CN102009414B

CN102009414B - 三自由度欠驱动机器人手腕装置

Info

Publication number: CN102009414B
Application number: CN 201010610111
Authority: CN
Inventors: 何斌; 刘文珍
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2010-12-29
Filing date: 2010-12-29
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2030-12-29
Also published as: CN102009414A

Abstract

本发明涉及一种三自由度欠驱动机器人手腕装置。它包括静平台、动平台、三个分支和两个驱动动力源。静平台通过三个分支铰链动平台，三个分支中两个分支分别连接两个驱动动力源，在两个驱动动力源的驱动下，经三个分支的传动，动平台作三自由度运动。

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

欠驱动机构是指控制出入小于系统自由度的机构, 欠驱动机器人是一种含有欠驱动机构的机器人，由于其具有体积小、重量轻、成本低、能耗低、灵活性高等特点，因此引起学者们的广泛关注，成为机器人领域研究的新热点。欠驱动机器人分别以空间机器人、水下机器人、移动机器人、行走机器人、并联机器人、伺服机器人和柔性机器人等多种形式出现在各行各业。

并联机构可以定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。并联机构具有无累积误差，精度较高；驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，这样运动部分重量轻，速度高，动态响应好，结构紧凑，刚度高，承载能力大，完全对称的并联机构具有较好的各向同性。

与人类相似，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。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述有技术存在的缺陷，提供一种三自由度欠驱动机器人手腕装置。该装置带有两个动力源，而且其动平台具有三个自由度，结构简单，可靠，体积小、重量轻，成本低，易于加工，易于维护。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，本发明的构思是：本发明的三自由度欠驱动机器人手腕装置，含有静平台、动平台和连接它们的分支机构。其特征在于：静平台通过三个分支连接动平台，其中有两个分支具有驱动源，动平台可以做三自由度的运动。一个弯曲的基座连接杆一端通过两个螺钉固定在基座上表面，另一端连接所述的一个分支；一个电机固定座通过两个螺钉也固定在所述基座上表面，所述的电机固定座与基座连接杆间隔120°；另一个电机固定座通过两个螺钉固定在也基座上表面，所述的电机固定座与电机固定座和基座连接杆均间隔120°。两个动力源电机分别通过螺栓固定在所述的电机固定座上，电机的输出端分别与联轴器相连，所述的联轴器分别所述的另外两个分支连接。两连杆通过铰链销串联，构成其中一分支，该分支的一端通过铰链销与基座连接杆铰接，该分支的另一端通过铰链销与动平台铰接；两连杆通过铰链销串联，构成其中另一分支，该分支的一端通过固定销与联轴器固定在一起，该分支的另一端通过铰链销与动平台铰接；又有两连杆通过铰链销串联，构成其中另一分支，该分支的一端通过固定销与联轴器固定在一起，该分支的另一端通过铰链销与动平台铰接。三个动平台连杆一端分别通过螺钉固定在圆板下表面，三个动平台连杆成120°均匀分布，三个动平台连杆另一端分别通过铰链销与三个分支铰接。

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，包括一个静平台、一个动平台、三个分支和两个驱动动力源，其特征在于：所述静平台通过所述三个分支铰连所述的动平台，所述三个分支中有两个分支在两个驱动动力源的驱动下，经三个分支的传动，动平台作三自由度运动。

上述静平台的结构是：一个弯曲的基座连接杆一端通过两个螺钉固定在基座上表面，另一端连接通过一个铰链销连接所述三个分支中的一个分支；一个第一电机固定座通过两个螺钉也固定在所述基座上表面，所述第一电机固定座与基座连接杆间隔120°；一个第三电机固定座通过两个螺钉固定在也基座上表面，所述第二电机固定座与第一电机固定座和一个基座连接杆均间隔120°。

上述两个动力源为两个电机，第一电机和第二电机分别通过螺栓固定在所述的第一电机固定座和第二电机固定座上，第一电机和第二电机的输出端分别与第一联轴器和第二联轴器相连，所述第一联轴器和第二联轴器与所述三个分支中的另外两个分支连接，两个电机驱动所述的两个分支运动，从而同时带动所述的动平台运动。

上述三个分支的结构是：一根第一上连杆和一根第一下连杆通过铰链销串联并可以相对旋转，构成三个分支中第一个分支，该分支的一端通过铰链销与所述基座连接杆铰接，该分支的另一端通过铰链销与动平台铰接，这个分支没有驱动源；一根第二上连杆和一根第二下连杆通过铰链销串联可以相对旋转，构成三个分支中第二分支，该分支的一端通过固定销与所述第一联轴器固定在一起，该分支的另一端通过铰链销与动平台铰接；一根第三上连杆和一根第三下连杆通过铰链销串联可以相对旋转，构成三个分支中第三分支，该分支的一端通过固定销与联轴器固定在一起，该分支的另一端通过铰链销与动平台铰接。

上述动平台的结构是：三个动平台连杆一端分别通过螺钉固定在一个圆板下表面，所述三根动平台连杆成120°周向均匀分布，所述三根动平台连杆另一端分别通过铰链销与三个分支铰接。

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：

本发明采用两个动力源驱动的三自由度并联机构作三自由度运动，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是本发明的一种三自由度欠驱动机器人手腕实施例的前视图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的A-A剖视图。

