CN105082172A - 一种基于串联弹性驱动器的并联三自由度柔顺机械手腕 - Google Patents

Abstract

一种基于串联弹性驱动器的并联三自由度柔顺机械手腕，包括固定平台、动平台、三组并联的线性双串联弹性驱动器、中间约束连杆以及连接线性双串联弹性驱动器和固定(动)平台的球铰；双串联弹性驱动器3a下端通过螺栓与球铰链连杆紧固连接，上端通过螺栓与球铰2a紧固连接；线性双串联弹性驱动器3d、3c以同样的方式并联在动平台和定平台之间；球铰2a、2d、2e以及2b、2g、2f成120°分别均匀固定连接在动/定平台上；球铰连杆通过螺栓与约束杆5紧固连接，约束杆的另一端与固定平台固结。该发明将3-SPS-S并联机构应用于机械手腕，并设计发明了基于电动推杆的线性双串联弹性驱动器，使得机械手腕更加的柔顺化，可实现机械臂末端执行器的位姿调整。

Description

一种基于串联弹性驱动器的并联三自由度柔顺机械手腕

技术领域

本文涉及一种三自由度机械手腕，具体涉及一种基于串联弹性驱动器的并联三自由度柔顺机械手腕。

背景技术

机械手腕是从仿生学角度出发具有人类手腕输出效果的机械装置，可实现类似人类手腕的内收/外展、俯/仰以及内/外旋转运动，是连接末端执行器和手臂的重要组成部分，主要用于末端执行器的精确位置调整，其性能好坏直接影响到机械人的想能优劣，在工业机器人、服务机器人、以及康复医疗机器人等领域受到越来越多的关注。传统的机械手腕都采用刚性驱动，导致输出柔顺性较差，不利于人机交互的安全性。在机械手腕领域，美国莱斯大学设计研究并发展主要用于康复医疗领域的RiceWrist,采用并联3-RPS机构可以实现腕部弯/曲和俯/仰运动，对于柔顺机械手腕的研究刚刚起步。近几年清华大学、上海交通大学等国内高校对于并联手腕和串联弹性驱动器的研究已经得到快速发展，但是将串联弹性驱动器用于并联机械手腕尚未有研究和成果。

发明内容

本发明要解决的技术问题：首先，机械手腕作为连接手臂和末端执行器的机构，必须保证结构紧凑、承载能力强的特点，为了实现精确的位置调整，该机构应该具有高刚度。传统的机械手臂末端调整姿态的机构多采用3轴分离形式，即各关节轴线垂直串联布置，导致机械臂末端刚度较低，误差增加且承载能力较差，因此需要一种具有很好的刚度、结构紧凑，可用于机械手腕的调姿机构；其次，机械手腕要实现较好的柔顺性能，传统的刚性驱动器不具备良好的柔顺性，无法保证人机交互的安全性，因此需要一种新的驱动方式应用于腕关节驱动；柔顺机械手腕既要将动力由关节输出至末端执行器，也要有承受负载反馈力的能力，因此设计的串联弹性驱动器必须实现这种动力的双向弹性缓冲；要实现柔顺特性，其机械手腕关节部位不能过于冗杂庞大，同时要降低末端负载，需要驱动器与弹性元件的结合的结构足够紧凑和轻量。

本发明的技术方案：一种基于串联弹性驱动器的并联三自由度柔顺机械手腕，包括与机械臂相连的固定平台、与末端执行器相连的动平台、三组并联的线性串双联弹性驱动器模块和中间约束连杆四部分；其中线性双串联弹性驱动器下端通过球铰与固定平台相连，上端通过球铰与动平台相连；分别与定平台和动平台固连的球铰成120°布置在圆周上，中间连杆位于动平台和定平台的轴线处，下端与动平台固连，上端通过球铰与动平台相连；线性双串联弹性驱动器由电机、推杆、双串联弹簧组、上、下弹簧挡板、弹簧驱动挡板、导向螺栓组成。三个挡板通过导向螺栓相连，两组弹簧安装在导向螺栓上通过中间挡板隔开，即：弹簧一端顶在上(下)挡板，一端顶在驱动挡板；电机驱动转矩通过推杆装置变换成直线推力，推动驱动挡板压缩弹簧产生变形，弹簧将驱动力通过上挡板、球铰传递给动平台，实现末端位姿调整。

所述串联弹簧组中的弹簧数量可以改变，根据需要通过改变挡板的形状可以改变弹簧组中弹簧的数量，弹簧是均匀布置在挡板上的，可以是奇数个均匀布置，也可以是偶数个均匀布置，再通过导向螺栓串联在一起；所述弹簧刚度可以根据不同实际条件改变；所述弹簧的预压缩量可以通过调节导向螺栓的螺母根据具体要求改变；所述中间约束杆的长度可以改变；

本发明的有益效果：本发明所述的基于串联弹性驱动器的并联三自由度柔顺机械手腕，是从仿生学角度出发，将3-SPS-S并联机构应用于机械手腕，可实现手腕弯/曲、俯/仰以及内/外旋转运动，并使得手腕部位具有很好的承载能力；该发明把串联弹性驱动器引入及机械手腕，并设计发明了基于电动推杆的线性双串联弹性驱动器，可实现双向的弹性缓冲，使得机械手腕的动力学特性更加的柔顺化，提高人机交互的安全性并且具有更好的仿人特性。

