CN101791802B - 三自由度欠驱动机器人手腕装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三自由度欠驱动机器人手腕装置。它包括箱体、具有三自由度的输出端和动力源输入端，动力源输入端为单一动力源，通过一根绳子三接入箱体；输出端为末端连杆接入箱体；箱体内装有一个欠驱动系统，绳子三通过该欠驱动系统连接末端连杆；绳子三的直线运动通过欠驱动系统的传动，带动末端连杆作三自由度运动。

Description

三自由度欠驱动机器人手腕装置

技术领域

本发明涉及一种机器人手腕装置，特别是一种三自由度欠驱动机器人手腕装置。

背景技术

与人类似，机器人的功能要通过机械臂操作来实现，而手腕是联系手臂和手爪的重要装置，其设计的是机器人的关键技术之一。现有的机器人手腕一般为三个自由度，均使用三个电机实现三个自由度，主要包括回转臂、倾斜臂、手腕部、壳体、安装座、减速器、传动轴和电机等。由于一个自由度需要由一个动力源(如电机等)来支持，而动力源的质量往往占关节总质量的大部分，所以这类装置显著的不足之处在于：该装置采用完全驱动的方式，致使机械结构较复杂，体积较大，质量较大，成本较高。

发明内容

本发明的目的是针对上有技术存在的缺陷，提供一种三自由度欠驱动机器人手腕装置。该装置自身仅带有一个动力源，结构简单，可靠，体积小、重量轻，成本低，易于加工，易于维护，且其末端具有三个自由度。该装置可以作为机器人手腕或多个串联形成机器人手臂。

为达到上述目的的构思是：本发明的三自由度欠驱动机器人手腕装置，含有箱体、末端连杆和套设在箱体和末端连杆之间的欠驱动系统。欠驱动系统包括关节轴、旋转连杆、固定导轮装置、滑动导轮装置、绳子和簧件。所述的关节轴固定在箱体内壁，所述的旋转连杆套设在所述的关节轴上。所述的末端连杆套设在所述的旋转连杆上，既可以绕所述的旋转连杆摆动，也能沿所述的旋转连杆移动。所述的固定导轮装置，由固定导轮、固定导轮轴、小螺母组成，所述的固定导轮轴固定在所述的箱体内壁，所述的固定导轮套设在所述的固定导轮轴上，采用所述小螺母限制所述的固定导轮沿所述固定导轮轴的滑动。所述的滑动导轮装置，由滑动导轮、滑动导轮轴、滑动导轮轴套、滑槽、小螺母组成。所述的滑槽固定在所述的箱体内壁，所述的滑动导轮轴套设在滑槽内，可以演所述滑槽滑动，所述的滑动导轮和滑动导轮轴套套设在所述的滑动导轮轴上，采用所述小螺母限制所述的滑动导轮沿所述滑动导轮轴的滑动。所述的其中绳子一一端固结于所述末端连杆，绕过所述的固定导轮和所述的滑动导轮后，另一端固结于所述旋转连杆；所述的绳子二一端固结于所述滑动导轮轴套，绕过所述固定导轮和所述的另一滑动导轮轴套后，另一端固结于所述的末端连杆。所述的簧件一为一拉伸弹簧，其一端固结于所述箱体内壁，另一端固结于所述旋转连杆；所述的簧件二也是一拉伸弹簧，其一端固结于所述箱体内壁，另一端固结于所述末端连杆；所述的簧件三为一压缩弹簧，其一端固结于所述旋转连杆，并套设在所述旋转连杆上，另一端固结于所述末端连杆。

本发明具有以下优点及突出性效果：本发明为欠驱动手腕装置，仅需要一个动力源即可驱动三个自由度，使手腕末端能在一定的空间自由运动。

为了确定本装置的自由度，现采用2种方法计算该装置的自由度。该装置的机构简图如图1所示。

方法一：基于约束螺旋的自由度计算原理和方法(参考黄真，《高等空间机构学》，北京：高等教育出版社，2006)，黄真等人解决了包括Sarrus机构，空间4P机构，空间RCPP机构，Bennett机构，CMP和Orthoglid机构等。

