CN109048988A - 一种机械手腕结构装置 - Google Patents

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熊静琪
张龙
秦靖柯
梁帅
何鑫
成佳
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Abstract

本发明公开了一种机械手腕结构装置，包括仿人手掌和仿人前臂，仿人手掌和仿人前臂分别铰接手腕关节单元的两端，仿人前臂上对称设置有电机，所述仿人手掌靠近仿人前臂的一端对称铰接有连杆，所述电机分别与所述连杆驱动连接。连杆包括电机摇臂、上球铰、下球铰和拉杆，所述上球铰的一端与所述仿人手掌铰接，上球铰的另一端固定连接所述拉杆的第一端，拉杆的第二端固定连接所述下球铰的一端，下球铰的另一端与所述电机摇臂的第一端铰接，电机摇臂的第二端与所述电机传动连接。本发明采用连杆传动的方式，结构具有较强的刚性；并联结构的手腕相对于传统串联式结构，减小了传动误差累积，有效克服了腱绳传动方式中手腕初始位置的偏差问题。

Description

一种机械手腕结构装置
技术领域
本发明涉及仿生机器人技术领域，具体的说，是一种机械手腕结构装置。
背景技术
机器人作为解决全球劳动力短缺问题的重要途径，在生产和生活中得到了广泛的应用。随着人类对海洋、宇宙等未知空间探索的深入，纷繁的应用标准和复杂的工作条件对机器人提出了更高的要求，单一功能的机器人再也难以适应不断变化的工作要求，由此仿人机器人应运而生。近年来，仿人机器人的发展逐步成为机器人行业的焦点，而灵巧手作为仿人机器人系统的重要执行部件，其工作性能很大程度上直接影响了仿人机器人系统在复杂环境下执行各项任务的灵巧程度。自20世纪80年代起，国内外众多机构和高校便展开了灵巧手的研制工作并取得了一定成果。仿人机械手腕是仿人机械手的一个重要组成部分。仿人机械手腕一方面使机械手具有更拟人化的外形结构，另一方面可增强机械手的灵活度，增大机械手的操作空间。传统的多关节传动机械结构设计时，多采用固定底座和末端执行器是由链条连接，业内称为串联机器人。串联机器人的优势为操作性佳、运动频率高、控制便捷、所需空间小、工作空间大、结构简洁、易于求解运动正解等，缺点是末端执行器由于在一条运动链上的各关节误差累积，使得精度降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种机械手腕结构装置，用于解决现有技术中串联机器人的末端执行器在一条运动链上，导致各关节误差累积，使得精度降低的问题。
本发明通过下述技术方案解决上述问题：
一种机械手腕结构装置，包括仿人手掌和仿人前臂，所述仿人手掌和仿人前臂分别铰接手腕关节单元的两端，所述仿人前臂上对称设置有电机，所述仿人手掌靠近仿人前臂的一端对称铰接有连杆，所述电机分别与所述连杆驱动连接。
电机包括两个，分别对称设置在仿人前臂上，与对称设置的两个连杆分别一一驱动连接，通过分别控制两个电机的转角，实现手腕关节单元的侧摆以及俯仰运动，防止机械手腕的两个旋转自由度运动的干涉。由于采用连杆传动的方式，结构上具有较强的刚性，并联结构的机械手腕相对于传统串联式结构，减小了传动误差累积，有效克服了现有技术中腱绳传动方式中机械手腕初始位置的偏差问题，提高了精度。
进一步地，所述连杆包括电机摇臂、上球铰、下球铰和拉杆，所述上球铰的一端与所述仿人手掌铰接，上球铰的另一端固定连接所述拉杆的第一端，拉杆的第二端固定连接所述下球铰的一端，下球铰的另一端与所述电机摇臂的第一端铰接，电机摇臂的第二端与所述电机传动连接。
上球铰、拉杆、下球铰依次固定连接，上球铰远离拉杆的一端与仿人手掌铰接，下球铰远离拉杆的一端与电机摇臂铰接。由此，可见，连杆为刚性传动结构，电机驱动电机摇臂转动，对拉杆产生拉力或者斥力。当两个电机同向转动相同角度时，可实现机械手腕的侧摆；当两个电机转动方向相反且转动相同角度时，可实现机械手腕的俯仰运动。
进一步地，所述上球铰包括固定连接的上球铰杆和上球铰支架，所述上球铰杆与所述仿人手掌铰接，所述上球铰支架与所述拉杆的第一端固定连接。
进一步地，所述下球铰包括固定连接的下球铰杆和下球铰支架，所述下球铰杆与所述拉杆的第二端固定连接，所述下球铰支架与所述电机摇臂的第一端铰接。
电机摇臂、上球铰杆、下球铰杆、拉杆、上球铰支架、下球铰支架共同组成传动单元，所述上球铰支架与下球铰支架通过所述拉杆连接；所述下球铰支架的一端通过六角螺钉固定在所述电机摇臂上，另一端与下球铰杆形成球铰链；所述上球铰支架一端固定在所述仿人手掌，另一端与上球铰杆形成球铰链；上球铰支架与仿人手掌连接固定，下球铰支架与电机旋转臂连接固定，通过控制两个驱动电机的转角，能够实现手腕关节的侧摆以及俯仰运动，可有效防止手腕的两个旋转自由度运动的干涉，并且由于采用连杆传动的方式，结构具有较强的刚性，有效克服了腱绳传动方式中手腕初始位置的偏差问题。整个手腕结构是一个空间二自由度的连杆机构，所以两个驱动电机就能够完整地驱动这个连杆机构。
