本發(fā)明涉及一種關(guān)節(jié)裝置，特別涉及一種可控阻尼和剛度的柔性機(jī)械臂關(guān)節(jié)裝置。

背景技術(shù)：

隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人的種類越來越多，應(yīng)用范圍越來越廣泛，如服務(wù)機(jī)器人、空間機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人等在服務(wù)業(yè)、空間探索和工業(yè)作業(yè)等領(lǐng)域廣泛運(yùn)用，這就使得機(jī)器人工作時(shí)與人接觸的機(jī)會就會越來越多。這個(gè)時(shí)候就迫切需要一種安全的機(jī)器人系統(tǒng)來保證操作員的安全以及減少對周圍環(huán)境的損害，能夠廣泛應(yīng)用在機(jī)器人與人協(xié)同工作的情況下，確保工人或者周圍設(shè)備的安全。

在傳統(tǒng)的工業(yè)制造環(huán)境中，外部環(huán)境是已知的，機(jī)器人依靠精確的位置控制，按照預(yù)先規(guī)劃好的優(yōu)化路線進(jìn)行動作，便完成單調(diào)而重復(fù)的工作。對于這種工業(yè)機(jī)器人來說，著重于對其末端執(zhí)行器位置或其每個(gè)自由度軌跡的控制，也就是著重于精密點(diǎn)位運(yùn)動的控制，因此采用的驅(qū)動器為剛性驅(qū)動器，缺少對人類或環(huán)境的安全保護(hù)。對環(huán)境友好的機(jī)器人系統(tǒng)其實(shí)質(zhì)上就是在機(jī)器人與人或者周圍環(huán)境發(fā)生碰撞時(shí)能夠緩沖碰撞，檢測碰撞，停止損害。所以如何實(shí)現(xiàn)碰撞的緩沖自然成為了研究機(jī)器人安全性的主要問題。可變阻尼和剛度柔性機(jī)械臂也成為了現(xiàn)在各個(gè)國家主要研究方向之一，這種機(jī)械臂的實(shí)現(xiàn)主要依靠可控阻尼和剛度的關(guān)節(jié)裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種可控阻尼和剛度的柔性機(jī)械臂關(guān)節(jié)裝置，其阻尼和剛度調(diào)節(jié)范圍大，結(jié)構(gòu)緊湊，滿足柔性機(jī)械臂的需求，提高機(jī)器人在動作時(shí)的安全性能，減少對工人或者周圍環(huán)境的損害。

本發(fā)明的可控阻尼和剛度的柔性機(jī)械臂關(guān)節(jié)裝置，包括傳動連接的轉(zhuǎn)動輸入組件、中間組件及轉(zhuǎn)動輸出組件；

所述轉(zhuǎn)動輸入組件包括輸入軸及與輸入軸連接并可同步轉(zhuǎn)動的輸入筒；

所述轉(zhuǎn)動輸出組件包括輸出軸及與輸出軸連接并可同步轉(zhuǎn)動的輸出筒，所述輸出筒設(shè)在輸入筒中；

所述中間組件包括中間軸、與中間軸連接并可同步轉(zhuǎn)動的第一徑向盤及第二徑向盤，所述中間軸、第一徑向盤及第二徑向盤均設(shè)在輸出筒中；所述第一徑向盤靠近輸入軸，所述輸入筒通過第一彈性元件帶動第一徑向盤旋轉(zhuǎn)；所述第二徑向盤靠近輸出軸，所述第二徑向盤通過第二彈性元件帶動輸出筒旋轉(zhuǎn)；

所述第一徑向盤與第二徑向盤之間設(shè)有用于容置磁流變液Ⅰ的腔體Ⅰ，所述腔體Ⅰ中設(shè)有用于產(chǎn)生外加磁場的勵磁線圈Ⅰ，所述中間軸位于腔體Ⅰ的部分浸沒于磁流變液Ⅰ中。

進(jìn)一步，所述第一徑向盤、第二徑向盤、中間軸及輸出筒之間形成所述腔體Ⅰ；所述中間軸上沿徑向設(shè)有用于將腔體Ⅰ分隔的隔板，所述隔板上設(shè)有閥孔及與閥孔配合的閥孔軸，所述勵磁線圈Ⅰ與磁流變液Ⅰ之間通過支撐環(huán)隔離，所述支撐環(huán)由閥孔軸壓合固定在閥孔中的；所述閥孔軸通過緊固件固定在隔板上，所述閥孔中設(shè)有用于供磁流變液Ⅰ流過的效應(yīng)通道，所述閥孔軸上設(shè)有與效應(yīng)通道連通的流通孔。

