CN101879721A - 一种四自由度一体化机器人关节机构 - Google Patents

Abstract

一种四自由度一体化机器人关节机构，它涉及一种机器人关节。本发明为解决目前实际应用的机器人基本由单一自由度关节组成而导致的机器人整体机构复杂庞大的问题，技术要点：所述关节机构的驱动缸的内表面设有点阵绕组，驱动子主体的外表面设有点阵永磁体；三个第一端板、三个第二端板分别合在一起形成的轮廓均是与驱动缸内表面同轴的圆环；三个圆柱曲面形驱动子主体合在一起形成的轮廓是与驱动缸内表面同轴的圆柱体，每个驱动子沿相应的两个导杆沿轴向滑动；三个连杆的一端各自通过转动副与三个驱动子伸出端杆的伸出端连接，另一端各自通过球面副与端平台内侧面连接。本发明可以应用于机器人关节、关节损伤或运动障碍患者的康复治疗等领域。

Description

一种四自由度一体化机器人关节机构

技术领域

本发明涉及一种机器人关节，具体涉及一种四自由度一体化机器人关节机构，属于机器人运动结构和驱动技术领域。

背景技术

机器人是一种能够代替人从事多类工作的高度灵活的自动化机械。机器人关节是机器人实现运动和定位的关键部位和核心技术，其结构、重量、尺寸对机器人性能有直接影响。目前实际应用的工业和娱乐机器人运动关节常见形式主要有移动关节和转动关节，基本都由单一电机、气缸或液压缸等驱动模块分别独立驱动单一自由度关节，系统集中度差，导致机器人机构复杂庞大、输出功率和重量比小。

如果改为多自由度机构驱动单一关节，就可以减少关节与驱动部件(如电机、气缸等)数目及相应的减速及传动机构。例如，腕关节的三个转动动作若由一个三自由度球形电机来实现，就可简化结构，提高精度，消除传动间隙与变形，减轻重量，便于实现冗余自由度的操作。

80年代初期曾出现一些多自由度电机设计专利，1986年美国乔治亚理工大学的vachtesevanos和Lee曾发表了交流型和步进型电机的设计思想，1991年日本东京农业大学Toyama等人研究了超声型电机的设计思想，然而直到1993年在日本东京举办的“93国际工业机器人展”上才正式展出由安川电机等六家单位联合开发的第一台三自由度电机的样品。

在我国，西北工业大学苏仲飞等人1986年开始，以无刷直流型球形电机为方向对机器人关节用三自由度球形直流伺服电机进行了概念性研究；接着，在863计划的“八五”规划中立项，并完成工程型样机的试制与初步实验研究。华中理工大学研制了一台三自由度球形感应电动机，该电机采用框架支撑结构，转子是一个球，定子是一个开孔的球壳，定转子上分别布置3套相互正交的三相绕组。浙江大学研制了一种用于机器人球关节的两自由度的球形步进电动机，由两台五相混合式步进电机组成。哈尔滨工业大学程树康教授等人1996年开始，对正交圆柱结构三自由度电动机进行了研究。

然而，对于球形电动机而言，球形壳体加工的复杂性及动力学输出性能等方面还没有突破性的进展。对于超声波电机而言，摩擦磨损和多组定子之间的干涉等一系列问题依然存在问题。其他结构的多自由度电机也都和实际应用存在差距。综上，现有的多自由度电机的技术还不成熟，无法实际应用于机器人关节的运动，进而无法解决用一个电机实现机器人关节多自由运动的问题。

发明内容

为解决目前实际应用的机器人基本由单一自由度关节组成而导致的机器人整体机构复杂庞大的问题，本发明设计一种4自由度一体化机器人关节机构，实现多自由度驱动的一体化和集约化，即用一个机器人关节机构(本发明)可实现机器人关节多自由运动。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