进一步地，所述仿人前臂上设置用于固定电机以及连接外部设备的手臂连接平台。
仿人前臂上设置有电机固定槽和手臂连接平台，手臂连接平台包括电机固定孔、手臂连接口和外壳，电机通过电机固定孔安装在手臂连接平台；手臂连接平台用于与仿人手臂与外部设备的连接。两个电机均为双向电机，安装在手臂连接平台；为本装置进行手腕关节的侧摆以及俯仰运动所需的驱动力。
进一步地，所述手腕关节单元包括固定连接的上手腕支架和下手腕支架，所述上手腕支架与所述仿人手掌铰接，所述下手腕支架与所述仿人前臂铰接。
发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
本发明采用连杆传动的方式，结构具有较强的刚性；并联结构的手腕相对于传统串联式结构，减小了传动误差累积，有效克服了腱绳传动方式中手腕初始位置的偏差问题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2是本发明的自由度示意图；
图3是本发明的电机轴线示意图；
1-仿人手掌；2-仿人前臂；3-连杆；4-手腕关节单元；21-电机；31-电机摇臂；32-上球铰；33-下球铰；34-拉杆；41-上手腕支架；42-下手腕支架；321-上球铰支架；322-上球铰杆；331-下球铰杆；332-下球铰支架。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
结合附图1所示，一种机械手腕结构装置，包括仿人手掌1和仿人前臂2，所述仿人手掌1和仿人前臂2分别铰接手腕关节单元4的两端，所述仿人前臂2上对称设置有电机21，所述仿人手掌1靠近仿人前臂2的一端对称铰接有连杆3，所述电机21分别与所述连杆3驱动连接。
电机21包括两个，分别对称设置在仿人前臂2上，与对称设置的两个连杆3分别一一驱动连接，通过分别控制两个电机21的转角，实现手腕关节单元4的侧摆以及俯仰运动，防止机械手腕的两个旋转自由度运动的干涉。由于采用连杆3传动的方式，结构上具有较强的刚性，并联结构的机械手腕相对于传统串联式结构，减小了传动误差累积，有效克服了现有技术中腱绳传动方式中机械手腕初始位置的偏差问题，提高了精度。
实施例2：
在实施例1的基础上，结合附图1-3所示，所述连杆3包括电机摇臂31、上球铰32、下球铰33和拉杆34，上球铰32、拉杆34、下球铰33依次固定连接，上球铰32远离拉杆34的一端与仿人手掌1铰接，下球铰33远离拉杆34的一端与电机摇臂31铰接。所述上球铰32包括固定连接的上球铰杆322和上球铰支架321，所述上球铰支架321与所述仿人手掌1铰接，所述上球铰杆322与所述拉杆34的第一端固定连接。下球铰33包括固定连接的下球铰杆331和下球铰支架332，所述下球铰杆331与所述拉杆34的第二端固定连接，所述下球铰支架332与所述电机摇臂31的第一端铰接。
电机摇臂31、上球铰杆322、下球铰杆331、拉杆34、上球铰支架322、下球铰支架332共同组成传动单元，因此传动单元有两组。初始状态时，两组传动单元中的拉杆34分别与水平面平行，并且每一组中的拉杆34与电机摇臂31形成的夹角角度相同，此时，机械手腕处于自然放松的状态。当两个电机21同方向转动相同角度时，可实现机械手腕侧摆：当一组传动单元中的电机21逆时针转动，带动与该电机21驱动连接的电机摇臂31转动，根据曲柄摇杆系统原理，这一组传动单元中上球铰杆322受到拉杆34的拉力，当第二组传动单元的电机21也逆时针转动带动，第二组传动单元中的电机摇臂31转动，该组传动单元的拉杆34给该组传动单元的上球铰杆322一个斥力，从而机械手腕向左摆动，当两个电机21顺时针转动相同角度时，机械手腕向右摆动。当两组传动单元中的电机21分别进行反方向转动相同角度时，可实现机械手腕俯仰运动：当第一组传动单元中的电机21逆时针转动带动与其连接的电机摇臂31转动，该电机摇臂带动第一组传动单元中的拉杆34，继而拉动第一组传动单元中的上球铰杆322，使其向上靠近第一组传动单元的电机21；同时第二组传动单元的电机21顺时针转动，也使第二组传动单元的上球铰杆322向上靠近第二组传动单元的电机21，从而使得机械手腕向上摆动；当第一组传动单元的电机21顺时针转动一定角度，第二组传动单元的电机21逆时针转动相同角度时，机械手腕向下摆动。当第一组传动单元的电机21与第二组传动单元的电机21转动的方向以及角度不同时，可以使手腕俯仰侧摆复合运动。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (6)

