CN112476425B - 一种四维自由度柔性机器人关节与臂组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种四维自由度柔性机器人关节与臂组件，包括：关节、关节承载构件、关节伸缩臂、关节平摆调节构件、转动执行构件；关节为球带相连形关节，包括相互连接的主次两个球体，关节的主球体承载在关节承载构件中的关节承载球窝中；关节伸缩臂连接在主球体的外侧，可沿着关节伸缩臂的径向伸缩调节，从而实现组件在一个自由度的运动控制；关节的次球体承载在关节平摆调节构件中的关节平摆控制球窝中；关节平摆调节构件，可驱动关节平摆控制球窝在两个相互垂直的方向中任一方向上作平摆运动，从而实现组件在两个自由度的运动控制；转动执行构件，连接在次球体的外侧，通过转动执行构件的转动操作实现组件在一个自由度上的运动控制。

Description

一种四维自由度柔性机器人关节与臂组件

技术领域

本发明涉及机器人结构设计与制造技术领域，尤其是涉及一种四维自由度柔性机器人关节与臂组件。

背景技术

现有机器人，按照功能类型可以分为操控机器人和服务机器人两大类。随着机器视觉和智能技术的应用，机器人又划分为智能机器人和非智能机器人。目前，又随着机器人技术的进步，柔性或肉体机器人的概念也被提出，在概念和设计制造技术上不断引起新的定义和实践尝试。

就操控机器人而言，活动关节和关节臂是操控机器人硬件结构的主体。机器人的功能实现依赖于活动关节与关节臂的特性。机器人以运动控制为主实现功能，存在着控制精度和鲁棒性的性能指标。在运动控制过程中，需要解决内在的与外在的“避障”问题。发明人在研究中发现，现有机器人，多采用电气电机进行驱动以及电气检测元件采集数据实现反馈，并且机器人在各个维度上的运动控制相互独立，也就存在以下突出问题：现有机器人对于水、强烈电磁干扰的环境适应力较差，且由于各维度的运动控制相互独立，目标控制鲁棒性差，就单一维度而言，运动受控对象的状态与施控对象的状态不是一一对应的关系，这就给利用受控对象确定施控对象状态的实现带来不便，对机器人实行柔性控制操作带来了困难，这在机器人远程控制、主从控制、遥控操作的实现中增加了难度。因而，现实对于能适应水下、超高电磁干扰环境、运动敏捷而控制鲁棒性高的柔性关节与臂的结构装置存在急切的需求。

发明内容

有鉴于此，针对上述的问题，本发明提供一种四维自由度柔性机器人关节与臂组件，使得利用本组件的柔性机器人更能够适应水下或超高电磁干扰的环境，并且具有四维操控自由度，运动敏捷鲁棒性高，便于实现远程主从式控制。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明实施例提供一种四维自由度柔性机器人关节与臂组件，包括：关节、关节承载构件、液压驱动式的关节伸缩臂、液压驱动式的关节平摆调节构件、液压驱动式的转动执行构件；

所述关节为球带相连形关节，包括相互连接的主次两个球体，所述关节的主球体承载在关节承载构件中的关节承载球窝中；

所述关节伸缩臂连接在所述主球体的外侧，可沿着关节伸缩臂的径向伸缩调节，从而实现组件在一个自由度的运动控制；

所述关节的次球体承载在所述关节平摆调节构件中的关节平摆控制球窝中；所述关节平摆调节构件，可驱动所述关节平摆控制球窝在两个相互垂直的方向中任一方向上作平摆运动，从而实现组件在两个自由度的运动控制；

所述转动执行构件，连接在所述次球体的外侧，通过转动执行构件的转动操作实现组件在一个自由度上的运动控制。

在本发明的其中一个实施例中，所述主球体的体积大于所述次球体；所述主球体与所述关节承载球窝嵌入式配合连接，且能保持球心点重合的相对运动；所述次球体与所述关节平摆控制球窝嵌入式配合连接，且能保持球心点重合的相对运动。

在本发明的其中一个实施例中，所述关节伸缩臂与所述关节的主球体是通过不可转动的活塞形式连接；在关节一侧，设有关节腔，关节伸缩臂的主体连接杆与关节腔紧密配合。

在本发明的其中一个实施例中，所述关节和所述关节伸缩臂通过安装的伸缩臂执行液压缸相连接，在所述伸缩臂执行液压缸紧邻的位置安装有伸缩臂辅助开关阀，所述伸缩臂辅助开关阀与所述伸缩臂执行液压缸并联，用以实现伸缩臂执行液压缸两端油腔的联通与阻断状态的切换。