技术方案一：本发明所述的一种四自由度一体化机器人关节机构，所述关节机构包括端平台、支撑体和驱动组件构成，所述支撑体由端盖、第一滑盘、第二滑盘、六个导杆、挡圈和外缸体构成；所述驱动组件包括驱动缸、三个驱动子和三个连杆；每个驱动子由圆柱曲面形驱动子主体、第一端板、第二端板和驱动子伸出端杆构成，圆柱曲面形驱动子主体、第一端板和第二端板构成驱动子的缸内部分；所述关节机构的驱动缸的内表面设有点阵绕组(线圈)，圆柱曲面形驱动子主体的外表面设有点阵永磁体；第一端板、第二端板平行设置在圆柱曲面形驱动子主体的两端，圆柱曲面形驱动子主体的一端与第一端板固接，圆柱曲面形驱动子主体的另一端与第二端板固接，驱动子伸出端杆的一端与第一端板的外端面固接为一体，第一端板、第二端板均为圆心角小于120°的部分圆环形板，三个第一端板、三个第二端板分别合在一起形成的轮廓均是与驱动缸内表面同轴的圆环；圆柱曲面形驱动子主体的圆柱面为小于三分之一圆柱面；三个圆柱曲面形驱动子主体合在一起形成的轮廓是与驱动缸内表面同轴的圆柱体，驱动缸安装在外缸体的内腔中，端盖与外缸体的一端连接，外缸体的两端各设有第一滑盘、第二滑盘，且所述第二滑盘位于端盖的内腔中并与挡圈相接触，第二滑盘可与挡圈相对滑动；所述挡圈夹在外缸体相应端面与端盖之间并与二者固联，挡圈的作用是对第二滑盘进行轴向限位；所述第一滑盘搭接在外缸体的内侧凸缘上并与所述凸缘的外端面相接触，第一滑盘与凸缘相对滑动；六个导杆沿轴向均布设置在驱动缸的内腔中，每个导杆的一端与第一滑盘联接，每个导杆的另一端与第二滑盘联接；每个驱动子上的第一端板、第二端板分别套装在相邻的两个导杆上，且第二端板靠近端盖设置，每个驱动子沿相应的两个导杆沿轴向滑动，三个驱动子的缸内部分均位于驱动缸的内腔中，三个驱动子伸出端杆的另一端均穿出第一滑盘；三个连杆的一端各自通过转动副与三个驱动子伸出端杆的伸出端连接，三个连杆的另一端各自通过球面副与端平台内侧面连接。

技术方案二：本方案所述的四自由度一体化机器人关节机构与技术方案一的不同之处在于，驱动缸的内表面设有点阵永磁体，圆柱曲面形驱动子主体的外表面设有点阵绕组(线圈)，其它与技术方案一相同。

本发明的有益效果是：

本发明圆柱驱动缸内有三个相同的驱动子，在电磁力驱动下分别能独立沿导杆轴向上下运动，驱动子伸出端杆通过转动副联接三个连杆，连杆分别通过球副联接端平台，从而形成3-PRS并联机构，实现3自由度(1T2R)运动；同时，三个驱动子在电磁力作用下可同步绕驱动缸圆柱面中心轴一起周向转动，相当于上述并联机构又串联了一个转动(R)运动。从而使该关节运动等效四自由度(R+1T2R)混联机构，即端平台相对端盖实现绕笛卡尔空间三坐标轴独立主动旋转的姿态调整和伸缩运动共四个自由度。

本发明实现了用一个机器人关节模块(本发明所设计机器人关节)作多自由度运动功能，从而解决了机械臂等领域目前用一个电机或驱动关节模块只能驱动一个自由度运动的问题，并可提高机器人运动机构的集成度和模块化。

本发明驱动组件部分为圆柱体结构，相对于以往研究的球形结构，更易于机械加工，也便于布置永磁体阵列和绕组线圈阵列，同时也更易于改变外形(圆柱体长度或直径)以利于和机械臂融合为一体化。

本发明视具体应用要求可将端平台作为定平台，把盖端作为运动平台，也可以将端盖作为定平台，把端平台作为动平台。

本发明可以应用于机器人(机械臂)关节领域，也可用于多坐标机械加工中心、全方位跟踪天线和全景摄影操作台等具有多个运动自由度的设备中，在关节损伤或运动障碍患者的康复治疗等领域也具有广泛的应用前景，并且对于这类装置或设备的应用向小型化及冗余自由度方向拓展都具有重要的意义。

