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(lái)越多，應(yīng)用范圍越來(lái)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(huì)就會(huì)越來(lái)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(lái)保證操作員的安全以及減少對(duì)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(dòng)作，便完成單調(diào)而重復(fù)的工作。對(duì)于這種工業(yè)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，著重于對(duì)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(dòng)的控制，因此采用的驅(qū)動(dòng)器為剛性驅(qū)動(dòng)器，缺少對(duì)人類或環(huán)境的安全保護(hù)。對(duì)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(cè)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(wèn)題?？勺冏枘岷蛣偠热嵝詸C(jī)械臂也成為了現(xiàn)在各個(gè)國(guó)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(dòng)作時(shí)的安全性能，減少對(duì)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(dòng)連接的轉(zhuǎn)動(dòng)輸入組件、中間組件及轉(zhuǎn)動(dòng)輸出組件；

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

所述轉(zhuǎn)動(dòng)輸出組件包括輸出軸及與輸出軸連接并可同步轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)的第一徑向盤(pán)及第二徑向盤(pán)，所述中間軸、第一徑向盤(pán)及第二徑向盤(pán)均設(shè)在輸出筒中；所述第一徑向盤(pán)靠近輸入軸，所述輸入筒通過(guò)第一彈性元件帶動(dòng)第一徑向盤(pán)旋轉(zhuǎn)；所述第二徑向盤(pán)靠近輸出軸，所述第二徑向盤(pán)通過(guò)第二彈性元件帶動(dòng)輸出筒旋轉(zhuǎn)；

所述第一徑向盤(pán)與第二徑向盤(pán)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(chǎng)的勵(lì)磁線圈Ⅰ，所述中間軸位于腔體Ⅰ的部分浸沒(méi)于磁流變液Ⅰ中。

進(jìn)一步，所述第一徑向盤(pán)、第二徑向盤(pán)、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(lì)磁線圈Ⅰ與磁流變液Ⅰ之間通過(guò)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(guò)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(guò)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(zhǎng)板，兩延長(zhǎng)板對(duì)稱設(shè)置且與兩對(duì)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(dòng)延長(zhǎng)板朝隔板方向運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，延長(zhǎng)板驅(qū)動(dòng)磁流變液Ⅰ通過(guò)閥孔從容積減小的容腔往容積增大的容腔流動(dòng)。

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(pán)、第二徑向盤(pán)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(chǎng)的勵(lì)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(kāi)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(kāi)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(pán)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(pán)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(lì)磁鐵芯的芯槽，所述勵(lì)磁鐵芯的外表面沿周向設(shè)置有用于纏繞勵(lì)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(kāi)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(pán)與輸出筒之間、所述第二徑向盤(pán)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(dòng)力輸入端，輸出軸為動(dòng)力輸出端，輸入軸通過(guò)第一彈性元件將動(dòng)力傳動(dòng)至中間軸，中間軸通過(guò)第二彈性元件將動(dòng)力傳動(dòng)至輸出軸；由于第二彈性元件與位于第一徑向盤(pán)與第二徑向盤(pán)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(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁線圈Ⅰ產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(guò)第一徑向盤(pán)及第二徑向盤(pán)實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(dòng)作時(shí)的安全性能，減少了對(duì)工人或者周圍環(huán)境的損害。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)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(pán)的連接示意圖；

圖4為本發(fā)明的第一徑向盤(pán)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(jiǎn)化模型圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)際工作等效力學(xué)簡(jiǎn)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(dòng)連接的轉(zhuǎn)動(dòng)輸入組件、中間組件及轉(zhuǎn)動(dòng)輸出組件；傳動(dòng)連接即通過(guò)傳遞動(dòng)力的方式進(jìn)行連接。

所述轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)的輸入筒2，輸入軸1；輸入軸1為動(dòng)力輸入端，具體為轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)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?、靠近后?cè)的方向?yàn)楹?沿徑向延伸形成用于與輸入筒2的前端開(kāi)口配合固定的第一端蓋3；第一端蓋3呈圓盤(pán)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(dòng)時(shí)帶動(dòng)第一端蓋3及輸入筒2一同轉(zhuǎn)動(dòng)。