在本发明的其中一个实施例中，所述关节承载构件包括关节承载球窝支撑架和关节承载球窝；所述关节承载球窝被固定安装在所述关节承载球窝支撑架上。

在本发明的其中一个实施例中，所述关节平摆调节构件包括：关节平摆控制球窝、关节平摆控制球窝座、平摆X向调节滑架以及平摆调节安装支撑架；

所述关节平摆控制球窝固定安装在所述关节平摆控制球窝座中；

所述关节平摆控制球窝座通过滑槽连接在所述平摆X向调节滑架之内，并可在液压驱动下沿Y向作平摆运动，所述Y向与X向垂直；

所述平摆X向调节滑架通过滑槽连接在所述平摆调节安装支撑架之内，并可在液压驱动下沿X向作平摆运动。

在本发明的其中一个实施例中，在所述关节平摆调节构件中安装有平摆X向执行液压缸、平摆X向辅助开关阀、平摆Y向执行液压缸和平摆Y向辅助开关阀；

所述平摆X向执行液压缸连接所述平摆调节安装支撑架和所述平摆X向调节滑架，在临近所述平摆X向执行液压缸的位置安装有平摆X向辅助开关阀，所述平摆X向辅助开关阀与平摆X向执行液压缸并联，用以实现平摆X向执行液压缸的两端油腔的联通与阻断状态的切换；

所述平摆Y向执行液压缸连接所述平摆控制球窝座和所述平摆X向调节滑架，在临近所述平摆Y向执行液压缸的位置安装有平摆Y向辅助开关阀，所述平摆Y向辅助开关阀与平摆Y向执行液压缸并联，用以实现平摆Y向执行液压缸的两端油腔的联通与阻断状态的切换。

在本发明的其中一个实施例中，所述转动执行构件包括：转动调节安装架、转动调节滑架、转动调节投影座、转动传动辅助滑柱、转动传动柱、转动投影杆适配座、辅助转动投影联杆、转动投影联杆连接球窝、同心转动投影联杆、转动执行杠杆以及转动给进滑块；

所述转动调节投影座通过滑槽连接在所述转动调节滑架内部；所述转动调节滑架通过滑槽连接在所述转动调节安装架内部；

所述转动投影杆适配座的外端与所述关节的次球体固定连接；所述转动投影杆适配座的内端设有两个转动投影联杆连接球窝，在两个转动投影联杆连接球窝中分别安装有同心转动投影联杆和辅助转动投影联杆的球体部分；

所述同心转动投影联杆的非球体部分***所述转动传动柱中；所述辅助转动投影联杆的非球体部分***所述转动传动辅助滑柱中；所述转动传动柱与所述转动传动辅助滑柱通过滑槽滑道相配合，确保所述同心转动投影联杆与所述辅助传动投影联杆始终保持平行状态；

所述转动传动柱安装***所述转动调节投影座的中心圆孔内；在所述转动调节投影座远离关节的一侧安装有转动执行杠杆和转动给进滑块，转动执行杠杆固定连接所述转动传动柱，在液压驱动下，所述转动给进滑块可带动所述转动执行杠杆运动，进而带动关节进行转动。

在本发明的其中一个实施例中，在所述转动调节投影座远离关节的一侧安装有转动执行液压缸和转动辅助开关阀；所述转动执行液压缸的推杆连接所述转动给进滑块，所述转动辅助开关阀与所述转动执行液压缸并联，用以实现转动执行液压缸两端油腔的联通与阻断状态的切换。

在本发明的其中一个实施例中，所述关节承载构件、所述关节平摆调节构件、所述转动执行构件的***框架通过若干根总装安装杆一同紧固连接。

上述本发明实施例提供的四维自由度柔性机器人关节与臂组件，并没有采用变速齿轮及电机等电气部件作为驱动，而是采用液压驱动，也就更能适应于水下、超高电磁干扰等作业环境，并且组件采用球带形关节，在关节主次球体两端连接关节伸缩臂和关节平摆调节构件及转动执行构件，能够实现四个自由度上的运动控制，从而使得使用本组件的机器人运动敏捷且鲁棒性高，也方便机器人实现远程主从控制。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种四维自由度柔性机器人关节与臂组件的***等轴图；

