CN106671126A - 基于中空超声电机且带有支架和双波纹管的机器人手腕 - Google Patents

基于中空超声电机且带有支架和双波纹管的机器人手腕 Download PDF

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Abstract

一种基于中空超声电机且带有支架和双波纹管的机器人手腕，其特征是它包括三个中空超声电机、五个联接环，两个波纹管，所述的联接环用于联接一个中空超声电机的转子和另一个中空超声电机的底座，亦可用于联接中空超声电机的底座和波纹管。本发明的三个自由度完全解耦，手腕内部不存在会产生运动间隙的齿轮传动和产生松弛的线传动，易于控制，结构紧凑，易于微小型化。

Description

基于中空超声电机且带有支架和双波纹管的机器人手腕
技术领域
本发明涉及一种机器人技术，尤其是一种机器人手腕结构，具体地说是一种三自由度完全垂直且完全解耦、导线和光纤穿装方便不会缠绕和干涉运动的基于中空超声电机且带有支架和双波纹管的机器人手腕。
背景技术
超声电机突破了传统电机的概念，它没有磁钢和绕组，不依靠电磁感应传递能量，是利用压电陶瓷的逆压电效应，通过压电陶瓷的伸缩振动模式的转换与耦合以及特殊结构的设计，将材料的微观变形通过共振放大和摩擦耦合转换成转子的宏观运动。超声电机具有低速大扭矩的特点，可直接驱动负载，无需齿轮箱进行降速以提高输出扭矩，结构设计灵活，可方便地设计成中空形式。
现有机器人手腕一般采用电磁电机驱动，为实现三个相互垂直方向的运动，往往首先采用类似皮带轮的线传动，进行扭矩的提升，然后采用锥齿轮进行转动方向的变换，或者选用万向接头进行传动方向的变换，这些不仅使得手腕整体的体积较大，重量较重，而且线传动的钢丝松弛和齿轮传动的间隙都会影响控制精度。
发明内容
本发明的目的是针对现有机器人手腕结构复杂，体积大、重量重、控制精度难以提高的问题，设计一种三自由度完全垂直且完全解耦、导线和光纤穿装方便不会缠绕和干涉运动的基于中空超声电机且带有支架和双波纹管的机器人手腕。
本发明的技术方案是：
一种基于中空超声电机且带有支架和双波纹管的机器人手腕，其特征是它包括三个中空超声电机、五个联接环，两个波纹管，所述的联接环用于联接一个中空超声电机的转子和另一个中空超声电机的底座，亦可用于联接中空超声电机的底座和波纹管。
手腕的三个自由度相互垂直且完全解耦，手腕内部可以穿过导线和光纤。
靠近手臂的两个自由度可实现大于180°往复摆动，末端自由度可实现 360°旋转。
第一中空超声电机的底座一端通过联接环可与手臂部件相连，第一中空超声电机的轴线转向与手臂的纵轴线垂直。
第一中空超声电机的转子通过支架与第二中空超声电机的底座连接，第一中空超声电机的底座一端与第二中空超声电机的底座一端用可伸缩的波纹管连接，波纹管内部可穿过导线和光纤。
第二中空超声电机的转子通过支架与第三中空超声电机的底座连接，第二电机的底座一端与第三电机的底座一端用可伸缩的波纹管连接，波纹管内部可穿过导线和光纤。
中空超声电机上的接口结构和波纹管的接口结构均采用凸台环形式，联接环的构型是凹环。
三个中空超声电机中的第一中空超声电机4的第一底座11相对的两侧面上分别设有第一环形凸台41和第二环形凸台42，所述的第一环形凸台41通过第一联接环2与机器人的手臂部件1上的环形凸台相连，第二环形凸台42通过第二联接环5与第一波纹管8一端的环形凸台相连，第一波纹管8的另一端通过第三联接环6与第二中空电机11的第二底座10上的第三环形凸台21相连，第二中空超声电机11的第二底座10上与第三环形凸台21相对的另一面设有第四环形凸台22，该第四环形凸台22与第二波纹管16一端的环形凸台通过第四联接环14相连，所述第二波纹管16的另一端的环形凸台通过第五联接环15与第三中空超声电机20的第三底座18连接的第三中空电机的连接板17上的第五环形凸台31相连；所述的第一中空超声电机4的第一中空转子41的两端均通过相应的第一支架7与第二中空超声电机11和第一底座10相连，第二中空超声电机11的第二中空超声转子12的两端分别通过各自的第二支架13与第三中空超声电机20的第三底座18相连。
第三中空超声电机20与第二波纹管16相连的一端上安装有第三中空超声电机转接板17，在所述的第三中空超声电机转接板17上设有与第二波纹管16连接用的第五环形凸台31。
本发明的有益效果：
本发明由于采用超声电机，避免了齿轮和钢丝存在的问题，电机的中空结构，可以使得手腕内部可以穿过导线和光纤，联接环的结构使得手腕更加紧凑。
本发明首次创造性地将中空超声电机应用于机器人手腕控制中，不仅扩大了其应用范围，而且对提高机器人手腔的灵活性、减小体积、重量，提高控制精度有着十分重要的意义。
本发明克服传统观念束缚，通过对中空超声电机连接方式的改变扩大了其应用范围。
本发明使用三个中空超声电机构成内部可穿导线和光纤, 靠近手臂的两个自由度可实现大于180°往复摆动，末端一个自由度可实现360°旋转。
本发明的波纹管内部可穿过导线和光纤，手腕的三个自由度相互垂直，运动完全解耦，手腕内部不存在会产生运动间隙的齿轮传动和产生松弛的线传动，易于控制，结构紧凑，易于微小型化。
本发明中波纹管一方面可以起到防止导线和光纤外露，另一方面它的伸缩性和延展性不影响相关自由度的摆动。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中第一中空超声电机的结构示意图（含导线和光纤的走向）。
