[发明专利]基于串联弹性驱动器的直动关节柔性机械臂

说明书

一种基于串联弹性驱动器的直动关节柔性机械臂，包括关节臂和两个串联弹性驱动器；关节臂包括依次铰接的肩臂、上臂和下臂，肩臂内安装有第一串联弹性驱动器，第一串联弹性驱动器的输出端通过第一曲柄滑块机构与上臂相连，上臂内安装有第二串联弹性驱动器，第二串联弹性驱动器的输出端通过第二曲柄滑块机构与下臂铰接。本发明结构紧凑，柔顺性好，刚度变化率大，能够保证运动的柔顺性和人机交互的安全性，在关节处引入曲柄滑块结构，通过该结构实现丝杠的移动和关节的转动的转化。

技术领域

本发明涉及一种直动关节柔性机械臂，属于机器人机械臂技术领域。

背景技术

随着科技的发展以及当前世界各国人口老龄化的日益严重和人力成本的增加，迫切需要机器人在更多的领域代替人类完成工作。之前应用最为广泛的工业机器人已经不能满足人类社会日益增加的需求，因此，开发新一代更友好的机器人成为当前机器人领域的关键需求。

为了满足新的社会需求，新一代机器人首先面对的就是越来越多的人机交互。机器人不再局限于工厂封闭的环境中，而是要与人协作乃至逐渐融入人类社会中，辅助乃至替代人类完成日常活动。而针对人机交互过程中的不确定性和安全性，理想的机械臂应该具有类似人类手臂的柔顺特性，可以根据外部环境的变化主动改变机械臂的运动速度与运动阻尼。这就要求机器人本体，特别是关节部位从刚性驱动向柔性驱动转变。机器人的控制技术也应该由传统的位置控制向能够更好地体现柔顺特性的力控制方向发展。

在当前的柔顺机械臂领域，有些是通过使用柔顺控制算法主动改变关节柔性，这对于控制器和传感器都提出了较高的要求。还有一种方案是通过引入弹性元件被动的改变关节柔性，此种方法控制系统简单，因此成为目前柔性驱动的研究热点。

中国专利文献CN108608458A公开了《一种串联驱动柔顺机械臂关节》，其包括关节电机、谐波减速器、四连杆机构、关节外壳、输出外壳,片弹簧底座上方固定连接有片弹簧,片弹簧的上方设有四连杆机构,通过刚度电机驱动主动锥齿轮,通过齿轮啮合带动从动锥齿轮,从而带动凸轮旋转,由于凸轮与四连杆机构的连接点接触,使得四连杆鞍形支架在片弹簧上的支撑点位置发生了改变,从而改变了关节刚度,实现关节刚度的可控调节。但此种方法结构复杂，体积大，难以实际应用于机械臂上。

CN104924320A公开了《一种基于串联弹性驱动器的三自由度柔顺机械臂》，其包括关节内的舵机和驱动转换模块和关节之间的连接臂，是仿照人体自由度布置,采用的驱动转换模块可以由刚性驱动转换成弹性驱动,保证运动的柔顺性和人机交互的安全性,装配简单,易于布置。但是，该装置的弹簧受限于体积大小，形变范围有限，刚度变化范围小。

发明内容

本发明的目的是面向当前社会对协作型机器人的需求，针对传统驱动方式的不足，提供一种基于串联弹性驱动的新型机械臂。此种机械臂具有结构紧凑、输出扭矩大、控制方法简单、运动空间大等优点。

本发明的基于串联弹性驱动器的直动关节柔性机械臂，采用如下技术方案：

该机械臂，包括关节臂和两个串联弹性驱动器；关节臂包括依次铰接的肩臂、上臂和下臂，肩臂内安装有第一串联弹性驱动器，第一串联弹性驱动器的输出端通过第一曲柄滑块机构与上臂连接，上臂内安装有第二串联弹性驱动器，第二串联弹性驱动器的输出端通过第二曲柄滑块机构与下臂连接。

所述肩臂包括左肩连杆和右肩连杆，左肩连杆和右肩连杆的一端连接在一起。

所述上臂包括左上臂和右上臂，左上臂和右上臂之间通过固定件连接。

所述下臂为叉形(一端为U型)，叉形两侧分别与上臂中的左上臂和右上臂铰接。

所述第一曲柄滑块机构通过固定件与上臂相连，所述固定件连接在上臂上，并与第一曲柄滑块机构的输出端铰接。