CN104260081B - 三自由度驱动器及驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型三自由度驱动器及驱动方法，属机器人领域。它由操纵器、大运动平台、小运动平台、气动人工肌肉、固定杆和固定平台等组成。固定杆一端与固定平台固定连接，另一端通过三自由度关节结构连接小运动平台，小运动平台与操纵器固定连接，操纵器通过内轴承端盖与大轴承内圈固定连接，大轴承外圈通过外轴承端盖与大运动平台固定连接。驱动器共包含两组气动人工肌肉，其中第一组气动人工肌肉对称分布，控制大运动平台实现两个自由度的转动，大运动平台同步带动小运动平台及操纵器转动；第二组气动人工肌肉水平布置，通过对拉实现小运动平台及操纵器一个自由度的转动。该种驱动器结构新颖，控制简便，具有广泛的应用前景。

Description

三自由度驱动器及驱动方法
技术领域
本发明涉及一种三自由度驱动器及驱动方法，属机器人领域。
背景技术
三自由度驱动器在机器人领域应用非常广泛，不仅可以直接作为机器人本体机构应用，如平面三自由度并联机器人机构，球面三自由度并联机器人机构，也有将三自由度驱动器作为机器人肩关节、腕关节使用，或者将若干驱动器串联起来组成机器人手臂。
目前主流三自由度驱动器多数是由电机驱动，并且常常包含齿轮减速装置，这些装置的引入不仅会降低驱动器的精度，而且会增加机械结构各部分的耦合性，使动力学建模及运动控制都变得复杂。同时电机驱动限制了它们的使用场合，例如在水下作业时，这样的驱动器就很难应用。
气动人工肌肉是一种将气体压力转化为机械拉力的装置，由橡胶管、编织网及两端的刚性连接件组成，具有结构简单、柔顺性好，输出力/自重比大等优点，在医疗器械，仿生机器人等领域具有广阔的应用前景。目前应用人工肌肉的三自由度驱动器多数是单纯的并联机构，尽管相比电机驱动的并联机构其在结构轻巧、柔顺性方面已经体现出很大的优势，但不可避免的依然存在模型复杂，控制困难等问题，这就为研究一种新型的三自由度驱动器提供了依据。
发明内容
本发明旨在设计一种三自由度驱动器及驱动方法，其具有负载能力强，控制简便，运动柔顺等特点。
该三自由度驱动器依次包括固定平台、小运动平台、大运动平台、操纵器，其中固定平台与小运动平台之间通过固定杆连接，固定杆一端与固定平台固定连接，另一端与小运动平台通过三自由度结构连接。固定平台与大运动平台之间通过第一组气动人工肌肉连接，第一组气动人工肌肉由至少3根气动人工肌肉组成，它们沿固定平台中心线均匀分布；所述气动人工肌肉一端与固定平台通过二自由度关节结构连接，另一端与大运动平台通过三自由度关节结构连接。
大运动平台具有中心大孔，中心大孔中安装有大轴承，所述操纵器安装于大轴承内，且操纵器与上述小运动平台通过沿两者中心连线对称分布的长螺杆固定连接。
所述小运动平台与大运动平台之间通过第二组气动人工肌肉连接，第二组气动人工肌肉由2根气动人工肌肉组成，它们与小运动平台相平行，且彼此相互平行，且沿小运动平台中心对称；所述气动人工肌肉一端与小运动平台通过三自由度关节结构连接，另一端与大运动平台通过三自由度关节结构连接。
所述的三自由度驱动器的驱动方法，其特征在于：
安装于固定平台和大运动平台之间的第一组气动人工肌肉驱动大运动平台相对于固定平台产生两个转动自由度的运动，大运动平台同步带动小运动平台及操纵器产生上述两个转动自由度的运动。
安装于大运动平台与小运动平台之间的第二组气动人工肌肉驱动小运动平台相对于大运动平台产生绕小运动平台中心线的旋转运动，同步带动操纵器产生上述旋转运动；即操纵器具有相对固定平台的三个转动自由度。
所述第一组气动人工肌肉与固定平台的连接位置、与大运动平台的连接位置均可调整，第二组气动人工肌肉与小运动平台的连接位置、与大运动平台的连接位置均可调整，通过连接位置的调整获得不同的力矩和转动范围。
上述二自由度关节结构可以使万向节。上述三自由度关节结构为球形关节结构，或万向节与轴承组成的组合结构。
操纵器上端面设计有多个螺纹孔，可以用于安装工件或者其它驱动器。
附图说明
图1——本发明三自由度驱动器正二侧视图；
图2——本发明三自由度驱动器正视图；
图3——本发明三自由度驱动器之小运动平台部件俯视图；
图4——本发明三自由度驱动器之小运动平台部件正视图；
图5——本发明三自由度驱动器之小运动平台与操纵器部件装配正视图；
图6——本发明三自由度驱动器之大运动平台俯视图；
图7——本发明三自由度驱动器之小运动平台与操纵器部件装配俯视图；
图中标号名称：1——操纵器；2——大运动平台；3——小运动平台；4——第一组气动人工肌肉；5——固定杆；6——固定平台；7——U型槽；8——圆形盖板；9——长螺杆；10——U型轴承端盖；11——第二组气动人工肌肉；12——大轴承；13——小型沉头孔；14——中心大孔。
具体实施方式
固定平台6与小运动平台3之间通过固定杆5连接，如图1所示，固定杆5是一根长螺杆，螺杆一端与固定平台6通过螺母固定连接，另一端与小运动平台3通过三自由度关节结构连接；如图2所示，为了降低小运动平台3的厚度，可将固定杆5先通过三自由度关节结构与圆形盖板8连接，圆形盖板8再通过四根长螺杆9与小运动平台3固定连接。
固定平台6与大运动平台2之间通过第一组气动人工肌肉4连接，该组人工肌肉沿固定平台中心线均匀分布；具体可在大运动平台上加工小型沉头孔13，在该沉头孔内安装小轴承，再将小轴承内圈与万向节的一端固定连接，万向节的另一端固定连接所述气动人工肌肉，人工肌肉4便与大运动平台相连；而后将所述气动人工肌肉的另一端连接另一个万向节，再将此万向节通过螺钉紧固于固定平台6的U型槽内，至此，大运动平台2与固定平台6通过所述气动人工肌肉连接在了一起。
大运动平台2具有中心大孔14，中心大孔中安装有大轴承12，操纵器1安装于大轴承12内；具体可在操纵器1下端加工螺纹孔，用螺钉将其与大轴承内端盖固定连接。此外，还需将操纵器1与上述小运动平台3通过沿两者中心连线对称分布的四根长螺杆9固定连接。
小运动平台3与大运动平台2之间通过第二组气动人工肌肉11连接，具体可在大运动平台2的小型沉头孔13内安装小轴承，再将小轴承内圈与万向节的一端固定连接，万向节的另一端固定连接所述气动人工肌肉，人工肌肉11便与大运动平台相连；而后将人工肌肉11的另一端连接另一个万向节，再将此万向节连接安装于小运动平台U型槽及U型轴承端盖之间的小轴承，至此，大运动平台2与小运动平台3通过所述气动人工肌肉连接在了一起。所述气动人工肌肉共有2根，它们与小运动平台3的端面相平行，且彼此相互平行，且沿小运动平台3中心对称。
如前所述，固定平台6上用于安装万向节的结构为U型槽，小运动平台3上用于安装小轴承的结构为U型槽和U型轴承端盖，此外，可在大运动平台2上加工多于实际使用个数的小型沉头孔，因此第一组气动人工肌肉4与固定平台6的连接位置、与大运动平台2的连接位置均可调整，第二组气动人工肌肉11与小运动平台3的连接位置、与大运动平台2的连接位置均可调整。
将所有零部件正确安装，以一定规律向人工肌肉内充入压缩空气便可控制该三自由度驱动器按照预设的目标运动。通过调整人工肌肉与大运动平台2、小运动平台3及固定平台6的连接位置，可获得不同的力矩和转动范围。

