CN109015740B

CN109015740B - 一种张拉浮动式柔性关节及其设计方法

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Publication number: CN109015740B
Application number: CN201810899370.1A
Authority: CN
Inventors: 姜洪洲; 陈炳兴
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2018-08-09
Filing date: 2018-08-09
Publication date: 2021-07-23
Anticipated expiration: 2038-08-09
Also published as: CN109015740A

Abstract

本发明涉及一种张拉浮动式柔性关节及其设计方法。柔性关节包括基础平台、从动平台和多组张力元件，所述的基础平台的上面结构与从动平台的下面结构通过多组水平的张力元件连接，基础平台的上面结构与从动平台的上面结构件通过多组轴向的张力元件连接，从而能够悬浮支撑起从动平台，多组轴向的张力元件提供了竖直向下的拉力，多组水平的张力元件提供了竖直向上的张力用以对抗，使得从动平台能够绕着基础平台进行无直接机械接触的浮动转动。其设计方法包括自由度解耦以及统一量纲化的刚度各向异性设计指标。这种关节不仅能够降低甚至消除机械接触产生的机械磨损与摩擦，还能够改善结构的受力状态，降低驱动力需求。

Description

一种张拉浮动式柔性关节及其设计方法

技术领域

本发明主要涉及到一种张拉浮动式柔性关节以及其设计方法。

背景技术

目前，传统机器人、机械臂上基本上采用的都是刚性关节。刚性关节之间会存在着机械摩擦，这种摩擦会降低机器人的驱动效率、稳定性等性能。虽然可以采用高精度的轴承降低摩擦，但摩擦依然存在。在多关节机器人上，摩擦会被累积，从而影响机器人的性能。另外，高精度的轴承往往代表着高昂的成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种张拉浮动式柔性关节及其设计方法，这种张拉浮动式柔性关节能够实现浮动转动，没有直接的刚性接触，可以代替传统的旋转铰链，如旋转副、虎克铰、球铰等。

本发明采用以下技术方案予以实现：一种张拉浮动式柔性关节，包括基础平台、从动平台和多组张力元件，所述的基础平台的上面结构与从动平台的下面结构通过多组水平的张力元件连接，基础平台的上面结构与从动平台的上面结构件通过多组轴向的张力元件连接，从而能够悬浮支撑起从动平台，多组轴向的张力元件提供了竖直向下的拉力，多组水平的张力元件提供了竖直向上的张力用以对抗，使得从动平台能够绕着基础平台进行无直接机械接触的浮动转动。

本发明还具有如下技术特征：

1、所述的基础平台和从动平台结构相同。

2、所述的基础平台和从动平台为盘足式结构，所述的盘足式结构包括镂空的圆盘、Y形足腿和底座，Y形足腿与镂空的圆盘下面固定连接，Y形足腿底部与底座固定连接，底座平面的尺寸小于镂空的圆盘的内径。

3、所述的张力元件包括弹簧、气动肌肉、形状记忆合金、钢丝绳或弹性线中的一种。

4、所述的多组张力元件的布置方式为标准Stewart平台的布置形式。

5、一种张拉浮动式柔性关节串联结构，包括多组如上所述的张拉浮动式柔性关节，每组所述的柔性关节的基础平台和相邻组柔性关节的从动平台依次互相串联组成张拉浮动式柔性关节串联结构。

6、一种张拉浮动式柔性关节的设计方法，如下：首先对张拉浮动式柔性关节的各个自由度进行解耦，计算得到张拉浮动式柔性关节的柔顺中心，提出了刚度各向异性的设计指标，并在柔顺中心处，进行刚度各向异性的设计，使得需要的自由度方向的刚度为低刚度，其余方向为高刚度；在相同驱动力下，低刚度方向的运动大于高刚度方向，使旋转刚度远远小于平移刚度，使得张拉浮动式柔性关节的旋转运动大于平移运动，从而等效为一种无摩擦的旋转关节。

