技术领域
[0001] 本
发明涉及一种关节装置，特别涉及一种可控阻尼和刚度的柔性机械臂关节装置。
背景技术
[0002] 随着
机器人技术的不断发展，机器人的种类越来越多，应用范围越来越广泛，如服务机器人、空间机器人、
工业机器人等在服务业、空间探索和工业作业等领域广泛运用，这就使得机器人工作时与人
接触的机会就会越来越多。这个时候就迫切需要一种安全的机器人系统来保证操作员的安全以及减少对周围环境的损害，能够广泛应用在机器人与人协同工作的情况下，确保工人或者周围设备的安全。
[0003] 在传统的工业制造环境中，外部环境是已知的，机器人依靠精确的
位置控制，按照预先规划好的优化路线进行动作，便完成单调而重复的工作。对于这种工业机器人来说，着重于对其
末端执行器位置或其每个
自由度轨迹的控制，也就是着重于精密点位运动的控制，因此采用的
驱动器为刚性驱动器，缺少对人类或环境的安全保护。对环境友好的机器人系统其实质上就是在机器人与人或者周围环境发生碰撞时能够缓冲碰撞，检测碰撞，停止损害。所以如何实现碰撞的缓冲自然成为了研究机器人安全性的主要问题。可变阻尼和刚度柔性机械臂也成为了现在各个国家主要研究方向之一，这种机械臂的实现主要依靠可控阻尼和刚度的关节装置。
发明内容
[0004] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可控阻尼和刚度的柔性机械臂关节装置，其阻尼和刚度调节范围大，结构紧凑，满足柔性机械臂的需求，提高机器人在动作时的安全性能，减少对工人或者周围环境的损害。
[0005] 本发明的可控阻尼和刚度的柔性机械臂关节装置，包括传动连接的转动输入组件、中间组件及转动输出组件；
[0006] 所述转动输入组件包括
输入轴及与输入轴连接并可同步转动的输入筒；
[0007] 所述转动输出组件包括
输出轴及与输出轴连接并可同步转动的输出筒，所述输出筒设在输入筒中；
[0008] 所述中间组件包括中间轴、与中间轴连接并可同步转动的第一径向盘及第二径向盘，所述中间轴、第一径向盘及第二径向盘均设在输出筒中；所述第一径向盘靠近输入轴，所述输入筒通过第一弹性元件带动第一径向盘旋转；所述第二径向盘靠近输出轴，所述第二径向盘通过第二弹性元件带动输出筒旋转；
[0009] 所述第一径向盘与第二径向盘之间设有用于容置
磁流变液Ⅰ的腔体Ⅰ，所述腔体Ⅰ中设有用于产生外加
磁场的励磁线圈Ⅰ，所述中间轴位于腔体Ⅰ的部分浸没于磁流变液Ⅰ中。
[0010] 进一步，所述第一径向盘、第二径向盘、中间轴及输出筒之间形成所述腔体Ⅰ；所述中间轴上沿径向设有用于将腔体Ⅰ分隔的隔板，所述隔板上设有
阀孔及与阀孔配合的阀孔轴，所述励磁线圈Ⅰ与磁流变液Ⅰ之间通过
支撑环隔离，所述支撑环由阀孔轴压合固定在阀孔中的；所述阀孔轴通过
紧固件固定在隔板上，所述阀孔中设有用于供磁流变液Ⅰ流过的效应通道，所述阀孔轴上设有与效应通道连通的流通孔。
[0011] 进一步，所述中间轴上设有两
块沿其径向延伸的延长板，两延长板对称设置且与两对称设置的隔板一同将腔体Ⅰ分隔成四个容腔；所述中间轴带动延长板朝隔板方向运动的过程中，延长板驱动磁流变液Ⅰ通过阀孔从容积减小的容腔往容积增大的容腔流动。
[0012] 进一步，所述隔板远离中
心轴的一端沿径向延伸形成凸起，所述输出筒的内侧设有用于与凸起配合固定装配的凹槽。
[0013] 进一步，所述中间轴、第一径向盘、第二径向盘及支撑环均采用非导磁材料制成。
[0014] 进一步，所述输出筒与输入筒之间设有用于容置磁流变液Ⅱ的腔体Ⅱ，所述腔体Ⅱ中设有用于产生外加磁场的励磁线圈Ⅱ。
[0015] 进一步，所述输入轴的后端沿径向延伸形成用于与输入筒的前端开口配合固定的第一端盖；所述输出轴的前端沿径向延伸形成用于与输出筒的后端开口配合固定的第二端盖；所述第一弹性元件与第二弹性元件均为弧形
弹簧结构；所述第一径向盘与第一端盖之间设有用于容置第一弹性元件的第一容置槽；所述第二径向盘与第二端盖之间设有用于容置第二弹性元件的第二容置槽。
[0016] 进一步，所述输出筒的外表面沿周向设置有用于安装环形励磁
铁芯的芯槽，所述励
磁铁芯的外表面沿周向设置有用于缠绕励磁线圈Ⅱ的环槽；所述输出筒、第二端盖与输入筒之间形成所述腔体Ⅱ。
