[发明专利]一种适用于超冗余机械臂的解耦可变刚度关节

说明书

本发明一种适用于超冗余机械臂的解耦可变刚度关节属于机械臂领域，涉及一种适用于超冗余机械臂的解耦的可变刚度关节。该关节由中空连杆、固定盘、中空风琴式可变刚度驱动器、套筒、万向节机构组成。中空风琴式可变刚度驱动器的驱动器本体内部装有液态金属，快速插拔接头安装在驱动器本体的底部。每个关节的运动由独立的三个中空风琴式可变刚度驱动器体控制，关节之间的运动互相不耦合，实现了机械臂运动的解耦。本发明通过控制驱动器本体中液态金属的流量，控制驱动器本体的变形量，实现对关节俯仰、偏航的控制。控制中空风琴式可变刚度驱动器本体内部液态金属的温度，使液态金属变为固态，实现对相应控制关节的固定，提高蛇形机械臂的刚度。

技术领域

本发明属于机械人领域，涉及一种超冗余机械臂的解耦可变刚度关节。

背景技术

在航空航天、能源动力、船舶等高端装备制造领域，部分装配、喷涂、磨抛、焊接等制造环节须在极为苛刻的异形深腔操作空间内实施完成，操作难度极大。

超冗余机械臂是一类具有大量的冗余关节，关节空间的维数远大于操作空间的维数机器人，由于其大长径比结构和灵活动作能力，是替代人工解决上述异形深腔操作任务的可行途径。

近年来，有诸多机构对于超冗余机械臂展开了研究。2017年，享奕自动化科技(上海)有限公司在专利CN 107322583A中公开了“一种蛇形臂”，本体由多个连杆组成，连杆之间由十字轴万向节连接，通过驱动单元对拉索的牵拉控制十字轴万向节的旋转,以达到控制蛇形臂的多维运动的目的，但是该种机械臂驱动关节没有解耦机构，在工作时需要对驱动绳索的长度进行解耦计算。2017年，上海交通大学在实用新型专利CN 206154311 U中公开了“运动解耦的绳驱动连续体机械臂及机器人”，该种机械臂在关节处对途径该关节延伸至下一个关节的途径绳组外套导管,实现了绳组之间运动解耦，但是该种机械臂没有考虑到刚度问题，可能无法适应末端载荷过大的工作环境。

目前，超冗余机械臂大多采用两种结构，电机直驱式和电机后置绳索驱动式。电机直驱式机械臂的电气线路十分复杂，后续检修困难，同时机械臂的惯性和质量较重，不利于告诉运动和快速响应。电机后置绳索驱动式机械臂，虽然可减轻超冗余臂的惯性和质量，但是前后关节驱动绳索耦合，控制系统比较复杂，同时由于绳索驱动，机械臂刚度较低，控制精度较差。

发明内容

本发明为克服现有技术的缺陷，针对目前现有的超冗余机械臂运动解耦较困难以及刚度不足的问题，发明了一种适用于超冗余机械臂解耦的可变刚度关节，每个关节的运动都是由独立的三个中空风琴式可变刚度驱动器控制。因此，关节之间的运动互相不耦合，可实现机械臂运动的解耦；通过控制中空风琴式可变刚度驱动器内部液态金属的温度降低，使液态金属变为固态，实现对相应控制关节的固定，提高超冗余机械臂的刚度。

本发明采用的技术方案是一种适用于超冗余机械臂的解耦可变刚度关节，该关节由中空连杆1，上、下固定盘2、2^，，三个中空风琴式可变刚度驱动器3，套筒4和万向节机构5组成；

下固定盘2^，通过螺钉安装到中空连杆1下端，套筒4安装到下固定盘2^，上端，中控连杆1外面，并卡在下固定盘2^，的凸台上；上固定盘2通过螺钉安装到中空连杆1上端，套筒4卡在上固定盘2的凸台上，上、下固定盘2、2^，共同实现对套筒4的固定；呈120°分布的三个中空风琴式可变刚度驱动器3分别通过螺钉安装在上固定盘2上；

所述中空风琴式可变刚度驱动器3的驱动器本体11内部装有液态金属13，快速插拔接头12安装在驱动器本体11的底部，通过控制驱动器本体11中液态金属13的流量，控制驱动器本体11的变形量，实现对关节俯仰、偏航的控制；在超冗余机械臂达到工作位置后，通过控制液态金属13的温度降低，使液态金属13变为固态，实现对相应控制关节的固定，以达到提高超冗余机械臂关节刚度的目的。