1.一种机械手腕结构装置，包括仿人手掌(1)和仿人前臂(2)，所述仿人手掌(1)和仿人前臂(2)分别铰接手腕关节单元(4)的两端，其特征在于，所述仿人前臂(2)上对称设置有电机(21)，所述仿人手掌(1)靠近仿人前臂(2)的一端对称铰接有连杆(3)，所述电机(21)分别与所述连杆(3)驱动连接。
2.根据权利要求1所述的一种机械手腕结构装置，其特征在于，所述连杆(3)包括电机摇臂(31)、上球铰(32)、下球铰(33)和拉杆(34)，所述上球铰(32)的一端与所述仿人手掌(1)铰接，上球铰(32)的另一端固定连接所述拉杆(34)的第一端，拉杆(34)的第二端固定连接所述下球铰(33)的一端，下球铰(33)的另一端与所述电机摇臂(31)的第一端铰接，电机摇臂(31)的第二端与所述电机(21)传动连接。
3.根据权利要求2所述的一种机械手腕结构装置，其特征在于，所述上球铰(32)包括固定连接的上球铰杆(321)和上球铰支架(322)，所述上球铰杆(321)与所述仿人手掌(1)铰接，所述上球铰支架(322)与所述拉杆(34)的第一端固定连接。
4.根据权利要求3所述的一种机械手腕结构装置，其特征在于，所述下球铰(33)包括固定连接的下球铰杆(331)和下球铰支架(332)，所述下球铰杆(331)与所述拉杆(34)的第二端固定连接，所述下球铰支架(332)与所述电机摇臂(31)的第一端铰接。
5.根据权利要求4所述的一种机械手腕结构装置，其特征在于，所述仿人前臂(2)上设置有和用于固定电机(21)以及连接外部设备的手臂连接平台。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种机械手腕结构装置，其特征在于，所述手腕关节单元(4)包括固定连接的上手腕支架(41)和下手腕支架(42)，所述上手腕支架(41)与所述仿人手掌(1)铰接，所述下手腕支架(42)与所述仿人前臂(2)铰接。
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