[發明專利]一種基于串聯彈性驅動器的柔順關節機械臂

有效

• 申請號: 201811328609.6
• 申請日: 2018-11-09
• 公開（公告）號: CN109202956B
• 公開（公告）日: 2021-07-27
• 發明（設計）人: 周樂來;宋召鵬;李貽斌;榮學文;楊琨;劉大宇;李健華
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: B25J18/00
• 分類號: B25J18/00;B25J9/12
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 陳桂玲

一種基于串聯彈性驅動器的柔順關節機械臂，包括底座、串聯彈性驅動器和關節連接臂；關節連接臂包括依次鉸接在一起的肩臂、上臂和下臂，肩臂內安裝有第一串聯彈性驅動器，上臂內安裝有第二串聯彈性驅動器，第一串聯彈性驅動器的輸出端與上臂鉸接，第二串聯彈性驅動器的輸出端與下臂鉸接。串聯彈性驅動器中的電機根據控制信號帶動上臂或下臂轉動。當上臂和下臂受到外界的沖擊時，串聯彈性驅動器內的模具彈簧壓縮，模具彈簧吸收外界負載波動的沖擊，實現了關節機械柔性。本發明使機械臂的動力學特性更加柔順化，提高了安全性，可使機器人的驅動部件小型化、輕量化，雙彈簧設計提高了驅動器的剛度變化率，并使機器人關節可承受雙向高負載沖擊。

技術領域

本發明涉及一種基于串聯彈性驅動器的柔順關節機械臂，屬于機器人技術領域。

背景技術

伴隨著下一代工業革命的興起以及我國制造業轉型的需求，對機器人的技術要求已不再局限在高速度、高精度等傳統要素。在未來的社會生活中人與機器人之間的關系將變得更為緊密，特別是在服務機器人、醫療機器人等需要人機協作的領域，因此良好的人機交互性能將成為機器人領域的重點研究方向之一。而傳統的機器人多為剛性結構，控制模式以位置控制為主，從而導致機器人具有很大的末端剛度，不僅人機交互體驗較差，且一旦出現操作失誤，將帶來很大的安全隱患。

為了滿足新的社會需求，新一代機器人應該具有類似人類手臂的柔順特性，這就要求機器人本體，特別是關節部位從剛性驅動向柔性驅動轉變。機器人的控制技術也應該由傳統的位置控制向能夠更好地體現柔順特性的力控制方向發展。

目前在柔順機械臂領域，用于醫療器械領域的仿生機械臂可以完成撿起葡萄和硬幣等非常復雜和精細的動作，12自由度的機械臂采用了串聯彈性驅動器，可以實現很好的柔順性仿人特性。

中國專利文獻CN 205111877U公開了《一種柔順機械臂》，其主臂結構與擺臂結構之間活動嵌合，在撞擊力作用下，擺臂既可相對于主臂產生彎折，又可依據撞擊力的方向變化作旋轉擺動。但是該機械臂需要電機產生預緊剛度，增加了結構復雜度，而且當遇到外力作用時，主臂與擺臂之間連接不夠穩定。CN104924320A公開了《一種基于串聯彈性驅動器的三自由度柔順機械臂》，關節內的舵機、驅動轉換模塊和關節之間的連接臂構成機械臂主體結構。在驅動轉換模塊內，通過彈簧將傳遞來的力緩沖之后傳出實現機械臂的柔性驅動。但是，該裝置的彈簧伸縮距離有限，剛度變化范圍小。

發明內容

本發明的目的是面向當前協作型機器人的需求，針對現有機械臂的不足，提供一種基于串聯彈性驅動器的動態性好、輸出扭矩大、結構簡單緊湊、剛度變化率大的兩自由度柔順關節機械臂。

本發明的基于串聯彈性驅動器的柔順關節機械臂采用如下技術方案：

一種基于串聯彈性驅動器的柔順關節機械臂，包括底座、串聯彈性驅動器和關節連接臂；關節連接臂包括依次鉸接在一起的肩臂、上臂和下臂，肩臂內安裝有第一串聯彈性驅動器，上臂內安裝有第二串聯彈性驅動器，第一串聯彈性驅動器的輸出端與上臂鉸接，第二串聯彈性驅動器的輸出端與下臂鉸接。

所述肩臂包括左肩連桿和右肩連桿，左肩連桿和右肩連桿的一端連接在一起并固定在底座上，左肩連桿和右肩連桿之間通過軸承安裝第一串聯彈性驅動器。

所述上臂包括左上臂和右上臂，左上臂和右上臂的一端以及左肩連桿和右肩連桿的另一端通過肩部光軸連接在一起，左上臂和右上臂之間通過軸承安裝第二串聯彈性驅動器。

所述下臂通過肘部光軸與左上臂和右上臂連接。

所述串聯彈性驅動器包括驅動電機、彈簧分隔件、模具彈簧、外殼、傳動軸、滾珠絲杠和關節連桿；驅動電機和外殼之間連接有導向軸，彈簧分隔件套裝有導向軸上，彈簧分隔件與驅動電機之間以及彈簧分隔件與外殼之間均設置有模具彈簧；外殼內安裝有傳動軸，傳動軸與電機主軸連接；傳動軸上固定連接有螺母，滾珠絲杠套裝在傳動軸的內孔中并與螺母連接，關節連桿與滾珠絲杠連接。