自由度计算公式：

M为机构的自由度；n为运动副数目；f_i为第i个运动副的相对自由度；v为多环并联产生的冗余约束；ζ为局部自由度。d是机构的阶，d＝6-λ，λ是机构的公共约束。取Z轴与$1重合，则3个螺旋可表示为：

$1：(100；000)

$2：(010；000)

$3：(000；010)

观察可得3个反螺旋：

$1‘：(101；001)

$2‘：(100；000)

$3‘：(001；000)

可知该机构由3公共约束，λ＝3

n＝3，g＝2， $\underset{i=1}{\overset{g}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i=3,$ v＝0，ζ＝0

由此可得机构自由度：M＝(6-3)(3-2-1)+3+0+0＝3

方法二：单闭环空间机构自由度的计算

$M=6(n-1)-\underset{i=1}{\overset{g}{\mathrm{\Σ}}}{u}_i+\mathrm{\ζ}$ (参考成大先，《机械设计手册》，北京：化学工业出版社，2004.1，p19-11)M为机构的自由度；n为运动副数目；u_i为第i个运动副限制的相对自由度数目；ζ为局部自由度。

M＝6(3-1)-9+0＝3，

故该机构的自由度为3。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种三自由度欠驱动机器人手腕装置，包括一个箱体、一个具有三自由度的输出端和一个动力源输入端，其特征在于：

1)所述的动力源为单一动力源，通过一根绳子三接入所述的箱体；

2)所述的输出端为一个末端连杆接入所述箱体；

3)所述箱体内装有一个欠驱动系统，所述绳子三通过该欠驱动系统连接所述末端连杆2；绳子的直线运动通过欠驱动系统的传动，带动末端连杆作三自由度运动。

上述欠驱动系统的结构是：所述的绳子三连接垂直方向的滑动导轮，一根绳子二绕过所述垂直方向的滑动导轮后，一端再绕过一个固定导轮后连接所述的末端连杆2插入箱体内的下端，能拉动末端连番作摆动，而另一端再绕过一个固定导轮二和一个固定导轮三后连接一个水平方向的滑动导轮，能拉动该滑动导轮作水平移动；有一根绳子一绕过所述的水平方向的滑动导轮后，绳子一一端绕过一个固定导轮四后连接一旋转连杆的一侧边，能使旋转连杆转动，而旋转连杆的另一侧面装有一个拉伸弹簧一，绳子一的另一端绕过一个固定导轮五后连接末端连杆的中部，能使末端连杆做水平移动；因此，所述绳子三的垂直拉动，能使末端连杆实现三自由度运动。

上述末端连杆由伸入箱体的垂直板条和在箱体上的水平板条构成的T形杆，所述旋转连杆由一个转盘和一根直杆构成；末端连杆的垂直板条套设在所述旋转连杆的直杆左端，使末端连杆能绕旋转连杆摆动且能沿旋转连杆的直杆轴向移动，末端连杆垂直板条的一侧边装有一个拉伸弹簧二，另一侧边连接所述绳子二；所述旋转连杆转盘套设在一个关节轴的上端，转盘的一侧装着所述的拉伸弹簧一，另一侧连接所述的绳子一，旋转连杆的直杆上套装一个压缩弹簧，该压缩弹簧的一端支承在旋转连杆的转盘侧面上，另一端支承在末端连杆的垂直板条上；所述关节轴的下端固定在箱体上。

上述5个固定导轮和2个滑动导轮安装在所述箱体的同一侧壁上；所述拉伸弹簧一和拉伸弹簧二的一端位定在所述箱体的另一侧壁上，而另一端分别与旋转连杆和末端连杆连接。

上述滑动导轮的安装结构是：一个滑槽固定在所述箱体的内壁上，一根带T榫头的滑动导轮轴套设在所述滑槽内，使滑动导轮轴能沿滑槽方向滑动，在所述滑动导轮轴上套装滑动导轮轴套和滑动导轮后旋上小螺母，使滑动导轮轴套和滑动导轮能在滑动导轮轴上自由转动，滑动导轮轴套和滑动导轮上分别有绳子导槽，绕上对应的绳子。

