人工肌群驱动仿生关节的力矩检测装置

摘要

本发明公开了人工肌群驱动仿生关节的力矩检测装置，它包括通过导轨连接的底板、定板及顶板，动板通过带座直线轴承与两个导轨连接，丝杠螺母固定连接在动板上，螺杆依次通过带座滚动轴承及联轴器设置在顶板、定板上，丝杠螺母与步进电机连接，动板上设有检测机构，检测机构顶部设有中间绳轮，第二定板上设有左侧绳轮及右侧绳轮，三个绳轮用于安装第一人工肌群牵引线。本发明的整套力矩检测装置，根据力学中的力三角关系和力在柔性绳上传力不变的原理，能在不释放第一人工肌群牵引线张力的情况下,夹持于第一人工肌群牵引线的适当位置，测出数值，通过数学运算换算到第一人工肌群牵引线的实际张力和关节力矩，其结构简单且小巧实用，测量精度高。

权利要求

1.人工肌群驱动仿生关节的力矩检测装置，设置在人工肌群驱动仿生关节的主关节（08）与第一副关节（03）、第二副关节（04）之间，包括通过第一导轨（15）和第二导轨（16）连接的底板（10）、第二定板（13）、第一定板（11）及顶板（14），动板（12）通过第一带座直线轴承（20）及第二带座直线轴承（21）与两个导轨连接，丝杠螺母（31）固定连接在动板（12）上，螺杆（30）依次通过第一带座滚动轴承（22）、第二带座滚动轴承（23）及联轴器（32）设置在顶板（14）、第二定板（13）及第一定板（11）上，丝杠螺母（31）通过联轴器（32）与设置在底板（10）上的步进电机（33）连接，动板（12）上设有检测机构（5），检测机构（5）顶部设有中间绳轮（41），第二定板（13）上设有左侧绳轮（40）及右侧绳轮（42），左侧绳轮（40）及右侧绳轮（42）位于中间绳轮（41）的两侧，三个绳轮用于安装第一人工肌群牵引线（06）。

2.根据权利要求1所述的人工肌群驱动仿生关节的力矩检测装置，其特征在于检测机构（5）包括横板（53）、立板（50）及力传感器（54），横板（53）与立板（50）垂直连接，中间绳轮（41）安装在立板（50）顶部，力传感器（54）一端通过第一立柱（51）连接在横板（53）一端，力传感器（54）另一端通过第二立柱（52）连接在动板（12）一端。

3.根据权利要求1所述的人工肌群驱动仿生关节的力矩检测装置，其特征在于第二带座滚动轴承（23）的轴承内圈设有与螺杆（30）的螺纹槽匹配的锁紧螺钉，第二定板（13）通过锁紧螺钉和螺纹槽与螺杆（30）固定连接。

4.根据权利要求1所述的人工肌群驱动仿生关节的力矩检测装置，其特征在于左侧绳轮（40）、中间绳轮（41）和右侧绳轮（42）均为带滑槽、滚动轴承及轴的滑轮机构，绳轮通过的轴固定，肌群牵引线（06）依次搭设在左侧绳轮（40）、中间绳轮（41）和右侧绳轮（42）的滑槽上。

5.根据权利要求2所述的人工肌群驱动仿生关节的力矩检测装置，其特征在于力传感器（54）采用双孔悬臂平行梁应变式力传感器。

说明书

人工肌群驱动仿生关节的力矩检测装置

技术领域

[0001] 本发明属于力矩检测装置技术领域，具体涉及一种人工肌群驱动仿生关节的力矩检测装置。

背景技术

[0002] 机器人关节是影响机器人动静态特性的重要部件。对于大多数传统的工业机器人来讲，变形的主要来源是关节变形，由此带来一系列问题：1）严重影响了机器人的定位精度和轨迹精度；2）CNC 机床相比，机器人在铣削和去毛刺过程中可以发现严重的低频颤振现象；3）关节柔性的引入增加了控制的难度；4）存在内部零件刚度不一致导致的刚度非线性等。针对上述问题，Bittencourt、Erkaya、蔡鹤皋、余跃庆、何广平和Rigatos等国内外学者分别从关节摩擦、关节间隙、关节刚度辨识、柔性关节控制、关节阻抗控制等角度展开研究，对提高机器人关节运动精度、抖动抑制等具有明显的促进作用，但由于这些研究主要围绕电机驱动的关节构造模式展开，不能从根本上消除上述问题，申请人设计了一种人工肌群驱动仿生关节，但是其第一人工肌群牵引线的张力及关节力矩的检测存在大大的问题。

