一種剛度可調的通用模塊、機械臂及工作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種剛度可調的通用模塊、機械臂及工作方法。所述通用模塊包括第一轉盤、中間轉盤和第二轉盤；所述第一轉盤與中間轉盤之間設有第一吸合組件和第一復位元件，所述中間轉盤與第二轉盤之間設有第二吸合組件和第二復位元件；所述第一復位元件和第二復位元件的復位方向相反而使第一轉盤、中間轉盤和第二轉盤之間形成剛柔配合的動力傳遞機構。本發(fā)明的通用模塊能靈活運動，且可以實現剛柔性的轉換，精度高、安全性好。
【專利說明】
一種剛度可調的通用模塊、機械臂及工作方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種剛度可調的通用模塊、機械臂及工作方法，屬于機器人領域。
【背景技術】
[0002]協(xié)作機器人克服了傳統(tǒng)工業(yè)機器人的弊端，擴展了自動化的適應領域，將這些無防護籠的機器人從護網中解放出來，讓它們更容易安裝和使用，并日益普及。
[0003]目前，協(xié)作機器人對于安全性方面的設計主要從如下兩個方面著手:
第一種是采用傳感器與系統(tǒng)控制相配合，機器人外部采用軟性材料包裹，當操作人員與機器人碰撞時通過感應與控制實現減速或停止。這種方案傳感器及控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定性沒有得到有效的保證，鑒于此很多廠家采取了多重傳感器，但這勢必增加成本。
[0004]另一種采用的是串聯彈性元器件實現的，將彈性元器件串聯在運動鏈中，當碰撞發(fā)生時，機器人會停止或減速移動以保障人員安全的功能，如中國專利公開號CN104245247A中描述的，串聯式彈性元件為彈簧鋼材質，具有兩個末端，其中一個與齒輪傳動機構輸出軸連接，另一個與機械手臂連接，用于將力/扭矩從馬達傳遞至彎曲關節(jié)輸出機構，實現關節(jié)運動。這種方案考慮到了機器人的安全性，但是將彈性元器件直接串聯在傳動鏈中，后續(xù)運動補償針對非線性模型及動、勢能的轉換很難做到精準，直接導致機器人的精度不夠。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明旨在提供一種剛度可調的通用模塊、機械臂及工作方法，該通用模塊能靈活運動，且可以實現剛柔性的轉換，精度高、安全性好。
[0006]為了實現上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案是:
一種剛度可調的通用模塊，其結構特點是，包括第一轉盤、中間轉盤和第二轉盤;所述第一轉盤與中間轉盤之間設有第一吸合組件和第一復位元件，所述中間轉盤與第二轉盤之間設有第二吸合組件和第二復位元件;所述第一復位元件和第二復位元件的復位方向相反而使第一轉盤、中間轉盤和第二轉盤之間形成剛柔配合的動力傳遞機構。
[0007]由此，所述第一吸合組件在正常狀態(tài)下將第一轉盤和中間轉盤吸合形成剛性連接，在被撞擊的非正常正常狀態(tài)下第一轉盤和中間轉盤分離，形成傳遞柔性連接，所述第二吸合組件在正常狀態(tài)下將第二轉盤和中間轉盤吸合形成剛性連接，在被撞擊的非正常正常狀態(tài)下第二轉盤和中間轉盤分離，形成傳遞柔性連接。
[0008]本發(fā)明配套復位元件和相應的吸合組件的組合使用保證扭轉平面內順、逆時針兩個方向均能靈活運動，同時，通過復位元件的扭轉力與吸合組件的不同狀態(tài)組合實現剛柔性的轉換。
[0009]根據本發(fā)明的實施例，還可以對本發(fā)明作進一步的優(yōu)化，以下為優(yōu)化后形成的技術方案:
根據本發(fā)明的實施例，所述第一轉盤朝向中間轉盤的端面上設有第一磁鐵安裝塊，所述第二轉盤朝向中間轉盤的端面上設有第四磁鐵安裝塊，所述中間轉盤的兩個端面上設有分別與所述第一磁鐵安裝塊配合吸合的第二磁鐵安裝塊和與所述第四磁鐵安裝塊配合吸合的第三磁鐵安裝塊;所述第一磁鐵安裝塊和第二磁鐵安裝塊形成第一吸合組件，所述第三磁鐵安裝塊和第四磁鐵安裝塊形成第二吸合組件;優(yōu)選所述第一磁鐵安裝塊、第二磁鐵安裝塊、第三磁鐵安裝塊和第四磁鐵安裝塊內安裝有電磁鐵而形成相應的電磁鐵安裝塊；更優(yōu)選所述電磁鐵安裝塊的磁力大小可調。
