮轴带动所述传动齿轮和所述转动架进行转动；所述转动铰链通过轴承同轴套设在所述中心轴上，并与所述滚轮接触；所述输出端通过轴承套设在所述中心轴上，且与所述转动铰链相连，用于向外部输出转动。
6.根据权利要求5所述的基于变刚度关节的可重构机械臂，其特征在于，在所述输出端的一侧设置有装配孔，与所述转动铰链的一侧表面设置的凸起块相配合，使所述凸起块插入所述装配孔中完成所述转动铰链与所述输出端的连接；在所述转动铰链的周向设置有柔性部分，所述柔性部分的组数与所述行星轮的数量相同，每一组柔性部分包括两个柔性片，所述滚轮伸入两个柔性片之间并与两个柔性片接触，通过改变两个柔性片对所述滚轮的支撑位置调整所述输出端向外输出的转动刚度。
7.根据权利要求6所述的基于变刚度关节的可重构机械臂，其特征在于，所述关节外壳包括输出连接盘、前端盖、电机前壳和电机后壳；其中，在所述电机前壳的内壁设置有与所述保持滑槽相对应的卡位，将所述调刚机构和所述转动机构放置在所述电机前壳和所述电机后壳连接后组成的内部空间中，所述调刚电机的输出轴和所述转动电机的输出轴伸入所述电机后壳后分别驱动所述调刚涡轮和所述转动蜗轮；所述前端盖安装在所述电机前壳上，所述输出连接盘同轴固接在所述输出端上。
8.根据权利要求7所述的基于变刚度关节的可重构机械臂，其特征在于，所述变刚度关节套装在所述关节连接件上，使所述输出连接盘穿过所述关节连接件的一侧与所述中央控制器、所述臂杆或相邻的变刚度关节直接可拆卸连接。
...【技术特征摘要】
1.一种基于变刚度关节的可重构机械臂，其特征在于，包括中央控制器、变刚度关节和臂杆，所述变刚度关节和所述臂杆的数量均不少于两个，且每个变刚度关节上均安装有关节连接件；其中，所述中央控制器通过所述关节连接件与所述变刚度关节可拆卸连接；所述变刚度关节的输出直接驱动或通过所述臂杆间接驱动相邻的变刚度关节进行旋转；两个相邻的变刚度关节通过所述臂杆可拆卸连接。
2.根据权利要求1所述的基于变刚度关节的可重构机械臂，其特征在于，所述变刚度关节包括关节外壳、调刚机构、调刚电机、转动机构和转动电机；其中，所述调刚机构和所述转动机构同轴安装在所述关节外壳的内部，所述调刚电机和所述转动电机的输出轴伸入所述关节外壳中，并分别通过联轴器和蜗杆控制所述调刚机构和所述转动机构的转速，通过调节所述调刚机构和所述转动机构之间的转速比，当所述调刚机构和所述转动机构保持特定转速比时，所述调刚机构和所述转动机构保持相对静止的转动；当所述调刚机构和所述转动机构的转速比偏离所述特定转速比时，所述调刚机构配合所述转动机构进行转动刚度的调整。
3.根据权利要求2所述的基于变刚度关节的可重构机械臂，其特征在于，所述调刚机构包括中心轴、调刚涡轮、太阳轮、行星轮、保持架和滚轮滑块组；其中，所述调刚涡轮同轴固定在所述中心轴的一端，所述调刚电机的输出轴通过所述联轴器和所述蜗杆驱动所述调刚涡轮转动，进而带动所述中心轴转动；所述保持架通过轴承同轴套设在所述中心轴上，并沿所述保持架的周向均匀安装有不少于2个的行星轮，使所述行星轮与固定在所述中心轴上的太阳轮啮合；所述滚轮滑块组与所述转动机构和所述关节外壳接触；所述滚轮滑块组的数量与所述行星轮的数量一致并与所述行星轮齿纹啮合。
4.根据权利要求3所述的基于变刚度关节的可重构机械臂，其特征在于，所述滚轮滑块组包括滚轮、压块、齿条滑块、啮合滑块和滑轨；其中，所述滑轨安装在所述转动机构上，所述齿条滑块安装在所述滑轨上，在所述齿条滑块的一侧设有与所述行星轮啮合的边齿；所述啮合滑块位于所述齿条滑块的上方，在所述啮合滑块的底面和所述齿条滑块的顶面均匀布设有相吻合的倾斜滑槽，在所述啮合滑块的两侧开设有保持滑槽，使所述啮合滑块在所...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡金鑫，于鹏，吴清文，赵阳，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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