上述固定导轮的安装结构是：一根固定导轮轴固定在箱体上，该固定导轮轴上套装固定导轮后选上小螺母，使固定导轮能在固定导轮轴上自由转动，固定导轮上有绳子滑槽，绕上对应的绳子。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

本发明采用单一动力源驱动的一根绳子作为输出端，经过一个欠驱动系统的传动，带动作为输出端的末端连杆作三自由度运动，动力源少，所以手腕的体积也小，重量轻，成本低，仅需要较低的控制系统，本发明结构简单，工作可靠，可作为机器人的关节，用以实现较少的动力源驱动较多的手臂关节自由度。

附图说明

图1是本发明的机构简图。

图2是本发明的一种三自由度欠驱动机器人手腕实施例的正面外观图。

图3是图2的仰视图。

图4是图2的左视图。

图5是图2的A-A剖视图。

图6是图5的B-B剖视图。

图7是图6的C-C剖视图。

图8是本发明实施例的滑动导轮装置(图6的D-D剖视图)。

图9是本发明实施例的固定导轮装置(图6的E-E剖视图)。

图10是箱体固定后本发明实施例手腕末端连杆质心空间运动曲线。

图11是箱体固定后本发明实施例手腕末端连杆质心相对于参考坐标系在X、Y、Z方向的变化。

在图1至图9中：

a、c、d、e、g是固定导轮部件，b、f是滑动导轮部件。

1箱体，2末端连杆，3旋转连杆，4大螺母，5导轮，6拉伸弹簧一，7压缩弹簧，8拉伸弹簧二，9滑动导轮轴，10滑槽，11滑动导轮轴套，12滑动导轮，13小螺母，14绳子一，15绳子二，16绳子三，17关节轴，18固定导轮轴，19电机，20丝杆，21螺母套筒。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

实施例一：参见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7，本三自由度欠驱动机器人手腕装置包括一个箱体1、一个具有三自由度的输出端和一个动力源输入端；动力源为单一动力源，通过一根绳子三16接入箱体；输出端为一个末端连杆2接入箱体1；箱体1内装有一个欠驱动系统，绳子三16通过该欠驱动系统连接末端连杆2；绳子三16的直线运动经过欠驱动系统的传动，带动末端连杆2作三自由度运动。所述的单一动力源可以是一个电机19的输出端连接一根丝杆20，该丝杆20旋配一个螺母套筒21，螺母套筒21连接绳子三16。

实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：参见图1、图5、图6、图7，所述欠驱动系统的结构是：所述绳子三16连接一个垂直方向上的滑动导轮b，一根绳子二15绕过所述垂直方向的滑动导轮b后，一端再绕过一个固定导轮a后连接所述的末端连杆2插入箱体内的下端，能拉动末端连番2作摆动，而另一端再绕过一个固定导轮二c和一个固定导轮三d后连接一个水平方向的滑动导轮f，能拉动该滑动导轮f作水平移动；有一根绳子一14绕过所述的水平方向的滑动导轮f后，绳子一14一端绕过一个固定导轮四e后连接一旋转连杆2的一侧边，能使旋转连杆3转动，而旋转连杆3的另一侧面装有一个拉伸弹簧一6，绳子一14的另一端绕过一个固定导轮五g后连接末端连杆的中部，能使末端连杆2做水平移动；因此，所述绳子三16的垂直拉动，能使末端连杆2实现三自由度运动。

所述末端连杆2由伸入箱体1的垂直板条和在箱体1上的水平板条构成的T形杆，所述旋转连杆3由一个转盘和一根直杆构成；末端连杆2的垂直板条套设在所述旋转连杆3的直杆左端，使末端连杆2能绕旋转连杆3摆动且能沿旋转连杆3的直杆轴向移动，末端连杆2垂直板条的一侧边装有一个拉伸弹簧二8，另一侧边连接所述绳子二15；所述旋转连杆3转盘套设在一个关节轴17的上端，转盘的一侧装着所述的拉伸弹簧一6，另一侧连接所述的绳子一14，旋转连杆3的直杆上套装一个压缩弹簧7，该压缩弹簧7的一端支承在旋转连杆3的转盘侧面上，另一端支承在末端连杆2的垂直板条上；所述关节轴17的下端固定在箱体1上。

