一种斜切面圆柱连接的三维机械关节、机械臂和控制方法与流程

本发明涉及机械臂领域，尤其是涉及一种斜切面圆柱连接的三维机械关节、机械臂和控制方法。

背景技术：

随着以机器人为代表的工业机械逐渐精准化、灵活化、智能化发展，目前涌现出大量的通过机械臂实现的转动传动方案。但对这些转动传动方案的要求也越来越多，如今，能实现灵活、紧凑、精准、可主动控制、运动可编程、可三维转动、可自锁的转动传动方案变得极为重要，但是，可以同时实现以上要求的设计方案不易实现。

中国专利cn201822040737.2公开了一种机械关节，该机械关节包括：基座；球头杆，球头杆包括相连接的球头和支杆，球头可转动地设置在基座上；麦克纳姆轮，麦克纳姆轮与球头相接触；驱动装置，驱动装置与基座相对固定地设置，驱动装置驱动连接麦克纳姆轮，以使麦克纳姆轮驱动球头绕球头的球心转动。该机器人包括该机械关节。该关节因设计限制，无法真正实现空间三维转动，同时该设计在外力矩施加在机械臂上时不能自锁，容易损坏传动结构。

中国专利cn201920687886.x公开了一种通过控制球铰达到三维转动目的的设计，包括：端部设有凹面的窝体、与凹面转动连接的壳体以及与壳体转动连接的摆臂；凹面上设有第一凹槽，壳体与凹面的配合面上设有滑动插装于第一凹槽上的第一凸台，壳体与摆臂的配合面上设有与第一凸台的滑动方向垂直的第二凹槽，摆臂上设有滑动插装于第二凹槽内的第二凸台，还包括用于控制第一凸台沿第一凹槽滑动以带动壳体沿凹面转动、控制第二凸台沿第二凹槽滑动以带动摆臂沿壳体摆动的执行器。但是该方案由于借助了层层的球形设计，导致结构不紧凑，并且球形设计不易控制，精确度差。

在一些领域中存在着对机械转动传动方案结构精巧且能严格自锁的需求，例如采用机器人进行全自动静脉穿刺过程中，由于静脉本身朝向任意，且机械臂必须控制穿刺针精准、灵活地实现预定穿刺轨迹：对准静脉朝向—选定刺入角度—刺入—刺入后针头向上微微挑起。该复杂动作难以精确实现，即使实现，也很难做到结构精巧紧凑。

同时，为保证被穿刺患者的安全，该场景要求机械臂严格自锁：当外力试图转动机械臂时，结构应具备保持不动的能力。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能严格自锁的斜切面圆柱连接的三维机械关节、机械臂和控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种斜切面圆柱连接的三维机械关节，包括第一可旋转结构和第二可旋转结构，所述三维机械关节还包括倾斜连接部，该倾斜连接部包括第一斜切面圆柱和第二斜切面圆柱，所述第一斜切面圆柱包括相互倾斜连接的第一圆柱部和第一旋转连接部，所述第二斜切面圆柱包括相互倾斜连接的第二圆柱部和第二旋转连接部，所述第一圆柱部转动连接所述第二圆柱部；

所述第一可旋转结构的旋转输出端连接所述第一旋转连接部，所述第二可旋转结构的旋转输出端连接所述第二旋转连接部。

进一步地，所述第一可旋转结构包括第一电机，该第一电机的旋转输出端连接所述第一旋转连接部；所述第二可旋转结构包括第二电机，该第二电机的旋转输出端连接所述第二旋转连接部。

