CN101804635A - 基于球铰链三自由度欠驱动机器人手腕装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于球铰链三自由度欠驱动机器人手腕装置。它包括带有输入端和输出端的箱体、具有三自由度的球铰链的输出端和动力源输入端，该动力源输入端为一根绳子三构成的单一动力源；输出端为以球铰链的末端连杆接入箱体；箱体内装有一个由绳子、导环、弹簧等构成的欠驱动系统，绳子三通过该欠驱动系统连接末端连杆；输入端绳子三的直线运动，经过欠驱动系统的后，带动末端连杆作三自由度运动。本发明仅需要一个动力源即可驱动输出端作三自由度运动。本发明结构简单、成本低、重量轻、体积小，易加工、易于维护，可作为机器人手腕或多个串联成机器人手臂。

Description

基于球铰链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，特别是一种基于球铰链三自由度欠驱动机器人手腕装置。

背景技术

传统机械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。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。一般情况下，机器人的各种功能可以通过机械臂和执行器末端的操作来实现，而手腕是联系手臂和执行器末端的重要装置，其设计的是机器人的关键技术之一。

发明内容

针对本发明的目的在于已有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于球铰链三自由度欠驱动机器人手腕装置。该装置自身由于仅带有一个动力源输入端，所以该装置可靠，结构简单，成本低、重量轻，体积小，易于加工，易于维护，且其末端具有三个自由度，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，本发明的构思是：本发明的基于球铰链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。欠驱动系统包括导环、滑动导环装置、绳子、簧件、球铰链。所述的末端连杆通过球副安装在箱体内。所述的导轮固定在所述的箱体内壁。所述的滑动导环装置，由滑动导环、滑槽、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，可以沿所述滑槽滑动。所述的其中绳子一一端固结于所述末端连杆一侧环，绕过所述的导轮和所述的滑动导环后，另一端固结于所述末端连杆另一侧环；所述的绳子二一端固结于末端连杆第三侧环，绕过所述导轮和所述的另一滑动导环后，另一端固结于所述的另一滑动导环中部。所述的簧件一为一拉伸弹簧，其一端固结于所述箱体内壁，另一端固结于所述末端连杆；所述的簧件二也是一拉伸弹簧，其一端固结于所述箱体内另一侧壁，另一端固结于所述末端连杆另一侧壁；所述的簧件三为一拉伸弹簧，其一端固结于所述末端连杆第三侧壁，另一端固结于所述箱体内第三侧壁。

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。

末端连杆通过球副连接箱底，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，它包括带有输入端和输出端的箱体、具有三自由度的球铰链的输出端和动力源输入端，该动力源输入端为一根绳子三构成的单一动力源接入所述的箱体；所述输出端为以球铰链竖直的末端连杆接入箱体；箱体内装有一个由绳子、导环、弹簧等构成的欠驱动系统，所述绳子三通过所述欠驱动系统连接所述末端连杆；所述输入端绳子三的直线运动，经过欠驱动系统后，带动所述末端连杆作三自由度运动。

上述欠驱动系统的结构是：所述箱体为三棱柱形筒体，所述的末端连杆的竖直杆中部设置有周向120°分布的三个环，三个径向设置的拉伸弹簧分别连接所述的三个环，另一端分别连接箱体的三个侧面。所述的绳子三连接一个固定安装在箱体一侧面的竖直方向滑动导环，一根绳子二绕过所述垂直方向滑动导环后，一端绕过固定安装在箱体另一侧面导环二后连接所述的末端连杆伸入箱体内的中部的一个环，能拉动末端连杆作摆动，而另一端连接另一个垂直方向的滑动导环一，能拉动该滑动导环一作竖直移动，该滑动导环一与所述滑动导环同侧面固定安装；有另一根绳子一绕过所述垂直方向滑动导环一后，一端绕过一个同侧面安装导环三后连接所述末端连杆中部的另一侧边的环，能使所述末端连杆朝另一个方向的摆动，绳子一的另一端绕过一个固定安装在箱体第三侧壁上的导环一后连接末端连杆中部的第三侧的环，能使末端连杆朝第三个方向做摆动；因此，所述绳子三的垂直拉动，牵动所述绳子二和绳子一，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竖直杆和在箱体外面的圆板条片构成的蘑菇形杆；所述末端连杆的竖直杆下端套设在一个球副座上，使末端连杆能绕球副座做三自由度摆动，所述的球副座固定安装在所述箱体的内底上。

