CN101543997B - 柔性机械手的关节驱动装置及柔性机械手 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性机械手的关节驱动装置，该关节驱动装置包括圆柱形弹性壳和液压驱动器，该圆柱形弹性壳的一端设有通孔，与液压驱动器的出口连通；所述圆柱形弹性壳的通孔端与关节的固定端固定连接，另一端和关节的活动端活动连接。本发明利用新型柔性液压驱动元件构成能驱动机械手关节的驱动环和驱动链，使该机械具有更好的柔性和精确度；同时机械手手腕具有实时自锁能力，保证运动位置的准确性和稳定性。除此之外，手腕空间驱动环方案也是从空间的角度解决了手腕关节的柔性驱动。
Description
技术领域
本发明涉及一种柔性机械手的关节驱动装置，以及利用该关节驱动装置的柔性机械手。
背景技术
机械手是一种能模拟人体上肢部分功能，实现手部按预定要求完成现场作业的自动化技术装备。从结构来看，机械手分为机座、大小手臂、手腕和手部夹持器等部分，它们构成了机械手的本体结构。其手臂主要用来实现手部夹持器的空间定位，而手腕主要用来完成手部夹持器的空间定向。为了适应工业现场各种复杂的作业，一般要求机械手的手腕机构具有三个自由度，方能满足机械手手部在一定的空间区域内任意方向上把持所用工具的使用要求。实际手腕的结构是多种多样的，柔性手腕只是其中的一类。一般来说，它是由多个运动传递元件串联而成，各元件之间可以相对转动，且能模仿人的手腕动作使机器人手部在一定空间区域内实现任意姿态和位置的空间定向机构。柔性手腕的作用是调整和改变机械手手部末端夹持器的空间姿态以配合手臂的运动来完成各种复杂的作业。与其它类型的手腕相比，它具有运动范围大、结构紧凑、自身重量轻和对作业环境适应能力强等优点。由于柔性手腕具有明显的优越性，因此被多种机械手所采用。目前市场上的柔性机械手，以挪威Trallfa NilsUnder-hang公司研制的柔性手腕的知名度最高，它被广泛装备在Trallfa系列喷漆机器人上。
现有柔性机械手基本模型的机构，如图1所示；该驱动装置机构采用两个连杆，中间使用一个球副相连。连杆A上端固定，连杆B可以在三维空间内工作，而如果采用原来的单一自由度的转动副或滑动副，连杆B则只能在平面内工作。此外，采用的动力装置也不是直接安装在关节处的电机驱动，而是采用多个气动人工肌肉驱动器作为动力装置。这些驱动器两端被分别固定在连杆A和连杆B上，驱动器的数目为偶数个，且安装位置相对成180度。驱动装置的运动是由驱动器来驱动连杆，连杆带动关节运动。之所以采用这种方式是借鉴人体上肢的运动时肌肉的工作情况，当一个驱动器收缩以带动连杆B收缩时，另外与之相对的驱动器就会伸张，而当连杆B要恢复的原先位置时，则原来伸张的驱动器就可以收缩，以产生拉力将连杆B恢复到原来位置，而原来收缩的驱动器此时则会伸张。
上述的柔性机械手存在如下技术缺点：由于关节间力传递结构复杂，每一关节需要电机驱动，使得机械手臂重量较大，从而位置控制难以达到要求。
(1)一般人工肌肉的负载压值不是很大；
(2)关节弯转角度不够大，从而影响到机器人的工作性能；
(3)机械手不具备后期发展冗余自由度的功能，并且加工困难；
(4)阐述的驱动理论都是从平面考虑的，并且都没分析相应方向的转向轴(很重要)；
(5)传统机械手关节不具备很好的柔性；