附图说明

图1是本发明的整体外形示意图，图2是本发明的内部结构示意图(没有画出端平台；为了表达内部结构，剖切掉一部分构件，致使含有的六个导杆从该中只能看到四个)，图3是驱动子3的立体图，图4是驱动缸7的剖面图，图5是连杆2的立体图，图6是半个外缸体10的立体图，图7是端平台1的立体图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～7所示，本实施方式所述的一种四自由度一体化机器人关节机构，所述关节机构包括端平台1、支撑体和驱动组件构成，所述支撑体由端盖11、第一滑盘4、第二滑盘5、六个导杆6、挡圈8和外缸体10构成；所述驱动组件包括驱动缸7、三个驱动子3和三个连杆2；每个驱动子3由圆柱曲面形驱动子主体3-1、第一端板3-2、第二端板3-3和驱动子伸出端杆3-4构成，圆柱曲面形驱动子主体3-1、第一端板3-2和第二端板3-3构成驱动子的缸内部分；所述关节机构的驱动缸7的内表面设有点阵绕组(线圈)7-1，圆柱曲面形驱动子主体3-1的外表面设有点阵永磁体3-1-1；第一端板3-2、第二端板3-3平行设置在圆柱曲面形驱动子主体3-1的两端，圆柱曲面形驱动子主体3-1的一端与第一端板3-2固接，圆柱曲面形驱动子主体3-1的另一端与第二端板3-3固接，驱动子伸出端杆3-4的一端与第一端板3-2的外端面固接为一体，第一端板3-2、第二端板3-3均为圆心角小于120°的部分圆环形板，三个第一端板3-2、三个第二端板3-3分别合在一起形成的轮廓均是与驱动缸7内表面同轴的圆环；圆柱曲面形驱动子主体3-1的圆柱面为小于三分之一圆柱面；三个圆柱曲面形驱动子主体3-1合在一起形成的轮廓是与驱动缸7内表面同轴的圆柱体，驱动缸7安装在外缸体10的内腔中，端盖11与外缸体10的一端连接，外缸体10的两端各设有第一滑盘4、第二滑盘5，且所述第二滑盘5位于端盖11的内腔中并与挡圈8相接触，第二滑盘5可与挡圈8相对滑动；所述挡圈8夹在外缸体10相应端面与端盖11之间并与二者固联，挡圈8的作用是对第二滑盘5进行轴向限位；所述第一滑盘4搭接在外缸体10的内侧凸缘10-1上并与所述凸缘10-1的外端面相接触，第一滑盘4与凸缘10-1相对滑动；六个导杆6沿轴向均布设置在驱动缸7的内腔中，每个导杆6的一端与第一滑盘4联接，每个导杆6的另一端与第二滑盘5联接；每个驱动子3上的第一端板3-2、第二端板3-3分别套装在相邻的两个导杆6上，且第二端板3-3靠近端盖11设置，每个驱动子3可沿相应的两个导杆6沿轴向滑动，三个驱动子3的缸内部分均位于驱动缸7的内腔中，三个驱动子伸出端杆3-4的另一端均穿出第一滑盘4；三个连杆2的一端各自通过转动副与三个驱动子伸出端杆3-4的伸出端连接，三个连杆2的另一端各自通过球面副与端平台1内侧面连接。

三个球铰和三个转动副位置都各自组成正三角形顶点。

第一滑盘、第二滑盘和导杆通过导杆螺纹和螺母装配后联为一体，由于外缸体凸缘和挡圈轴向限位，第一滑盘、第二滑盘和导杆不可轴向串动，但可一起周向转动。所述驱动子穿插于导杆，各自沿轴向可上下滑动，三个驱动子随导杆、第一滑盘和第二滑盘一起周向转动。所述端平台内侧通过球副与三个连杆相联，连杆另一端各自通过转动副与三个驱动子伸出端相联，三个驱动子主体在驱动缸内可在电磁力驱动下各自独立轴向上下运动，从而形成等效3-PRS并联机构(3-PRS是指移动副、转动副和球面副)。同时，三个驱动子可整体绕中心轴一起周向转动。驱动缸7为空心圆柱结构，整体嵌入外缸体。所述第一滑盘4、第二滑盘5分别位于驱动缸两端面外。