进一步地，所述第一可旋转结构还包括第一电机外壳，所述第一电机固定安装在所述第一电机外壳内部；

所述第二可旋转结构还包括第二电机外壳，所述第二电机固定安装在所述第二电机外壳内部；

所述三维机械关节还包括连接环，所述第一电机外壳和第二电机外壳均通过连接耳转动连接所述连接环。

进一步地，所述第一电机外壳设有两个位置相对的连接耳，所述第二电机外壳设有两个位置相对的连接耳，四个所述连接耳均匀连接在所述连接环的外侧四周。

进一步地，所述第一电机的旋转输出端通过键连接、焊接或者一体化连接所述第一旋转连接部，所述第二电机的旋转输出端通过键连接、焊接或者一体化连接所述第二旋转连接部。

进一步地，所述第一圆柱部设有凹槽，所述第二圆柱部的形状和大小与所述凹槽相配合，所述第二圆柱部通过所述凹槽转动连接所述第一圆柱部。

进一步地，所述第一圆柱部通过滚动轴承或滑动轴承转动连接所述第二圆柱部。

进一步地，所述三维机械关节，用于连接被控制件，进行三维转动；所述第二关节外壳连接所述被控制件。

进一步地，所述被控制件为注射器。

进一步地，所述被控制件连接在所述第二关节外壳的侧面。

本发明还提供一种如上所述的一种斜切面圆柱连接的三维机械关节的控制方法，所述第二可旋转结构连接有被控制件，所述方法包括以下步骤：

以所述第一旋转连接部的轴线为z轴，以所述第二圆柱部的自转中心为原点，建立空间坐标系a；

以所述第一圆柱部的倾斜平面的法线为z轴，以所述第二圆柱部的自转中心为原点，建立空间坐标系b；

以所述第二旋转连接部的轴线为z轴，以所述第二圆柱部的自转中心为原点，建立空间坐标系c；

获取所述被控制件在所述空间坐标系c中的坐标，通过坐标系变换，计算得到所述被控制件在所述空间坐标系a中的坐标，从而制定所述三维机械关节的控制方案。

进一步地，所述坐标系变换的计算表达式为：

式中，^cp为被控制件p在空间坐标系c中的坐标，为从空间坐标系b中转换到空间坐标系a的变换，为从空间坐标系c中转换到空间坐标系b的变换，为第一可旋转结构的旋转角度，为第二可旋转结构的旋转角度，θ1为第一圆柱部和第一旋转连接部的倾角，θ2为第二圆柱部和第二旋转连接部的倾角。

本发明还提供一种机械臂，包括多个依次串联的，如上所述的一种斜切面圆柱连接的三维机械关节。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)可实现三维空间转动：本发明第一可旋转结构转动时，会带动第一旋转连接部旋转，从而带动第二可旋转结构转动，第一圆柱部和第一旋转连接部的倾角，决定了此时第二可旋转结构的转动范围；第二可旋转结构转动时，由于第一圆柱部与第二圆柱部转动连接，第二可旋转结构会以第二圆柱部的旋转中心转动，第二圆柱部和第二旋转连接部的倾角，决定了此时第二可旋转结构的转动范围；两次转动中，第二可旋转结构分别处于两个相倾斜的转动平面中，由此实现三维空间转动；

(2)实现可编程转动控制：该发明通过对两电机的转动进行编程控制，可以实现机械铰在转动范围内沿任意轨迹转动；

(3)结构自锁：本发明三维机械关节的转动只由电机控制，外力施加于关节直接连接的机械臂将使机构自锁，进而保护机械臂、电机以及机械臂操作对象；

(4)结构紧凑：本发明仅由第一电机、第一电机外壳、第一斜切面圆柱、第二斜切面圆柱、第二电机、第二电机外壳以及连接环构成，相对于现有技术，本发明利用了较简单的机构、较少的零部件便实现了三维空间转动，结构更加紧凑。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

图2为本发明的转动状态示意图；

图3为本发明三维机械关节的结构示意图；

图4为本发明三维机械关节的内部结构示意图；

图5为本发明三维机械关节的倾斜连接部的分离状态示意图；

图6为本发明的传动流程图；

图7为本发明与注射器的连接状态示意图；

图8为本发明与注射器的传动流程图；

图9为本发明机械臂的结构示意图；

图中，001、斜切面柱结构a，002、斜切面柱结构b，1、第一可旋转结构，11、第一电机，12、第一电机外壳，2、第二可旋转结构，21、第二电机，22、第二电机外壳，3、倾斜连接部，31、第一斜切面圆柱，311、第一圆柱部，312、第一旋转连接部，32、第二斜切面圆柱，321、第二圆柱部，322、第二旋转连接部，4、连接环，5、三维机械关节，6、注射器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例提供一种斜切面圆柱连接的三维机械关节，下面从概述、具体结构、控制方法和组合应用三个方面进行介绍。

一、概述

如图1和图2所示，本实施例三维机械关节的核心传动部件可概括为001：斜切面柱结构a；002：斜切面柱结构b。假设001中心线固定，002中心线可绕中心o转动。通过转动控制，使001和002沿自身轴向旋转，通过二者之间配合的斜面，实现002绕中心o的转动，效果如图2。

假设001和002绕自身旋转角度分别为φ1和φ2，自身斜切面的倾角分别为θ1和θ2，以o为原点，以001轴线为z轴建立空间坐标系a，以o为原点，以001斜切面法线为z轴建立空间坐标系b，以o为原点，以002轴线为z轴建立空间坐标系c。

由此，各坐标系间的变换可表示为：

以向量p代表002中心轴方向，则：

式中，^cp为被控制件p在空间坐标系c中的坐标，为从空间坐标系b中转换到空间坐标系a的变换，为从空间坐标系c中转换到空间坐标系b的变换，为第一可旋转结构的旋转角度，为第二可旋转结构的旋转角度，θ1为空间坐标系a与空间坐标系b的倾角，θ2为空间坐标系b与空间坐标系c的倾角。

通过上述变换步骤可实现三维空间转动。

二、具体结构

下面介绍本实施例斜切面圆柱连接的三维机械关节的具体结构。

如图3和图4所示，本实施例提供的斜切面圆柱连接的三维机械关节，包括第一可旋转结构1、第二可旋转结构2、倾斜连接部3和连接环4；

第一可旋转结构1包括第一电机11和第一电机外壳12，第一电机11固定安装在第一电机外壳12内部。

第二可旋转结构2包括第二电机21和第二电机外壳22，第二电机21固定安装在第二电机外壳22内部。第一电机外壳12和第二电机外壳22均通过连接耳转动连接连接环4。

如图5所示，倾斜连接部3包括第一斜切面圆柱31和第二斜切面圆柱32，第一斜切面圆柱31包括相互倾斜连接的第一圆柱部311和第一旋转连接部312，第二斜切面圆柱32包括相互倾斜连接的第二圆柱部321和第二旋转连接部322，第一圆柱部311转动连接第二圆柱部321。

