CN107639649B - 一种机器人用永磁变刚度柔性关节 - Google Patents
一种机器人用永磁变刚度柔性关节 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107639649B CN107639649B CN201711057256.6A CN201711057256A CN107639649B CN 107639649 B CN107639649 B CN 107639649B CN 201711057256 A CN201711057256 A CN 201711057256A CN 107639649 B CN107639649 B CN 107639649B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- fixed
- pulley
- permanent magnet
- stiffness
- rope
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims abstract description 14
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 claims description 7
- 206010052904 Musculoskeletal stiffness Diseases 0.000 abstract description 53
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 abstract description 7
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 5
- 239000011664 nicotinic acid Substances 0.000 abstract description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 abstract description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 210000003205 muscle Anatomy 0.000 description 4
- 206010023230 Joint stiffness Diseases 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 2
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 210000002027 skeletal muscle Anatomy 0.000 description 2
- 206010049816 Muscle tightness Diseases 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 1
- 230000003042 antagnostic effect Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 description 1
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002910 rare earth metals Chemical class 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 239000007779 soft material Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Manipulator (AREA)
Abstract
本发明属于柔性机器人技术领域，提出了一种机器人用永磁变刚度柔性关节，能够模拟仿生关节具有的非线性变刚度肌肉特性。本发明采用永磁变刚度机构作为刚度调整部件，绳索作为力与运动传递部件，其刚度会根据永磁体间气隙改变而改变，通过电机、绳索绞盘和导向滑轮的作用，实现操作手两侧绳索的力与位置的解耦，可实现关节刚度不变，仅改变关节转角改变，即实现等刚度条件下关节位置调整；还可实现在关节位置不变的，仅改变关节的刚度，根据不同的工作情况，实现对应设定刚度条件下工作。本发明为运动形式简洁、制造简便、操作简单的永磁变刚度柔性机器人关节结构。