7、如上所述的刚度各向异指标的计算方法如下：指定n方向为需要设计的自由度，最小化n方向的刚度，最大化其他方向的刚度，公式如下：

Maximizingξ_mn＝k_m/k_n

其中k_n统一量纲化n方向的刚度,k_m表示统一量纲化后剩余方向的最小的刚度，ξ_mn为刚度各向异性指标，如果ξ_mn>ξ_min，一个刚度各向异性设计指标的最小值，就被认为成功设计出n方向的自由度，ξ_min值根据工作条件给定。

本发明的优点及有益效果：

(1)通过自由度的解耦以及刚度各向异性的设计，能够设计张拉关节的自由度，可以使得张拉浮动式柔性关节成为柔性的旋转副、虎克铰，球铰。

(2)这种柔性的张拉旋转关节可以代替传统的刚性关节，可以适用于机械臂、机械蛇、机器鱼等机器人上。

(3)标准冗余并联机构存在的解耦中心为张拉浮动式柔性关节的旋转中心。

(4)这种关节不仅能够降低甚至消除机械接触产生的机械磨损与摩擦，还能够改善结构的受力状态，降低驱动力需求。已经运用到了张拉整体式摆动推进机构中，实现了优良的性能。

附图说明

图1为张拉浮动式柔性关节的三维立体图；

图2为张拉浮动式柔性关节的串联结构组合原理图；

图3为张拉浮动式柔性关节的正视图；

图4为张拉浮动式柔性关节的俯视图。

其中1、基础平台，2、从动平台，3、盘，4、足，5、水平张力元件，6、轴向张力元件，7、向下的张力，8、向上的张力,9、虚拟旋转中心，10、第一支腿，11、第二支腿，12、第三支腿，13、第四支腿。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

一种张拉浮动式柔性关节的设计方法，其步骤具体如下：

对于张拉式浮动柔性关节来说，零刚度意味着一个自由度，高刚度意味着约束，而低刚度意味着伪自由度。这种刚度各向异性可以被用来设计张拉式浮动柔性关节的自由度。具体来说，就是旋转刚度要被设计比平移刚度低得多。在相同驱动力矩下，低刚度部分相对于高刚度部分更容易产生更大的位移。这种刚度差异性越大，运动的差异性也就越大。张拉浮动式柔性关节存在6个自由度，分别表示为：x：x平移，y：y平移，z：z平移，

横滚，θ：俯仰,ψ：偏航；

1.自由度解耦

当不考虑外力、内力对刚度的影响时，刚度矩阵可以表示为

K＝kJ^TJ (1)

其中，k为机构支腿的刚度，J为雅克比矩阵。

对于刚度K来说，能够计算出相互独立的特征值及其对应的特征向量。特征向量的方向将会被设计成笛卡尔空间下对应的自由度的方向，这可以被称为解耦。为了定量地衡量自由度之间的刚度差异性，我们提出了统一量纲化的刚度各向异性指标ξ_mn。

2.刚度各向异性指标

刚度各向异指标是用来衡量自由度之间的差异性。当给定一个需要设计的自由度，比如n方向的自由度，相对于其他的方向，期望得到更多n方向的运动。为了解决这个问题，最小化n方向的刚度，最大化其他方向的刚度，公式如下：

Maximizingξ_mn＝k_m/k_n (2)

其中k_n统一量纲化n方向的刚度,k_m表示统一量纲化后剩余方向的最小的刚度；实际上，如果ξ_mn>ξ_min，一个刚度各向异性设计指标的最小值，也可以被认为成功设计出n方向的自由度。这个最小值，需要根据工作条件给定，本实施例为30。

自由度设计的理论主要包括自由度的解耦条件以及刚度的各向异性的设计。耦合是指各个不同自由度之间运动和动力的相互影响，某个自由度方向的运动会引起其它自由度方向上不同程度的运动，各个自由度之间的运动并不独立。所谓解耦，就是消除并联机构不同自由度之间的交叉耦合，其目标是力图使某个方向的运动，不耦合其他方向上的运动，这是自由度设计的基础。而刚度各向异性的设计则是为了使待求的刚度更小，在相同力矩或者力驱动下，得到更多的运动，这是自由度设计的核心理念。

