CN110171015B - 一种运动解耦的液压驱动三自由度球型手腕 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种运动解耦的液压驱动三自由度球型手腕，解决了手腕因传动链长、结构复杂且不紧凑、功率密度小、集成度低、存在运动耦合以及手腕自身重量大而导致末端执行器的灵活性、姿态调整能力和精确定位能力受限的问题，包括自转液压马达、角度传感器、机架、位移传感器、仰俯液压油缸、仰俯圆环、侧摆端盖、轴承、传动轴、传动轴联轴器、侧摆液压油缸。本发明手腕的仰俯轴线、侧摆轴线和自转轴线在空间上交于一点构成球型手腕，可实现仰俯、侧摆和自转三个主动输入运动的解耦，使手腕姿态的控制简便易行、控制精度高、姿态能力强，避免了因关节配合调整时出现运动耦合产生的机械臂抖震现象。

Description

一种运动解耦的液压驱动三自由度球型手腕

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种运动解耦的液压驱动三自由度球型手腕。

背景技术

在当今高速发展的社会中，机器人正在大规模进入轻工、重工、医疗、军事、航空等行业中，代替人类完成物料传送、装配、分类，环境勘测，物体精确定位与测量，轻型或微型加工等操作，有效地降低了劳动强度，提高劳动效率并延长劳动时间，乃至完成因各种原因人类无法处理的工况。针对这种需求，很多种类的工业机器人已被研发，这些机器人的共同之处在于，都需要一个灵活的手腕机构带动末端执行器，以便有效地替代人类完成特定的工作。

机器人腕部是连接臂与手的重要基础部件，其性能直接影响机器人末端执行器的定位精度、灵活性与作业能力。要实现对机器人末端执行器任意位置及姿态的精确控制就需要六个自由度，并且手腕应有三个自由度。手腕位于臂部的前端，腕部的重量会对臂产生额外的附加载荷而增加能耗与运动的不平稳性。因此研发的手腕应具有造型小、结构紧凑、姿态能力强、小型化、集成度高等优点。

传统的三自由手腕，如Pitch-yaw-roll手腕结构复杂，内部构件间易发生运动干涉，难以制造装配，实用性不强；如基于球面齿轮传动的手腕，该手腕由一系列万向连轴节和球面齿轮串联而成，虽然结构紧凑，外观整齐，能实现三个自由度运动，但球面齿轮的制造难度极大，并且存在原理性传动误差，实际应用极少；再如基于并联机构的手腕，这种手腕具有并联机构的所有缺点，如姿态能力不佳、可达空间/机床空间比小、控制技术复杂等。

目前主流的三自度手腕，其三自由运动的传递普遍采用电机传动、齿轮传动或带传动，导致传动链长、结构复杂且不紧凑、功率密度小、集成度低、受工况环境限制严重、存在运动耦合等局限性，使得末端执行器的灵活性、姿态调整能力和精确定位能力受限。

发明内容

本发明针对上述传统三自由手腕及基于电机传动、齿轮传动或带传动三自由度手腕存在的问题，为了有效解决手腕因传动链长、结构复杂且不紧凑、功率密度小、集成度低、存在运动耦合以及手腕自身重量大而导致末端执行器的灵活性、姿态调整能力和精确定位能力受限的问题，提供了一种造型小、结构紧凑、传动链短、姿态能力强、集成度高、功率密度大、运动解耦及由液压驱动的三自由度球型手腕。

本发明是采用如下技术方案实现的：一种运动解耦的液压驱动三自由度球型手腕，包括自转液压马达、角度传感器、机架、第一位移传感器、仰俯液压油、仰俯圆环、第一连接螺钉、连接肋板、第二连接螺钉、侧摆端盖、第一轴承、第二传动轴、万向节、第一传动轴联轴器、第二轴承、侧摆液压油缸、第二位移传感器，机架底部设置有安放自转液压马达的圆柱形槽，机架中部设置有用于安放第二轴承的圆柱形槽和供自转液压马达轴伸出的圆孔，机架顶部设有与仰俯圆环转动连接的辅助肋板、供仰俯液压油缸安装的柱形槽、供仰俯液压油缸驱动仰俯圆环运动的柱形槽；自转液压马达外部设置有壳体，壳体通过螺钉固接在机架底部的圆柱形槽内，自转液压马达的输出轴通过第二轴承与机架转动连接；仰俯液压油缸的缸体与机架转动连接，仰俯液压油缸的输出杆与仰俯圆环转动连接；仰俯圆环通过第一连接螺钉与机架两侧的辅助肋板转动连接，仰俯圆环的其余两侧通过第一连接螺钉分别与一个连接肋板转动连接；上述两个连接肋板分别通过第二连接螺钉与侧摆端盖固接；侧摆液压油缸的缸体与仰俯圆环转动连接，侧摆液压油缸的输出杆与侧摆端盖转动连接；万向节、第一传动轴和第二传动轴构成了万向传动装置，自转液压马达的输出轴通过联轴器与万向传动装置的第一传动轴刚性连接，第二传动轴配合第一轴承与侧摆端盖转动连接，万向节的转动中心与仰俯圆环的形心重合；自转液压马达上装有角度传感器，仰俯液压油缸上装有第一位移传感器，侧摆液压油缸上装有第二位移传感器；