Description
技术领域
本发明属于柔性机器人技术领域，特别是涉及一种机器人用永磁变刚度柔性关节，用于构建拮抗式柔性变刚度机器人，特别适合于仿生机器人关节的构建。
背景技术
柔性变刚度机器人是不同于传统刚性机器人的一类刚度可调的柔性机器人，主要特征是：在传动链上串联或并联刚度可调的弹性环节，能够将关节的动能和弹性势能相互转化，由于自身刚度可调，可以很大程度的提高人机安全性和环境适应性，已经成为未来机器人发展的重要方向。
从运动生物力学角度看，肌肉是人体运动系统的动力学来源，通过肌肉缩放来保持或完成动作.骨骼肌有两种缩放形式，缩放过程中肌肉张力不变，长度改变，引起关节运动，即刚度不变位置改变；缩放过程中肌肉长度不变，张力改变，引起关节刚度增加，即位置不变刚度改变；此种非线性变刚度特性，能够缓冲碰撞，吸收和存储能量。因此，如果能够借鉴人体骨骼肌肉系统，设计具有仿生肌肉特性的关节，就可以改善现有机器人人机交互安全性底、环境适应性差的缺点。基于并联绳索对抗驱动的变刚度机器人关节，在驱动方式上与人类关节最为接近，大都通过在绳索上串联非线性弹性单元的方式来改变关节刚度。此种布置的好处除了实现机器人的柔性外，可以将驱动单元和变刚度模块后置，特别在构建多自由度机器人时，可以极大的减轻操作臂的质量与惯量，从而解决了传统串联模式，质量与惯量逐级递增引起的关节刚度变化能力不足的缺点。
近些年来，永磁材料性能大幅度提高，特别是稀土永磁材料单位体积磁能高，性能优良，在简化计算时可等同于理想永磁体。利用永磁体间磁力相互作用的永磁弹簧，由于拥有无机械接触、无磨损、功耗低、寿命长、噪音小、无需润滑、不发热等优点，可以取代金属弹簧用于快速机械响应机构。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种机器人用永磁变刚度柔性关节组件，能够模拟具有非线性变刚度肌肉特性的关节，可以有效改善传统机器人人机交互安全性底、环境适应性差的缺点；
为了实现上述目的，本发明提供了一种机器人用永磁变刚度柔性关节，包括至少一个自由度控制机构、操作臂、大臂、大臂固定架、编码器、操作臂旋转轴，大臂固定于大臂固定架上，操作臂通过操作臂旋转轴固定于大臂中心轴上，操作臂旋转轴和编码器通过薄壁球轴承固定在大臂上；
其中，一个自由度控制机构由两组沿大臂中心轴对称设置的位置与刚度调整模块组成，每组位置与刚度调整模块包括绳索、至少两个导线滑轮、至少一个永磁变刚度模块、绳索绞盘、谐波减速器和伺服电机；所述绳索一端固定于操作臂，然后依次穿过大臂外边缘设置的导线滑轮A、大臂内部固定的永磁变刚度模块和导线滑轮B,绳索另一端固定在绳索绞盘上，绳索绞盘、谐波减速器和伺服电机三者同轴固定于大臂上；
所述永磁变刚度模块的定滑轮A与导线滑轮B轴线平行且滑轮轮廓外切同一条直线；导线滑轮B的轴线垂直于绳索绞盘的轴线，且轮廓外切同一条直线,此种布置可以有效保证绳索的传动。
进一步地，上述永磁变刚度模块包括：定滑轮A、动滑轮、轴向滑动轴承、轴向充磁永磁环A、移动滑座、固定座、轴向充磁永磁环B、定滑轮B；所述移动滑座截面为倒T型，中心杆顶端设置动滑轮；固定座截面为H型，顶端分别设置定滑轮A和定滑轮B，所述动滑轮与定滑轮A和定滑轮B呈倒等腰三角形布置；轴向充磁永磁环A固定于移动滑座底座上侧，轴向充磁永磁环B固定于移动滑座中心位置下侧，所述轴向充磁永磁环A的中轴线与轴向充磁永磁环B的中轴线同轴线，同向磁极相对布置且结构参数相同；移动滑座的中心杆依次穿过轴向充磁永磁环A、轴向充磁永磁环B和设有轴向滑动轴承的固定座中心位置，移动滑座底座沿固定座下部的滑槽滑动；当移动滑座和固定座间距减小时，轴向充磁永磁环A和轴向充磁永磁环B间气隙减小。
进一步地，上述导线滑轮A、导线滑轮B和永磁变刚度模块的定滑轮A、定滑轮B的轴线平行且径向对称中心位于同一平面内。
进一步地，包括两个以上自由度控制机构的永磁变刚度柔性关节，其中每个自由度方向，沿大臂中心轴对称设置两组位置与刚度调整模块，每个自由度控制机构的操作臂旋转轴垂直于该自由度旋转方向的绳索拉力方向，保证每个自由度旋转方向的刚度独立。全部永磁变刚度模块后置，减轻了操作臂的质量和惯量。
