CN110271033B - 一种无奇异位形的液压直驱三自由度球型手腕 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种不存在奇异位形基于液压直接驱动的三自由度球型手腕，包括固定块，角度传感器，液压马达，转动盘，转动圆环和转动半圆环，其中：固定块用于固定第一级液压马达；转动盘通过轴承与固定块转动连接，转动盘与第一级液压马达之间通过齿轮传动；转动圆环与转动盘之间通过轴承转动连接，第二级液压马达和角度传感器固定在转动圆环内侧，第二级液压马达的轴穿过轴承内圈与转动盘固定连接；转动半圆环与转动圆环之间的连接方式和转动圆环与转动盘之间的连接方式相同。本发明提出的液压驱动三自由度球型手腕运动过程中不存在奇异位形，不需要使用高精密减速器，具有结构简单紧凑、功率密度大、负载/自重比高、承载能力强等一系列优点。

Description

一种无奇异位形的液压直驱三自由度球型手腕

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体为一种无奇异位形的工业机器人用液压驱三自由度球型手腕。

背景技术

工业机器人（机械手）是一个国家先进制造业的重要支撑技术和信息化社会的重要生产装备，对社会发展及增强军事国防实力都具有重要的意义，工业机器人已成为继汽车、飞机、计算机之后出现的又一战略性新兴产业。

手腕单元连接机械手臂与末端执行器，其主要功能是对末端执行器空间姿态进行调节以满足作业需求。手腕单元对末端执行器的定位精度与空间姿态调控性能有重要影响，其性能已成为制约机器人应用的主要因素之一，并成为机器人研究的重要课题。近年来，国内外科研机构一直致力于开发高负载/自重比、结构简单紧凑、易于控制的高性能腕部单元，机械手腕的研究呈现出大力矩、反应灵敏、小型化和模块化的发展趋势。

目前主流的工业机械手腕大多采用“伺服电机+传动轴+减速器”方案实现，该类电机驱动手腕主要存在如下两方面问题：

腕部关节运动传动链长、手腕单元机械结构复杂、制造/维护成本高、关节动态响应特性差、负载/自重比低、无法用于电磁环境敏感工况；

在电机驱动手腕减速器和伺服驱动系统这两大核心部件方面，我国与日、德等发达国家差距甚大，特别是高精密减速器和伺服驱动系统严重依赖进口，造成国产工业机械手成本居高不下，严重制约了我国机器人产业的发展以及国际竞争力的形成。

发明内容

本发明的目的：针对基于“伺服电机+传动轴+减速器”方案实现的电机驱动手腕存在的不足，以及我国在电动球型手腕研制方面存在的技术瓶颈，提出一种无奇异位形的液压直驱三自由度球型手腕，所提液压手腕不需使用高精密减速器，具有机械结构简单紧凑、运动过程中不存在奇异位形、功率密度大、负载/自重比高、负载能力强等一系列优点。

本发明技术方案是：一种无奇异位形的液压直驱三自由度球型手腕，包括固定块、转动盘、转动圆环、转动半圆环、第一级液压马达、第二级液压马达和第三级液压马达；固定块包括液压马达槽、固定块轴承槽和固定螺纹孔，固定块的中部开有竖向的通孔，固定块轴承槽设置于该通孔内，固定块轴承槽内安装有轴承，第一级液压马达置于液压马达槽内，第一级液压马达转轴上安装有传动齿轮，固定螺纹孔设置于固定块底面上；转动盘包括转轴、保护盖、连接杆、与连接杆成一体的第一转轴、带有键槽的第一轴孔，转轴位于保护盖内中部，转轴垂直于保护盖且下端伸出，两个连接杆位于保护盖上方两侧，第一轴孔位于其中一个连接杆上，第一转轴位于另一个连接杆上，转动盘上的转轴插入到固定块上的通孔中，且通过固定块轴承槽中的轴承与固定块转动配合，转轴下方还连接有第一级角度传感器，第一级角度传感器固定于通孔内，转轴的上端安装有齿轮，第一级液压马达转轴上安装的传动齿轮与齿轮啮合；转动圆环包括四个在圆环上均匀分布的圆环轴承槽，每个圆环轴承槽中都安装有轴承，转动圆环安装在转动盘上两个连接杆之间，其中第一转轴插入到圆环轴承槽内并与轴承配合，第一转轴端部连接安装在转动圆环上的第二级角度传感器，第二级液压马达固定在转动圆环上后转轴和圆环轴承槽内轴承配合，第二级液压马达转轴端部与连接杆固定连接；转动半圆环的一端设有带键槽的第二轴孔，另一端设有与转动半圆环成一体的第二转轴，其顶端安装有与转动半圆环成一体的法兰盘，法兰盘上还设有螺纹孔，转动半圆环上的第二转轴插入到圆环轴承槽内并与轴承配合，转轴端部连接安装在转动圆环上的第三级角度传感器，第三级液压马达固定在转动圆环上后转轴和圆环轴承槽内轴承配合，第三级液压马达转轴端部与转动半圆环通过第二轴孔固定连接。

