CN105599005A

CN105599005A - 球面两自由度机器人腕关节

Info

Publication number: CN105599005A
Application number: CN201610173377.6A
Authority: CN
Inventors: 孙通帅; 褚宏鹏
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-03-24
Filing date: 2016-03-24
Publication date: 2016-05-25

Abstract

一种球面两自由度机器人腕关节，主要包括定平台、动平台、环形导轨，连接动、定平台的三条运动支链。每条运动支链均由下连杆、滑块和上连杆组成，下连杆与定平台通过转动副或球面副连接，下连杆与滑块通过转动副连接，滑块与上连杆通过转动副连接，上连杆与动平台通过转动副或球面副连接；三条运动支链中的滑块均与环形导轨通过移动副连接，滑块只能沿环形导轨做圆周滑动，环形导轨为圆环形。本发明可实现动平台相对定平台做球面两自由度转动，且具有体积小、刚度大、精度高、转动工作空间大等优点，可广泛应用于机器人领域。

Description

球面两自由度机器人腕关节

技术领域

本发明涉及一种机器人关节，特别涉及一种球面两自由度机器人腕关节。

技术背景

并联机构无累积误差，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、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还具有较好的各向同性。但并联机构的工作空间普遍较小，严重制约了并联机构在工业和机器人等领域的应用，因此研究具有大工作空间的并联机构，成为了并联机构领域一个重要的内容。

并联机构的自由度可分为移动自由度和转动自由度，其中移动工作空间可通过增大机构尺寸的办法增大，然而转动空间却不随机构尺寸的增大而增加。国外对大工作空间转动类并联机构研究较早，美国专利US4651589提出了一种大工作空间三自由度并联机构，并成功应用于雷达追踪设备，美国专利US4686866公开了一种大工作空间两转动并联机构，并成功应用于工业喷涂机器人腕关节中，美国专利US7478576B2公开了一种三支链大工作空间两转动并联机构，并将其应用于机器人腕关节中。美国专利US6658962B1公开了一种四支链大工作空间两转动并联机构，并将其应用于仿生机器人肩关节中。国内对具有大转动工作空间并联机构研究成果较少，其中发明专利CN103217986A和发明专利CN103433916A对大工作空间两转动并联机构进行了研究，并取得了一些成果。但上述大转动工作空间的并联机构都属于非球面转动并联机构，机构的转动中心不唯一，使得动平台在转动过程中会产生附加的移动，这一性质严重限制了这类机构在机器人特别是仿生机器人领域的应用。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种球面两自由度机器人腕关节，可实现动平台相对定平台做球面两自由度转动，且该关节具有体积小、刚度大、转动工作空间大等优点，可广泛应用于机器人特别是仿生机器人等领域。

本发明的技术方案具体如下：

本发明主要包括定平台、动平台、环形导轨，连接动、定平台的三条运动支链，其有四种连接方式：

第一种连接方式：三条运动支链结构相同，每条运动支链均由下连杆、滑块和上连杆组成，下连杆一端与定平台通过转动副连接，下连杆另一端与滑块通过转动副连接，上连杆一端与动平台通过转动副连接，上连杆另一端与滑块通过转动副连接；三条运动支链中的所有转动副的轴线汇交于一点O，且点O即为关节的转动中心；每条运动支链中的滑块均与环形导轨通过移动副连接，滑块只能沿环形导轨做圆周滑动，环形导轨为圆环形，其中心轴线过所述点O。

第二种连接方式：三条运动支链结构相同，每条运动支链均由下连杆、滑块和上连杆组成，下连杆一端与定平台通过转动副连接，下连杆另一端与滑块通过转动副连接，上连杆一端与动平台通过球面副连接，上连杆另一端与滑块通过转动副连接；三条运动支链中的所有转动副的轴线汇交于一点O，且点O即为关节的转动中心；每条运动支链中的滑块均与环形导轨通过移动副连接，滑块只能沿环形导轨做圆周滑动，环形导轨为圆环形，其中心轴线过所述点O。