所述挡圈8内径小于第二滑盘5的外径，且第二滑盘5与挡圈8相接触以保证第二滑盘轴向定位，所述第二滑盘5可与挡圈8相对滑动转动。

具体实施方式二：如图2所示，本实施方式所述关节机构还包括橡皮圈9，所述橡皮圈9夹设在外缸体10相应端面与凸缘10-1内端面之间，且橡皮圈9与外缸体凸缘的内侧面接触。橡皮圈可保证驱动缸安装和固定的可靠性。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式三：本实施方式所述第一滑盘4和第二滑盘5的外表面均设有一层聚四氟乙烯涂层，以便减少摩擦，增强转动的平顺性。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式所述的四自由度一体化机器人关节机构与具体实施方式一的不同之处在于，驱动缸7的内表面设有点阵永磁体7-1，圆柱曲面形驱动子主体3-1的外表面设有点阵绕组(线圈)3-1-1。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

三个驱动子主体(圆柱曲面形驱动子主体3-1)为点阵布置绕组，绕组引入导线可通过顶滑盘中心开孔通过，空心圆柱驱动缸内壁嵌入点阵永磁体。当通过数字控制驱动技术使驱动子绕组产生轴向移动磁场，在电磁力驱动下各驱动子和驱动缸之间独立轴向相对运动，从而使驱动子伸出端杆、连杆、端平台形成等效3-PRS并联机构，实现3自由度(1T2R)运动。也可通过数字控制驱动技术使三个驱动子共同产生周向旋转磁场，从而使3个驱动子一起绕中心轴转动，并与驱动缸之间产生周向相对转动。驱动缸、外缸体、挡圈和端盖用螺钉固定为一体，因此，端盖作为动平台可以共形成4自由度(1T3R)运动。

具体实施方式五：本实施方式所述关节机构还包括橡皮圈9，所述橡皮圈9夹设在外缸体10相应端面与凸缘10-1内端面之间，且橡皮圈9与外缸体凸缘的内侧面接触。橡皮圈可保证驱动缸安装和固定的可靠性。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：本实施方式所述第一滑盘4和第二滑盘5的外表面均设有一层聚四氟乙烯涂层，以便减少摩擦，增强转动的平顺性。其它组成及连接关系与具体实施方式四或五相同。

工作原理(参见图1～7)

本发明端平台内侧通过球副与三个连杆相联，连杆另一端各自通过转动副与三个驱动子伸出端相联，三个驱动子主体在驱动缸内，可在电磁力驱动下各自独立轴向上下运动，从而形成等效3-PRS并联机构，实现3自由度(1T2R)运动。同时，三个驱动子可整体绕中心轴一起周向转动，共形成4自由度(1T3R)运动。对点阵绕组通电，三个驱动子和驱动缸在电磁力作用下产生相对运动。

本发明所述的三个驱动子相对驱动缸圆柱面的电磁推力成为了机器人关节驱动力，其中每个驱动子电磁力又包括周向和轴向两个维度，电磁力周向耦合，轴向相对独立，所以产生电磁力的磁场是二维空间变化或运动的磁场，即绕组和永磁体也都呈二维阵列排布。

电磁力是永磁阵列产生的磁场与线圈阵列中电流产生磁场相互作用的结果。永磁阵列和线圈阵列有两种布置方式，一种是永磁阵列固定在驱动子上，线圈阵列固定在驱动缸上，另外一种正好与此相反，永磁阵列固定在驱动缸上，线圈阵列固定在驱动子上。这两种方式在运行原理上没有根本的区别，只是在配件连接、散热等问题上具有不同的特点。

当永磁阵列固定在驱动子上，线圈阵列固定在驱动缸上时，永磁体贴在驱动子圆柱外表面，轴向、周向N，S极都交替排列；驱动缸圆柱内表面绕组产生的磁极极性或大小应可在轴向和周向分别独立运动，即当绕组阵列轴向磁场不变而周向磁场转动时，三个动子在电磁力作用下一起周向转动，而当绕组周向磁场不变、所要运动的驱动子对应列驱动缸上绕组产生轴向运动磁场时，该驱动子可独立轴向运动。