附图说明

图1基于串联弹性驱动器的并联三自由度柔顺机械手腕三维视图。

图2基于电动推杆的双串联弹性驱动器三维视图。

图3线性双串联弹性驱动器弹簧组局部视图。

图4基于串联弹性驱动器的并联三自由度柔顺机械手腕运动效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

机械手腕的整体布置如附图1所示，双串联弹性驱动器3a下端通过螺栓与球铰链连杆紧固连接，球铰链与固定平台4紧固连接，上端通过螺栓与球铰2a紧固连接，球铰与动平台紧固连接；双串联弹性驱动器3d、3c以同样的方式并联在动平台和定平台之间；球铰2a、2d、2e成120°均匀固定连接在动平台上，球铰2b、2g、2f成120°均匀固定连接在定平台上；球铰2c的轴线与动平台轴线重合并且与动平台固定连接，球铰连杆通过螺栓与约束杆5上端紧固连接，约束杆的另一端与固定平台固结。

双串联弹性驱动器模块整体布置和局部视图如图2、图3所示，电机7和推杆6共同组成电动推杆装置，推杆6穿过下弹簧挡板的中心孔9通过螺栓与弹簧驱动挡板2紧固连接，其中中心孔轴线与推杆6轴线重合，且孔直径大于推杆直径；下弹簧挡板3、驱动挡板2、上弹簧挡板1通过导向螺栓连接在一起，其中驱动挡板为活动板，上下挡板与导向螺栓通过螺纹连接；弹簧组5a套在螺栓上端顶在上弹簧挡板1上，一端顶在驱动挡板2上；弹簧组5b以同样的方式套在螺栓上，一端与驱动顶在驱动挡板上，另一端顶在下挡板上；两组弹簧中间用驱动挡板2隔开串联在上下弹簧挡板之间。

如图3所示上挡板通过螺栓与球铰连杆紧固连接；

驱动方式方式具体实施形式：电机驱动电动推杆移动，推杆6推动弹簧驱动挡板2向上移动，驱动挡板压缩弹簧组产生变形将推力传递给上挡板1，上弹簧挡板1通过球铰驱动动平台运动；图1中的双串联驱动器都是按照上述形式进行力的传递，通过控制弹性驱动器3a、3b、3c中推杆的长度可实现动平台不同的运动。

具体运动效果如图4所示，为了便于区分运动形式加以末端执行器1；(a)是末端执行器处于平衡位置，(b)是末端执行器内收/外展运动，(c)是末端执行器俯/仰运动，(d)末端执行器旋转运动。

Claims (5)

1.一种基于串联弹性驱动器的并联三自由度柔顺机械手腕，其特征在于：该机械手腕是基于3-SPS-S并联机构的三自由度机械手腕，可实现腕关节内收/外展、俯/仰以及内/外旋转运动，从仿生学角度出发，为实现人机交互的安全性，将串联弹性驱动器应用于并联机械手腕，把移动副作为驱动副，并基于电动推杆设计发明了线性双串联弹性驱动器，可实现双向的弹性缓冲，输出效果具有更好的柔顺性。其中双串联驱动器模块,驱动源是电动推杆，电动推杆上端通过螺栓与弹簧驱动挡板紧固连接；上弹簧挡板、弹簧驱动挡板、下弹簧挡板通过导向螺栓连接在一起，其中弹簧驱动挡板与导向螺栓不存在接触，上弹簧挡板、下弹簧挡板与导向螺栓均是螺纹连接；上、下两组弹簧分别套在导向螺栓上，上、下两组弹簧中间由驱动挡板隔开，两端分别顶在上弹簧挡板和下弹簧挡板上，使得上、下两组弹簧形成串联关系；线性双串联弹性驱动器下端通过球铰与固定平台相连，上端通过球铰与动平台相连；分别与定平台和动平台固连的球铰成120°固连在动平台和定平台的圆周上，动平台和定平台上个固连3个球铰，三组线性双串联弹性驱动器通过球铰并联在动平台和固定平台之间；中间连杆位于动平台和定平台的轴线上，下端与动平台固连，上端通过球铰与动平台相连；运动时，线性双串联弹性驱动器中电机驱动推杆移动，推杆推动弹簧驱动挡板向上移动，弹簧驱动挡板压缩弹簧组产生变形，然后弹簧将推力传递给上弹簧挡板，上弹簧挡板通过球铰驱动动平台运动，通过控制电动推杆移动距离可以实现腕关节不同运动模式。

2.如权利要求1所述的基于串联弹性驱动器的并联三自由度柔顺机械手腕，其特征在于：将线性双串联弹性驱动器引入3-SPS-S机构，并用于机械手腕实现调整姿态的功能，通过选用不同的电动推杆可改变所述机械手腕的承载能力，并能够改变动平台运动范围。

3.如权利要求1所述的基于串联弹性驱动器的并联三自由度柔顺机械手腕，其特征在于：线性双串联弹性驱动器弹簧组中弹簧个数可以通过改变上弹簧挡板、弹簧驱动挡板、下弹簧挡板的形状改变，如，圆形挡板可以均匀布置3个弹簧构成弹簧组。

4.如权利要求1所述的基于串联弹性驱动器的并联三自由度柔顺机械手腕，其特征在于：其线性双串联弹性驱动器是适用于电动推杆的线性双串联弹性驱动器，通过串联两组弹簧，可实现双向弹性缓冲，使正反两个方向都具有柔顺化效果。

5.如权利要求1所述的基于串联弹性驱动器的并联三自由度柔顺机械手腕，其特征在于：线性双串联弹性驱动器，可以根据实际需要通过导向螺栓改变上弹簧挡板和下弹簧挡板之间的距离来改变弹簧预压缩量，得到所需弹簧预紧力。