仰俯液压油缸动作时将驱动仰俯圆环绕着机架的辅助肋板的轴向B-B面做一定角度的转动，能够实现三自由度手腕的仰俯运动；侧摆液压油缸动作时将驱动侧摆端盖和连接肋板绕着仰俯圆环的轴向A-A面做一定角度的转动，能够实现三自由度手腕的侧摆运动；万向传动装置能够跟随仰俯液压油缸和侧摆液压油缸的动作而做出一定的角度调整，自转液压马达动作时将驱动万向传动装置的第二传动轴做一定角度的转动，能够实现三自由度手腕的自转运动；实现了仰俯、侧摆和自转三个主动输入运动的解耦使其三个自由度运动之间相互独立；

通过第一位移传感器能够采集仰俯液压油缸动作的位移信号，进一步根据机构组件间的几何关系得到仰俯圆环绕着机架的辅助肋板的轴向B-B面所转动的角度值，视为转化为手腕的仰俯角度信号；通过第二位移传感器能够采集侧摆液压油缸动作的位移信号，进一步根据机构组件间的几何关系得到侧摆端盖和连接肋板绕着仰俯圆环的轴向A-A面所转动的角度值，视为手腕的侧摆角度信号；通过角度传感器可采集到自转液压马达动作的转角信号，进一步根据万向传动装置在此时工况下两个传动轴的传动比关系得到第二传动轴所转动的角度值，视为手腕的自转角度信号；最后通过仰俯角度信号、侧摆角度信号和自转角度信号的反馈，对仰俯液压油缸、侧摆液压油缸和自转液压马达进行调节与控制，实现对运动解耦的液压驱动三自由度球型手腕姿态的精确控制。

手腕在仰俯运动、侧摆运动和自转运动中的轴线能够汇聚于空间内的一点。

上述的一种运动解耦的液压驱动三自由度球型手腕，手腕的自转运动由一个液压马达实现，手腕的仰俯和侧摆运动分别由一个液压油缸实现；自转液压马达的壳体通过螺钉固接在机架底部的圆柱形槽内，自转液压马达的输出轴通过第二轴承与机架转动连接；自转液压马达的输出轴通过联轴器与万向传动装置的第一传动轴刚性连接，通过带动万向装置转动实现手腕的自转运动，仰俯液压油缸的缸体与机架转动连接，油缸的输出杆与仰俯圆环转动连接；侧摆液压油缸的缸体与仰俯圆环转动连接，油缸的输出杆与侧摆端盖转动连接。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1）本发明手腕的仰俯轴线、侧摆轴线和自转轴线在空间上交于一点构成球型手腕，可实现仰俯、侧摆和自转三个主动输入运动的解耦，成为独立运动，使手腕姿态的控制简便易行、控制精度高及姿态能力强，同时也避免了因关节配合调整时出现的运动耦合而产生的机械臂的抖震现象；

2）本发明手腕的自转运动由一个液压马达实现，手腕的仰俯和侧摆运动分别由一个液压油缸实现，具有传动链短、结构紧凑、集成度高、造型小、功率密度大及负载/自重比高等优点；

3）本发明手腕的侧摆运动和仰俯运动是由两个相互独立的液压油缸通过驱动组件而成的运动，结构更显紧凑、简单且易于加工制造、装配和更换方便，由于控制腕部姿态的传动没有斜齿轮或锥齿轮，因此避免了在动载荷作用产生跳跃的不平稳现象；