当永磁阵列固定在驱动缸上，线圈阵列固定在驱动子上时，永磁体贴在驱动缸圆柱内表面，轴向、周向N，S极都交替排列；驱动子圆柱外表面绕组产生的磁极极性或大小应可在轴向和周向分别独立运动，即当绕组阵列轴向磁场不变而周向磁场转动时，三个动子在电磁力作用下一起周向转动，而当绕组周向磁场不变、所要运动的驱动子上绕组产生轴向运动磁场时，该驱动子可独立轴向运动。

Claims (6)

1.一种四自由度一体化机器人关节机构，所述关节机构包括端平台(1)、支撑体和驱动组件构成，所述支撑体由端盖(11)、第一滑盘(4)、第二滑盘(5)、六个导杆(6)、挡圈(8)和外缸体(10)构成；其特征在于：所述驱动组件包括驱动缸(7)、三个驱动子(3)和三个连杆(2)；每个驱动子(3)由圆柱曲面形驱动子主体(3-1)、第一端板(3-2)、第二端板(3-3)和驱动子伸出端杆(3-4)构成，圆柱曲面形驱动子主体(3-1)、第一端板(3-2)和第二端板(3-3)构成驱动子的缸内部分；所述关节机构的驱动缸(7)的内表面设有点阵绕组(7-1)，圆柱曲面形驱动子主体(3-1)的外表面设有点阵永磁体(3-1-1)；第一端板(3-2)、第二端板(3-3)平行设置在圆柱曲面形驱动子主体(3-1)的两端，圆柱曲面形驱动子主体(3-1)的一端与第一端板(3-2)固接，圆柱曲面形驱动子主体(3-1)的另一端与第二端板(3-3)固接，驱动子伸出端杆(3-4)的一端与第一端板(3-2)的外端面固接为一体，第一端板(3-2)、第二端板(3-3)均为圆心角小于120°的部分圆环形板，三个第一端板(3-2)、三个第二端板(3-3)分别合在一起形成的轮廓均是与驱动缸(7)内表面同轴的圆环；圆柱曲面形驱动子主体(3-1)的圆柱面为小于三分之一圆柱面；三个圆柱曲面形驱动子主体(3-1)合在一起形成的轮廓是与驱动缸(7)内表面同轴的圆柱体，驱动缸(7)安装在外缸体(10)的内腔中，端盖(11)与外缸体(10)的一端连接，外缸体(10)的两端各设有第一滑盘(4)、第二滑盘(5)，且所述第二滑盘(5)位于端盖(11)的内腔中并与挡圈(8)相接触，第二滑盘(5)与挡圈(8)相对滑动；所述挡圈(8)夹在外缸体(10)相应端面与端盖(11)之间并与二者固联，挡圈(8)的作用是对第二滑盘(5)进行轴向限位；所述第一滑盘(4)搭接在外缸体(10)的内侧凸缘(10-1)上并与所述凸缘(10-1)的外端面相接触，第一滑盘(4)与凸缘(10-1)相对滑动；六个导杆(6)沿轴向均布设置在驱动缸(7)的内腔中，每个导杆(6)的一端与第一滑盘(4)联接，每个导杆(6)的另一端与第二滑盘(5)联接；每个驱动子(3)上的第一端板(3-2)、第二端板(3-3)分别套装在相邻的两个导杆(6)上，且第二端板(3-3)靠近端盖(11)设置，每个驱动子(3)沿相应的两个导杆(6)沿轴向滑动，三个驱动子(3)的缸内部分均位于驱动缸(7)的内腔中，三个驱动子伸出端杆(3-4)的另一端均穿出第一滑盘(4)；三个连杆(2)的一端各自通过转动副与三个驱动子伸出端杆(3-4)的伸出端连接，三个连杆(2)的另一端各自通过球面副与端平台(1)内侧面连接。

2.根据权要求1所述的一种四自由度一体化机器人关节机构，其特征在于：所述橡皮圈(9)夹设在外缸体(10)相应端面与凸缘(10-1)内端面之间，且橡皮圈(9)与外缸体凸缘的内侧面接触。