[0010]所述第一轉盤、第一復位元件、中間轉盤、第二復位元件和第二轉盤通過連接軸相連;所述第一復位元件用于將因外力分離的第一磁鐵安裝塊與第二磁鐵安裝塊復位吸合在一起，所述第二復位元件用于將因外力分離的第三磁鐵安裝塊與第四磁鐵安裝塊復位吸合在一起。
[0011]優(yōu)選地，參照說明書附圖圖1，所述第二磁鐵安裝塊和第三磁鐵安裝塊呈180°對稱分布在中間轉盤的兩個側上。
[0012]為了保證通用模塊在收到外力碰撞時達到一開一合的效果，所述第一復位元件和第二復位元件均為扭簧，且兩個扭簧設置的允許扭轉方向相反。由此，兩個扭簧分別對兩個磁鐵安裝塊從外側面進行夾緊。
[0013]所述扭簧通過連接軸套裝在所述連接軸上，所述第一轉盤、中間轉盤和第二轉盤均通過相應的滾動軸承裝在所述連接軸上。
[0014]基于同一個發(fā)明構思，本發(fā)明還提供了一種機械臂，其包括底座，依次串聯在所述底座上的多個節(jié)臂組件，多個節(jié)臂組件中的至少一個節(jié)臂組件內裝有至少一個所述的剛度可調的通用模塊。換句話說，通用模塊可以只裝于一個節(jié)臂組件內，也可以多個節(jié)臂組件內都安裝。
[0015]由此，機械臂也具有剛柔性轉換的功能，提高了機械臂的定位精度，保證了機械臂的安全性。
[0016]根據本發(fā)明的實施例，裝有所述的剛度可調的通用模塊的每個節(jié)臂組件包括所述第二轉盤配合相連的第一接合盤，與第一接合盤固定相連的第一連桿，以及與第一連桿鉸接相連的L座;所述第一轉盤通過第二連桿與第二接合盤固定相連，該第二接合盤用于與相連節(jié)臂組件的L座固定相連;所述最下一級的節(jié)臂組件的L座裝在所述底座上。
[0017]基于同一個發(fā)明構思，本發(fā)明還提供了一種所述的剛度可調的通用模塊調節(jié)剛度的方法，其包括如下步驟:
當機械臂處于正常工作狀態(tài)時，所述第一轉盤與中間轉盤通過第一吸合組件吸合、同時中間轉盤第二轉盤之間通過第二吸合組件吸合而形成剛性連接；
當外界碰撞力大于相應的第一吸合組件之間的吸力與扭力之和時，第一轉盤與中間轉盤被分開，中間轉盤和第二轉盤被第二復位元件夾緊，或中間轉盤和第二轉盤被分開，第一轉盤與中間轉盤被第一復位元件夾緊，第一轉盤、中間轉盤和第二轉盤之間不傳遞碰撞力，當外界碰撞力被解除時，相應的第一吸合組件或第二吸合組件在復位元件的作用下吸合復位。
[0018]根據本發(fā)明的實施例，當機械臂處于正常工作狀態(tài)時，所述第一轉盤、中間轉盤和第二轉盤之間通過第一磁鐵安裝塊、第二磁鐵安裝塊、第三磁鐵安裝塊和第四磁鐵安裝塊配合吸合而形成剛性連接；當外界碰撞力大于相應的磁鐵安裝塊之間的吸力和扭力之和時，第一轉盤與中間轉盤被分開，中間轉盤和第二轉盤被復位元件夾緊，或中間轉盤和第二轉盤被分開，第一轉盤與中間轉盤被復位元件夾緊，第一轉盤、中間轉盤和第二轉盤之間不傳遞碰撞力，當外界碰撞力被解除時，相應的磁鐵安裝塊在復位元件的作用下吸合復位。
[0019]與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果是:
1、本發(fā)明讓安裝此模塊的機器人既能滿足從安全性角度出發(fā)的柔性要求，又能保證在正常工作狀態(tài)下的精度。
[0020]2、功能實現的模塊化既可以讓柔性機器人設計任務得到簡化，也為已有的傳統(tǒng)機器人柔性化改造提供了一種指導思路。
【附圖說明】
[0021 ]圖1是本發(fā)明一種實施例的通用模塊的結構原理圖；
圖2是本發(fā)明一種實施例的機械臂的結構原理圖。
【具體實施方式】
[0022]以下將參考附圖并結合實施例來詳細說明本發(fā)明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。為敘述方便，下文中如出現“上”、“下”、“左”、“右”字樣，僅表示與附圖本身的上、下、左、右方向一致，并不對結構起限定作用。