图2是本发明实施例提供的一种四维自由度柔性机器人关节与臂组件的整体结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种四维自由度柔性机器人关节与臂组件中关节承载构件、关节以及关节伸缩臂的装配结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种四维自由度柔性机器人关节与臂组件中关节平摆调节构件的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种四维自由度柔性机器人关节与臂组件中转动执行构件的结构示意图；

其中，图中，1：关节承载球窝支撑架；2：关节承载球窝；3：关节；6：关节锁紧适配座；7：伸缩臂锁紧适配座；8：关节伸缩臂；9：伸缩臂执行液压缸；11：伸缩臂辅助开关阀；12：平摆调节安装支撑架；13：平摆X向调节滑架；15：关节平摆控制球窝座；16：平摆X向执行液压缸；18：平摆Y向执行液压缸；21：关节平摆控制球窝；23：平摆Y向辅助开关阀；24：平摆X向辅助开关阀；25：总装安装杆；26：转动调节安装架；27：转动调节滑架；29：转动调节投影座；31：转动传动辅助滑柱；32：转动传动柱；33：转动投影杆适配座；34：辅助转动投影联杆；35：转动投影联杆连接球窝；36：同心转动投影联杆；37：转动执行杠杆；38：转动给进滑块；39：转动执行液压缸；41：转动辅助开关阀。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的具体实施例行文部分，首先以实施例的方式说明本发明实施例提供的四维自由度柔性机器人关节与臂组件(本实施例中简称为组件)的结构，再说明组件可能的应用场景，从而相对现有技术可清楚说明其优势。

首先，在本发明图1至图5的一个实施例中提供了一种四维自由度柔性机器人关节与臂组件。

整体上，组件包括关节、关节承载构件、液压驱动式的关节伸缩臂、液压驱动式的关节平摆调节构件、液压驱动式的转动执行构件。这里采用液压驱动，而非电机、齿轮等电气传动部件，相比于现有机器人就更能适应于水下、高电磁干扰等作业环境。

具体的，关节被设计为球带相连的形状，包括相互连接的主次两个球体，也就是呈现为不对称的哑铃形状。优选的，关节的主球体是大于次球体。关节的主球体承载在关节承载构件中的关节承载球窝中，关节能够在一定的范围内以主球体球心为支点进行转动。关节的次球体承载在关节平摆调节构件中的关节平摆控制球窝中，在关节以主球体球心转动的同时，关节平摆控制球窝与次球体的球心始终保持重合。

在整体结构上，关节伸缩臂连接在主球体的外侧(所谓外侧，也就是主球体远离次球体的一侧)，关节伸缩臂可在液压驱动下沿着径向实现伸缩调节，也就是说从而使组件在一个自由度上的运动控制。

在整体结构上，关节的次球体承载在关节平摆调节构件中的关节平摆控制球窝中。关节平摆调节构件，在液压的驱动下可带动关节平摆控制球窝在两个相互垂直的方向中任一方向上作平摆运动，从而实现组件在两个自由度的运动控制。

在整体结构上，转动执行构件连接在次球体的外侧(同理，这里的外侧就是次球体远离主球体的一侧)，通过转动执行构件的转动操作实现组件在一个自由度上的运动控制。

在一个实施例中，参见图3，提供了关节、关节承载构件以及关节伸缩臂的装配关系示意图。在图3中，关节承载构件包括：关节承载球窝支撑架1和关节承载球窝2，其中关节承载球窝2被固定安装在关节承载球窝支撑架1上。关节3包括相互连接的主球体和次球体。主球体承载在关节承载球窝2中，可以以关节承载球窝2的球心为支点进行一定范围转动。关节伸缩臂8和关节3是通过不可转动的活塞形式连接：即在关节主球体的一侧，设有关节腔，而关节伸缩臂8的主体连接杆存在平面部分，关节伸缩臂的主体连接杆与关节腔紧密配合。从而，关节伸缩臂杆沿着径向***到关节腔之后，能够实现滑动但不能转动。