4）本发明手腕的自转运动是由自转液压马达驱动万向传动装置转动而形成的运动，故腕部的自转运动成为了独立的解耦运动，可实现大角度自转，同时自转运动时转动惯量也很小；

5）本发明适用场合广泛，不仅能适应传统的工况要求，也适用于重载及一些特殊环境的工况如电磁环境、深海环境及高压环境等。

附图说明

图1是本发明机器人手腕的结构示意图；

图2是图1中机器人手腕自转与仰俯传动机构的主剖视图；

图3是图1中机器人手腕自转与侧摆传动机构的主剖视图。

图中，1-自转液压马达，2-角度传感器，3-机架，4-第一位移传感器，5-仰俯液压油缸，6-仰俯圆环，7-第一连接螺钉，8-连接肋板，9-第二连接螺钉，10-侧摆端盖，11-第一轴承，12-第二传动轴，13-万向节，14-第一传动轴，15-联轴器，16-第二轴承，17-侧摆液压油缸，18-第二位移传感器。

具体实施方式

下面结合附图1～附图3对本发明的实施方式做进一步说明。

如图1-图3所示，本实施例中的运动解耦的液压驱动三自由度球型手腕是由自转液压马达1、角度传感2、机架3、第一位移传感器4、仰俯液压油5、仰俯圆环6、第一连接螺钉7、连接肋板8、第二连接螺钉9、侧摆端盖10、第一轴承11、第二传动轴12、万向节13、第一传动轴14、联轴器15、第二轴承16、侧摆液压油缸17、第二位移传感器18构成，其中机架3底部设有安放自转液压马达1的圆柱形槽，中间开设有安放第二轴承16的圆柱形槽以及供马达轴伸出的圆孔，顶部设有与仰俯圆环6转动连接的辅助肋板，同时为了减小手腕的轴向尺寸使手腕更加紧凑与美观，在顶部开设有供仰俯液压油缸5安装以及供仰俯液压油缸5驱动仰俯圆环6运动的柱形槽；自转液压马达1的壳体通过螺钉固接在机架3底部的圆柱形槽内，自转液压马达1的输出轴通过第二轴承16与机架3转动连接；仰俯液压油缸5的缸体与机架3转动连接，仰俯液压油缸5的输出杆与仰俯圆环6转动连接；仰俯圆环6通过第一连接螺钉7与机架3两侧的辅助肋板转动连接，仰俯圆环6的其余两侧通过第一连接螺钉7分别与一个连接肋板8转动连接；两个连接肋板8通过第二连接螺钉9与侧摆端盖10固接；侧摆液压油缸17的缸体与仰俯圆环6转动连接，侧摆液压油缸17的输出杆与侧摆端盖10转动连接；万向节13、第一传动轴14和第二传动轴12构成了万向传动装置，自转液压马达1的输出轴通过联轴器15与万向传动装置的第一传动轴14刚性连接，第二传动轴12配合第一轴承11与侧摆端盖10转动连接，万向节13的转动中心与仰俯圆环6的形心重合；自转液压马达1上装有角度传感器2，仰俯液压油缸5上装有第一位移传感器4，侧摆液压油缸17上装有第二位移传感器18。

具体工作原理如下：

仰俯液压油缸5动作时将驱动仰俯圆环6绕着机架3的辅助肋板的轴向B-B作一定角度的转动，从而实现本发明三自由度手腕的仰俯运动；侧摆液压油缸17动作时将驱动侧摆端盖10和连接肋板8绕着仰俯圆环6的轴向A-A作一定角度的转动，从而实现本发明三自由度手腕的侧摆运动；万向传动装置将跟随仰俯液压油缸5和侧摆液压油缸17的动作而做出一定的角度调整，自转液压马达1动作时将驱动万向传动装置的第二传动轴12作一定角度的转动，从而实现本发明三自由度手腕的自转运动；同时也实现了仰俯、侧摆和自转三个主动输入运动的解耦；此外本发明三自由度手腕的仰俯轴线、侧摆轴线和自转轴线在空间上交于一点，故本发明三自由度手腕属于球型手腕。

上述实施例中运动解耦的液压驱动三自由度球型手腕姿态的控制原理，通过第一位移传感器4可采集到仰俯液压油缸5动作的位移信号，然后根据机构组件间的几何关系就可求出仰俯圆环6绕着机架3的辅助肋板的轴向B-B作了多少角度的转动，即可转化为手腕的仰俯角度信号；通过第二位移传感器18可采集到侧摆液压油缸17动作的位移信号，然后根据机构组件间的几何关系就可求出侧摆端盖10和连接肋板8绕着仰俯圆环6的轴向A-A作了多少角度的转动，即可转化为手腕的侧摆角度信号；通过角度传感器2可采集到自转液压马达1动作的转角信号，然后根据万向传动装置在此时工况下两个传动轴的传动比关系就可求出第二传动轴12作了多少角度的转动，即可转化为手腕的自转角度信号；最后通过仰俯角度信号、侧摆角度信号和自转角度信号的反馈，对仰俯液压油缸5、侧摆液压油缸17和自转液压马达1进行调节与控制，即可实现对运动解耦的液压驱动三自由度球型手腕姿态的精确控制。