進(jìn)一步，所述中間軸上設(shè)有兩塊沿其徑向延伸的延長板，兩延長板對稱設(shè)置且與兩對稱設(shè)置的隔板一同將腔體Ⅰ分隔成四個(gè)容腔；所述中間軸帶動延長板朝隔板方向運(yùn)動的過程中，延長板驅(qū)動磁流變液Ⅰ通過閥孔從容積減小的容腔往容積增大的容腔流動。

進(jìn)一步，所述隔板遠(yuǎn)離中心軸的一端沿徑向延伸形成凸起，所述輸出筒的內(nèi)側(cè)設(shè)有用于與凸起配合固定裝配的凹槽。

進(jìn)一步，所述中間軸、第一徑向盤、第二徑向盤及支撐環(huán)均采用非導(dǎo)磁材料制成。

進(jìn)一步，所述輸出筒與輸入筒之間設(shè)有用于容置磁流變液Ⅱ的腔體Ⅱ，所述腔體Ⅱ中設(shè)有用于產(chǎn)生外加磁場的勵磁線圈Ⅱ。

進(jìn)一步，所述輸入軸的后端沿徑向延伸形成用于與輸入筒的前端開口配合固定的第一端蓋；所述輸出軸的前端沿徑向延伸形成用于與輸出筒的后端開口配合固定的第二端蓋；所述第一彈性元件與第二彈性元件均為弧形彈簧結(jié)構(gòu)；所述第一徑向盤與第一端蓋之間設(shè)有用于容置第一彈性元件的第一容置槽；所述第二徑向盤與第二端蓋之間設(shè)有用于容置第二彈性元件的第二容置槽。

進(jìn)一步，所述輸出筒的外表面沿周向設(shè)置有用于安裝環(huán)形勵磁鐵芯的芯槽，所述勵磁鐵芯的外表面沿周向設(shè)置有用于纏繞勵磁線圈Ⅱ的環(huán)槽；所述輸出筒、第二端蓋與輸入筒之間形成所述腔體Ⅱ。

進(jìn)一步，所述輸入筒的后端開口連接有第三端蓋，所述第三端蓋呈環(huán)狀并與第二端蓋同軸設(shè)置；所述輸入軸、中間軸及輸出軸同軸設(shè)置。

進(jìn)一步，所述輸入筒與輸出筒之間、所述第一徑向盤與輸出筒之間、所述第二徑向盤與第三端蓋之間均設(shè)有用于支撐定位的徑向軸承。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明的可控阻尼和剛度的柔性機(jī)械臂關(guān)節(jié)裝置，輸入軸為動力輸入端，輸出軸為動力輸出端，輸入軸通過第一彈性元件將動力傳動至中間軸，中間軸通過第二彈性元件將動力傳動至輸出軸；由于第二彈性元件與位于第一徑向盤與第二徑向盤之間的磁流變機(jī)構(gòu)并聯(lián)于輸出軸與中間軸之間，并且串聯(lián)第一彈性元件，通過調(diào)節(jié)勵磁線圈Ⅰ產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度，從而改變磁流變液Ⅰ的流變特性，以調(diào)節(jié)輸出軸與中間軸之間的等效剛度，從而達(dá)到調(diào)節(jié)輸入軸與輸出軸之間整體剛度的目的，其剛度調(diào)節(jié)范圍大；此外，由于輸出筒設(shè)在輸入筒中，中間組件設(shè)在輸出筒中并通過第一徑向盤及第二徑向盤實(shí)現(xiàn)動力傳遞，使得本裝置結(jié)構(gòu)緊湊；本發(fā)明能夠滿足柔性機(jī)械臂的需求，提高了機(jī)器人在動作時(shí)的安全性能，減少了對工人或者周圍環(huán)境的損害。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述：

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中A-A剖視圖；

圖3為本發(fā)明的中間軸與第二徑向盤的連接示意圖；

圖4為本發(fā)明的第一徑向盤的連接示意圖；

圖5為本發(fā)明的輸出軸與第二端蓋的連接示意圖；

圖6為本發(fā)明工作原理力學(xué)簡化模型圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)際工作等效力學(xué)簡化模型圖。

具體實(shí)施方式

如圖1至圖7所示：本實(shí)施例的可控阻尼和剛度的柔性機(jī)械臂關(guān)節(jié)裝置，包括依次傳動連接的轉(zhuǎn)動輸入組件、中間組件及轉(zhuǎn)動輸出組件；傳動連接即通過傳遞動力的方式進(jìn)行連接。