在图3实施例中，在关节垂直臂杆方向的位置安装有伸缩臂锁紧适配座7。该伸缩臂锁紧适配座7可以固定安装某些能够输出压力的器件(如液压压力杆、气动压力杆等)，可以实现多态压力输出，从而实现的受控方式包括：无压力、工作保持中压力以及锁紧高压力三种状态，从而使得关节伸缩臂8对应具有自由、可受控运动以及锁紧状态，例如对于关节伸缩臂的制动锁紧正是以关节的关节腔为基础对关节伸缩臂杆的平面部分垂直施加压力实现的。在本发明实施例部分，提到的所述的可能的输出压力的器件的原理和结构就不再赘述。同理，关节锁紧适配座6也可以安装合适的多态压力输出器件，可输出多态压力。

在图3的实施例中，关节3和关节伸缩臂8通过安装的伸缩臂执行液压缸9相连接，在伸缩臂执行液压缸9紧邻的位置安装有伸缩臂辅助开关阀11。伸缩臂辅助开关阀11与伸缩臂执行液压缸9并联，用以实现伸缩臂执行液压缸两端油腔的联通与阻断状态的切换。

在图4的一个实施例中，提供了组件中的关节平摆调节构件的结构示意图。具体的，关节平摆调节构件包括：关节平摆控制球窝21、关节平摆控制球窝座15、平摆X向调节滑架13以及平摆调节安装支撑架12。其中，关节平摆控制球窝21固定安装在关节平摆控制球窝座15中。关节平摆控制球窝座15通过滑槽连接在平摆X向调节滑架13之内，并可在液压驱动下沿Y向作平摆运动。平摆X向调节滑架13通过滑槽连接在平摆调节安装支撑架12之内，并可在液压驱动下沿X向作平摆运动。X向和Y向是相互垂直的两个方向，以图4左上的正视图为例，X向为图纸的左右水平方向，Y向为图纸的上下竖直方向。结合图3和图4，可知关节3的次球体与关节平摆控制球窝21相连接，且次球体是容纳承载在关节平摆控制球窝21中，关节平摆控制球窝21与次球体可以同心滑动，并且关节平摆控制球窝能在关节平摆控制球窝座内同心滑动。在图4中，关节平摆调节构件中安装有平摆X向执行液压缸16、平摆X向辅助开关阀24、平摆Y向执行液压缸18和平摆Y向辅助开关阀23。平摆X向执行液压缸16连接平摆调节安装支撑架12和平摆X向调节滑架13，在临***摆X向执行液压缸16的位置安装有平摆X向辅助开关阀24，平摆X向辅助开关阀与平摆X向执行液压缸并联，用以实现平摆X向执行液压缸的两端油腔的联通与阻断状态的切换。同理，平摆Y向执行液压缸18连接平摆控制球窝座15和平摆X向调节滑架13，在临***摆Y向执行液压缸18的位置安装有平摆Y向辅助开关阀23，平摆Y向辅助开关阀与平摆Y向执行液压缸并联，用以实现平摆Y向执行液压缸的两端油腔的联通与阻断状态的切换。

在图5的实施例中，详细提供了组件中转动执行构件的结构示意图。具体的，转动执行构件包括：转动调节安装架26、转动调节滑架27、转动调节投影座29、转动传动辅助滑柱31、转动传动柱32、转动投影杆适配座33、辅助转动投影联杆34、转动投影联杆连接球窝35、同心转动投影联杆36、转动执行杠杆37以及转动给进滑块38。所述转动调节投影座29通过滑槽连接在所述转动调节滑架27内部；所述转动调节滑架27通过滑槽连接在所述转动调节安装架26内部；所述转动投影杆适配座33的外端与所述关节3的次球体固定连接；所述转动投影杆适配座33的内端设有两个转动投影联杆连接球窝35，在两个转动投影联杆连接球窝35中分别安装有同心转动投影联杆36和辅助转动投影联杆34的球体部分；所述同心转动投影联杆36的非球体部分***所述转动传动柱32中；所述辅助转动投影联杆34的非球体部分***所述转动传动辅助滑柱31中；所述转动传动柱32与所述转动传动辅助滑柱31通过滑槽滑道相配合，确保所述同心转动投影联杆36与所述辅助传动投影联杆34始终保持平行状态；所述转动传动柱32安装***所述转动调节投影座29的中心圆孔内；在所述转动调节投影座29远离关节3的一侧安装有转动执行杠杆37和转动给进滑块38，转动执行杠杆37固定连接所述转动传动柱32，在液压驱动下，所述转动给进滑块38可带动所述转动执行杠杆37运动，进而带动关节进行转动。至于图5实施例中的液压驱动部件，在所述转动调节投影座29远离关节3的一侧安装有转动执行液压缸39和转动辅助开关阀41；所述转动执行液压缸39的推杆连接所述转动给进滑块38，所述转动辅助开关阀41与所述转动执行液压缸39并联，用以实现转动执行液压缸两端油腔的联通与阻断状态的切换。