第三种连接方式：第一、第二运动支链结构相同，两条运动支链均由下连杆、滑块和上连杆组成，下连杆一端与定平台通过转动副连接，下连杆另一端与滑块通过转动副连接，上连杆一端与动平台通过转动副连接，上连杆另一端与滑块通过转动副连接；第三运动支链由下连杆、滑块和上连杆组成，下连杆一端与定平台通过球面副连接，下连杆另一端与滑块通过转动副连接，上连杆一端与动平台通过转动副连接，上连杆另一端与滑块通过转动副连接；三条运动支链中的所有转动副的轴线汇交于一点O，且点O即为关节的转动中心；每条运动支链中的滑块均与环形导轨通过移动副连接，滑块只能沿环形导轨作圆周滑动，环形导轨为圆环形，其中心轴线过所述点O。

第四种连接方式：第一、第二运动支链结构相同，两条运动支链均由下连杆、滑块和上连杆组成，下连杆一端与定平台通过转动副连接，下连杆另一端与滑块通过转动副连接，上连杆一端与动平台通过转动副连接，上连杆另一端与滑块通过转动副连接；第三运动支链由下连杆、滑块和上连杆组成，下连杆一端与定平台通过球面副连接，下连杆另一端与滑块通过转动副连接，上连杆一端与动平台通过球面副连接，上连杆另一端与滑块通过转动副连接；三条运动支链中的所有转动副的轴线汇交于一点O，且点O即为关节的转动中心；每条运动支链中的滑块均与环形导轨通过移动副连接，滑块只能沿环形导轨作圆周滑动，环形导轨为圆环形，其中心轴线过所述点O。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)动平台相对定平台具有球面两转动自由度，且转动中心唯一；(2)动平台相对定平台转动工作空间大，转动角度可达±90度；(3)关节体积小，刚度大；(4)关节的三条运动支链之间相互耦合，大大提高了关节的受力性能。

附图说明

图1是本发明实施例1立体结构示意简图.

图2是本发明实施例2立体结构示意简图.

图3是本发明实施例3立体结构示意简图.

图4是本发明实施例4立体结构示意简图.

图中：1.定平台，2.动平台，(A3，B3，C3).下连杆，(A4，B4，C4).滑块，(A5，B5，C5).上连杆，6.环形导轨。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，在所有实施例中，所述Rij表示一个转动副，Sij表示一个球面副，Pij表示一个移动副，其中i，j为自然数。

实施例1

如图1所示是本发明公开的第1个实施例，一种球面两自由度机器人腕关节，主要包括定平台1、动平台2、环形导轨6，连接动、定平台的三条运动支链。三条运动支链结构相同，其中第一运动支链由下连杆A3、滑块A4和上连杆A5组成，下连杆A3一端与定平台1之间通过转动副R11连接，下连杆A3另一端与滑块A4通过转动副R12连接；上连杆A5一端与滑块A4通过转动副R13连接，上连杆A5另一端与动平台2之间通过转动副R14连接。第二运动支链由下连杆B3、滑块B4和上连杆B5组成，下连杆B3一端与定平台1之间通过转动副R21连接，下连杆B3另一端与滑块B4通过转动副R22连接；上连杆B5一端与滑块B4通过转动副R23连接，上连杆B5另一端与动平台2之间通过转动副R24连接。第三运动支链由下连杆C3、滑块C4和上连杆C5组成，下连杆C3一端与定平台1之间通过转动副R31连接，下连杆C3另一端与滑块C4通过转动副R32连接；上连杆C5一端与滑块C4通过转动副R33连接，上连杆C5另一端与动平台2之间通过转动副R34连接。

第一运动支链中滑块A4与环形导轨6通过移动副P15连接，滑块A4只能沿环形导轨6做圆周滑动；第二运动支链中滑块B4与环形导轨6通过移动副P25连接，滑块B4只能沿环形导轨6做圆周滑动；第三运动支链中滑块C4与环形导轨6通过移动副P35连接，滑块C4只能沿环形导轨6做圆周滑动。

