CN102962848A

CN102962848A - 一种用于机器人腕部、肩部的三自由度并联机构

Info

Publication number: CN102962848A
Application number: CN2012104574792A
Authority: CN
Inventors: 胡磊; 于惠勇; 彭程
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2012-11-14
Filing date: 2012-11-14
Publication date: 2013-03-13

Abstract

本发明公开一种用于机器人腕部、肩部的三自由度并联机构，属于仿人机器人领域，由三个液压缸的缸体端与伸缩端分别通过两自由度虎克铰组件连接静平台与动平台。且静平台中心处还连接上支杆，动平台中心处还连接下支杆；上支杆另一端与下支杆另一端球铰连接。通过上述结构构成的三自由度并联机构，可以具有凹槽的支撑旋转杆件上端为轴心，可使动平台具有空间内三个方向的转动自由度。本发明的优点为：提高了机器人系统的动力体积比，且承载能力大、构型简单、加工精度要求低，能够在仿人机器人领域应用到腕部、肩部等三自由度转动的关节处；同时，作为模块化结构单元，对于不同要的任务要求，通过联接可以实现不同构型，并实现相应功能。

Description

一种用于机器人腕部、肩部的三自由度并联机构

技术领域

本发明涉及仿人机器人领域，具体来说，是一种用于机器人腕部、肩部的三自由度并联机构。

背景技术

并联机构相对串联机构具有刚度大、精度高、惯性小、负载大及动力学性能好等优点。通常由动平台和静平台以及连接两平台的连杆机构组成。19世纪60年代，Gough发明了一种6-DOF机构，用于轮胎检测。之后Stewart对Gough发明的这种机构进行机构学意义上的研究，将其应用于飞行模拟器，这种六自由度机构通常被称为Gough-Stewart平台。虽然这种平台具有并联机构刚度大、精度高等优点，但其工作空间小，姿态实现困难，运动正解，运动学建模，精度标定复杂。为了解决六自由并联机构的这些不足，使其具有串联机构的大工作空间和灵活性。近年来，以纯平动和纯转动为代表的三自由并联结构作为少自由度机构的两大的方面，得到了更多研究。其中，纯转动机构的研究较少：经典的3-RRR机构为过约束机构，对制造和安装精度要求很高；Di Gregorio提出3-RUU机构，器实际上等效与3-RRR机构；Vischer提出Arogs机构，其实际与3-RRR机构是等效的；Karouia提出3-UPU机构，这种机构实现平动和转动，控制上较为复杂；河北工业大学的刘磊提出了3-RRR+S机构，虽然提高了3-RRR的刚度，但没有解决制造和安装精度的问题。目前常规的机电系统的驱动有伺服电机驱动、液压精密驱动、气动。在仿人机器人应用方面，已有的构型多采用电机作为驱动源，电机驱动的优点在于精度高，伺服控制实现容易，但较液压驱动，动力输出较低，因而电机驱动不能够很好的支撑仿人大小的机械结构。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种一种用于机器人腕部、肩部的三自由度并联机构，采用液压缸作为动力输出，在占用小部分体积的同时，能够提供较大的动力输出，且该机构能够在仿人机器人领域应用到机器人腕部、肩部等三自由度转动的关节处。

本发明三自由度并联机构，包括静平台、动平台、液压缸支链与支撑旋转杆件构成。其中静平台与动平台通过3套液压缸支链相连，其中，每套液压缸支链包括虎克铰组件与液压缸构成；液压缸的缸体端与伸缩端分别通过一个具有两个垂直方向上的转动自由度虎克铰组件与静平台和同平台相连；令与液压缸缸体端相连的虎克铰组件为第一虎克铰组件；与液压缸伸缩端相连的虎克铰组件为第二虎克铰组件；液压缸的缸体端与第一虎克铰组件中一个连接件固连，第一虎克铰组件中另一连接件的面连接板与静平台固连；液压缸的伸缩端与第二虎克铰组件中一个连接件固连；第二虎克铰组件中另一个连接件与动平台固连；

静平台与动平台间还连接有由上支杆、下支杆、弹簧与销钉构成的支撑旋转杆件；其中，上支杆一端与动平台中心处固连；下支杆一端与静平台中心处固连；上支杆另一端具有球头，下支杆另一端具有凹槽，通过球头和凹槽面相切配合，使上支杆与下支杆间的球铰连接。