[0023]一種剛度可調的通用模塊，采用剛、柔共存的方式，一方面從結構上保證一定的柔性，避免對人造成傷害，另一方面提尚了定位精度。
[0024]如圖1所示，剛度可調通用模塊包括第一轉盤1、扭簧4，5、轉盤連接軸10、滾動軸承11，13、連接軸套軸12、電磁鐵14和第二轉盤3。所述第一轉盤I上安裝有第一磁鐵安裝塊6，所述第二轉盤3上安裝有第四磁鐵安裝塊9，中間轉盤2的兩個側面安裝有第二磁鐵安裝塊7和第三磁鐵安裝塊8，兩個磁鐵安裝塊7，8分別在中間轉盤2的兩個側面且呈180°對稱分布，其中一側的第二磁鐵安裝塊7與第一轉盤I的第一磁鐵安裝塊6配合，另一側的第三磁鐵安裝塊8與第二轉盤3的第四磁鐵安裝塊9配合。假設固定中間轉盤2，兩個配合面能自由扭轉的方向相反，兩個配合定義貼合面為內側面，非貼合面為外側面。兩個扭簧分別安裝于中間轉盤2與第一轉盤I和第二轉盤3之間，分別對兩個磁鐵安裝塊從外側面進行夾緊。
[0025]在本實施例中，所述電磁鐵安裝塊的磁力大小可根據外界碰撞力的等級大小進行調節(jié)，提高安全性。
[0026]中間轉盤2和第二轉盤3內設有滾動軸承13。轉盤連接軸10依次貫穿連接第一轉盤
1、扭簧4、中間轉盤2的滾動軸承、連接軸套軸12、扭簧5、第二轉盤3的滾動軸承12。連接軸套12設于扭簧5內抵接于中間轉盤2和第二轉盤3的兩個滾動軸承12之間。
[0027]—種機械臂，如圖2所示，包括底座16和多個節(jié)臂組件17，18，機械臂中至少一個節(jié)臂組件17、18中安裝有至少一個所述通用模塊15，每一關節(jié)臂組件之間連接且和底座16連接構成機械臂。機械臂不局限于其有幾節(jié)臂，圖2示例為兩節(jié)。每個節(jié)臂組件17，18包括所述第二轉盤3配合相連的第一接合盤21，與第一接合盤21固定相連的第一連桿20，以及與第一連桿20鉸接相連的L座19;所述第一轉盤I通過第二連桿22與第二接合盤23固定相連，該第二接合盤23用于與相連節(jié)臂組件的L座19固定相連，所述最下一級的節(jié)臂組件的L座19裝在所述底座16上。
[0028]工作原理為:
1、正常工作狀態(tài)時，兩個扭簧在不同方向夾緊兩個磁鐵安裝塊，同時，電磁鐵吸合，傳遞剛性連接；
2、每兩個轉盤之間安裝的電磁鐵有兩個，當外界碰撞力大于電磁鐵吸力與扭力之和時，且以第一轉盤I為上端作為參照，碰撞力為順時針，第一轉盤I與中間轉盤2被分開，中間轉盤2和第二轉盤3被夾緊，反之，碰撞力為逆時針時，第一轉盤I和中間轉盤2為夾緊狀態(tài)，中間轉盤2和第二轉盤3被分開。轉盤被分開不傳遞碰撞力，避免對人體造成傷害。當碰撞力被解除時，在扭簧的作用下，合攏，此時，電磁鐵吸合。
[0029]剛度可調通用模塊串接于機器人傳動鏈中。
[0030]上述實施例闡明的內容應當理解為這些實施例僅用于更清楚地說明本發(fā)明，而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領域技術人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落入本申請所附權利要求所限定的范圍。
【主權項】
1.一種剛度可調的通用模塊，其特征在于，包括第一轉盤(I)、中間轉盤(2)和第二轉盤(3);所述第一轉盤(I)與中間轉盤(2)之間設有第一吸合組件和第一復位元件，所述中間轉盤(2)與第二轉盤(3)之間設有第二吸合組件和第二復位元件;所述第一復位元件和第二復位元件的復位方向相反而使第一轉盤(I)、中間轉盤(2)和第二轉盤(3)之間形成剛柔配合的動力傳遞機構。2.根據權利要求1所述的剛度可調的通用模塊，其特征在于，所述第一轉盤(I)朝向中間轉盤(2)的端面上設有第一磁鐵安裝塊(6)，所述第二轉盤(3)朝向中間轉盤(2)的端面上設有第四磁鐵安裝塊(9)，所述中間轉盤(2)的兩個端面上設有分別與所述第一磁鐵安裝塊(6)配合吸合的第二磁鐵安裝塊(7)和與所述第四磁鐵安裝塊(9)配合吸合的第三磁鐵安裝塊(8);所述第一磁鐵安裝塊(6)和第二磁鐵安裝塊(7)形成第一吸合組件，所述第三磁鐵安裝塊(8)和第四磁鐵安裝塊(9)形成第二吸合組件;優(yōu)選所述第一磁鐵安裝塊(6)、第二磁鐵安裝塊(7)、第三磁鐵安裝塊(8)和第四磁鐵安裝塊(9)內安裝有電磁鐵(14)而形成相應的電磁鐵安裝塊;更優(yōu)選所述電磁鐵安裝塊的磁力大小可調。