[0017] 进一步，所述输入筒的后端开口连接有第三端盖，所述第三端盖呈环状并与第二端盖同轴设置；所述输入轴、中间轴及输出轴同轴设置。
[0018] 进一步，所述输入筒与输出筒之间、所述第一径向盘与输出筒之间、所述第二径向盘与第三端盖之间均设有用于支撑
定位的径向
轴承。
[0019] 本发明的有益效果：本发明的可控阻尼和刚度的柔性机械臂关节装置，输入轴为动
力输入端，输出轴为动力输出端，输入轴通过第一弹性元件将动力传动至中间轴，中间轴通过第二弹性元件将动力传动至输出轴；由于第二弹性元件与位于第一径向盘与第二径向盘之间的磁流变机构并联于输出轴与中间轴之间，并且
串联第一弹性元件，通过调节励磁线圈Ⅰ产生的磁场强度，从而改变磁流变液Ⅰ的流变特性，以调节输出轴与中间轴之间的等效刚度，从而达到调节输入轴与输出轴之间整体刚度的目的，其刚度调节范围大；此外，由于输出筒设在输入筒中，中间组件设在输出筒中并通过第一径向盘及第二径向盘实现动力传递，使得本装置结构紧凑；本发明能够满足柔性机械臂的需求，提高了机器人在动作时的安全性能，减少了对工人或者周围环境的损害。
附图说明
[0020] 下面结合附图和
实施例对本发明作进一步描述：
[0021] 图1为本发明的结构示意图；
[0022] 图2为图1中A-A剖视图；
[0023] 图3为本发明的中间轴与第二径向盘的连接示意图；
[0024] 图4为本发明的第一径向盘的连接示意图；
[0025] 图5为本发明的输出轴与第二端盖的连接示意图；
[0026] 图6为本发明工作原理力学简化模型图；
[0027] 图7为本发明实际工作等效力学简化模型图。
具体实施方式
[0028] 如图1至图7所示：本实施例的可控阻尼和刚度的柔性机械臂关节装置，包括依次传动连接的转动输入组件、中间组件及转动输出组件；传动连接即通过传递动力的方式进行连接。
[0029] 所述转动输入组件包括输入轴1及与输入轴1连接并可同步转动的输入筒2，输入轴1；输入轴1为动力输入端，具体为转动动力的输入端；输入筒2呈圆筒状，输入筒2的轴线与输入轴1的轴线重合；所述输入轴1的后端(以图1中的靠近左侧的方向为前、靠近后侧的方向为后)沿径向延伸形成用于与输入筒2的前端开口配合固定的第一端盖3；第一端盖3呈圆盘状，第一端盖3上沿周向设置了若干螺孔，输入筒2的前端面也设置了相应的螺孔，螺钉依次穿入以将第一端盖3固定在输入筒2上，输入轴1转动时带动第一端盖3及输入筒2一同转动。
[0030] 所述转动输出组件包括输出轴4及与输出轴4连接并可同步转动的输出筒5，所述输出筒5设在输入筒2中；输出轴4为动力输出端，具体为转动动力的输出端；输出筒5呈圆筒状，输出筒5的轴线与输出轴4的轴线重合；输出筒5的直径小于输入筒2的直径；所述输出轴4的前端沿径向延伸形成用于与输出筒5的后端开口配合固定的第二端盖6；第二端盖6呈圆盘状，第二端盖6上沿周向设置了若干螺孔，输出筒5的后端面也设置了相应的螺孔，螺钉依次穿入以将第二端盖6固定在输出筒5上，输出轴4转动时第二端盖6及输出筒5也一同转动。
[0031] 所述中间组件包括中间轴7、与中间轴7连接并可同步转动的第一径向盘8及第二径向盘9，所述中间轴7、第一径向盘8及第二径向盘9均设在输出筒5中；所述第一径向盘8靠近输入轴1，所述输入筒2通过第一弹性元件10带动第一径向盘8旋转；所述第二径向盘9靠近输出轴4，所述第二径向盘9通过第二弹性元件11带动输出筒5旋转；第一径向盘8、第二径向盘9均呈圆盘状，且均沿中间轴7的径向设置；第一径向盘8、第二径向盘9可通过与中间轴7一体成型的方式设置，也可分体设置并通过相关的固定件固定连接；输入轴1通过第一弹性元件10将动力传动至中间轴7，中间轴7通过第二弹性元件11将动力传动至输出轴4；第一弹性元件10、第二弹性元件11为可实现动力传递并具有蓄能功能的弹性件，优选地，所述第一弹性元件10与第二弹性元件11均为弧形弹簧结构，此时，所述第一径向盘8与第一端盖3之间设有用于容置第一弹性元件10的第一容置槽12，所述第二径向盘9与第二端盖6之间设有用于容置第二弹性元件11的第二容置槽13；例如，在第一径向盘8靠近第一端盖3的端面上设置两条对称并下凹的第一容置槽12，第一端盖3靠近第一径向盘8的端面上则设置两个可置入第一容置槽12的