由于液压缸伸缩端与缸体端之间可以直动及转动，因此，上述结构构成的三自由度并联机构，以具有凹槽的支撑旋转杆件上端为轴心，可使动平台具有空间内三个方向的转动自由度。

本发明的优点在于：

1、本发明三自由度并联机构的动力源采用液压缸，提高了机器人系统的动力体积比，能够在仿人机器人领域应用到腕部、肩部等三自由度转动的关节处；

2、本发明三自由度并联机构承载能力大、构型简单、加工精度要求低；

3、本发明三自由度并联机构为模块化结构单元，对于不同要的任务要求，通过联接可以实现不同构型，并实现相应功能。

附图说明

图1为本发明三自由度并联机构整体结构示意图；

图2为本发明三自由度并联机构中一套液压缸支链结构示意图；

图3为液压缸支链中虎克铰组件结构示意图；

图4为虎克铰组件中连接件结构示意图；

图5为本发明三自由度并联机构中支撑旋转杆件与静平台和动平台间连接方式示意图；

图6为通过三个三自由度并联机构构成的整个仿人机器人的手臂结构示意图；

图7为两个三自由度并联机构间的连接方式示意图。

图中：

1-静平台 2-动平台 3-液压缸支链 4-支撑旋转杆件

301-第一虎克铰组件 302-第二虎克铰组件 303-液压缸 304-连接件A

305-连接件B 306-连接块 307-连接轴 308-安装板

309-液压缸套筒 310-面连接板 311-轴连接板 401-上支杆

402-下支杆 403-弹簧 404-销钉

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明一种一种用于机器人腕部、肩部的三自由度并联机构，如图1所示，包括静平台1、动平台2、液压缸支链3与支撑旋转杆件4构成；所述静平台1与动平台2均为板状结构，静平台1与动平台2通过三套液压缸支链3相连；且静平台1与动平台2间还连接有支撑旋转杆件4。

如图2所示，每套液压缸支链3由第一虎克铰组件301、第二虎克铰组件302与一个液压缸303构成；所述第一虎克铰组件301与第二虎克铰组件302均具有两个垂直方向上的转动自由度，液压缸303的缸体端与伸缩端分别通过第一虎克铰组件301、第二虎克铰组件302与静平台1、动平台2相连。所述第一虎克铰组件301与第二虎克铰组件302结构相同，均由连接件A304、连接件B305、连接块306与连接轴307构成，如图3所示；其中，连接件A304与连接件B305结构相同，均为一个面连接板310、两轴连接板311构成的一体结构，两轴连接板311与面连接板310两相对侧边垂直相连，如图4所示。连接件A304与连接件B305中两轴连接板311均与连接块306通过连接轴307轴接，且使连接块306位于连接件A304与连接件B305中两轴连接板311之间，并保证连接件A304与连接件B305中的连接轴307轴线相互垂直且共面，由此使连接件A304与连接件B305可分别以连接轴307为轴绕连接块306转动，使第一虎克铰组件301与第二虎克铰组件302具有两个垂直方向上的转动自由度。为了便于加工以及连接件A304、连接件B305与连接块306间的轴接，本发明中在连接件A304与连接件B305中的两轴连接板311上对称开有轴孔，通过在连接件A304与连接件B305中的两轴连接板311外侧固定安装具有连接轴307的安装板308，使安装板308上的连接轴307穿过轴孔与连接块306轴接。

液压缸303的缸体端与伸缩端通过上述结构的虎克铰组件与静平台1和动平台2间的连接方式为：

液压缸303的缸体端固定套接液压缸套筒309，液压缸套筒309上具有凸轴，通过凸轴与第一虎克铰组件301中一个连接件的面连接板310螺纹连接，便于拆卸；第一虎克铰组件301中另一连接件的面连接板310与静平台1固连。液压缸303的伸缩端端部具有螺纹结构，与第二虎克铰组件302中一个连接件的面连接板310螺纹固连，第二虎克铰组件302中另一个连接件的面连接板310与动平台2固连。连接后第一虎克铰组件301和第二虎克铰组件302中的连接轴轴线分别与静平台1和动平台2平行。

所述静平台1与动平台2间还连接有支撑旋转杆件4；支撑旋转杆件4包括上支杆401、下支杆402与弹簧403，如图5所示，其中，上支杆401一端通过过盈配合与动平台2中心处固连；下支杆402一端通过过盈配合与静平台1中心处固连；上支杆401另一端具有球头，且上支杆401的直径小于球头直径；下支杆402另一端具有凹槽；球头和凹槽面相切配合，形成球铰连接，由此实现动平台2与静平台1间的相互定位，且使动平台2与静平台1间可相对以球铰转动。在下支杆402周向上对称位置过盈配合固定有销钉404；在下支杆402上还套有弹簧403，弹簧403位于下支杆402两销钉404处，使两销钉404位于弹簧403空隙处，且使弹簧403将上支杆401的球头包裹，由此通过弹簧403可加固球头与凹槽间的球铰配合，使上支杆401与下支杆402间相对转对时，球头不会由凹槽间脱出，防止上支杆401脱离下支杆402。