上述液压驱动三自由度球型手腕，固定块轴承槽内设置的轴承分为上轴承和下轴承，转轴设有轴肩，转轴通过上轴承、下轴承与固定块转动连接，转轴的轴肩顶在上轴承的内圈上。

上述液压驱动三自由度球型手腕，固定块还包括导线槽，导线槽设置于固定块底面上，导线槽和通孔连通。

本发明具有以下有益效果：1.本发明的转动盘转轴、转动圆环和转动半圆环的转轴轴线在空间交于一点，可实现翻转、俯仰和侧摆三个主动输入运动的解耦，并且在运动过程中不存在奇异位形，运动学特性简单、逆运动学解算解析，手腕姿态控制容易；2.液压驱动三自由度球型手腕，采用阀控作动器驱动单元驱动手腕关节运动，无需使用高精密减速器，具有机械结构简单紧凑且易于加工、负载能力强、功率密度大、负载/自重比高等优点，特别适用于大功率重载以及电磁环境敏感作业工况。3. 液压驱动三自由度球型手腕转动盘转轴、转动圆环和转动半圆环的转轴上都装有角度传感器，可实现三级手腕关节驱动作动单元控制独立。4. 液压驱动三自由度球型手腕固定块底部的固定螺纹孔和与转动半圆环成一体的法兰盘使手腕具有良好的互换性，可以方便地装配在不同种类的工业机器人手臂上。

附图说明

图1为本发明液压驱动三自由度球型手腕结构示意图。

图2为本发明液压驱动三自由度球型手腕结构主剖视图。

图3为本发明液压驱动三自由度球型手腕固定块结构示意图。

图4为本发明液压驱动三自由度球型手腕结构仰视图。

图5为本发明液压驱动三自由度球型手腕转动盘结构示意图。

图6为本发明液压驱动三自由度球型手腕连转动圆环结构示意图。

图7为本发明液压驱动三自由度球型手腕转动半圆环结构示意图。

图中：1-固定块，2-第一级液压马达，3-转动盘，4-第一固定键，5-第二级液压马达，6-第二级液压马达转轴，7-第三级液压马达转轴，8-第三级液压马达，9-转动圆环，10-第二级角度传感，11-第三级角度传感器，12-转动半圆环，13-第一级角度传感器， 15-液压马达法兰盘，16-第一级液压马达转轴，17-键，18-传动齿轮，19-齿轮，20-角度传感器螺钉，21-第二固定键，22-轴承。

1-1-液压马达槽，1-2-法兰盘槽，1-3-马达螺纹孔，1-4-固定块轴承槽，1-5-固定螺纹孔，1-6-导线槽，3-1-转轴，3-2-齿轮固定键，3-3-保护盖，3-4-连接杆，3-5-第一转轴，3-6-第一轴孔，9-1-轴承孔，9-2-角度传感器固定螺纹孔，9-3-液压马达固定螺纹孔，12-1-第二轴孔，12-2-第二转轴，12-3-法兰盘，12-4-螺纹孔，14-1-上轴承，14-2-下轴承。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图7详细说明本发明实施方式，本实施方式的一种无奇异位形的液压直驱动三自由度球型手腕包括固定块1、第一级液压马达2、转动盘3、第一级角度传感器13、转动圆环9、第二级液压马达5、第二级角度传感器10、第三级液压马达8、第三级角度传感器11、转动半圆环12。

如图3、图4所示，所述固定块1包括液压马达槽1-1、法兰槽1-2、马达螺纹孔1-3、固定块轴承槽1-4、固定螺纹孔1-5、导线槽1-6，第一级液压马达置于液压马达槽1-1内，第一级液压马达法兰盘15通过螺钉与固定块1上的螺纹孔1-3固定连接，第一级液压马达转轴16末端带有键槽通过键17与传动齿轮18固定连接；导线槽1-6用于导出角度传感器13的导线，固定螺纹孔1-5用于与机械臂固定连接。