3.根據權利要求2所述的剛度可調的通用模塊，其特征在于，所述第一轉盤(1)、第一復位元件、中間轉盤(2)、第二復位元件和第二轉盤(3)通過連接軸(10)相連;所述第一復位元件用于將因外力分離的第一磁鐵安裝塊(6)與第二磁鐵安裝塊(7)復位吸合在一起，所述第二復位元件用于將因外力分離的第三磁鐵安裝塊(8)與第四磁鐵安裝塊(9)復位吸合在一起。4.根據權利要求2所述的剛度可調的通用模塊，其特征在于，所述第二磁鐵安裝塊(7)和第三磁鐵安裝塊(8)呈180°對稱分布在中間轉盤(2)的兩側上。5.根據權利要求1-4之一所述的剛度可調的通用模塊，其特征在于，所述第一復位元件和第二復位元件均為扭簧(4，5)，且兩個扭簧(4，5)設置的允許扭轉方向相反。6.根據權利要求5所述的剛度可調的通用模塊，其特征在于，所述扭簧(5)通過連接軸套(12)裝在所述連接軸(10)上，所述第一轉盤(1)、中間轉盤(2)和第二轉盤(3)均通過相應的滾動軸承裝在所述連接軸(10)上。7.一種機械臂，包括底座(16)，依次串聯在所述底座(16)上的多個節(jié)臂組件(17，18)，其特征在于，多個節(jié)臂組件(17，18)中的至少一個節(jié)臂組件內裝有至少一個如權利要求1-6之一所述的剛度可調的通用模塊(15)。8.根據權利要求7所述的機械臂，其特征在于，裝有所述的剛度可調的通用模塊(15)的節(jié)臂組件(17，18)包括所述第二轉盤(3)配合相連的第一接合盤(21)，與第一接合盤(21)固定相連的第一連桿(20)，以及與第一連桿(20)鉸接相連的L座(19);所述第一轉盤(I)通過第二連桿(22)與第二接合盤(23)固定相連，該第二接合盤(23)用于與相連節(jié)臂組件的L座(19)固定相連;所述最下一級的節(jié)臂組件的L座(19)裝在所述底座(16)上。9.一種如權利要求1-6之一所述的剛度可調的通用模塊調節(jié)剛度的方法，其特征在于，包括如下步驟: 當機械臂處于正常工作狀態(tài)時，所述第一轉盤(I)與中間轉盤(2)通過第一吸合組件吸合、同時中間轉盤(2)第二轉盤(3)之間通過第二吸合組件吸合而形成剛性連接； 當外界碰撞力大于相應的第一吸合組件之間的吸力與扭力之和時，第一轉盤(I)與中間轉盤(2)被分開，中間轉盤(2)和第二轉盤(3)被第二復位元件夾緊，或中間轉盤(2)和第二轉盤(3)被分開，第一轉盤(I)與中間轉盤(2)被第一復位元件夾緊，第一轉盤(1)、中間轉盤(2)和第二轉盤(3)之間不傳遞碰撞力，當外界碰撞力被解除時，相應的第一吸合組件或第二吸合組件在復位元件的作用下吸合復位。10.根據權利要求9所述的通用模塊調節(jié)剛度的方法，其特征在于，當機械臂處于正常工作狀態(tài)時，所述第一轉盤(I)、中間轉盤(2)和第二轉盤(3)之間通過第一磁鐵安裝塊(6)、第二磁鐵安裝塊(7)、第三磁鐵安裝塊(8)和第四磁鐵安裝塊(9)配合吸合而形成剛性連接； 當外界碰撞力大于相應的磁鐵安裝塊之間的吸力和扭力之和時，第一轉盤(I)與中間轉盤(2)被分開，中間轉盤(2)和第二轉盤(3)被復位元件夾緊，或中間轉盤(2)和第二轉盤(3)被分開，第一轉盤(I)與中間轉盤(2)被復位元件夾緊，第一轉盤(1)、中間轉盤(2)和第二轉盤(3)之間不傳遞碰撞力，當外界碰撞力被解除時，相應的磁鐵安裝塊在復位元件的作用下吸合復位。
【文檔編號】B25J18/00GK106078793SQ201610654675
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月11日 公開號201610654675.7, CN 106078793 A, CN 106078793A, CN 201610654675, CN-A-106078793, CN106078793 A, CN106078793A, CN201610654675, CN201610654675.7
【發(fā)明人】胡斌, 陳桂生, 龔建球, 李樂超, 譚榮兵, 孫策
【申請人】湖南瑞森可機器人科技有限公司