所述轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)力輸出端，具體為轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)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(kāi)口配合固定的第二端蓋6；第二端蓋6呈圓盤(pán)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(dòng)時(shí)第二端蓋6及輸出筒5也一同轉(zhuǎn)動(dòng)。

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(dòng)的第一徑向盤(pán)8及第二徑向盤(pán)9，所述中間軸7、第一徑向盤(pán)8及第二徑向盤(pán)9均設(shè)在輸出筒5中；所述第一徑向盤(pán)8靠近輸入軸1，所述輸入筒2通過(guò)第一彈性元件10帶動(dòng)第一徑向盤(pán)8旋轉(zhuǎn)；所述第二徑向盤(pán)9靠近輸出軸4，所述第二徑向盤(pán)9通過(guò)第二彈性元件11帶動(dòng)輸出筒5旋轉(zhuǎn)；第一徑向盤(pán)8、第二徑向盤(pán)9均呈圓盤(pán)狀，且均沿中間軸7的徑向設(shè)置；第一徑向盤(pán)8、第二徑向盤(pán)9可通過(guò)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(guò)相關(guān)的固定件固定連接；輸入軸1通過(guò)第一彈性元件10將動(dòng)力傳動(dòng)至中間軸7，中間軸7通過(guò)第二彈性元件11將動(dòng)力傳動(dòng)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(dòng)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(pán)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(pán)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(pán)8靠近第一端蓋3的端面上設(shè)置兩條對(duì)稱并下凹的第一容置槽12，第一端蓋3靠近第一徑向盤(pán)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(dòng)時(shí)通過(guò)凸塊擠壓第一彈性元件10，從而將動(dòng)力進(jìn)行傳遞；第二徑向盤(pán)9與第二端蓋6也可以通過(guò)同樣的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞，在此不再贅述。

所述第一徑向盤(pán)8與第二徑向盤(pán)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(chǎng)的勵(lì)磁線圈Ⅰ15，所述中間軸7位于腔體Ⅰ的部分浸沒(méi)于磁流變液Ⅰ14中；磁流變液Ⅰ14、勵(lì)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(pán)式結(jié)構(gòu))；腔體Ⅰ為密封結(jié)構(gòu)，通過(guò)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(pán)8與第二徑向盤(pán)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(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁線圈Ⅰ15產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(guò)第一徑向盤(pán)8及第二徑向盤(pán)9實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞，使得本裝置結(jié)構(gòu)緊湊；所述輸入筒2的后端開(kāi)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(dòng)時(shí)第三端蓋16也一同轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)，為了保證轉(zhuǎn)動(dòng)的順暢，所述輸入筒2與輸出筒5之間、所述第一徑向盤(pán)8與輸出筒5之間、所述第二徑向盤(pán)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(pán)8、第二徑向盤(pán)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(lì)磁線圈Ⅰ15與磁流變液Ⅰ14之間通過(guò)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(guò)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(guò)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(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，勵(lì)磁線圈Ⅰ15將通過(guò)閥孔19在被隔板18分隔的腔體Ⅰ兩側(cè)流動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)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(guò)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(zhǎng)板22，兩延長(zhǎng)板22對(duì)稱設(shè)置且與兩對(duì)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(dòng)延長(zhǎng)板22朝隔板18方向運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，延長(zhǎng)板22驅(qū)動(dòng)磁流變液Ⅰ14通過(guò)閥孔19從容積減小的容腔往容積增大的容腔流動(dòng)；延長(zhǎng)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(pán)8、第二徑向盤(pán)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(chǎng)的勵(lì)磁線圈Ⅱ24；磁流變液Ⅱ23、勵(lì)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(guò)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(duì)振動(dòng)時(shí)，該處的磁流變機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)的作用，即通過(guò)勵(lì)磁線圈Ⅱ24控制磁流變液Ⅱ23的阻尼力，通過(guò)控制阻尼力來(lái)達(dá)到消除與控制振動(dòng)；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(lì)磁鐵芯25的芯槽，所述勵(lì)磁鐵芯25的外表面沿周向設(shè)置有用于纏繞勵(lì)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(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)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(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)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。