根据并联机构解耦的理论，我们可以计算出张拉浮动式柔性关节的柔顺中心，这个柔顺中心就是自由度解耦的位置。如果在柔顺中心的某个自由度方向上只施加外力，只会在这个自由度方向产生位移。如果在柔顺中心的某个自由度方向上只施加了外力矩，只会在这个自由度方向产生旋转。如果张拉浮动式柔性关节要设计一个旋转自由度，那么这个柔顺中心也就会成为张拉浮动式柔性关节的等效旋转中心。

实施例2

如图1-2所示，一种张拉浮动式柔性关节，包括基础平台、从动平台和16 组张力元件，所述的基础平台的上面结构与从动平台的下面结构通过多组水平的张力元件连接，基础平台的上面结构与从动平台的上面结构件通过多组轴向的张力元件连接，从而能够悬浮支撑起从动平台，多组轴向的张力元件提供了竖直向下的拉力，多组水平的张力元件提供了竖直向上的张力用以对抗，使得从动平台能够绕着基础平台进行无直接机械接触的浮动转动。基础平台和从动平台为盘足式结构，这些张力元件作为支腿，可以采用弹簧，气动肌肉，形状记忆合金，钢丝绳或弹性线等等。值得注意的是，基础平台与从动平台的结构可以不限于图示的盘足式，T字型、工字型等可以。其中，张拉式浮动柔性关节的制作可以进行合理的简化，比如可以减少支腿的数量，如16支腿到8、6支腿等等。

其中8条水平布置的支腿，连接从动平台的足与基础平台的盘。支腿的布置方式可以参考标准Stewart平台的布置形式。这种布置将会提供水平的张力网络，可以悬浮支撑起从动平台。而另外的轴向布置的8条支腿，即轴向张力元件 6，连接从动平台的盘与下平台的盘，这种布置将会提供轴向的张力网络，用以张紧整个张拉浮动式柔性关节。轴向的张力网络提供了竖直向下的拉力，水平网络提供了竖直向上的张力用以对抗。这种对抗最后会使水平、轴向的张力网络联接成一体。由于这种拓展的张力网络，从动平台可以实现绕着基础平台的无直接机械接触的浮动转动，可产生俯仰、偏航和扭转三个自由度的运动。而这就是张拉关节的原理。

如图1所示，提供一个简化的张拉关节，其轴向布置的支腿数量为2组，水平布置的支腿数量为4组。值得注意的是，腿数量、支腿的材料及其布置方式是可以根据需要进行调整的，不受限于图示的例子。

如图2所示，一种张拉浮动式柔性关节串联结构，包括3组如张拉浮动式柔性关节，每组所述的柔性关节的基础平台和相邻组柔性关节的从动平台依次互相串联组成张拉浮动式柔性关节串联结构。

如图3-4所示，这个张拉关节可以被认为是yz平面的一个旋转关节。其设计的旋转自由度是

其支腿i＝1-6分别连接在基础平台的下铰点B₁-B₂以及C₁-C₄与从动平台的上铰点A₁-A₂以及D₁-D₂。认为弹性支腿拥有相同的刚度k。其中铰点坐标A₁-A₂,B₁-B₂,C₁-C₄,D₁-D₂,与E₁-E₂各自分布在以半径为r_a,r_b,r_c,r_d与r_e的五个圆上。A,B,D与E几个点是其中四个圆的圆心。如图3所示，当没有受外载时，张拉关节对称，其中第一支腿与第二支腿的内力相等，第三支腿 -第六支腿内力相等。这个位置被称为零位，其姿态拥有零的位移与零旋转。定义基础坐标{B}:O-XYZ，体坐标{M}:O₁-X₁Y₁Z₁。设张拉关节的旋转中心位于原点O₁of{M}。而张拉关节的结构可以由剩余的这些尺寸(β,h,H,H₀)完全表示。其中β是铰点C₁-C₄的分布的角度，h是原点到上平台的距离。H是从动平台的高度。H₀是从动平台的足的D点到基础平台的距离。