第一电机11的旋转输出端连接第一旋转连接部312，第二电机21的旋转输出端连接第二旋转连接部322。

下面对各部件和工作原理进行详细描述。

1、倾斜连接部的具体设置

第一圆柱部311设有凹槽，第二圆柱部321的形状和大小与凹槽相配合，第二圆柱部321通过凹槽转动连接第一圆柱部311。

第一圆柱部311通过滚动轴承或滑动轴承转动连接第二圆柱部321，使二者斜面互相贴合并实现相对轴向转动。

2、可旋转结构的具体设置

第一电机外壳12设有两个位置相对的连接耳，第二电机外壳22设有两个位置相对的连接耳，四个连接耳均匀连接在连接环4的外侧四周。

第一电机11的旋转输出端通过键连接、焊接或者一体化连接第一旋转连接部312，第二电机21的旋转输出端通过键连接、焊接或者一体化连接第二旋转连接部322，防止产生轴向相对转动，使得电机能够带动对应的斜切面圆柱转动。

相当于，第一电机外壳12固定第一电机11，第一电机11通过电机主轴连接第一斜切面圆柱31，通过第一电机11的转动带动第一斜切面圆柱31转动，同时第一电机外壳12通过两侧的连接耳与连接环4相连。第二电机外壳22、第二电机21和第二斜切面圆柱32的连接方式和作用与第一电机外壳12、第一电机11和第一斜切面圆柱31相同。第一电机11和第二电机21通过电机外壳与连接环4相连，当第一电机11和第二电机21主轴转动时，电机本身不存在相对轴向转动。第一电机外壳12和第二电机外壳22既固定电机，又起到机械臂作用。

3、工作原理

如图6所示，第一电机11启动旋转时，由于第一电机11和第一电机外壳12受固定保持不动，会带动第一旋转连接部312转动，从而使得整个第二可旋转结构2以第一旋转连接部312的旋转中心轴旋转；由于第一电机外壳12和第二电机外壳22均通过两侧的连接耳与连接环4转动连接，故第二电机外壳22可通过这些连接耳在连接环4上转动，不受阻碍；

虽然第一圆柱部311转动连接第二圆柱部321，但此时第一圆柱部311并不是以自身的旋转中心轴旋转，故第二圆柱部321在此过程中并不会相对于第一圆柱部311转动。

第二电机21启动旋转时，会带动第二旋转连接部322转动，在第一圆柱部311和第二圆柱部321的转动连接下，由于第一电机11与第一圆柱部311被固定，第二圆柱部321会带动第二电机21在第一圆柱部311上旋转，从而使得第二电机外壳22转动；同样，此时第二电机外壳22可通过连接耳在连接环4上转动，不受阻碍。

该传动方式转动轨迹可编程、精准、灵活、可自锁。

4、具体应用

三维机械关节用于连接被控制件进行三维转动。

如图7所示，本实施例将该三维机械关节用于全自动静脉穿刺过程中，将注射器6固定在第二旋转连接部322的外侧，从而控制注射器6进行静脉穿刺，能控制穿刺针精准、灵活地实现预定穿刺轨迹：对准静脉朝向—选定刺入角度—刺入—刺入后针头向上微微挑起，且可以保证结构在不需要电机大扭矩的情况下，即可实现结构自锁。

如图8所示，控制程序可通过对第一电机11和第二电机21进行控制，根据三维机械关节自身的工作原理，实现控制注射器6的角度变化控制。

三、控制方法

一种如上所述的一种斜切面圆柱连接的三维机械关节的控制方法，包括以下步骤：

以第一旋转连接部312的轴线为z轴，以第二圆柱部321的自转中心为原点，建立空间坐标系a；

以第一圆柱部311的倾斜平面的法线为z轴，以第二圆柱部321的自转中心为原点，建立空间坐标系b；

以第二旋转连接部322的轴线为z轴，以第二圆柱部321的自转中心为原点，建立空间坐标系c；

获取被控制件在空间坐标系c中的坐标，通过坐标系变换，计算得到被控制件在空间坐标系a中的坐标，从而制定三维机械关节的控制方案。

坐标系变换的计算表达式为：

式中，^cp为被控制件p在空间坐标系c中的坐标，为从空间坐标系b中转换到空间坐标系a的变换，为从空间坐标系c中转换到空间坐标系b的变换，为第一可旋转结构的旋转角度，为第二可旋转结构的旋转角度，θ1为第一圆柱部和第一旋转连接部的倾角，θ2为第二圆柱部和第二旋转连接部的倾角。

四、组合应用

如图9所示，本实施例还提供一种机械臂，包括多个依次串联的，如上所述的一种斜切面圆柱连接的三维机械关节5，形成可精准编程控制的多节机械臂或柔性机械臂。

当各个机械关节的电机按照对应方式编程控制时，该机械臂可以实现对机械臂预定转角、预定形态的控制。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。