所述转动副R11、转动副R12、转动副R13、转动副R14、转动副R21、转动副R22、转动副R23、转动副R24、转动副R31、转动副R32、转动副R33、转动副R34的轴线汇交于一点O，且点O即为关节的转动中心。所述环形导轨6为圆环形，其中心轴线过所述点O。

实施例2

如图2所示是本发明公开的第2个实施例，一种球面两自由度机器人腕关节，主要包括定平台1、动平台2、环形导轨6，连接动、定平台的三条运动支链。三条运动支链结构相同，其中第一运动支链由下连杆A3、滑块A4和上连杆A5组成，下连杆A3一端与定平台1之间通过转动副R11连接，下连杆A3另一端与滑块A4通过转动副R12连接；上连杆A5一端与滑块A4通过转动副R13连接，上连杆A5另一端与动平台2之间通过球面副S14连接。第二运动支链由下连杆B3、滑块B4和上连杆B5组成，下连杆B3一端与定平台1之间通过转动副R21连接，下连杆B3另一端与滑块B4通过转动副R22连接；上连杆B5一端与滑块B4通过转动副R23连接，上连杆B5另一端与动平台2之间通过球面副S24连接。第三运动支链由下连杆C3、滑块C4和上连杆C5组成，下连杆C3一端与定平台1之间通过转动副R31连接，下连杆C3另一端与滑块C4通过转动副R32连接；上连杆C5一端与滑块C4通过转动副R33连接，上连杆C5另一端与动平台2之间通过球面副S34连接。

所述转动副R11、转动副R12、转动副R13、转动副R21、转动副R22、转动副R23、转动副R31、转动副R32、转动副R33的轴线汇交于一点O，且点O即为关节的转动中心。所述环形导轨6为圆环形，其中心轴线过所述点O。

实施例3

如图3所示是本发明公开的第3个实施例，一种球面两自由度机器人腕关节，主要包括定平台1、动平台2、环形导轨6，连接动、定平台的三条运动支链。第一、第二运动支链结构相同，其中第一运动支链由下连杆A3、滑块A4和上连杆A5组成，下连杆A3一端与定平台1之间通过转动副R11连接，下连杆A3另一端与滑块A4通过转动副R12连接；上连杆A5一端与滑块A4通过转动副R13连接，上连杆A5另一端与动平台2之间通过转动副R14连接。第二运动支链由下连杆B3、滑块B4和上连杆B5组成，下连杆B3一端与定平台1之间通过转动副R21连接，下连杆B3另一端与滑块B4通过转动副R22连接；上连杆B5一端与滑块B4通过转动副R23连接，上连杆B5另一端与动平台2之间通过转动副R24连接。第三运动支链由下连杆C3、滑块C4和上连杆C5组成，下连杆C3一端与定平台1之间通过球面副S31连接，下连杆C3另一端与滑块C4通过转动副R32连接；上连杆C5一端与滑块C4通过转动副R33连接，上连杆C5另一端与动平台2之间通过转动副R34连接。

所述转动副R11、转动副R12、转动副R13、转动副R14、转动副R21、转动副R22、转动副R23、转动副R24、转动副R32、转动副R33、转动副R34的轴线汇交于一点O，且点O即为关节的转动中心。所述环形导轨6为圆环形，其中心轴线过所述点O。

实施例4

如图4所示是本发明公开的第4个实施例，一种球面两自由度机器人腕关节，主要包括定平台1、动平台2、环形导轨6，连接动、定平台的三条运动支链。第一、第二运动支链结构相同，其中第一运动支链由下连杆A3、滑块A4和上连杆A5组成，下连杆A3一端与定平台1之间通过转动副R11连接，下连杆A3另一端与滑块A4通过转动副R12连接；上连杆A5一端与滑块A4通过转动副R13连接，上连杆A5另一端与动平台2之间通过转动副R14连接。第二运动支链由下连杆B3、滑块B4和上连杆B5组成，下连杆B3一端与定平台1之间通过转动副R21连接，下连杆B3另一端与滑块B4通过转动副R22连接；上连杆B5一端与滑块B4通过转动副R23连接，上连杆B5另一端与动平台2之间通过转动副R24连接。第三运动支链由下连杆C3、滑块C4和上连杆C5组成，下连杆C3一端与定平台1之间通过球面副S31连接，下连杆C3另一端与滑块C4通过转动副R32连接；上连杆C5一端与滑块C4通过转动副R33连接，上连杆C5另一端与动平台2之间通过球面副S34连接。

