[發明專利]一種斜切面圓柱連接的三維機械關節、機械臂和控制方法

在審

• 申請號: 202010853700.0
• 申請日: 2020-08-24
• 公開（公告）號: CN112109111A
• 公開（公告）日: 2020-12-22
• 發明（設計）人: 齊鵬;陳禹
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: B25J17/02
• 分類號: B25J17/02;B25J18/04
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 陳源源

本發明涉及一種斜切面圓柱連接的三維機械關節、機械臂和控制方法，三維機械關節包括第一可旋轉結構、第二可旋轉結構和傾斜連接部，傾斜連接部包括第一斜切面圓柱和第二斜切面圓柱，第一斜切面圓柱包括相互傾斜連接的第一圓柱部和第一旋轉連接部，第二斜切面圓柱包括相互傾斜連接的第二圓柱部和第二旋轉連接部，第一圓柱部轉動連接第二圓柱部；第一可旋轉結構的旋轉輸出端連接第一旋轉連接部，第二可旋轉結構的旋轉輸出端連接第二旋轉連接部。與現有技術相比，本發明具有結構緊湊、可實現三維空間轉動、實現可編程轉動控制和能自鎖等優點。

技術領域

本發明涉及機械臂領域，尤其是涉及一種斜切面圓柱連接的三維機械關節、機械臂和控制方法。

背景技術

隨著以機器人為代表的工業機械逐漸精準化、靈活化、智能化發展，目前涌現出大量的通過機械臂實現的轉動傳動方案。但對這些轉動傳動方案的要求也越來越多，如今，能實現靈活、緊湊、精準、可主動控制、運動可編程、可三維轉動、可自鎖的轉動傳動方案變得極為重要，但是，可以同時實現以上要求的設計方案不易實現。

中國專利CN201822040737.2公開了一種機械關節，該機械關節包括：基座；球頭桿，球頭桿包括相連接的球頭和支桿，球頭可轉動地設置在基座上；麥克納姆輪，麥克納姆輪與球頭相接觸；驅動裝置，驅動裝置與基座相對固定地設置，驅動裝置驅動連接麥克納姆輪，以使麥克納姆輪驅動球頭繞球頭的球心轉動。該機器人包括該機械關節。該關節因設計限制，無法真正實現空間三維轉動，同時該設計在外力矩施加在機械臂上時不能自鎖，容易損壞傳動結構。

中國專利CN201920687886.X公開了一種通過控制球鉸達到三維轉動目的的設計，包括：端部設有凹面的窩體、與凹面轉動連接的殼體以及與殼體轉動連接的擺臂；凹面上設有第一凹槽，殼體與凹面的配合面上設有滑動插裝于第一凹槽上的第一凸臺，殼體與擺臂的配合面上設有與第一凸臺的滑動方向垂直的第二凹槽，擺臂上設有滑動插裝于第二凹槽內的第二凸臺，還包括用于控制第一凸臺沿第一凹槽滑動以帶動殼體沿凹面轉動、控制第二凸臺沿第二凹槽滑動以帶動擺臂沿殼體擺動的執行器。但是該方案由于借助了層層的球形設計，導致結構不緊湊，并且球形設計不易控制，精確度差。

在一些領域中存在著對機械轉動傳動方案結構精巧且能嚴格自鎖的需求，例如采用機器人進行全自動靜脈穿刺過程中，由于靜脈本身朝向任意，且機械臂必須控制穿刺針精準、靈活地實現預定穿刺軌跡：對準靜脈朝向—選定刺入角度—刺入—刺入后針頭向上微微挑起。該復雜動作難以精確實現，即使實現，也很難做到結構精巧緊湊。

同時，為保證被穿刺患者的安全，該場景要求機械臂嚴格自鎖：當外力試圖轉動機械臂時，結構應具備保持不動的能力。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種能嚴格自鎖的斜切面圓柱連接的三維機械關節、機械臂和控制方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種斜切面圓柱連接的三維機械關節，包括第一可旋轉結構和第二可旋轉結構，所述三維機械關節還包括傾斜連接部，該傾斜連接部包括第一斜切面圓柱和第二斜切面圓柱，所述第一斜切面圓柱包括相互傾斜連接的第一圓柱部和第一旋轉連接部，所述第二斜切面圓柱包括相互傾斜連接的第二圓柱部和第二旋轉連接部，所述第一圓柱部轉動連接所述第二圓柱部；

所述第一可旋轉結構的旋轉輸出端連接所述第一旋轉連接部，所述第二可旋轉結構的旋轉輸出端連接所述第二旋轉連接部。

進一步地，所述第一可旋轉結構包括第一電機，該第一電機的旋轉輸出端連接所述第一旋轉連接部；所述第二可旋轉結構包括第二電機，該第二電機的旋轉輸出端連接所述第二旋轉連接部。

進一步地，所述第一可旋轉結構還包括第一電機外殼，所述第一電機固定安裝在所述第一電機外殼內部；