上所述两个滑动导环分别与两个竖直方向导槽相配，该两滑槽与所述导环三安装在所述箱体的同一侧壁上；导环一和导环二分别安装在箱体的另外两侧壁上。

上述的滑动导环与滑槽滑配结构是：滑槽固定在所述箱体的内壁上，一根带T榫头的滑动导环套设在所述滑槽内，使滑动导环能沿滑槽方向滑动，滑动导环的顶部的环或中部的环分别绕上对应的绳子。

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入端，经过一个由绳子、导环、弹簧等构成的欠驱动系统的传动，带动作为输出端的具有三自由度的以球铰链装置的末端连杆作三自由度运动。该装置动力源少，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，可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的俯视图。

图4是图2的A-A剖视图。

图5是图2的B-B剖视图。

图6是图5的C-C剖视图。

图7是本发明实施例的滑动导环装置(图6的D-D剖视图)。

在图1至图7中：

1末端连杆，2箱体，3拉伸弹簧一，4绳子一，5导环一，6拉伸弹簧二，7绳子二，8导环二，9球副座，10滑动导环一，11滑槽一，12导环三，13拉伸弹簧二，14滑槽二，15滑动导环二，16绳子三。

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，本基于球铰链的三自由度欠驱动机器人手腕装置，它包括带有输入端和输出端的箱体2、具有三自由度的球铰链的输出端和动力源输入端，该动力源输入端为一根绳子三16构成的单一动力源接入所述的箱体2；所述输出端为以球铰链竖直的末端连杆1接入箱体2；箱体2内装有一个由绳子4、7、16、导环5、8、10、12、15、弹簧3，6，13等构成的欠驱动系统，所述绳子三通过所述欠驱动系统连接所述末端连杆1；所述输入端绳子三16的直线运动，经过欠驱动系统后，带动所述末端连杆1作三自由度运动。

实施例二：参见图1，图2，图3，图4，图5，图6，图7，本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：所述箱体2为三棱柱形筒体，所述的末端连杆1的竖直杆中部设置有周向120°分布的三个环，三个径向设置的拉伸弹簧3，6，13分别连接所述的三个环，另一端分别连接箱体2的三个侧面。所述的绳子三16连接一个固定安装在箱体2一侧面的竖直方向滑动导环15，一根绳子二7绕过所述垂直方向滑动导环15后，一端绕过固定安装在箱体2另一侧面导环二8后连接所述的末端连杆1伸入箱体内的中部的一个环，能拉动末端连杆2作摆动，而另一端连接另一个垂直方向的滑动导环一10，能拉动该滑动导环一10作竖直移动，该滑动导环一10与所述滑动导环15同侧面固定安装；有另一根绳子一4绕过所述垂直方向滑动导环一10后，一端绕过一个同侧面安装导环三12后连接所述末端连杆1中部的另一侧边的环，能使所述末端连杆1朝另一个方向的摆动，绳子一4的另一端绕过一个固定安装在箱体2第三侧壁上的导环一5后连接末端连杆1中部的第三侧的环，能使末端连杆1朝第三个方向做摆动；因此，所述绳子三(16)的垂直拉动，牵动所述绳子二(7)和绳子一(4)，能使末端连杆1实现三自由度运动。

所述末端连杆1由伸入箱体2的竖直杆和在箱体1外面的圆板条片构成的蘑菇形杆；所述末端连杆1的竖直杆下端套设在一个球副座9上，使末端连杆1能绕球副座9做三自由度摆动，所述的球副座9固定安装在所述箱体2的内底上。

所述两个滑动导环10、15分别与两个竖直方向导槽11，14相配，该两滑槽11，14与所述导环三12安装在所述箱体2的同一侧壁上；导环一5和导环二8分别安装在箱体2的另外两侧壁上。

所述的滑动导环与滑槽滑配结构是：滑槽11、14固定在所述箱体2的内壁上，一根带T榫头的滑动导环10、15套设在所述滑槽10、14内，使滑动导环10、15能沿滑槽方向滑动，滑动导环10，15的顶部的环或中部的环分别绕上对应的绳子4、7、16。