发明内容

[0003] 针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种人工肌群驱动仿生关节的力矩检测装置。

[0004] 所述的人工肌群驱动仿生关节的力矩检测装置，设置在人工肌群驱动仿生关节的主关节与第一副关节、第二副关节之间，包括通过第一导轨和第二导轨连接的底板、第二定板、第一定板及顶板，动板通过第一带座直线轴承及第二带座直线轴承与两个导轨连接，丝杠螺母固定连接在动板上，螺杆依次通过第一带座滚动轴承、第二带座滚动轴承及联轴器设置在顶板、第二定板及第一定板上，丝杠螺母通过联轴器与设置在底板上的步进电机连接，动板上设有检测机构，检测机构顶部设有中间绳轮，第二定板上设有左侧绳轮及右侧绳轮，左侧绳轮及右侧绳轮位于中间绳轮的两侧，三个绳轮用于安装第一人工肌群牵引线。

[0005] 所述的人工肌群驱动仿生关节的力矩检测装置，其特征在于检测机构包括横板、立板及力传感器，横板与立板垂直连接，中间绳轮安装在立板顶部，力传感器一端通过第一立柱连接在横板一端，力传感器另一端通过第二立柱连接在动板一端。

[0006] 所述的人工肌群驱动仿生关节的力矩检测装置，其特征在于第二带座滚动轴承的轴承内圈设有与螺杆的螺纹槽匹配的锁紧螺钉，第二定板通过锁紧螺钉和螺纹槽与螺杆固定连接。

[0007] 所述的人工肌群驱动仿生关节的力矩检测装置，其特征在于左侧绳轮、中间绳轮和右侧绳轮均为带滑槽、滚动轴承及轴的滑轮机构，绳轮通过的轴固定，肌群牵引线依次搭设在左侧绳轮、中间绳轮和右侧绳轮的滑槽上。

[0008] 所述的人工肌群驱动仿生关节的力矩检测装置，其特征在于力传感器采用双孔悬臂平行梁应变式力传感器。

[0009] 通过采用上述技术，本发明的有益效果如下：

[0010] 1）本发明通过将中间绳轮安装在检测机构顶部，并将检测机构固定在动板上，在步进电机工作下，通过联轴器和丝杠螺母带动动板精确地相对导轨上下移动，使第一人工肌群牵引线在左侧绳轮、中间绳轮及右侧绳轮中形成所需的力三角，便于检测；

[0011] 2）本发明通过将左侧绳轮与右侧绳轮固定在第二定板上，第二定板通过带座滚动轴承和螺杆连接顶板，其相对顶板高度可调，以此来调节两侧定滑轮的高度，以适应不同高度拉绳力的测量，高度调节好后，通过带座滚动轴承内的锁紧螺钉将其固定在螺杆上，完成定位锁定；

[0012] 3）本发明通过采用双孔悬臂平行梁应变式力传感器，具有精度高、易加工、结构简单紧凑、抗偏载能力强、固有频率高等优点，提高其检测精度；

[0013] 4）通过按钮与LED灯分别实现人为控制与信息交互；通过测力传感器及转换电路进行力的测量与数据传送；通过单片机编程实现各部分运动的衔接及数据的读取转换；通过液晶屏实现数值显示检测结果；

[0014] 5）本发明得到的整套力矩检测装置，根据力学中的力三角关系和力在柔性绳上传力不变的原理，能在不释放第一人工肌群牵引线张力的情况下,夹持于第一人工肌群牵引线的适当位置，测出数值，通过数学运算换算到第一人工肌群牵引线的实际张力和关节力矩，其结构简单且小巧实用，测量精度高。

附图说明

[0015] 图1为本发明的结构示意图；

[0016] 图2为本发明的另一结构示意图；

[0017] 图3为本发明的检测机构结构示意图；

[0018] 图4为本发明的使用状态参考图。

[0019] 图中：00-人工肌群，01-散热风扇，02-底座，03-第一副关节，04-第二副关节，05-第二人工肌群牵引线，06-第一人工肌群牵引线，07-关节力矩检测装置，08-主关节，09-主关节运动臂，10-底板，第一定板，12-动板，13-第二定板，14-顶板，15-第一导轨，16-第二导轨，20第一带座直线轴承，21-第二带座直线轴承，22-第一带座滚动轴承，23-第二带座滚动轴承，30-螺杆，31-丝杠螺母，32-联轴器，33-步进电机，40-左侧绳轮，41-中间绳轮，42-右侧绳轮，5-检测机构，50-立板，51-第一立柱，52-第二立柱，53-横板，54-力传感器。