本实施例其工作原理为：电机通过丝杠传动，螺母套筒带动绳子16作直线运动，绳子16使导轮b作直线移动，从而带动绳子15移动；绳子15一端绕过导轮a后牵引末端连杆，使之摆动，绳子15的另一端绕过导轮c、导轮d后牵引导轮f，使导轮f作直线移动；导轮f即可带动绳子14移动，绳子14一端绕过导轮e后牵引旋转连杆，使旋转连杆转动，绳子14另一端绕过导轮e后牵引末端连杆，使末端连杆移动。综上所述，该机构的最终效果是旋转连杆的转动和末端连杆的摆动和移动，故该机构为单个驱动源的三个自由度机构。

上述固定导轮部件和滑动导轮部件安装在所述箱体1的同一内壁上。

参见图8，所述的固定导轮装置的安装结构是：固定导轮轴18固定在箱体1内壁上，固定导轮5套设在固定导轮轴18上，可以绕导轮轴转动，采用所述小螺母13限制所述的固定导轮5沿固定导轮轴18的滑动。

参见图9，所述的滑动导轮装置的安装结构是：滑槽10固定在所述的箱体1内壁，滑动导轮轴9套设在滑槽10内，可以沿滑槽10滑动，滑动导轮12和滑动导轮套11套设在滑动导轮轴9上，可以绕导轮轴转动，采用小螺母13限制滑动导轮12沿滑动导轮轴9的滑动。

所述的三自由度欠驱动机器人手腕装置详细的连接关系是：关节轴17固定在箱体内壁1，旋转连杆3套设在关节轴17上，可以绕关节轴17旋转；其中，末端连杆2套设在旋转连杆3上，既可以绕旋转连杆3摆动，也能沿旋转连杆3移动；绳子一16一端为动力源输入端，另一端系于滑动导轮部件b中的滑动导轮12，绳子二14绕过滑动导轮部件b中的滑动导轮套11和固定导轮部件a、c、d中的固定导轮5后，两端分别与末端连杆2和另一滑动导轮部件f的滑动导轮套11连接，绳子三15绕过该滑动导轮部件f的滑动导轮12和固定导轮e、g中的滑动导轮12后，分别与末端连杆2和旋转连杆3连接；拉伸弹簧一6一端固结于箱体内壁1，另一端固结于旋转连杆3；拉伸弹簧二8一端固结于箱体内壁1，另一端固结于末端连杆2；压缩弹簧8一端固结于旋转连杆3，并套设在旋转连杆3上，另一端固结于末端连杆2。

所述的绳子16受力端受到一定大小的力后，会绷紧绳子三16，同时会带动与之相连的滑动导轮部件b的滑动导轮5，滑动导轮部件b的滑动导轮轴9带动滑动导轮轴套11，其将带动与之相连的绳子二15，绳子二15两端分别带动末端连杆摆动2和滑动导轮部件f中的滑动导轮轴套11移动，该滑动导轮部件f将带动绳子一14，绳子一14两端分别带动末端连杆2移动和旋转连杆3转动。在这个运动过程中，拉伸弹簧一6和拉伸弹簧二8均被进一步拉伸，压缩弹簧7被进一步压缩。具体实施时，绳子16可由步进电机驱动丝杆拉动。

上述实施方式经过多体运动/动力学仿真分析后，可以得到该实施例的末端连杆2质心的一条空间运动曲线，如图10所示。图11是该质心相对于参考坐标系在X、Y、Z方向的变化。上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种三自由度欠驱动机器人手腕装置，包括一个箱体(1)、一个具有三自由度的输出端和一个动力源输入端，其特征在于：

a.所述的动力源为单一动力源，通过一根绳子三(16)接入所述的箱体(1)；

b.所述的输出端为一个末端连杆(2)接入所述箱体(1)；

c.所述箱体(1)内装有一个欠驱动系统，所述绳子三(16)通过该欠驱动系统连接所述末端连杆(2)；绳子三(16)的直线运动通过欠驱动系统的传动，带动末端连杆(2)作三自由度运动；