本发明的有益效果为：本发明能够模拟仿生关节具有的非线性变刚度肌肉特性。本发明采用永磁变刚度机构作为刚度调整部件，绳索作为力与运动传递部件，其刚度会根据永磁体间气隙改变而改变，通过电机、绳索绞盘和导向滑轮的作用，实现操作手两侧绳索的力与位置的解耦，可实现关节刚度不变，仅改变关节转角改变，即实现等刚度条件下关节位置调整；还可实现在关节位置不变的，仅改变关节的刚度，根据不同的工作情况，实现对应设定刚度条件下工作。本发明为运动形式简洁、制造简便、操作简单的永磁变刚度柔性机器人关节结构。
附图说明
图1为本发明的一种机器人用永磁变刚度柔性关节结构示意图；
图2为柔性可变刚度机器人关节内部结构展开示意图；
图3为可变刚度部分的原理结构剖面示意图；
图4为本发明一个多自由度实施例机构简图；
图中，1操作臂；2绳索A；3导线滑轮A；4永磁变刚度模块A；5绳索绞盘A；6伺服电机；7大臂固定架；8谐波减速器；9大臂；10编码器；11导线滑轮B；12导线滑轮C；13绳索绞盘B；14永磁变刚度模块B；15导线滑轮D；16操作臂旋转轴；17绳索B；18定滑轮A；19动滑轮；20轴向滑动轴承；21轴向充磁永磁环A；22移动滑座；23固定座；24轴向充磁永磁环B；25定滑轮B。
具体实施方式
实施例1
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达到实现效果的技术过程能够充分理解并据以实施，需要说明的是，只要不构成冲突，本发明的各个实施例以及各个实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
结合图1，图2和图3说明本实施方式，一种机器人用永磁变刚度柔性关节包括：操作臂1，绳索A2，导线滑轮A3，永磁变刚度模块A4，绳索绞盘A5，伺服电机6，大臂固定架7，谐波减速器8，大臂9，编码器10，导线滑轮B11，导线滑轮C12，绳索绞盘B13，永磁变刚度模块B14，导线滑轮D15，操作臂旋转轴16，绳索B17，所述绳索A2一端固定于操作臂1，然后依次穿过导线滑轮A3、永磁变刚度模块A4、导线滑轮B11,另一端固定在绳索绞盘A5上，形成一组位置与刚度调整模块，所述绳索B17一端固定于操作臂1，然后依次穿过导线滑轮D15、永磁变刚度模块B14、导线滑轮C12,另一端固定在绳索绞盘B13上，形成一组位置与刚度调整模块；
所述永磁变刚度模块A4的定滑轮A18与导线滑轮B11轴线平行且滑轮轮廓外切同一条直线；导线滑轮B11的轴线垂直于绳索绞盘A5的轴线，且轮廓外切同一条直线，此种布置可以有效保证绳索的传动；
本发明中的绳索A2和绳索B17为软钢丝绳或其他柔软的只能弯曲却不能轴向伸缩的材料制成的绳索；
本发明为运动形式简洁、制造简便、操作简单的永磁变刚度柔性机器人关节；
永磁变刚度模块A4和B14包括：定滑轮A18，动滑轮19，轴向滑动轴承20，轴向充磁永磁环A21，移动滑座22，固定座23，轴向充磁永磁环B24，定滑轮B25，所述移动滑座22与固定座23上轴向滑动轴承20和滑槽滑动配合，所述固定座23与轴向充磁永磁环B24固结，所述轴向充磁永磁环A21与移动滑座22固结，所述轴向充磁永磁环A21的中轴线与轴向充磁永磁环B24的中轴线同轴线同向磁极相对布置且结构参数相同，当移动滑座22和固定座23间距减小时，轴向充磁永磁环A21和轴向充磁永磁环B24间气隙减小；所述动滑轮19与定滑轮A18和定滑轮B25呈倒等腰三角形布置；
本发明中的通过拉动绳索进而带动动滑轮10和移动滑座13向上滑动；
所述绳索绞盘A5与谐波减速器8和伺服电机同轴布置，所述另外一组绳索绞盘与谐波减速器和电机同轴布置，构成两组驱动组件，上述两组驱动组件沿操作臂1对称布置固定于大臂9上；
所述导线滑轮A3，永磁变刚度模块A4，导线滑轮B11，导线滑轮C12，永磁变刚度模块B14，导线滑轮D15，固定于大臂9上，所述导线滑轮A3,导线滑轮B11,导线滑轮C12,导线滑轮D15与永磁变刚度模块A4，永磁变刚度模块B14的定滑轮，轴线平行且径向位于同一平面内；
本发明中操作臂旋转轴16和编码器10通过薄壁球轴承固定在大臂9上。
实施例2
如图4所示，为本发明一种二自由度并联可变刚度机器人关节机构简图，每一个旋转自由度方向，对称布置两个永磁变刚度模块。每个操作臂旋转轴垂直于该旋转方向的绳索拉力方向，这样就保证整了两个旋转方向的刚度独立。全部永磁变刚度模块后置，减轻了操作臂的质量和惯量。
Claims (2)