(6)气动人工肌肉行程小(气动人工肌肉空载时可达20％，有载时只可达到10％；而有的传统气缸可达到40％)；气动人工肌肉的变形为非线性环节，具有时变性，使准确控制其位移十分困难；在工作过程中，气动人工肌肉自身温度会发生变化，随着温度的变化，其性能也会改变，这给高精度控制带来困难。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种柔性机械手的关节驱动装置，结构简单，驱动容易，重量较轻，位置控制简单。
第二目的是提供一种使用了该关节驱动装置的机械手。
为达到上述第一目的，本发明所提供的技术方案是：一种柔性机械手的关节驱动装置，该关节驱动装置包括圆柱形弹性壳和液压驱动器，该圆柱形弹性壳的一端设有通孔，与液压驱动器的出口连通；所述圆柱形弹性壳的通孔端与关节的固定端固定连接，另一端和关节的活动端活动连接。
该关节驱动装置还包括有端盖和连接圈，所述圆柱形弹性壳的通孔端与连接圈固定连接，另一端与端盖固定连接。
为达到上述第二目的，本发明所提供的技术方案是：一种柔性机械手，包括臂体、掌体、第一关节驱动装置、第二关节驱动装置和夹持器，所述第一关节驱动装置一端与臂体固定连接，另一端与掌体活动连接；所述第二关节驱动装置的一端与掌体固定连接，另一端与夹持器活动连接；所述臂体和掌体之间是通过圆球副来连接。
所述臂体上设有凹槽，所述第一关节驱动装置设在凹槽中；所述掌体上设有滑轨和可在滑轨中滑动的滑块；所述第一关节驱动装置的另一端与滑块固定连接。
所述第一关节驱动装置设有至少四个，所述臂体上的凹槽、掌体上的滑轨和滑块相应地设有至少四个；所述凹槽均匀地设在臂体的外周面上，所述滑轨均匀地设在掌体的外周面上。
本发明具有的优点：利用圆柱形弹性壳内充油，发生形变带动活动端运动，通过调整输入液压值以达到精确控制弯曲的目的，从而具有三维运动模型。从基本的旋转轴出发，确定了空间驱动环方案；具有实际产品，并进行了相应的试验。
附图说明：
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的内容不限于所举的实施例。
图1为现有产品的结构示意图；
图2为本实用新型的关节驱动装置的结构示意图；
图3为机械手的结构示意图。
具体实施方式：
如图2所示的一种柔性机械手的关节驱动装置，该关节驱动装置包括圆柱形弹性壳2和液压驱动器，该圆柱形弹性壳2的一端设有通孔31，与液压驱动器的出口连通；所述圆柱形弹性壳2的通孔端与关节的固定端固定连接，另一端和关节的活动端活动连接。
该关节驱动装置还包括有端盖1和连接圈3，所述圆柱形弹性壳2的通孔端与连接圈3固定连接，另一端与端盖1固定连接。
如图3所示的一种柔性机械手，包括臂体4、掌体7、第一关节驱动装置5、第二关节驱动装置和夹持器8，所述第一关节驱动装置5一端与臂体4固定连接，另一端与掌体7活动连接；所述第二关节驱动装置的一端与掌体7固定连接，另一端与夹持器8活动连接；所述臂体4和掌体7之间是通过圆球副6来连接。
所述臂体4上设有凹槽41，所述第一关节驱动装置5设在凹槽41中；所述掌体7上设有滑轨72和可在滑轨72中滑动的滑块71；所述第一关节驱动装置5的另一端与滑块71固定连接。
所述第一关节驱动装置5设有至少四个，所述臂体4上的凹槽41、掌体7上的滑轨72和滑块71相应地设有至少四个；所述凹槽41均匀地设在臂体4的外周面上，所述滑轨72均匀地设在掌体的外周面上。
夹持器8是由用指节销83将第二手指节82和第三手指节84连接起来的，可以实现弯曲和伸张，而第一手指节81固定在掌体7上，并且用销与第二手指节82连接起来。掌体7通过螺钉固定在圆球副6的上端，圆球副6下端设为球体状，手腕可利用圆球副6沿任一方向转动。在掌体7上有许多滑轨72，滑块71在滑轨72上可以上下滑动。