Claims (2)

1.一种运动解耦的液压驱动三自由度球型手腕，其特征在于：包括自转液压马达（1）、角度传感器（2）、机架（3）、第一位移传感器（4）、仰俯液压油缸（5）、仰俯圆环（6）、第一连接螺钉（7）、连接肋板（8）、第二连接螺钉（9）、侧摆端盖（10）、第一轴承（11）、第二传动轴（12）、万向节（13）、第一传动轴（14）、联轴器（15）、第二轴承（16）、侧摆液压油缸（17）、第二位移传感器（18），机架（3）底部设置有安放自转液压马达（1）的圆柱形槽，机架（3）中部设置有用于安放第二轴承（16）的圆柱形槽和供自转液压马达（1）轴伸出的圆孔，机架（3）顶部设有与仰俯圆环（6）转动连接的辅助肋板、供仰俯液压油缸（5）安装的柱形槽、供仰俯液压油缸（5）驱动仰俯圆环（6）运动的柱形槽；自转液压马达（1）外部设置有壳体，壳体通过螺钉固接在机架（3）底部的圆柱形槽内，自转液压马达（1）的输出轴通过第二轴承（16）与机架（3）转动连接；仰俯液压油缸（5）的缸体与机架（3）转动连接，仰俯液压油缸（5）的输出杆与仰俯圆环（6）转动连接；仰俯圆环（6）通过第一连接螺钉（7）与机架（3）两侧的辅助肋板转动连接，仰俯圆环（6）的其余两侧通过第一连接螺钉（7）分别与一个连接肋板（8）转动连接；上述两个连接肋板（8）分别通过第二连接螺钉（9）与侧摆端盖（10）固接；侧摆液压油缸（17）的缸体与仰俯圆环（6）转动连接，侧摆液压油缸（17）的输出杆与侧摆端盖（10）转动连接；万向节（13）、第一传动轴（14）和第二传动轴（12）构成了万向传动装置，自转液压马达（1）的输出轴通过联轴器（15）与万向传动装置的第一传动轴（14）刚性连接，第二传动轴（12）配合第一轴承（11）与侧摆端盖（10）转动连接，万向节（13）的转动中心与仰俯圆环（6）的形心重合；自转液压马达（1）上装有角度传感器（2），仰俯液压油缸（5）上装有第一位移传感器（4），侧摆液压油缸（17）上装有第二位移传感器（18）；

仰俯液压油缸（5）动作时将驱动仰俯圆环（6）绕着机架（3）的辅助肋板的轴向B-B面做一定角度的转动，能够实现三自由度手腕的仰俯运动；侧摆液压油缸（17）动作时将驱动侧摆端盖（10）和连接肋板（8）绕着仰俯圆环（6）的轴向A-A面做一定角度的转动，能够实现三自由度手腕的侧摆运动；万向传动装置能够跟随仰俯液压油缸（5）和侧摆液压油缸（17）的动作而做出一定的角度调整，自转液压马达（1）动作时将驱动万向传动装置的第二传动轴（12）做一定角度的转动，能够实现三自由度手腕的自转运动；实现了仰俯、侧摆和自转三个主动输入运动的解耦使其三个自由度运动之间相互独立；

通过第一位移传感器（4）能够采集仰俯液压油缸（5）动作的位移信号，进一步根据机构组件间的几何关系得到仰俯圆环（6）绕着机架（3）的辅助肋板的轴向B-B面所转动的角度值，视为手腕的仰俯角度信号；通过第二位移传感器（18）能够采集侧摆液压油缸（17）动作的位移信号，进一步根据机构组件间的几何关系得到侧摆端盖（10）和连接肋板（8）绕着仰俯圆环（6）的轴向A-A面所转动的角度值，视为手腕的侧摆角度信号；通过角度传感器（2）可采集到自转液压马达（1）动作的转角信号，进一步根据万向传动装置在此时工况下两个传动轴的传动比关系得到第二传动轴（12）所转动的角度值，视为手腕的自转角度信号；最后通过仰俯角度信号、侧摆角度信号和自转角度信号的反馈，对仰俯液压油缸（5）、侧摆液压油缸（17）和自转液压马达（1）进行调节与控制，实现对运动解耦的液压驱动三自由度球型手腕姿态的精确控制。

2.根据权利要求1所述的一种运动解耦的液压驱动三自由度球型手腕，其特征在于：手腕在仰俯运动、侧摆运动和自转运动中的轴线能够汇聚于空间内的一点。

Images