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环15，其将带动与之相连的绳子二7，绳子二7两端分别带动末端连杆1摆动和滑动导环10移动，该滑动导环10将带动绳子一4，绳子一4两端分别带动末端连杆摆动。在这个运动过程中，拉伸弹簧3、6、13均被进一步拉伸。末端连杆的三个摆动实质上是末端连杆绕球副中心的任意方向的摆动。具体实施时，绳子三16可由步进电机驱动丝杆拉动。

本实施例其工作原理为：用手拉动绳子16作直线运动，绳子16使滑动导环二15作直线移动，从而带动绳子7移动；绳子7一端绕过导环8后牵引末端连杆，使之摆动，绳子7的另一端牵引滑动导轮一10，使导轮10作直线移动；导轮10即可带动绳子4移动，绳子4一端绕过导轮12后牵引末端连杆1，使末端连杆1摆动，绳子4另一端绕过导轮5后牵引末端连杆1，使末端连杆摆动。综上所述，该机构的最终效果末端连杆的绕球副中心任意方向的摆动，故该机构为单个驱动源的三个自由度机构。

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)

1.一种基于球铰链三自由度欠驱动机器人手腕装置，它包括带有输入端和输出端的箱体(2)、具有三自由度的球铰链的输出端和动力源输入端，该动力源输入端为一根绳子三(16)构成的单一动力源接入所述的箱体(2)；所述输出端为以球铰链竖直的末端连杆(1)接入箱体(2)；箱体(2)内装有一个由绳子(4、7、16)、导环(5、8、10、12、15)、弹簧(3，6，13)等构成的欠驱动系统，所述绳子三通过所述欠驱动系统连接所述末端连杆(1)；所述输入端绳子三(16)的直线运动，经过欠驱动系统后，带动所述末端连杆(1)作三自由度运动。

2.根据权利要求1所述的基于球铰链三自由欠驱动机器人手腕装置，其特征在于所述欠驱动系统的结构是：所述箱体(2)为三棱柱形筒体，所述的末端连杆(1)的竖直杆中部设置有周向120°分布的三个环，三个径向设置的拉伸弹簧(3，6，13)分别连接所述的三个环，另一端分别连接箱体(2)的三个侧面。所述的绳子三(16)连接一个固定安装在箱体(2)一侧面的竖直方向滑动导环(15)，一根绳子二(7)绕过所述垂直方向滑动导环(15)后，一端绕过固定安装在箱体(2)另一侧面导环二(8)后连接所述的末端连杆(1)伸入箱体内的中部的一个环，能拉动末端连杆(2)作摆动，而另一端连接另一个垂直方向的滑动导环一(10)，能拉动该滑动导环一(10)作竖直移动，该滑动导环一(10)与所述滑动导环(15)同侧面固定安装；有另一根绳子一(4)绕过所述垂直方向滑动导环一(10)后，一端绕过一个同侧面安装导环三(12)后连接所述末端连杆(1)中部的另一侧边的环，能使所述末端连杆(1)朝另一个方向的摆动，绳子一(4)的另一端绕过一个固定安装在箱体(2)第三侧壁上的导环一(5)后连接末端连杆(1)中部的第三侧的环，能使末端连杆(1)朝第三个方向做摆动；因此，所述绳子三(16)的垂直拉动，牵动所述绳子二(7)和绳子一(4)，能使末端连杆(1)实现三自由度运动。

3.根据权利要求2所述的基于球铰链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(1)由伸入箱体(2)的竖直杆和在箱体(1)外面的圆板条片构成的蘑菇形杆；所述末端连杆(1)的竖直杆下端套设在一个球副座(9)上，使末端连杆(1)能绕球副座(9)做三自由度摆动，所述的球副座(9)固定安装在所述箱体(2)的内底上。

4.根据权利要求3所述的基于球铰链三自由度欠驱动机器人手腕装置，其特征在于所述两个滑动导环(10、15)分别与两个竖直方向导槽(11，14)相配，该两滑槽(11，14)与所述导环三(12)安装在所述箱体(2)的同一侧壁上；导环一(5)和导环二(8)分别安装在箱体(2)的另外两侧壁上。

5.根据权利要求4所述的基于球铰链三自由度欠驱动机器人手腕装置，其特征在于所述的滑动导环与滑槽滑配结构是：滑槽(11、14)固定在所述箱体(2)的内壁上，一根带T榫头的滑动导环(10、15)套设在所述滑槽(10、14)内，使滑动导环(10、15)能沿滑槽方向滑动，滑动导环(10，15)的顶部的环或中部的环分别绕上对应的绳子(4、7、16)。

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