1.一种机器人用永磁变刚度柔性关节，其特征在于，包括两个以上自由度控制机构，其中每个自由度方向，沿大臂中心轴对称设置两组位置与刚度调整模块，每个自由度控制机构的操作臂旋转轴垂直于该自由度旋转方向的绳索拉力方向，保证每个自由度旋转方向的刚度独立；还包括操作臂（1）、大臂（9）、大臂固定架（7）、编码器（10）、操作臂旋转轴（16），大臂（9）固定于大臂固定架（7）上，操作臂（1）通过操作臂旋转轴（16）固定于大臂（9）的中心轴上，操作臂旋转轴（16）和编码器（10）通过薄壁球轴承固定在大臂（9）上；
其中，所述的自由度控制机构由两组沿大臂中心轴对称设置的位置与刚度调整模块组成，每组位置与刚度调整模块包括绳索（2）、至少两个导线滑轮、至少一个永磁变刚度模块（4）、绳索绞盘（5）、谐波减速器（8）和伺服电机（6）；所述绳索（2）一端固定于操作臂（1），然后依次穿过大臂外边缘设置的导线滑轮A（3）、大臂内部固定的永磁变刚度模块（4）和导线滑轮B（11）,绳索另一端固定在绳索绞盘（5）上，绳索绞盘（5）、谐波减速器（8）和伺服电机三者同轴固定于大臂（9）上；
所述永磁变刚度模块（4）的定滑轮A（18）与导线滑轮B（11）轴线平行且滑轮轮廓外切同一条直线；导线滑轮B（11）的轴线垂直于绳索绞盘（5）的轴线，且轮廓外切同一条直线；所述永磁变刚度模块包括：定滑轮A（18）、动滑轮（19）、轴向滑动轴承（20）、轴向充磁永磁环A（21）、移动滑座（22）、固定座（23）、轴向充磁永磁环B（24）、定滑轮B（25）；所述移动滑座（22）的截面为倒T型，中心杆顶端设置动滑轮；固定座截面为H型，顶端分别设置定滑轮A和定滑轮B，所述动滑轮与定滑轮A和定滑轮B呈倒等腰三角形布置；轴向充磁永磁环A（21）固定于移动滑座底座上侧，轴向充磁永磁环B（24）固定于移动滑座中心位置下侧，所述轴向充磁永磁环A的中轴线与轴向充磁永磁环B的中轴线同轴线，同向磁极相对布置且结构参数相同；移动滑座的中心杆依次穿过轴向充磁永磁环A、轴向充磁永磁环B和设有轴向滑动轴承（20）的固定座中心位置，移动滑座底座沿固定座下部的滑槽滑动；每一个旋转自由度方向，对称布置两个永磁变刚度模块；每个操作臂旋转轴垂直于该旋转方向的绳索拉力方向，保证两个旋转方向的刚度独立；全部永磁变刚度模块后置，减轻了操作臂的质量和惯量。
2.根据权利要求1所述的一种机器人用永磁变刚度柔性关节，其特征在于，所述导线滑轮A、导线滑轮B和永磁变刚度模块的定滑轮A、定滑轮B的轴线平行且径向对称中心位于同一平面内。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711057256.6A CN107639649B (zh) | 2017-11-01 | 2017-11-01 | 一种机器人用永磁变刚度柔性关节 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711057256.6A CN107639649B (zh) | 2017-11-01 | 2017-11-01 | 一种机器人用永磁变刚度柔性关节 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107639649A CN107639649A (zh) | 2018-01-30 |
| CN107639649B true CN107639649B (zh) | 2020-07-24 |
Family
ID=61124945
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201711057256.6A Expired - Fee Related CN107639649B (zh) | 2017-11-01 | 2017-11-01 | 一种机器人用永磁变刚度柔性关节 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107639649B (zh) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112643709B (zh) * | 2020-12-24 | 2022-02-15 | 东莞理工学院 | 轻量化可折叠式单向驱动机器人关节 |
| CN113103276B (zh) * | 2021-03-16 | 2022-12-06 | 广东省科学院智能制造研究所 | 一种柔性驱动的协作机器臂关节模块 |