第一和第二支腿的长度可以描述为

第三支腿到第六支腿的长度是

可以根据张拉关节在零位时候的刚度来进行自由度的设计。暂时不考虑内力、外力对刚度的影响，先以张拉关节的被动刚度来举例。

根据并联机构刚度理论，其刚度矩阵可以表示为：

其中K_y表示自由度y的刚度，K_z表示自由度z的刚度，

表示自由度

的刚度，

表示自由度y与

的耦合刚度。

式(3)中的刚度为，

当

自由度

局部解耦。而根据这个解耦条件，计算出柔顺中心。

当高度h＝h^*,这个点即为柔顺中心。

另外，可以得到刚度

关于柔顺中心的刚度公式，为

根据这些式子，设计这个张拉关节的旋转自由度。另外，自由度设计理论当中，其刚度所需要的是统一量纲化的刚度。将旋转刚度统一到平移刚度的量纲上。这里引入特征长度对，其中这个特征长度为张拉式浮动柔性关节的从动平台铰点半径r_a。旋转刚度的统一量纲化的刚度为

通过式(4)-式(8)，量纲一致化后的旋转刚度将设计的比较小，而移动刚度比较大，从而设计出所需的旋转自由度

其中，r_a,r_b，H和H₀参数需满足张拉浮动式柔性关节的工作条件。以张拉整体式摆动推进机构为例，这个机构可以用来制作仿生机器鱼，因此其中的张拉浮动式柔性关节需要满足机器鱼的生理尺寸。例如，r_a,r_b和H的参数范围需要匹配鱼类的外形。而其中的H₀是张拉浮动式柔性关节结构张紧装配后的尺寸。在初始设计时，可以采用预估值。而在实际装配后，则需要测量其值。

Claims

1.一种张拉浮动式柔性关节的设计方法，所述的张拉浮动式柔性关节，包括基础平台、从动平台和多组张力元件，基础平台的上面结构与从动平台的下面结构通过多组水平的张力元件连接，基础平台的上面结构与从动平台的上面结构件通过多组轴向的张力元件连接，从而能够悬浮支撑起从动平台，轴向的张力元件提供了竖直向下的拉力，水平的张力元件提供了竖直向上的张力用以对抗，使得从动平台能够绕着基础平台进行无直接机械接触的浮动转动，其特征在于，方法如下：首先对张拉浮动式柔性关节的各个自由度进行解耦，计算得到张拉浮动式柔性关节的柔顺中心，提出了刚度各向异性的设计指标，并在柔顺中心处，进行刚度各向异性的设计，使得需要的自由度方向的刚度为低刚度，其余方向为高刚度；在相同驱动力下，低刚度方向的运动大于高刚度方向，使旋转刚度远远小于平移刚度，使得张拉浮动式柔性关节的旋转运动大于平移运动，从而等效为一种无摩擦的旋转关节；其中，刚度各向异指标的计算方法如下：指定n方向为需要设计的自由度，最小化n方向的刚度，最大化其他方向的刚度，公式如下：

Maximizingξ_mn＝k_m/k_n

2.根据权利要求1所述的一种张拉浮动式柔性关节的设计方法，其特征在于：所述的基础平台和从动平台结构相同。

3.根据权利要求1所述的一种张拉浮动式柔性关节的设计方法，其特征在于：所述的基础平台和从动平台为盘足式结构，所述的盘足式结构包括镂空的圆盘、Y形足腿和底座，Y形足腿与镂空的圆盘下面固定连接，Y形足腿底部与底座固定连接，底座平面的尺寸小于镂空的圆盘的内径。

4.根据权利要求1所述的一种张拉浮动式柔性关节的设计方法，其特征在于：所述的张力元件包括弹簧、气动肌肉、形状记忆合金、钢丝绳或弹性线中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种张拉浮动式柔性关节的设计方法，其特征在于：多组所述的张力元件的布置方式为标准Stewart平台的布置形式。