具体实施方式

[0020] 以下结合说明书附图对本发明作进一步的描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

[0021] 如图1-4所示，本发明的人工肌群驱动仿生关节的力矩检测装置，简称关节力矩检测装置07，设置在人工肌群驱动仿生关节的主关节08与第一副关节03、第二副关节04之间，包括通过第一导轨15和第二导轨16连接的底板10、第二定板13、第一定板11及顶板14，动板12通过第一带座直线轴承20及第二带座直线轴承21与两个导轨连接，丝杠螺母31固定连接在动板12上，螺杆30依次通过第一带座滚动轴承22、第二带座滚动轴承23及联轴器32设置在顶板14、第二定板13及第一定板11上，第二带座滚动轴承23的轴承内圈设有与螺杆30的螺纹槽匹配的锁紧螺钉，第二定板13通过锁紧螺钉和螺纹槽与螺杆30固定连接；丝杠螺母
31通过联轴器32与设置在底板10上的步进电机33连接，动板12上设有检测机构5，检测机构
5顶部设有中间绳轮41，第二定板13上设有左侧绳轮40及右侧绳轮42，左侧绳轮40及右侧绳轮42位于中间绳轮41的两侧，三个绳轮用于安装第一人工肌群牵引线06。

[0022] 如图3所示，本发明的检测机构5包括横板53、立板50及力传感器54，横板53与立板50垂直连接，中间绳轮41安装在立板50顶部，力传感器54一端通过第一立柱51连接在横板
53一端，力传感器54另一端通过第二立柱52连接在动板12一端。

[0023] 本发明的左侧绳轮40、中间绳轮41和右侧绳轮42均为带滑槽、滚动轴承及轴的滑轮机构，绳轮通过的轴固定，肌群牵引线06从第一副关节03出来后，依次穿过左侧绳轮40的滑槽顶部、中间绳轮41的滑槽底部和右侧绳轮42的滑槽顶部，再绕到主关节8上。

[0024] 如图所示，本发明的力传感器54采用双孔悬臂平行梁应变式力传感器，其工作原理是：将应变片粘贴到受力力敏型弹性元件上，当弹性元件受力产生变形时，应变片产生相应的应变，转化成电阻变化。将应变片接成的电桥，力引起的电阻变化将转换为测量电路的电压变化，通过测量输出电压的数值，再通过换算即可得到所测量肌群牵引线张紧力，再乘以力臂就可得到关节力矩。

[0025] 如图4所示，本发明的检测对象是由一系列人工肌肉致动单元经过串并联组合而成的人工肌群00，人工肌群00侧面设有散热风扇01，人工肌群00通过立板安装在底座02上，人工肌群00包括并联的两组，一组连接第一副关节03，另一组连接第二副关节04，两组副关节分别通过第一人工肌群牵引线06和第二人工肌群牵引线05连接到主关节08，通过主关节08带动主关节运动臂09运动，本发明实施例中采用SMA弹簧，人工肌群00经过第一副关节03和第二肌群牵引线06、第一副关节04和第一肌群牵引线05，驱动主关节08旋转，带动关节运动臂09运动，本发明的关节力矩检测装置安装在正、副关节之间，完成对关节力矩的在线检测工作。

[0026] 如图1-4所示，本发明的使用过程如下：

[0027] 步骤1，如图4所示，将本发明的人工肌群驱动仿生关节的力矩检测装置安装在人工肌群驱动的仿生关节上，第一人工肌群牵引线06依次从左侧绳轮40槽的底部穿过，再从中间绳轮41槽的上面绕下，最后从右侧绳轮42槽的底部穿出，相对位置如图3所示；

[0028] 步骤2，初始条件下，左侧绳轮40、中间绳轮41和右侧绳轮42的中心在一条直线或者接近一条直线上，需要检测关节力矩时，步进电机33启动；

[0029] 步骤3，在步进电机33驱动下，通过联轴器32和丝杠螺母31带动动板12精确地在第一导轨15和第二导轨16作上下运动，检测机构5在动板12带动下也作相对第二定板13向下运动，使中间绳轮41和左侧绳轮40、右侧绳轮42在竖直方向错开一定距离，使第一人工肌群牵引线06在左侧绳轮40、中间绳轮41及右侧绳轮42中形成所需的力三角；

[0030] 步骤4，在第一人工肌群牵引线06的作用下，中间绳轮41、立板50、横板53、第一立柱51和第二立柱52对力传感器54施加扭矩，通过采集力传感器54的电信号，由转换电路进行力的测量与数据传送，通过单片机编程实现各部分运动的衔接及数据的读取转换，数据通过与单片机控制板连接的液晶屏显示数值，得到第一人工肌群牵引线06的张紧力；

[0031] 步骤5，步骤4得到的张紧力乘以该关节的驱动力臂，即可得到关节力矩。