在本发明实施例中，关节承载构件、关节平摆调节构件、转动执行构件的***框架可通过若干根总装安装杆一同紧固连接。例如，在图1和图2中，四根总装安装杆25与关节承载球窝支撑架1、平摆调节安装支撑架12、转动调节安装架26一同紧固连接。

上述说明了本发明实施例提供的组件结构，下面说明一些本发明实施例的组件相关部件和功能单元的不同受控状态组合。

如图3中所示，伸缩臂锁紧适配座7通过选择安装合适的多态压力输出装置(如液压压力杆、气动压力杆等)，需要多态压力输出装置通过不同的受控方式可输出无压力、工作保持中压力。锁紧高压力三种状态。结合其他部件的状态，对应的关节伸缩臂8相对于关节3有自由、可受控运动、被锁紧状态。

关节锁紧适配座6通过安装合适的多态压力输出装置(如液压压力杆、气动压力杆等)，通过不同的受控方可输出无压力、工作中等压力。锁紧高压力三种状态，对应的关节3相对于关节承载球窝2有自由、可受控运动、被锁紧状态，如图2所示，关节承载球窝2通过与关键承载球窝支撑架的刚性连接最终实现关节3相对于本发明四维多自由度柔性关节与关节臂组件的安装基础有自由、可受控运动、被锁紧状态。

如图3所示，当伸缩辅助开关阀11与伸缩臂执行液压缸9使用接管并联后，伸缩辅助开关阀11的导通状态导致伸缩臂执行液压缸9的给油腔与回油腔直接导通，由此产生伸缩臂执行液压缸9的退出被旁路状态、此时伸缩臂执行液压缸9的推杆可被动滑动。与此类似：

如图4所示，平摆X向辅助开关阀23的导通状态导致平摆X向执行液压缸18的退出被旁路状态、此时平摆X向执行液压缸18的推杆可被动滑动。

平摆Y向辅助开关阀24的导通状态导致平摆Y向执行液压缸16的退出被旁路状态、此时平摆Y向执行液压缸16的推杆可被动滑动。

如图5所示，转动辅助开关阀41的导通状态导致转动执行液压缸39的退出被旁路状态、此时转动执行液压缸39的推杆可被动滑动。

如图4所示，关节平摆控制球窝21与关节平摆控制球窝座15没有相对固定，关节平摆控制球窝21***到关节平摆控制球窝座内实现紧密配合，关节平摆控制球窝21可以在关节平摆控制球窝座内滑动。

应用上述可控状态的组合，进一步说明本发明提供的组件的可应用场景。

本发明第1应用场景，提供四维多自由度柔性关节与关节臂组件实现对受控对象-所述关节伸缩臂8接手安装端在空间上受控移动、姿态调整、定位保持。

设定伸缩辅助开关阀11于关断状态。设定伸缩臂锁紧适配座7上压力输出装置输出工作保持中压力状态，控制伸缩臂执行液压缸9作推进与缩回运行，实现关节伸缩臂8接手安装端沿关节2的轴向受控移动，实现对受控对象-所述关节伸缩臂8接手安装端在第一个维度上受控移动，受控移动停止后设定伸缩臂锁紧适配座7上压力输出装置输出锁紧高压力状态。

如图4所示，设定平摆X向辅助开关阀23于关断状态。设定关节锁紧适配座8上压力输出装置输出工作保持中压力状态，控制平摆X向执行液压缸18作推进与缩回运行，导致关节平摆控制球窝座15在平摆X向调节滑架13上沿控制平摆X向执行液压缸的推进方向受控滑动，进而导致关节平摆控制球窝21随关节平摆控制球窝座15同心地在平摆X向调节滑架13上受控移动，同时关节平摆控制球窝在关节平摆控制球窝座内15自适应地滑动，最终实现所述关节3以所述关节承载球窝2的球心为支点，在相对固定的平面内转动，由此实现对受控对象-所述关节伸缩臂8接手安装端在第二个维度上受控移动。与此类似，设定所述平摆Y向辅助开关阀24的状态。控制所述平摆Y向执行液压缸16推进与缩回运行，最终实现所述关节3以所述关节承载球窝2的球心为支点，在另外相对固定的平面内转动，由此实现对受控对象-所述关节伸缩臂8接手安装端在另一个维度-第三个维度上受控移动。