所述欠驱动系统的结构是：所述的绳子三(16)连接一个垂直方向的滑动导轮组件(b)，一根绳子二(15)绕过所述垂直方向的滑动导轮组件(b)后，一端再绕过一个固定导轮一(a)后连接所述的末端连杆(2)伸入箱体内的下端，能拉动末端连杆(2)作摆动，而另一端再绕过一个固定导轮二(c)和一个固定导轮三(d)后连接一个水平方向的滑动导轮组件(f)，能拉动该滑动导轮组件(f)作水平移动；有一根绳子一(14)绕过所述的水平方向的滑动导轮组件(f)后，绳子一(14)一端绕过一个固定导轮四(e)后连接一旋转连杆(2)的一侧边，能使旋转连杆(3)转动，而旋转连杆(3)的另一侧面装有一个拉伸弹簧一(6)，绳子一(14)的另一端绕过一个固定导轮五(g)后连接末端连杆的中部，能使末端连杆(2)做水平移动；因此，所述绳子三(16)的垂直拉动，能使末端连杆(2)实现三自由度运动。

2.根据权利要求1所述的三自由度欠驱动机器人手腕装置，其特征在于所述末端连杆(2)由伸入箱体(1)的垂直板条和在箱体(1)上的水平板条构成的T形杆，所述旋转连杆(3)由一个转盘和一根直杆构成；末端连杆(2)的垂直板条套设在所述旋转连杆(3)的直杆左端，使末端连杆(2)能绕旋转连杆(3)摆动且能沿旋转连杆(3)的直杆轴向移动，末端连杆(2)垂直板条的一侧边安装有一个拉伸弹簧二(8)，另一侧边连接所述绳子二(15)；所述旋转连杆(3)转盘套设在一个关节轴(17)的上端，转盘的一侧装着所述的拉伸弹簧一(6)，另一侧连接所述的绳子一(14)，旋转连杆(3)的直杆上套装一个压缩弹簧(7)，该压缩弹簧(7)的一端支承在旋转连杆(3)的转盘侧面上，另一端支承在末端连杆(2)的垂直板条上；所述关节轴(17)的下端固定在箱体(1)上。

3.根据权利要求2所述的三自由度欠驱动机器人手腕装置，其特征在于所述固定导轮一(a)、固定导轮二(c)、固定导轮三(d)、固定导轮四(e)、固定导轮五(g)和两个滑动导轮组件(b、f)安装在所述箱体(1)的同一侧壁上；所述拉伸弹簧一(6)和拉伸弹簧二(8)的一端位定在所述箱体(1)的另一侧壁上，而另一端分别与旋转连杆(3)和末端连杆(2)连接。

4.根据权利要求3所述的三自由度欠驱动机器人手腕装置，其特征在于所述的两个滑动导轮组件(b、f)结构是：一个滑槽(10)固定在所述箱体(1)的内壁上，一根带T榫头的滑动导轮轴(9)套设在所述滑槽(10)内，使滑动导轮轴(9)能沿滑槽方向滑动，在所述滑动导轮轴(9)上套装滑动导轮轴套(11)和滑动导轮(12)后旋上小螺母(13)，使滑动导轮轴套(11)和滑动导轮(12)能在滑动导轮轴(9)上自由转动，滑动导轮轴套(11)和滑动导轮(12)上分别有绳子导槽，绕上对应的绳子(14、15、16)。

5.根据权利要求3所述的三自由度欠驱动机器人手腕装置，其特征在于所述固定导轮一(a)、固定导轮二(c)、固定导轮三(d)、固定导轮四(e)、固定导轮五(g)的安装结构是：一根固定导轮轴(18)固定在箱体(1)上，该固定导轮轴(18)上套装固定导轮(5)后旋上小螺母(13)，使固定导轮(5)能在固定导轮轴(18)上自由转动，固定导轮(5)上有绳子滑槽，绕上对应的绳子(14、15)。

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