图3为本发明中第二中空超声电机的结构示意图（含导线和光纤的走向）。
图4为本发明中第三中空超声电机的结构示意图（含导线和光纤的走向）。
图5为本发明中联接环的结构示意图。
图中：1、手臂部件，2、第一联接环，3、第一中空超声电机的底座，4、第一中空超声电机，5、第二联接环，6、第三联接环，7、第一支架，8、第一波纹管，9、导线和光纤，10、第二中空超声电机的底座，11、第二中空超声电机，12、第二中空超声电机的转子，13、第二支架，14、第四联接环，15、第五联接环，16、第二波纹管，17、第三中空超声电机的转接板18、第三中空超声电机的底座，19、第三中空超声电机的转子，20、第三中空超声电机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-5所示。
一种基于中空超声电机且带有支架和双波纹管的机器人手腕，它包括三个中空超声电机4、11、20（如图2、3、4）、五个联接环2、5、6、14、15（如图5），两个波纹管8、16，如图1所示，所述的联接环用于联接一个中空超声电机的转子和另一个中空超声电机的底座，亦可用于联接中空超声电机的底座和波纹管。由图1可看出，手腕的三个自由度相互垂直且完全解耦，手腕内部可以穿过导线和光纤9。靠近手臂的两个自由度可实现大于180°往复摆动，末端自由度可实现 360°旋转。第一中空超声电机的底座一端通过联接环可与手臂部件相连，第一中空超声电机的轴线转向与手臂的纵轴线垂直。第一中空超声电机的转子通过支架与第二中空超声电机的底座连接，第一中空超声电机的底座一端与第二中空超声电机的底座一端用可伸缩的波纹管连接，波纹管内部可穿过导线和光纤。第二中空超声电机的转子通过支架与第三中空超声电机的底座连接，第二电机的底座一端与第三电机的底座一端用可伸缩的波纹管连接，波纹管内部可穿过导线和光纤。中空超声电机上的接口结构和波纹管的接口结构均采用凸台环形式，联接环的构型是凹环。
如图1所示，三个中空超声电机中的第一中空超声电机4的第一底座11相对的两侧面上分别设有第一环形凸台41和第二环形凸台42，所述的第一环形凸台41通过第一联接环2与机器人的手臂部件10上的环形凸台相连，第二环形凸台42通过第二联接环5与第一波纹管8一端的环形凸台相连，第一波纹管8的另一端通过第三联接环6与第二中空电机11的第二底座1上的第三环形凸台21相连，第二中空超声电机11的第二底座10上与第三环形凸台21相对的另一面设有第四环形凸台22，该第四环形凸台22与第二波纹管16一端的环形凸台通过第四联接环14相连，所述第二波纹管16的另一端的环形凸台通过第五联接环15与第三中空超声电机20的第三底座18连接的第三中空电机的连接板17上的第五环形凸台31相连；所述的第一中空超声电机4的第一中空转子41的两端均通过相应的第一支架7与第二中空超声电机11和第一底座10相连，第二中空超声电机11的第二中空超声转子12的两端分别通过各自的第二支架13与第三中空超声电机20的第三底座18相连。第三中空超声电机20与第二波纹管16相连的一端上安装有第三中空超声电机转接板17，在所述的第三中空超声电机转接板17上设有与第二波纹管16连接用的第五环形凸台31。
详述如下：
第一中空超声电机的底座3侧面一端的环形凸台与手部部件1上的环形凸台相接触，对准后用第一联接环2进行连接，第一中空超声电机4的转轴与手部部件1的轴线垂直，第一中空超声电机4的中空转子的上下端面通过螺纹与第一支架7连接，第一支架7的另一端与第二中空超声电机的底座10通过螺纹连接，第一中空超声电机的底座3的另侧面一端上的环形凸台与第一波纹管8的凸台相接触，对准后用第二联接环5将第一中空超声电机的底座3和第一波纹管8进行连接，第一波纹管8另一端的环形凸台与第二中空超声电机的底座10一端的凸台相接触，对准后用第三联接环6将第二中空超声电机的底座10和第一波纹管8进行连接，第一波纹管8内部可穿过导线和光纤，第二中空超声电机的中空转子12的上下端面通过螺纹与第二支架13连接，第二支架13的另一端与第三中空超声电机的底座18通过螺纹连接，第二中空超声电机的底座10的另侧面一端上的环形凸台与第二波纹管16的凸台相接触，对准后用第四联接环14将第三中空超声电机的底座10和第二波纹管16进行连接，第二波纹管16另一端的环形凸台与第三中空超声电机的转接板17上的凸台相接触，对准后用第五联接环15将第三中空超声电机的转接板17和第二波纹管16进行连接，第二波纹管16内部可穿过导线和光纤；第一中空超声电机4的旋转轴线、第二中空超声电机11的旋转轴线、第三中空超声电机20的旋转轴线相互垂直，第一中空超声电机4和第二中空超声电机11的旋转轴线可实现大于180°的往复摆动，第三中空超声电机20的旋转轴线可实现360°旋转；第三中空超声电机的中空转子19上的螺纹孔用以连接机器人的手部；与手部相连的导线和光纤9可以从第三中空超声电机的中空转子19穿过，经第二波纹管16内部进入第二中空超声电机11，穿过第二中空超声电机的底座10的内部，进入第一波纹管8内部，进而进入第一中空超声电机的底座3内部，最后可进入手臂部件1；第二中空超声电机11和第三中空超声电机20的各自导线如同导线和光纤9一样顺次进入机器人的机械臂，第一中空超声电机4导线从第一超声电机的底座3直接进入机器人的机械臂。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (9)