转动操作主要用于对机器人关节臂的工作端-接手安装端作姿态调整，本实施例中是指对所述关节3以通过所述关节承载球窝2与所述关节平摆控制球窝21的球心连线为轴转动。

如图5所示，设定所述转动辅助开关阀11于关断状态。保持所述关节锁紧适配座6上压力输出装置输出工作保持中压力状态，所述控制转动执行液压缸39作推进与缩回运行，带动所述转动给进滑块38在所述转动调节投影座33上的滑道内移动，所述转动给进滑块38有进一步带动所述转动执行杠杆以及所述转动传动柱32在所述转动调节投影座33内转动，于是***到所述转动传动柱32中心孔的所述同心转动投影联杆36与***到所述转动传动辅助滑柱31孔的所述辅助转动投影联杆34随所述转动传动柱32同步转动，并且转动是以所述同心转动投影联杆36为轴转动。由于所述关节3转动的轴线与所述同心转动投影联杆36的轴线相交于一点，即所述同心转动投影联杆36的球体部分的球心，于是带动所述关节3绕其轴线转动，由此实现对受控对象-所述关节伸缩臂8接手安装端在第四个维度上受控移动。

前述第二个维度上受控移动与第三个维度上受控移动仅引起所述转动投影调节座29通过所述转动调节滑架与转动调节安装架的滑槽滑道在一定范围内自适应地平动，不会与前述第四个维度上的受控移动耦合。

特别的，设定平摆X向辅助开关阀23于接通状态，可以暂时屏蔽第二个维度上的控制输出，在其他维度上控制实施过程中保持第二维度上的状态为被动自适应状态，这对实现受控对象被控过程中“避障”、“柔性操作”带来了可能，产生了等效扩大自由度的效果。

与普遍采用电机加变速箱传动的传统的机器人关节与关节臂相比较。本发明无需现场安装电机，使用液压缸传动增加了对水下以及存在强烈电磁干扰恶劣环境的适应性。

本发明第2应用场景，成对应用四维多自由度柔性关节与关节臂组件实现远程主动、从动操控。

本发明易于实现远程主动、从动操控是基于四维多自由度柔性关节与关节臂组件的基本特性的：受控对象-所述关节伸缩臂8接手安装端的状态由其在空间上的坐标及转角唯一确定，它与所述伸缩臂执行液压缸9、所述平摆X向执行液压18、所述平摆Y向执行液压缸16、所述转动执行液压缸39的位置状态向量形成一一对应关系，这就为实施远程主从遥控操作提供了便捷。

以四维多自由度柔性关节与关节臂组件A为主动操控装置，以四维多自由度柔性关节与关节臂组件B为从动操控装置，通过实际操作四维多自由度柔性关节与关节臂组件A实现对四维多自由度柔性关节与关节臂组件B的从动遥控操控。相关部件与功能单元的状态与第一实施例中描述的一致，并且四维多自由度柔性关节与关节臂组件A与四维多自由度柔性关节与关节臂组件B都安装了液压缸位置传感器。

主从遥控操作开始，建立四维多自由度柔性关节与关节臂组件A与四维多自由度柔性关节与关节臂组件B的通讯连接；

参照第一实施例的过程设置四维多自由度柔性关节与关节臂组件B相关部件的状态使其进入工作状态，依然保持其所述关节3与所述关节伸缩臂8的锁紧状态。

四维多自由度柔性关节与关节臂组件B向四维多自由度柔性关节与关节臂组件A发送自身包含各执行液压缸信息的综合状态信息。

四维多自由度柔性关节与关节臂组件A进入预备工作状态，调整所述伸缩辅助开关阀11、所述平摆X向辅助开关阀23、所述平摆Y向辅助开关阀24、所述动辅助开关阀41至接通状态，依然保持其所述关节3与所述关节伸缩臂8的锁紧状态。

主从遥控操作进行，四维多自由度柔性关节与关节臂组件A的所述关节伸缩臂8被手动操作，依据必要调整，使所述关节3与所述关节伸缩臂8在锁紧与工作状态切换，当所述关节3与所述关节伸缩臂8有其中之一处于非锁紧状态时，向四维多自由度柔性关节与关节臂组件B远程发送所有液压缸位置数据信息。

