CN101116971A - 一种可用作机器人腕关节的运动解耦球面转动并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可用作机器人手腕的运动解耦球面转动并联机构，由机架(1)、动平台(3)和固连在机架和动平台之间的三个结构形式相同的运动支链(2a)、(2b)、(2c)组成，每个运动支链由三个转动副与它们之间的杆件组成，并且三个运动支链的主动副相互正交分布，所有运动副轴线汇交于一点，由三条运动支链的旋转电机驱动实现动平台围绕转动副轴线汇点的球面转动输出。每条运动支链的始端由电机驱动。本发明涉及的并联机构具有运动解耦、结构简单，易于控制，成本低等优点，可用于机器人腕，肩关节、卫星定位及先进制造等领域。

Description

一种可用作机器人腕关节的运动解耦球面转动并联机构

技术领域

本发明涉及工业机器人，尤其涉及机器人的腕、肩、腰部关节。

背景技术

工业机器人通常由机械系统、控制系统和智能系统三个部分组成。机械系统又分为执行机构和驱动机构，其中执行机构一般由手部、腕部、臂部、腰部和机架组成。机器人腕部(即手腕)是臂部与手部的连接部件，是机器人的调节机构，是工业机器人操作机中最为复杂的部件。手腕按自由度个数可分为单自由度手腕、两自由度手腕和三自由度手腕。手腕处于手臂术端，要求其结构紧凑，重量轻；为了使手腕处于空间任意方向，灵活自如地实现各种作业，腕部最好具有三个俯仰、偏转、摆动自由度。

当机器手腕实现三个自由度时，公知的方法是采用类似文献[Arthur J.Critchlow，″Introduction to Robotics″Mscmillan Publishing Comp，New York，1986，p.70]中的手腕机构。此时驱动手腕三个自由度的电机都安装在机器人上臂后端，然后通过中央轴、内层套筒和外层套筒，实现手腕的三个自由度。显然这种三层套筒轴传动方式的复杂性限制了6自由度机器人的普及。近年来随着元器件的小型化，尤其是电机功率/重量比地提高，出现了使电机更加靠近被驱动关节，日本安川公司(YASKAWA Electric Mfg.Co.Ltd)的机器人Motoman KS(All-Electric Industrial robot，YASKAWA，Japan)系统中采用的手腕结构是其中的代表。它采用齿轮传动实现三个转动自由度。但是齿轮传动容易磨损、传动精度较低，要精密、小巧的成本很高，对工作空间狭窄的应用难以实现。

随着并联机构的出现，能实现三个转动自由度的并联机构开始应用于机器人腕关节。与串联结构的球面转动机构相比，并联球面转动机构的腕关节刚度大、运动响应快，单位体积能承受更大的载荷，特别适合用于机器人的腕、肩、腰部关节[杭鲁滨，王彦，吴俊等.基于拓扑解耦准则的球面并联机构解耦条件研究[J].机械工程学报，2005，Vol.41，No.9：pp28-32]。运动解耦并联机器人是指输出运动的任一个自由度都仅依赖单个驱动单元，其他驱动单元动作不对此自由度产生影响。中国专利文献CN03258423.7文献报道的“基于球面机构的太阳跟踪装置”中采用了三自由度球面机构，但它的三个转动完全耦合，即不能解耦；导致并联机构控制复杂，标定困难，且制约了精度的提高。美国专利US00596699IA提出的二自由度球面机构也只能在初始位置瞬时解耦，其他位置不能解耦。文献[杭鲁滨，王彦，吴俊等.基于拓扑解耦准则的球面并联机构解耦条件研究[J].机械工程学报，2005，Vol.41，No.9：pp28-32]提出了一种部分解耦的3-RRR球面转动机构，但由于位姿参数仍然存在弱耦合，控制一个姿态参数会同时导致其他姿态参数变化。有关可以解耦的三自由度球面机构文献发明目前尚未检索到。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种运动解耦的球面转动并联机构，它具有刚度大、运动响应快、结构简单、控制容易、运动精度高、成本较低等特点。