所述转动副R11、转动副R12、转动副R13、转动副R14、转动副R21、转动副R22、转动副R23、转动副R24、转动副R32、转动副R33的轴线汇交于一点O，且点O即为关节的转动中心，所述环形导轨6为圆环形，其中心轴线过所述点O。

Claims

1.一种球面两自由度机器人腕关节，其有定平台、动平台、环形导轨，连接动、定平台的三条运动支链，其特征在于：三条运动支链结构相同，每条运动支链均由下连杆、滑块和上连杆组成，下连杆一端与定平台通过转动副连接，下连杆另一端与滑块通过转动副连接，上连杆一端与动平台通过转动副连接，上连杆另一端与滑块通过转动副连接；三条运动支链中的所有转动副的轴线汇交于一点O，且点O即为关节的转动中心；每条运动支链中的滑块均与环形导轨通过移动副连接，滑块只能沿环形导轨做圆周滑动，环形导轨为圆环形，其中心轴线过所述点O。

2.一种球面两自由度机器人腕关节，其有定平台、动平台、环形导轨，连接动、定平台的三条运动支链，其特征在于：三条运动支链结构相同，每条运动支链均由下连杆、滑块和上连杆组成，下连杆一端与定平台通过转动副连接，下连杆另一端与滑块通过转动副连接，上连杆一端与动平台通过球面副连接，上连杆另一端与滑块通过转动副连接；三条运动支链中的所有转动副的轴线汇交于一点O，且点O即为关节的转动中心；每条运动支链中的滑块均与环形导轨通过移动副连接，滑块只能沿环形导轨做圆周滑动，环形导轨为圆环形，其中心轴线过所述点O。

3.一种球面两自由度机器人腕关节，其有定平台、动平台、环形导轨，连接动、定平台的三条运动支链，其特征在于：第一、第二运动支链结构相同，两条运动支链均由下连杆、滑块和上连杆组成，下连杆一端与定平台通过转动副连接，下连杆另一端与滑块通过转动副连接，上连杆一端与动平台通过转动副连接，上连杆另一端与滑块通过转动副连接；第三运动支链由下连杆、滑块和上连杆组成，下连杆一端与定平台通过球面副连接，下连杆另一端与滑块通过转动副连接，上连杆一端与动平台通过转动副连接，上连杆另一端与滑块通过转动副连接；三条运动支链中的所有转动副的轴线汇交于一点O，且点O即为关节的转动中心；每条运动支链中的滑块均与环形导轨通过移动副连接，滑块只能沿环形导轨作圆周滑动，环形导轨为圆环形，其中心轴线过所述点O。

4.一种球面两自由度机器人腕关节，其有定平台、动平台、环形导轨，连接动、定平台的三条运动支链，其特征在于：第一、第二运动支链结构相同，两条运动支链均由下连杆、滑块和上连杆组成，下连杆一端与定平台通过转动副连接，下连杆另一端与滑块通过转动副连接，上连杆一端与动平台通过转动副连接，上连杆另一端与滑块通过转动副连接；第三运动支链由下连杆、滑块和上连杆组成，下连杆一端与定平台通过球面副连接，下连杆另一端与滑块通过转动副连接，上连杆一端与动平台通过球面副连接，上连杆另一端与滑块通过转动副连接；三条运动支链中的所有转动副的轴线汇交于一点O，且点O即为关节的转动中心；每条运动支链中的滑块均与环形导轨通过移动副连接，滑块只能沿环形导轨作圆周滑动，环形导轨为圆环形，其中心轴线过所述点O。