主从遥控操作进行，四维多自由度柔性关节与关节臂组件B接收来自四维多自由度柔性关节与关节臂组件A远程传送的所有液压缸位置数据信息。自动控制相关液压缸动作，并实现自身所有液压缸位置数据信息与四维多自由度柔性关节与关节臂组件A远程传送的所有液压缸位置数据信息一致后调整使所述关节3与所述关节伸缩臂8进入被锁紧状态。

如果自动控制相关液压缸动作，四维多自由度柔性关节与关节臂组件B不能实现所有液压缸位置数据信息与四维多自由度柔性关节与关节臂组件A远程传送的所有液压缸位置数据信息一致(一般是遇到障碍，需要“避障”)，标记状态，远程主从操作进入柔性自适应状态：确认无法同步的液压缸，在四维多自由度柔性关节与关节臂组件A上尝试反向操作(被控对象回退)至四维多自由度柔性关节与关节臂组件B与四维多自由度柔性关节与关节臂组件A远程传送的所有液压缸位置数据信息一致，此时调整四维多自由度柔性关节与关节臂组件A上此前被确认无法同步的液压缸对应辅助开关阀与关闭状态，继续此前的其他操作，经过几次操作之后，尝试关闭远程主从操作进入柔性自适应状态，往复以上过程，直至实现操作控制目标。

上述过程实现远程主从柔性控制遥控操作、提供一种途径实现机器人“避障”的应用实施例。

由此，本发明实施例提供的四维自由度柔性机器人关节与臂组件，并没有采用变速齿轮及电机等电气部件作为驱动，而是采用液压驱动，也就更能适应于水下、超高电磁干扰等作业环境，并且组件采用球带形关节，在关节主次球体两端连接关节伸缩臂和关节平摆调节构件及转动执行构件，能够实现四个自由度上的运动控制，从而使得使用本组件的机器人运动敏捷且鲁棒性高，也方便机器人实现远程主从控制。

综上，以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。如前所述，本发明还可以有更多改进，在不脱离本装置原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种四维自由度柔性机器人关节与臂组件，其特征在于，所述组件包括：关节(3)、关节承载构件、液压驱动式的关节伸缩臂(8)、液压驱动式的关节平摆调节构件、液压驱动式的转动执行构件；

所述关节(3)为球带相连形关节，包括相互连接的主次两个球体，所述关节的主球体承载在关节承载构件中的关节承载球窝(2)中；

所述关节伸缩臂(8)连接在所述主球体的外侧，可沿着关节伸缩臂的径向伸缩调节，从而实现组件在一个自由度的运动控制；

所述关节的次球体承载在所述关节平摆调节构件中的关节平摆控制球窝(21)中；所述关节平摆调节构件，可驱动所述关节平摆控制球窝(21)在两个相互垂直的方向中任一方向上作平摆运动，从而实现组件在两个自由度的运动控制；

所述转动执行构件，连接在所述次球体的外侧，通过转动执行构件的转动操作实现组件在一个自由度上的运动控制。

2.根据权利要求1所述的四维自由度柔性机器人关节与臂组件，其特征在于，所述主球体的体积大于所述次球体；所述主球体与所述关节承载球窝(2)嵌入式配合连接，且能保持球心点重合的相对运动；所述次球体与所述关节平摆控制球窝(21)嵌入式配合连接，且能保持球心点重合的相对运动。

3.根据权利要求2所述的四维自由度柔性机器人关节与臂组件，其特征在于，所述关节伸缩臂(8)与所述关节的主球体是通过不可转动的活塞形式连接；在关节一侧，设有关节腔，关节伸缩臂的主体连接杆与关节腔紧密配合。

4.根据权利要求3所述的四维自由度柔性机器人关节与臂组件，其特征在于，所述关节(3)和所述关节伸缩臂(8)通过安装的伸缩臂执行液压缸(9)相连接，在所述伸缩臂执行液压缸(9)紧邻的位置安装有伸缩臂辅助开关阀(11)，所述伸缩臂辅助开关阀(11)与所述伸缩臂执行液压缸(9)并联，用以实现伸缩臂执行液压缸两端油腔的联通与阻断状态的切换。

5.根据权利要求2所述的四维自由度柔性机器人关节与臂组件，其特征在于，所述关节承载构件包括关节承载球窝支撑架(1)和关节承载球窝(2)；所述关节承载球窝(2)被固定安装在所述关节承载球窝支撑架(1)上。