3.根据权要求1或2所述的一种四自由度一体化机器人关节机构，其特征在于：所述第一滑盘(4)和第二滑盘(5)的外表面均设有一层聚四氟乙烯涂层。

4.一种四自由度一体化机器人关节机构，所述关节机构包括端平台(1)、支撑体和驱动组件构成，所述支撑体由端盖(11)、第一滑盘(4)、第二滑盘(5)、六个导杆(6)、挡圈(8)和外缸体(10)构成；其特征在于：所述驱动组件包括驱动缸(7)、三个驱动子(3)和三个连杆(2)；每个驱动子(3)由圆柱曲面形驱动子主体(3-1)、第一端板(3-2)、第二端板(3-3)和驱动子伸出端杆(3-4)构成，圆柱曲面形驱动子主体(3-1)、第一端板(3-2)和第二端板(3-3)构成驱动子的缸内部分；所述关节机构的驱动缸(7)的内表面设有点阵永磁体(7-1)，圆柱曲面形驱动子主体(3-1)的外表面设有点阵绕组(3-1-1)；第一端板(3-2)、第二端板(3-3)平行设置在圆柱曲面形驱动子主体(3-1)的两端，圆柱曲面形驱动子主体(3-1)的一端与第一端板(3-2)固接，圆柱曲面形驱动子主体(3-1)的另一端与第二端板(3-3)固接，驱动子伸出端杆(3-4)的一端与第一端板(3-2)的外端面固接为一体，第一端板(3-2)、第二端板(3-3)均为圆心角小于120°的部分圆环形板，三个第一端板(3-2)、三个第二端板(3-3)分别合在一起形成的轮廓均是与驱动缸(7)内表面同轴的圆环；圆柱曲面形驱动子主体(3-1)的圆柱面为小于三分之一圆柱面；三个圆柱曲面形驱动子主体(3-1)合在一起形成的轮廓是与驱动缸(7)内表面同轴的圆柱体，驱动缸(7)安装在外缸体(10)的内腔中，端盖(11)与外缸体(10)的一端连接，外缸体(10)的两端各设有第一滑盘(4)、第二滑盘(5)，且所述第二滑盘(5)位于端盖(11)的内腔中并与挡圈(8)相接触，第二滑盘(5)与挡圈(8)相对滑动；所述挡圈(8)夹在外缸体(10)相应端面与端盖(11)之间并与二者固联，挡圈(8)的作用是对第二滑盘(5)进行轴向限位；所述第一滑盘(4)搭接在外缸体(10)的内侧凸缘(10-1)上并与所述凸缘(10-1)的外端面相接触，第一滑盘(4)与凸缘(10-1)相对滑动；六个导杆(6)沿轴向均布设置在驱动缸(7)的内腔中，每个导杆(6)的一端与第一滑盘(4)联接，每个导杆(6)的另一端与第二滑盘(5)联接；每个驱动子(3)上的第一端板(3-2)、第二端板(3-3)分别套装在相邻的两个导杆(6)上，且第二端板(3-3)靠近端盖(11)设置，每个驱动子(3)沿相应的两个导杆(6)沿轴向滑动，三个驱动子(3)的缸内部分均位于驱动缸(7)的内腔中，三个驱动子伸出端杆(3-4)的另一端均穿出第一滑盘(4)；三个连杆(2)的一端各自通过转动副与三个驱动子伸出端杆(3-4)的伸出端连接，三个连杆(2)的另一端各自通过球面副与端平台(1)内侧面连接。

5.根据权要求5所述的一种四自由度一体化机器人关节机构，其特征在于：所述关节机构还包括橡皮圈(9)，所述橡皮圈(9)夹设在外缸体(10)相应端面与凸缘(10-1)内端面之间，且橡皮圈(9)与外缸体凸缘的内侧面接触。

6.根据权要求4或5所述的一种四自由度一体化机器人关节机构，其特征在于：所述第一滑盘(4)和第二滑盘(5)的外表面均设有一层聚四氟乙烯涂层。

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