所述轉(zhuǎn)動輸入組件包括輸入軸1及與輸入軸1連接并可同步轉(zhuǎn)動的輸入筒2，輸入軸1；輸入軸1為動力輸入端，具體為轉(zhuǎn)動動力的輸入端；輸入筒2呈圓筒狀，輸入筒2的軸線與輸入軸1的軸線重合；所述輸入軸1的后端(以圖1中的靠近左側(cè)的方向?yàn)榍啊⒖拷髠?cè)的方向?yàn)楹?沿徑向延伸形成用于與輸入筒2的前端開口配合固定的第一端蓋3；第一端蓋3呈圓盤狀，第一端蓋3上沿周向設(shè)置了若干螺孔，輸入筒2的前端面也設(shè)置了相應(yīng)的螺孔，螺釘依次穿入以將第一端蓋3固定在輸入筒2上，輸入軸1轉(zhuǎn)動時(shí)帶動第一端蓋3及輸入筒2一同轉(zhuǎn)動。

所述轉(zhuǎn)動輸出組件包括輸出軸4及與輸出軸4連接并可同步轉(zhuǎn)動的輸出筒5，所述輸出筒5設(shè)在輸入筒2中；輸出軸4為動力輸出端，具體為轉(zhuǎn)動動力的輸出端；輸出筒5呈圓筒狀，輸出筒5的軸線與輸出軸4的軸線重合；輸出筒5的直徑小于輸入筒2的直徑；所述輸出軸4的前端沿徑向延伸形成用于與輸出筒5的后端開口配合固定的第二端蓋6；第二端蓋6呈圓盤狀，第二端蓋6上沿周向設(shè)置了若干螺孔，輸出筒5的后端面也設(shè)置了相應(yīng)的螺孔，螺釘依次穿入以將第二端蓋6固定在輸出筒5上，輸出軸4轉(zhuǎn)動時(shí)第二端蓋6及輸出筒5也一同轉(zhuǎn)動。

所述中間組件包括中間軸7、與中間軸7連接并可同步轉(zhuǎn)動的第一徑向盤8及第二徑向盤9，所述中間軸7、第一徑向盤8及第二徑向盤9均設(shè)在輸出筒5中；所述第一徑向盤8靠近輸入軸1，所述輸入筒2通過第一彈性元件10帶動第一徑向盤8旋轉(zhuǎn)；所述第二徑向盤9靠近輸出軸4，所述第二徑向盤9通過第二彈性元件11帶動輸出筒5旋轉(zhuǎn)；第一徑向盤8、第二徑向盤9均呈圓盤狀，且均沿中間軸7的徑向設(shè)置；第一徑向盤8、第二徑向盤9可通過與中間軸7一體成型的方式設(shè)置，也可分體設(shè)置并通過相關(guān)的固定件固定連接；輸入軸1通過第一彈性元件10將動力傳動至中間軸7，中間軸7通過第二彈性元件11將動力傳動至輸出軸4；第一彈性元件10、第二彈性元件11為可實(shí)現(xiàn)動力傳遞并具有蓄能功能的彈性件，優(yōu)選地，所述第一彈性元件10與第二彈性元件11均為弧形彈簧結(jié)構(gòu)，此時(shí)，所述第一徑向盤8與第一端蓋3之間設(shè)有用于容置第一彈性元件10的第一容置槽12，所述第二徑向盤9與第二端蓋6之間設(shè)有用于容置第二彈性元件11的第二容置槽13；例如，在第一徑向盤8靠近第一端蓋3的端面上設(shè)置兩條對稱并下凹的第一容置槽12，第一端蓋3靠近第一徑向盤8的端面上則設(shè)置兩個(gè)可置入第一容置槽12的凸塊，第一端蓋3轉(zhuǎn)動時(shí)通過凸塊擠壓第一彈性元件10，從而將動力進(jìn)行傳遞；第二徑向盤9與第二端蓋6也可以通過同樣的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動力傳遞，在此不再贅述。

所述第一徑向盤8與第二徑向盤9之間設(shè)有用于容置磁流變液Ⅰ14的腔體Ⅰ，所述腔體Ⅰ中設(shè)有用于產(chǎn)生外加磁場的勵磁線圈Ⅰ15，所述中間軸7位于腔體Ⅰ的部分浸沒于磁流變液Ⅰ14中；磁流變液Ⅰ14、勵磁線圈Ⅰ15均為磁流變機(jī)構(gòu)的一部分；該處的磁流變機(jī)構(gòu)為旋轉(zhuǎn)式阻尼器結(jié)構(gòu)(可以采用鼓式或者盤式結(jié)構(gòu))；腔體Ⅰ為密封結(jié)構(gòu)，通過現(xiàn)有技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)，在此不再贅述；由于第二彈性元件11與位于第一徑向盤8與第二徑向盤9之間的磁流變阻尼機(jī)構(gòu)并聯(lián)于輸出軸4與中間軸7之間，并且串聯(lián)第一彈性元件10，通過調(diào)節(jié)勵磁線圈Ⅰ15產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度，從而改變磁流變液Ⅰ14的流變特性，控制中間軸7與輸出軸4之間的阻尼力，以調(diào)節(jié)輸出軸4與中間軸7之間的等效剛度，從而達(dá)到調(diào)節(jié)輸入軸1與輸出軸4之間整體等效剛度的目的，其剛度調(diào)節(jié)范圍大；此外，由于輸出筒5設(shè)在輸入筒2中，中間組件設(shè)在輸出筒5中并通過第一徑向盤8及第二徑向盤9實(shí)現(xiàn)動力傳遞，使得本裝置結(jié)構(gòu)緊湊；所述輸入筒2的后端開口連接有第三端蓋16，所述第三端蓋16呈環(huán)狀并與第二端蓋6同軸設(shè)置；所述輸入軸1、中間軸7及輸出軸4同軸設(shè)置；第三端蓋16沿周向設(shè)置了若干螺孔，輸入筒2的后端面也設(shè)置了相應(yīng)的螺孔，螺釘依次穿入以將第三端蓋16固定在輸入筒2上，輸入軸1轉(zhuǎn)動時(shí)第三端蓋16也一同轉(zhuǎn)動；同時(shí)，為了保證轉(zhuǎn)動的順暢，所述輸入筒2與輸出筒5之間、所述第一徑向盤8與輸出筒5之間、所述第二徑向盤9與第三端蓋16之間均設(shè)有用于支撐定位的徑向軸承17。