1.一种基于中空超声电机且带有支架和双波纹管的机器人手腕，其特征是它包括三个中空超声电机、五个联接环，两个波纹管，所述的联接环用于联接一个中空超声电机的转子和另一个中空超声电机的底座，亦可用于联接中空超声电机的底座和波纹管。
2.根据权利要求1所述的基于中空超声电机且带有支架和双波纹管的机器人手腕，其特征在于：手腕的三个自由度相互垂直且完全解耦，手腕内部可以穿过导线和光纤。
3.根据权利要求1所述的基于中空超声电机且带有支架和双波纹管的机器人手腕，其特征在于：靠近手臂的两个自由度可实现大于180°往复摆动，末端自由度可实现 360°旋转。
4.根据权利要求1所述的基于中空超声电机且带有支架和双波纹管的机器人手腕，其特征在于：第一中空超声电机的底座一端通过联接环可与手臂部件相连，第一中空超声电机的轴线转向与手臂的纵轴线垂直。
5.根据权利要求1所述的基于中空超声电机且带有支架和双波纹管的机器人手腕，其特征在于：第一中空超声电机的转子通过支架与第二中空超声电机的底座连接，第一中空超声电机的底座一端与第二中空超声电机的底座一端用可伸缩的波纹管连接，波纹管内部可穿过导线和光纤。
6.根据权利要求1所述的基于中空超声电机且带有支架和双波纹管的机器人手腕，其特征在于：第二中空超声电机的转子通过支架与第三中空超声电机的底座连接，第二电机的底座一端与第三电机的底座一端用可伸缩的波纹管连接，波纹管内部可穿过导线和光纤。
7.根据权利要求1所述的基于中空超声电机且带有支架和双波纹管的机器人手腕，其特征在于：中空超声电机上的接口结构和波纹管的接口结构均采用凸台环形式，联接环的构型是凹环。
8.根据权利要求1所述的基于中空超声电机且带有支架和波纹管的机器人手腕，其特征是三个中空超声电机中的第一中空超声电机（4）的第一底座（11）相对的两侧面上分别设有第一环形凸台（41）和第二环形凸台（42），所述的第一环形凸台（41）通过第一联接环（2）与机器人的手臂部件（1）上的环形凸台相连，第二环形凸台（42）通过第二联接环（5）与第一波纹管（8）一端的环形凸台相连，第一波纹管（8）的另一端通过第三联接环（6）与第二中空电机（11）的第二底座（10）上的第三环形凸台（21）相连，第二中空超声电机（11）的第二底座（10）上与第三环形凸台（21）相对的另一面设有第四环形凸台（22），该第四环形凸台（22）与第二波纹管（16）一端的环形凸台通过第四联接环（14）相连，所述第二波纹管（16）的另一端的环形凸台通过第五联接环（15）与第三中空超声电机（20）的第三底座(18)连接的第三中空电机的连接板（17）上的第五环形凸台（31）相连；所述的第一中空超声电机（4）的第一中空转子（41）的两端均通过相应的第一支架（7）与第二中空超声电机（11）和第一底座（10）相连，第二中空超声电机（11）的第二中空超声转子（12）的两端分别通过各自的第二支架（13）与第三中空超声电机（20）的第三底座（18）相连。
9.根据权利要求1或8所述的基于中空超声电机且带有支架和波纹管的机器人手腕，其特征是第三中空超声电机（20）与第二波纹管（16）相连的一端上安装有第三中空超声电机转接板（17），在所述的第三中空超声电机转接板（17）上设有与第二波纹管（16）连接用的第五环形凸台（31）。
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