上述结构中，三套液压缸303在静平台1与动平台2之间连接后，使：

1、三套液压缸支链3的轴线与动平台2的轴线间具有夹角；

2、三套液压缸支链3中第一虎克铰组件301与静平台1相连的连接件转动轴中心点，到静平台1轴线的水平距离相等，中心点到静平台1轴线垂线垂直于第一虎克铰组件301中该转轴；且三套液压缸303中第二虎克铰组件302与动平台2相连的连接件转动轴线共面，并相交于上支杆401中球头的中心点；

3、三套液压缸支链3中第一虎克铰组件301与静平台1相连的连接件转动轴线间夹角为120°，第二虎克铰组件302与动平台2相连的连接件转动轴线间夹角为120°。

由于液压缸303伸缩端与缸体端之间可以直动及转动，因此，上述结构构成的三自由度并联机构，以具有凹槽的支撑旋转杆件4上端为轴心，可使动平台2具有空间内三个方向的转动自由度。

将三个上述结构构成的仿人机器人三自由度并联机构依次串联，如图6、图7所示，使第二个三自由度并联机构的动平台2与第一个三自由度并联机构的静平台1固连；第二个三自由度并联机构的静平台1与楔形肩部固定件底面相连，肩部固定件的侧面与第三个三自由度并联结构中的动平台2相连，由此便可构成整个仿人机器人的手臂结构。

Claims

1.一种用于机器人腕部、肩部的三自由度并联机构，其特征在于：包括静平台、动平台、液压缸支链与支撑旋转杆件构成；

所述静平台与动平台通过3套液压缸支链相连，其中，每套液压缸支链包括虎克铰组件与液压缸构成；液压缸的缸体端与伸缩端分别通过一个具有两个垂直方向上的转动自由度虎克铰组件与静平台和同平台相连；令与液压缸缸体端相连的虎克铰组件为第一虎克铰组件；与液压缸伸缩端相连的虎克铰组件为第二虎克铰组件；液压缸的缸体端与第一虎克铰组件中一个连接件固连，第一虎克铰组件中另一连接件的面连接板与静平台固连；液压缸的伸缩端与第二虎克铰组件中一个连接件固连；第二虎克铰组件中另一个连接件与动平台固连；且连接后第一虎克铰组件和第二虎克铰组件的转动轴线分别与静平台和动平台平行；

2.如权利要求1所述一种用于机器人腕部、肩部的三自由度并联机构，其特征在于：上述结构中，三套液压缸在静平台与动平台之间连接后，使：

a、三套液压缸支链的轴线与动平台的轴线间具有夹角；

b、三套液压缸支链中第一虎克铰组件301与静平台1相连的连接件转动轴中心点，到静平台1轴线的水平距离相等，中心点到静平台1轴线垂线垂直于第一虎克铰组件301中该转轴；且三套液压缸中第二虎克铰组件与动平台相连的连接件转动轴线共面，并相交于上支杆中球头的中心点；

c、三套液压缸支链中第一虎克铰组件与静平台相连的连接件转动轴线间夹角为120°，第二虎克铰组件与动平台相连的连接件转动轴线间夹角为120°。

3.如权利要求1所述一种用于机器人腕部、肩部的三自由度并联机构，其特征在于：所述上支杆的直径小于球头直径；在下支杆周向上对称位置过盈配合固定有销钉；在下支杆上还套有弹簧，弹簧位于下支杆两销钉处，使两销钉位于弹簧空隙处，且使弹簧将上支杆的球头包裹。

4.如权利要求1所述一种用于机器人腕部、肩部的三自由度并联机构，其特征在于：所述液压缸缸体端外部套接液压缸套筒，通过液压缸套筒上的凸轴与第一虎克铰组件中连接件螺纹连接。

5.如权利要求1所述一种用于机器人腕部、肩部的三自由度并联机构，其特征在于：所述虎克铰组件由连接件A、连接件B、连接块与连接轴构成；其中，连接件A与连接件B结构相同，均为一个面连接板、两轴连接板构成的一体结构，两轴连接板与面连接板两相对侧边垂直相连；连接件A与连接件B中两轴连接板均与连接块通过连接轴轴接，使连接块位于连接件A与连接件B中两轴连接板之间，且连接件A与连接件B中的连接轴轴线相互垂直且共面。

6.如权利要求5所述一种用于机器人腕部、肩部的三自由度并联机构，其特征在于：所述连接件A与连接件B中的两轴连接板上对称开有轴孔，通过在连接件A与连接件B中的两轴连接板外侧固定安装具有连接轴的安装板，使安装板上的连接轴穿过轴孔与连接块轴接，实现连接件A、连接件B与连接块间的轴接。

7.如权利要求1所述一种用于机器人腕部、肩部的三自由度并联机构，其特征在于：将三个三自由度并联机构依次串联，使第二个三自由度并联机构的动平台与第一个三自由度并联机构的静平台固连；第二个三自由度并联机构的静平台与楔形肩部固定件底面相连，肩部固定件的侧面与第三个三自由度并联结构中的动平台相连，便可构成整个仿人机器人的手臂结构。