关节驱动装置中的圆柱形弹性壳2是内部包有弹簧的橡胶管，只能轴向变形，它上端与滑块71相连，下端固定在臂体4上，环绕在圆球副6的周围。当向圆柱形弹性壳2内部充油时，橡胶管内部压力变大，促使橡胶管弯曲变形一定角度，弯曲的角度随着充入液体压力的增大而增大，通过涡流式传感器检测出弯曲角度后通过A/D转化输入工控机，通过调整输入液压值以达到精确控制弯曲的目的，圆柱形弹性壳2弯曲从而带动掌体7上滑块71沿滑轨72上下滑动，通过控制弯曲角度来调节整个机械手的运动。
手腕是连接手指和手臂的机构，它使手指能从不同的角度夹紧和松开工作，以增加机械手的灵活性。传统手腕的运动特点是回转、上下弯曲(摆动)和左右摆动三个动作，即具有三个自由度。而本小节所介绍的腕关节是全方位，其自由度与关节液压驱动元件的数量和布置有关，并且关节本身还具有自锁能力，以保证固定位置的稳定性。
该腕关节驱动装置连接在臂体4和掌体7之间，臂体4和掌体7通过圆球副6连接在一起，进而使腕关节具有全方位性。关节液压驱动器位于臂体4和掌体7之间，以臂体4为固定端来驱动掌体7，并通过掌体7滑轨72里的滑块71来缓冲元件的余量长度。掌体7的锥度可避免与关节液压驱动器的碰撞，使掌体7的活动范围更大。
软管槽41是用来安装控制阀与驱动元件之间的圆柱形弹性壳2，起到保护和固定圆柱形弹性壳2的作用。
腕关节工作时，安装在相应方向的液压关节驱动器驱动掌体7运动，运动过程中元件自由端滑块71缓冲了元件的余量长度，避免元件非正常受阻。
对于手指关节也是利用关节液压驱动器弯曲原理进行驱动的，不同之处就是在于腕关节是用球副6，手指关节是用指节销83来铰接。
其中的液压驱动器可承受较高的压力；利用弯曲的新型液压驱动器可扩大关节的弯曲角度(可达90度)；通过布置驱动元件的位置和数量来确定相应的自由度(可升级)；从最基本的转向轴方面阐述空间驱动环方案；由于腕关节是圆球副6，所以使该机械手具有很好的柔性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制；任何熟悉本专业的技术人员，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (3)
1.一种柔性机械手，其特征在于：包括臂体、掌体、夹持器、第一关节驱动装置和第二关节驱动装置；所述第一关节驱动装置一端与臂体固定连接，另一端与掌体活动连接；所述第二关节驱动装置的一端与掌体固定连接，另一端与夹持器活动连接；所述臂体和掌体之间是通过圆球副来连接；
所述第一关节驱动装置或第二关节驱动装置包括圆柱形弹性壳、连接圈、端盖和液压驱动器，所述圆柱形弹性壳的一端与连接圈固定连接，另一端与端盖固定连接；所述连接圈上设有与液压驱动器的出口连通的通孔；所述圆柱形弹性壳与连接圈固定连接的一端与关节的固定端固定连接，与端盖固定连接的另一端和关节的活动端活动连接。
2.根据权利要求1所述的柔性机械手，其特征在于：所述臂体上设有凹槽，所述第一关节驱动装置设在凹槽中；所述掌体上设有滑轨和可在滑轨中滑动的滑块；所述第一关节驱动装置的另一端与滑块固定连接。
3.根据权利要求1所述的柔性机械手，其特征在于：所述第一关节驱动装置设有至少四个，所述臂体上的凹槽、掌体上的滑轨和滑块相应地设有至少四个；所述凹槽均匀地设在臂体的外周面上，所述滑轨均匀地设在掌体的外周面上。
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