本實(shí)施例中，所述第一徑向盤8、第二徑向盤9、中間軸7及輸出筒5之間形成所述腔體Ⅰ；所述中間軸7上沿徑向設(shè)有用于將腔體Ⅰ分隔的隔板18，所述隔板18上設(shè)有閥孔19及與閥孔19配合的閥孔軸20，所述勵磁線圈Ⅰ15與磁流變液Ⅰ14之間通過支撐環(huán)21隔離，所述支撐環(huán)21由閥孔軸20壓合固定在閥孔19中的；所述閥孔軸20通過緊固件固定在隔板18上，所述閥孔19中設(shè)有用于供磁流變液Ⅰ14流過的效應(yīng)通道，所述閥孔軸20上設(shè)有與效應(yīng)通道連通的流通孔；當(dāng)輸出軸4與中間軸7出現(xiàn)相對轉(zhuǎn)動時(shí)，勵磁線圈Ⅰ15將通過閥孔19在被隔板18分隔的腔體Ⅰ兩側(cè)流動，通過調(diào)節(jié)勵磁線圈Ⅰ15的電流，可以控制磁流變液Ⅰ14的阻尼力，從而達(dá)到可控阻尼和剛度的效果；隔板18以可拆卸方式連接于中間軸7，例如，所述隔板18遠(yuǎn)離中心軸的一端沿徑向延伸形成凸起，所述輸出筒5的內(nèi)側(cè)設(shè)有用于與凸起配合固定裝配的凹槽；閥孔軸20可通過螺釘結(jié)構(gòu)的緊固件固定在隔板18上；所述中間軸7上設(shè)有兩塊沿其徑向延伸的延長板22，兩延長板22對稱設(shè)置且與兩對稱設(shè)置的隔板18一同將腔體Ⅰ分隔成四個(gè)容腔；所述中間軸7帶動延長板22朝隔板18方向運(yùn)動的過程中，延長板22驅(qū)動磁流變液Ⅰ14通過閥孔19從容積減小的容腔往容積增大的容腔流動；延長板22優(yōu)選呈扇形，且從中間軸7至輸出筒5方向其截面積逐漸增大；為實(shí)現(xiàn)磁流變效果，所述中間軸7、第一徑向盤8、第二徑向盤9及支撐環(huán)21均采用非導(dǎo)磁材料制成。

本實(shí)施例中，所述輸出筒5與輸入筒2之間設(shè)有用于容置磁流變液Ⅱ23的腔體Ⅱ，所述腔體Ⅱ中設(shè)有用于產(chǎn)生外加磁場的勵磁線圈Ⅱ24；磁流變液Ⅱ23、勵磁線圈Ⅱ24均為磁流變機(jī)構(gòu)的一部分；腔體Ⅱ?yàn)槊芊饨Y(jié)構(gòu)，通過現(xiàn)有技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)，在此不再贅述；當(dāng)輸入軸1和輸出軸4之間發(fā)生相對振動時(shí)，該處的磁流變機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)的作用，即通過勵磁線圈Ⅱ24控制磁流變液Ⅱ23的阻尼力，通過控制阻尼力來達(dá)到消除與控制振動；優(yōu)選地，所述輸出筒5的外表面沿周向設(shè)置有用于安裝環(huán)形勵磁鐵芯25的芯槽，所述勵磁鐵芯25的外表面沿周向設(shè)置有用于纏繞勵磁線圈Ⅱ24的環(huán)槽；所述輸出筒5、第二端蓋6與輸入筒2之間形成所述腔體Ⅱ。

最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。