Claims (6)

1.一种三自由度驱动器，其特征在于：
依次包括固定平台（6）、小运动平台（3）、大运动平台（2）、操纵器（1）；
其中固定平台（6）与小运动平台（3）之间通过固定杆（5）连接，其中固定杆（5）一端与固定平台（6）固定连接，另一端与小运动平台（3）通过三自由度关节结构连接；
其中固定平台（6）与大运动平台（2）之间通过第一组气动人工肌肉（4）连接，第一组气动人工肌肉（4）由至少3根气动人工肌肉组成，它们沿固定平台中心线均匀分布；所述气动人工肌肉一端与固定平台（6）通过二自由度关节结构连接，另一端与大运动平台（2）通过三自由度关节结构连接；
其中大运动平台（2）具有中心大孔（14），中心大孔中安装有大轴承（12），所述操纵器（1）安装于大轴承（12）内；且操纵器（1）与上述小运动平台（3）通过沿两者中心连线对称分布的长螺杆（9）固定连接；
所述小运动平台（3）与大运动平台（2）之间通过第二组气动人工肌肉（11）连接，第二组气动人工肌肉（11）由2根气动人工肌肉组成，它们与小运动平台（3）端面相平行，且彼此相互平行，且沿小运动平台（3）中心对称；所述气动人工肌肉一端与小运动平台（3）通过三自由度关节结构连接，另一端与大运动平台（2）通过三自由度关节结构连接。
2.根据权利要求1所述的三自由度驱动器，其特征在于：上述二自由度关节结构为万向节。
3.根据权利要求1所述的三自由度驱动器，其特征在于：上述三自由度关节结构为球形关节结构，或万向节与轴承组成的组合结构。
4.根据权利要求1所述的三自由度驱动器，其特征在于：所述第一组气动人工肌肉（4）与固定平台的连接位置、与大运动平台的连接位置均可调整，第二组气动人工肌肉（11）与小运动平台的连接位置、与大运动平台的连接位置均可调整。
5.根据权利要求1所述的三自由度驱动器的驱动方法，其特征在于：
安装于固定平台（6）和大运动平台（2）之间的第一组气动人工肌肉（4）驱动大运动平台（2）相对于固定平台（6）产生两个转动自由度的运动，大运动平台（2）同步带动小运动平台（3）及操纵器（1）产生上述两个转动自由度的运动；
安装于大运动平台（2）与小运动平台（3）之间的第二组气动人工肌肉（11）驱动小运动平台（3）相对于大运动平台（2）产生绕小运动平台中心线的旋转运动，同步带动操纵器（1）产生上述旋转运动；即操纵器（1）具有相对固定平台（6）的三个转动自由度。
6.根据权利要求5所述的三自由度驱动器的驱动方法，其特征在于：所述第一组气动人工肌肉（4）与固定平台的连接位置、与大运动平台的连接位置均可调整，第二组气动人工肌肉（11）与小运动平台的连接位置、与大运动平台的连接位置均可调整，通过连接位置的调整获得不同的力矩和转动范围。
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