如图2、图5所示，转动盘3包括转轴3-1、齿轮固定键3-2、保护盖3-3、连接杆3-4、与连接杆成一体的第一转轴3-5、带有键槽的第一轴孔3-6，转轴3-1垂直于保护盖3-3且下端伸出，两个连接杆3-4位于保护盖3-3上方两侧，第一轴孔3-6位于其中一个连接杆3-4上，第一转轴3-5位于另一个连接杆上，其中转轴3-1带有轴肩，第一转轴3-5带有与第二级角度传感器转轴相吻合的槽，齿轮19通过转轴3-1和齿轮固定键3-2与转动盘3固定连接，第一级液压马达2和转动盘3之间通过传动齿轮18和齿轮19啮合传动。

如图1、图6和图7所示，转动圆环9包括四个在圆环上均匀分布的圆环轴承槽9-1，每个轴承槽中都安装有轴承，第二级和第三级液压马达通过螺钉、圆环上的液压马达固定螺纹孔9-3与转动圆环9固定连接，第二级和第三级角度传感器通过螺钉、圆环上的角度传感器固定螺纹孔9-2与转动圆环9固定连接，第二级和第三级液压马达、第二级和第三级角度传感器都位于转动圆环内侧，转动半圆环12包括带键槽的第二轴孔12-1、与转动半圆环成一体的第二转轴12-2、与转动半圆环成一体的法兰盘12-3、螺纹孔12-4，通过螺纹孔12-4与末端执行器连接。

具体实施方式二：结合图2说明本发明实施方式，本实施方式的一种无奇异位形的液压直驱动三自由度球型手腕中固定块1的中部开有竖向的通孔，固定块轴承槽1-4设置于该通孔内，固定块轴承槽1-4内设置上轴承14-1、下轴承14-2，转轴3-1通过上轴承14-1、下轴承14-2与固定块1转动连接，转轴3-1的轴肩顶在上轴承14-1的内圈上，转轴3-1的下端连接第一级角度传感器13，第一级角度传感器13还通过螺钉与固定块1固定连接。

具体实施方式三：结合图1和图2说明本发明实施方式，本实施方式的一种无奇异位形的液压直驱动三自由度球型手腕中第二级液压马达转轴6通过第一固定键4、第一轴孔3-6与连接杆3-4固定连接，第二级液压马达转轴6与转动圆环9通过轴承转动连接，第二级角度传感器10的轴插入第一转轴3-5中形成固定连接，第一转轴3-5与转动圆环9通过轴承转动连接。

具体实施方式四：结合图2、图6和图7说明本发明实施方式，本实施方式的一种无奇异位形的液压直驱动三自由度球型手腕中第三级液压马达转轴7通过第二固定键21、第二轴孔12-1与转动半圆环12固定连接，第三级液压马达转轴7与转动圆环9通过轴承转动连接，第三级角度传感器11的轴插入第三转轴12-2中形成固定连接，第三转轴12-2与转动圆环9通过轴承转动连接。

具体实施方式五：结合图1、图2和图3说明本发明实施方式，本实施方式的一种无奇异位形的液压直驱动三自由度球型手腕中转轴3-1、第一转轴3-5和第二转轴12-2三轴的轴线在空间上交于一点，并且转轴3-1、第一转轴3-5和第二转轴12-2上都装有角度传感器，通过角度信号的反馈可实现对液压驱动三自由度球型手腕姿态的控制。

工作原理：

转动盘转轴3-1、第二级液压马达转轴6和第三级液压马达转轴7三轴的轴线在空间上交于一点构成球型手腕结构，运动过程中不存在奇异位形，运动学分析简单，逆运动学解存在唯一且可用公式描述。液压驱动三自由度球型手腕可绕转动盘转轴3-1、第二级液压马达转轴6和第三级液压马达转轴7独立转动，便于手腕的姿态控制。具体来说：齿轮19通过转轴3-1和齿轮固定键3-2与转动盘3固定连接，转轴3-1通过上轴承14-1、下轴承14-2与固定块1转动连接，转轴3-1的轴肩顶在上轴承14-1的内圈上，第一级液压马达2和转动盘3之间通过传动齿轮18和齿轮19啮合传动。第二级液压马达转轴6通过键4与连接杆3-4固定连接，第二液压级马达转轴6与转动圆环9通过轴承转动连接，第二级角度传感器10的轴插入第一转轴3-5中形成固定连接，第一转轴3-5与转动圆环9通过轴承转动连接，转动圆环9实现球型手腕的俯仰，可实现80度的转动（第二级液压马达转轴6不转，第二级液压马达本体转动带动转动圆环转动）。第三级液压马达转轴7通过第二固定键21与转动半圆环12固定连接，第三级液压马达转轴7与转动圆环9通过轴承转动连接，第三级角度传感器11的轴插入第二转轴12-2中形成固定连接，第二转轴12-2与转动圆环9通过轴承转动连接，转动半圆环12实现球型手腕的侧摆，可实现160度的转动（第三级液压马达转轴7转动，带动转动半圆环转动）。转轴3-1、第一转轴3-5和第二转轴12-2上装有的角度传感器通过角度信号的反馈，可实现对液压驱动三自由度球型手腕姿态的控制。