凸块，第一端盖3转动时通过凸块
挤压第一弹性元件10，从而将动力进行传递；第二径向盘9与第二端盖6也可以通过同样的结构实现动力传递，在此不再赘述。
[0032] 所述第一径向盘8与第二径向盘9之间设有用于容置磁流变液Ⅰ14的腔体Ⅰ，所述腔体Ⅰ中设有用于产生外加磁场的励磁线圈Ⅰ15，所述中间轴7位于腔体Ⅰ的部分浸没于磁流变液Ⅰ14中；磁流变液Ⅰ14、励磁线圈Ⅰ15均为磁流变机构的一部分；该处的磁流变机构为旋转式阻尼器结构(可以采用鼓式或者盘式结构)；腔体Ⅰ为密封结构，通过
现有技术即可实现，在此不再赘述；由于第二弹性元件11与位于第一径向盘8与第二径向盘9之间的磁流变阻尼机构并联于输出轴4与中间轴7之间，并且串联第一弹性元件10，通过调节励磁线圈Ⅰ15产生的磁场强度，从而改变磁流变液Ⅰ14的流变特性，控制中间轴7与输出轴4之间的阻尼力，以调节输出轴4与中间轴7之间的等效刚度，从而达到调节输入轴1与输出轴4之间整体等效刚度的目的，其刚度调节范围大；此外，由于输出筒5设在输入筒2中，中间组件设在输出筒5中并通过第一径向盘8及第二径向盘9实现动力传递，使得本装置结构紧凑；所述输入筒2的后端开口连接有第三端盖16，所述第三端盖16呈环状并与第二端盖6同轴设置；所述输入轴1、中间轴7及输出轴4同轴设置；第三端盖16沿周向设置了若干螺孔，输入筒2的后端面也设置了相应的螺孔，螺钉依次穿入以将第三端盖16固定在输入筒2上，输入轴1转动时第三端盖16也一同转动；同时，为了保证转动的顺畅，所述输入筒2与输出筒5之间、所述第一径向盘8与输出筒5之间、所述第二径向盘9与第三端盖16之间均设有用于支撑定位的
径向轴承17。
[0033] 本实施例中，所述第一径向盘8、第二径向盘9、中间轴7及输出筒5之间形成所述腔体Ⅰ；所述中间轴7上沿径向设有用于将腔体Ⅰ分隔的隔板18，所述隔板18上设有阀孔19及与阀孔19配合的阀孔轴20，所述励磁线圈Ⅰ15与磁流变液Ⅰ14之间通过支撑环21隔离，所述支撑环21由阀孔轴20压合固定在阀孔19中的；所述阀孔轴20通过紧固件固定在隔板18上，所述阀孔19中设有用于供磁流变液Ⅰ14流过的效应通道，所述阀孔轴20上设有与效应通道连通的流通孔；当输出轴4与中间轴7出现相对转动时，励磁线圈Ⅰ15将通过阀孔19在被隔板18分隔的腔体Ⅰ两侧流动，通过调节励磁线圈Ⅰ15的
电流，可以控制磁流变液Ⅰ14的阻尼力，从而达到可控阻尼和刚度的效果；隔板18以可拆卸方式连接于中间轴7，例如，所述隔板18远离中心轴的一端沿径向延伸形成凸起，所述输出筒5的内侧设有用于与凸起配合固定装配的凹槽；阀孔轴20可通过螺钉结构的紧固件固定在隔板18上；所述中间轴7上设有两块沿其径向延伸的延长板22，两延长板22对称设置且与两对称设置的隔板18一同将腔体Ⅰ分隔成四个容腔；所述中间轴7带动延长板22朝隔板18方向运动的过程中，延长板22驱动磁流变液Ⅰ14通过阀孔19从容积减小的容腔往容积增大的容腔流动；延长板22优选呈扇形，且从中间轴7至输出筒5方向其截面积逐渐增大；为实现磁流变效果，所述中间轴7、第一径向盘8、第二径向盘9及支撑环21均采用非导磁材料制成。
[0034] 本实施例中，所述输出筒5与输入筒2之间设有用于容置磁流变液Ⅱ23的腔体Ⅱ，所述腔体Ⅱ中设有用于产生外加磁场的励磁线圈Ⅱ24；磁流变液Ⅱ23、励磁线圈Ⅱ24均为磁流变机构的一部分；腔体Ⅱ为密封结构，通过现有技术即可实现，在此不再赘述；当输入轴1和输出轴4之间发生相对振动时，该处的磁流变机构可实现的作用，即通过励磁线圈Ⅱ24控制磁流变液Ⅱ23的阻尼力，通过控制阻尼力来达到消除与控制振动；优选地，所述输出筒5的外表面沿周向设置有用于安装环形励磁铁芯25的芯槽，所述励磁铁芯25的外表面沿周向设置有用于缠绕励磁线圈Ⅱ24的环槽；所述输出筒5、第二端盖6与输入筒2之间形成所述腔体Ⅱ。
[0035] 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行
修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的
权利要求范围当中。