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，本三自由度欠驱动机器人手腕装置，包括一个静平台、一个动平台、三个分支和两个驱动动力源，其特征在于：所述静平台通过所述三个分支铰连所述动平台，所述三个分支中有两个分支在两个驱动动力源的驱动下，经三个分支的传动，动平台作三自由度运动。

实施例二：参见图1、图2、图3，所述静平台的结构是：一个弯曲的基座连接杆（32）一端通过两个螺钉（33）、（34）固定在基座（1）上表面，另一端连接所述的三个分支中的一个分支；一个第一电机固定座（2）通过两个螺钉（36）、（37）也固定在所述基座（1）上表面，所述的第一电机固定座（2）与基座连接杆（32）间隔120°；另一个第二电机固定座（31）通过两个螺钉（38）、（39）固定在基座（1）上表面，所述的第二电机固定座（31）与电机固定座（2）和基座连接杆（32）均间隔120°。

所述两个驱动动力源为两个电机，第一电机（3）和第二电机（30）分别通过螺栓固定在所述的第一电机固定座（2）和第二电机固定座（31）上，第一电机（3）和第二电机（30）的输出端分别与第一联轴器（4）和第二联轴器（28）相连，所述的第一联轴器（4）和第二联轴器（28）分别与所述的三个分支中的另外两个分支连接。

所述三个分支的结构是：一根第一上连杆(22）和一根第一下连杆（25）通过铰链销（24）串联，构成三个分支中第一个分支，该分支的一端通过铰链销（35）与所述基座连接杆（32）铰接，该分支的另一端通过铰链销（21）与动平台铰接；一根第二上连杆(6）和一根第二下连杆连杆（8）通过铰链销（7）串联，构成三个分支中另第三个分支，该分支的一端通过固定销（5）与所述第一联轴器（4）固定在一起，该分支的另一端通过铰链销（9）与动平台铰接；一根第三上连杆(23）和一根第三下连杆（27）通过铰链销（26）串联，构成其中三个分支中的第三个分支，该分支的一端通过固定销（28）与所述第二联轴器（29）固定在一起，该分支的另一端通过铰链销（20）与动平台铰接。

所述动平台的结构是：三根动平台连杆（10、18、19）一端分别通过螺钉（12、13、14、15、16、17）固定在圆板（11）下表面，动平台连杆（10、18、19）成120°周向均匀分布，三根动平台连杆（10、18、19）另一端分别通过铰链销（9、20、21）与所述三个分支的上连杆（22、18、19）铰接。

本实施例其工作原理为：两个电机（3、30）经过两个联轴器（4、8）驱动机构的第二和第三分支运动，带动动平台运动，动平台从而带动第一个分支运动，传感器检测第一分支的第一下连杆（25）相对于基座连杆（32）的转角，同时该传感器将该值传给计算机，计算机根据这个值计算机构的逆运动学，求解出期望的两个电机的输入值，然后交给控制系统，控制系统进而控制电机的输入，以达到动平台的期望位置，从而实现对欠驱动手腕的控制。

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

1.一种三自由度欠驱动机器人手腕装置，包括一个静平台、一个动平台、三个分支和两个驱动动力源，其特征在于：所述静平台通过所述三个分支铰连所述动平台，所述三个分支中有两个分支在两个驱动动力源的驱动下，经三个分支的传动，动平台作三自由度运动；

所述静平台的结构是：一个弯曲的基座连接杆（32）一端通过两个螺钉（33、34）固定在基座（1）上表面，另一端连接所述的三个分支中的一个分支；一个第一电机固定座（2）通过两个螺钉（36、37）也固定在所述基座（1）上表面，所述的第一电机固定座（2）与基座连接杆（32）间隔120°；另一个第二电机固定座（31）通过两个螺钉（38、39）固定在基座（1）上表面，所述的第二电机固定座（31）与电机固定座（2）和基座连接杆（32）均间隔120°；

所述两个驱动动力源为两个电机，第一电机（3）和第二电机（30）分别通过螺栓固定在所述的第一电机固定座（2）和第二电机固定座（31）上，第一电机（3）和第二电机（30）的输出端分别与第一联轴器（4）和第二联轴器（28）相连，所述的第一联轴器（4）和第二联轴器（28）分别与所述的三个分支中的另外两个分支连接；

所述三个分支的结构是：一根第一上连杆(22）和一根第一下连杆（25）通过铰链销（24）串联，构成三个分支中第一个分支，该分支的一端通过铰链销（35）与所述基座连接杆（32）铰接，该分支的另一端通过铰链销（21）与动平台铰接；一根第二上连杆(6）和一根第二下连杆（8）通过铰链销（7）串联，构成三个分支中第二个分支，该分支的一端通过固定销（5）与所述第一联轴器（4）固定在一起，该分支的另一端通过铰链销（9）与动平台铰接；一根第三上连杆(23）和一根第三下连杆（27）通过铰链销（26）串联，构成其中三个分支中的第三个分支，该分支的一端通过固定销（28）与所述第二联轴器（29）固定在一起，该分支的另一端通过铰链销（20）与动平台铰接；

所述动平台的结构是：三根动平台连杆（10、18、19）一端分别通过螺钉（12、13、14、15、16、17）固定在圆板（11）下表面，动平台连杆（10、18、19）成120°周向均匀分布，三根动平台连杆（10、18、19）另一端分别通过与动平台铰接的所述铰链销（9、20、21）与所述三个分支的上连杆（22、18、19）铰接。