6.根据权利要求2所述的四维自由度柔性机器人关节与臂组件，其特征在于，所述关节平摆调节构件包括：关节平摆控制球窝(21)、关节平摆控制球窝座(15)、平摆X向调节滑架(13)以及平摆调节安装支撑架(12)；

所述关节平摆控制球窝(21)固定安装在所述关节平摆控制球窝座(15)中；

所述关节平摆控制球窝座(15)通过滑槽连接在所述平摆X向调节滑架(13)之内，并可在液压驱动下沿Y向作平摆运动，所述Y向与X向垂直；

所述平摆X向调节滑架(13)通过滑槽连接在所述平摆调节安装支撑架(12)之内，并可在液压驱动下沿X向作平摆运动。

7.根据权利要求6所述的四维自由度柔性机器人关节与臂组件，其特征在于，在所述关节平摆调节构件中安装有平摆X向执行液压缸(16)、平摆X向辅助开关阀(24)、平摆Y向执行液压缸(18)和平摆Y向辅助开关阀(23)；

所述平摆X向执行液压缸(16)连接所述平摆调节安装支撑架(12)和所述平摆X向调节滑架(13)，在临近所述平摆X向执行液压缸(16)的位置安装有平摆X向辅助开关阀(24)，所述平摆X向辅助开关阀与平摆X向执行液压缸并联，用以实现平摆X向执行液压缸的两端油腔的联通与阻断状态的切换；

所述平摆Y向执行液压缸(18)连接所述关节 平摆控制球窝座(15)和所述平摆X向调节滑架(13)，在临近所述平摆Y向执行液压缸(18)的位置安装有平摆Y向辅助开关阀(23)，所述平摆Y向辅助开关阀与平摆Y向执行液压缸并联，用以实现平摆Y向执行液压缸的两端油腔的联通与阻断状态的切换。

8.根据权利要求2所述的四维自由度柔性机器人关节与臂组件，其特征在于，所述转动执行构件包括：转动调节安装架(26)、转动调节滑架(27)、转动调节投影座(29)、转动传动辅助滑柱(31)、转动传动柱(32)、转动投影杆适配座(33)、辅助转动投影联杆(34)、转动投影联杆连接球窝(35)、同心转动投影联杆(36)、转动执行杠杆(37)以及转动给进滑块(38)；

所述转动调节投影座(29)通过滑槽连接在所述转动调节滑架(27)内部；所述转动调节滑架(27)通过滑槽连接在所述转动调节安装架(26)内部；

所述转动投影杆适配座(33)的外端与所述关节(3)的次球体固定连接；所述转动投影杆适配座(33)的内端设有两个转动投影联杆连接球窝(35)，在两个转动投影联杆连接球窝(35)中分别安装有同心转动投影联杆(36)和辅助转动投影联杆(34)的球体部分；

所述同心转动投影联杆(36)的非球体部分***所述转动传动柱(32)中；所述辅助转动投影联杆(34)的非球体部分***所述转动传动辅助滑柱(31)中；所述转动传动柱(32)与所述转动传动辅助滑柱(31)通过滑槽滑道相配合，确保所述同心转动投影联杆(36)与所述辅助转 动投影联杆(34)始终保持平行状态；

所述转动传动柱(32)安装***所述转动调节投影座(29)的中心圆孔内；在所述转动调节投影座(29)远离关节(3)的一侧安装有转动执行杠杆(37)和转动给进滑块(38)，转动执行杠杆(37)固定连接所述转动传动柱(32)，在液压驱动下，所述转动给进滑块(38)可带动所述转动执行杠杆(37)运动，进而带动关节进行转动。

9.根据权利要求8所述的四维自由度柔性机器人关节与臂组件，其特征在于，在所述转动调节投影座(29)远离关节(3)的一侧安装有转动执行液压缸(39)和转动辅助开关阀(41)；所述转动执行液压缸(39)的推杆连接所述转动给进滑块(38)，所述转动辅助开关阀(41)与所述转动执行液压缸(39)并联，用以实现转动执行液压缸两端油腔的联通与阻断状态的切换。

10.根据权利要求1所述的四维自由度柔性机器人关节与臂组件，其特征在于，所述关节承载构件、所述关节平摆调节构件、所述转动执行构件的***框架通过若干根总装安装杆一同紧固连接。

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