| CN113232013A (zh) * | 2021-04-16 | 2021-08-10 | 佛山纽欣肯智能科技有限公司 | 一种具有多绳驱单元的机械手系统 |
| CN113146604B (zh) * | 2021-05-06 | 2022-08-26 | 吉林大学 | 一种紧凑型具有变刚度被动柔性的人工肌肉模块 |
| CN114407023B (zh) * | 2022-03-11 | 2023-11-17 | 沈阳工业大学 | 绳驱并联变刚度机器人关节的解耦控制方法 |
| CN114633282B (zh) * | 2022-04-08 | 2023-09-29 | 华中科技大学 | 一种基于绳传动的三自由度仿人变刚度腕关节 |
| CN115488871A (zh) * | 2022-09-14 | 2022-12-20 | 清华大学深圳国际研究生院 | 一种轻量化高扭矩肌腱驱动单自由度机械关节装置 |
| CN115383785B (zh) * | 2022-10-27 | 2022-12-27 | 季华实验室 | 一种具备翻腕功能的柔性肘部 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107175657B (zh) * | 2017-05-11 | 2019-10-25 | 东北大学 | 一种用于柔性机器人的永磁变刚度驱动模块 |
-
2017
- 2017-11-01 CN CN201711057256.6A patent/CN107639649B/zh not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107639649A (zh) | 2018-01-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107639649B (zh) | 一种机器人用永磁变刚度柔性关节 | |
| CN110315511B (zh) | 一种采用被动弹簧张紧的索驱动并联分拣机器人 | |
| CN105856191B (zh) | 索并联驱动的高速多体机构 | |
| CN112476478B (zh) | 一种面向人机协作仿生绳驱动四自由度手臂 | |
| CN102380771B (zh) | 高刚度冗余驱动三自由度并联机构 | |
| CN101863018A (zh) | 绳索驱动三转动自由度并联机构 | |
| CN109895066B (zh) | 基于肌肉非线性特性的人工肌肉模块 | |
| CN104842342B (zh) | 并联式六维力反馈装置 | |
| CN201168960Y (zh) | 一种四自由度并联机构 | |
| CN107175657B (zh) | 一种用于柔性机器人的永磁变刚度驱动模块 | |
| CN201389855Y (zh) | 具有两转一移三自由度的并联机构 | |
| CN102126216A (zh) | 具有两转一移三自由度的对称结构并联机构 | |
| CN102126217A (zh) | 具有两转一移三自由度的非对称结构并联机构 | |
| CN104476567A (zh) | 一种含绳驱动直线关节的六自由度并联机构 | |
| CN109079756A (zh) | 一种应用于力反馈设备的三自由度并联机构 | |
| CN104384941A (zh) | 具有等效Tricept机构运动的过约束并联机构 | |
| CN114474023A (zh) | 一种柔性机械手 | |
| CN205371505U (zh) | 凸轮双向往复机构 | |
| CN105291091B (zh) | 含平面副的三平动一转动并联机器人 | |
| CN107932482B (zh) | 一种可实现三维转动和两维移动运动的五自由度并联机构 | |
| CN203245874U (zh) | 三自由度移动并联机器人机构 | |
| CN109849049A (zh) | 一种采用十字节连接的双自由度液压机械臂关节 | |
| CN102873681A (zh) | 一种新型二自由度机械手机构 | |
| CN204471367U (zh) | 新型三支链六自由度机器人 | |
| CN210389181U (zh) | 一种具有三维移动的并联结构 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20200724 |