Claims (3)

1.一种无奇异位形的液压直驱三自由度球型手腕，其特征在于包括固定块（1）、转动盘（3）、转动圆环（9）、转动半圆环（12）、第一级液压马达（2）、第二级液压马达（5）和第三级液压马达（8）；固定块（1）包括液压马达槽（1-1）、固定块轴承槽（1-4）和固定螺纹孔（1-5），固定块（1）的中部开有竖向的通孔，固定块轴承槽（1-4）设置于该通孔内，固定块轴承槽（1-4）内安装有轴承，第一级液压马达（2）置于液压马达槽（1-1）内，第一级液压马达转轴（16）上安装有传动齿轮（18），固定螺纹孔（1-5）设置于固定块（1）底面上；转动盘（3）包括转轴（3-1）、保护盖（3-3）、连接杆（3-4）、与连接杆成一体的第一转轴（3-5）、带有键槽的第一轴孔（3-6），转轴（3-1）位于保护盖（3-3）内中部，转轴（3-1）垂直于保护盖（3-3）且下端伸出，两个连接杆（3-4）位于保护盖（3-3）上方两侧，第一轴孔（3-6）位于其中一个连接杆（3-4）上，第一转轴（3-5）位于另一个连接杆上，转动盘（3）上的转轴（3-1）插入到固定块（1）上的通孔中，且通过固定块轴承槽（1-4）中的轴承与固定块转动配合，转轴（3-1）下方还连接有第一级角度传感器（13），第一级角度传感器（13）固定于通孔内，转轴（3-1）的上端安装有齿轮（19），第一级液压马达转轴（16）上安装的传动齿轮（18）与齿轮（19）啮合；转动圆环（9）包括四个在圆环上均匀分布的圆环轴承槽（9-1），每个圆环轴承槽中都安装有轴承，转动圆环（9）安装在转动盘（3）上两个连接杆（3-4）之间，其中第一转轴（3-5）插入到圆环轴承槽（9-1）内并与轴承配合，第一转轴（3-5）端部连接安装在转动圆环上的第二级角度传感器（10），第二级液压马达固定在转动圆环上后转轴和圆环轴承槽（9-1）内轴承配合，第二级液压马达转轴（6）端部与连接杆（3-4）固定连接；转动半圆环（12）的一端设有带键槽的第二轴孔（12-1），另一端设有与转动半圆环成一体的第二转轴（12-2），转动半圆环（12）顶端安装有与转动半圆环成一体的法兰盘（12-3），法兰盘上还设有螺纹孔（12-4），转动半圆环（12）上的第二转轴插入到圆环轴承槽（9-1）内并与轴承配合，第二转轴（12-2）端部连接安装在转动圆环上的第三级角度传感器（11），第三级液压马达固定在转动圆环上后转轴和圆环轴承槽（9-1）内轴承配合，第三级液压马达转轴（7）端部与转动半圆环（12）通过第二轴孔（12-1）固定连接，转动盘的转轴（3-1）、第二级液压马达转轴（6）和第三级液压马达转轴（7）三轴的轴线在空间上交于一点构成球型手腕结构。

2.根据权利要求1所述的一种无奇异位形的液压直驱三自由度球型手腕，其特征在于固定块轴承槽（1-4）内设置的轴承分为上轴承（14-1）和下轴承（14-2），转轴（3-1）设有轴肩，转轴（3-1）通过上轴承（14-1）、下轴承（14-2）与固定块（1）转动连接，转轴（3-1）的轴肩顶在上轴承（14-1）的内圈上。

3.根据权利要求1或2所述的一种无奇异位形的液压直驱三自由度球型手腕，其特征在于固定块（1）还包括导线槽（1-6），导线槽（1-6）设置于固定块（1）底面上，导线槽（1-6）和通孔连通。

Images