本发明通过下述技术方案实现：一种可用作机器人腕关节的运动解耦球面转动并联机构，主要由链接机架、动平台及固连在机架和动平台之间的结构相同的三条运动支链组成，所述三条运动支链分别由三个转动副与它们之间的杆件组成，并且三个运动支链的主动副相互正交分布，所有运动副轴线汇交于一点，并由三条运动支链的电机驱动实现动平台围绕转动副轴线汇点的球面转动输出。

所述每条运动支链始端的主动副由旋转电机驱动，使杆件的一端实现绕电机轴向的转动，杆件的另一端连接转动副，转动副同时连接另一杆件，另一杆件又通过另一转动副与动平台相连。

所述机构的工作原理如下：当三条运动支链的电机驱动运动支链带动动平台绕电机轴线转动时，其他运动支链具有该轴向转动的自由度，因此可以与动平台随动，不需要该运动支链的主动副参与运动，因此机构的单个输入运动控制一个输出自由度，机构的三个转动自由度解耦，可以实现绕转动副轴线交点的球面运动。

本发明与现有技术相比有如下有益效果：

1.本发明所述的运动解耦球面转动并联机构仅含有转动副，并且所有驱动电机都可以安装在机架上，因而具有结构简单、安装方便、转动惯量小，运动响应快的优点。

2.本发明所述的球面转动并联机构运动解耦，单个输出自由度仅需要控制单个驱动单元，标定容易，控制简单，从而降低了开发成本。

附图说明

图1是本发明可用作机器人腕关节的运动解耦球面转动并联机构的一种实施例的结构示意图；

图2是图1中一条运动支链的结构示意图；

图3是本发明可用作机器人腕关节的解运动解耦球面转动并联机构的又一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1、3所示，本发明可用作机器人腕关节的运动解耦球面转动并联机构主要由链接机架1、动平台3及固连在机架1和动平台3之间的结构相同的三条运动支链2a、2b、2c组合而成。运动支链2a、2b、2c都由三个转动副与它们之间的杆件组成，三条运动支链2a、2b、2c的主动副相互正交分布，所有运动副轴线汇交于一点，并由运动支链2a、2b、2c的三个主动副驱动实现动平台3围绕转动副轴线汇点的球面转动输出。

如图2所示每条运动支链2a或2b或2c的始端的主动副21由旋转电机驱动，使杆件22的一端实现绕电机轴向的转动，杆件22的另一端连接转动副23，转动副23同时连接杆件24，杆件24又通过转动副25与动平台3相连。当运动支链2a、2b、2c的电机驱动运动支链带动动平台3绕电机轴线转动时，其他运动支链具有该轴向转动的自由度，因此可以与动平台随动，不需要该运动支链的主动副参与运动，因此机构的单个输入运动控制一个输出自由度，机构的三个转动自由度解耦，可以实现绕转动副轴线交点的球面运动。

Claims (2)

1.一种可用作机器人腕关节的运动解耦球面转动并联机构，由链接机架(1)、动平台(3)及固连在机架(1)和动平台(3)之间的结构相同的三条运动支链(2a)、(2b)、(2c)组成，其特征在于，所述三条运动支链(2a)、(2b)、(2c)都由三个转动副(21)、(23)、(25)与它们之间的杆件(22)、(24)组成，并且三个运动支链2a、2b、2c的主动副相互正交分布，所有运动副轴线汇交于一点，由三条运动支链(2a)、(2b)、(2c)的电机驱动实现动平台(3)围绕转动副轴线汇点的球面转动输出。

2.根据权利要求1所述的一种可用作机器人腕关节的运动解耦球面转动并联机构，其特征在于：  所述每条运动支链(2a)、(2b)、(2c)始端的主动副(21)由旋转电机驱动，使杆件(22)的一端实现绕电机轴向的转动，杆件(22)的另一端连接转动副(23)，转动副(23)同时连接杆件(24)，杆件(24)又通过转动副(25)与动平台(3)相连。

Images