CN1285447C - 机器人主动手腕 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二～三转动自由度机器人主动手腕。三转动自由度机器人主动手腕，由上旋转体、下旋转体和输出端构成，所述的上旋转体与下旋转体通过轴承联接，其内部设置有双万向联轴节、通过轴承套装在所述的双万向联轴节上的锥齿轮、以及与所述的锥齿轮构成啮合副的端面齿轮，所述的锥齿轮通过轴承与所述的下旋转体联接，所述的端面齿轮与上旋转体固接，所述的输出端套装在所述的双万向联轴节的输出轴上并通过轴承与上旋转体联接。在三转动自由度机器人主动手腕结构的基础上，去掉锥齿轮与端面齿轮构成的啮合副，就形成了更为简单、紧凑的二转动自由度机器人主动手腕。本发明的优点是：造型小巧，结构紧凑，姿态能力好，模块化程度高，便于系统集成。

Description

机器人主动手腕

                         技术领域

本发明涉及一种机器人，更具体的说，它涉及一种机器人手腕机构。

                         背景技术

目前，在医疗、军事、轻工、汽车等行业中，由于存在许多人类的手、眼无法触及的工作场合，或因为危险、有毒、辐射等原因，使人无法对特定的物体进行精确定位、检测、成像等操作。因此，让机器人代替人来完成一些特定工作成为一种迫切需要。

国内外的学者在这方面作了大量研究，据专利资料与文献记载，目前公开的机器人手腕机构已达数十种之多：

以美国的Rosheim为代表、其他国家也有的Pitch-yaw-roll三自由度手腕，其结构基于连杆、扇形齿轮、行星齿轮、差动齿轮以及刚带传动等。此传动原理看似简单，实则复杂，难于制造装配。

日本NEC公司申请专利的一种可模仿类似人类手指末端关节运动形式的两自由度主动铰链，被韩国的Ryew和Choi改造成可完全实现人类手指末端关节运动的装置，美国的hUug则利用了上述铰链，制造出一个12自由度的蛇形机器人实物模型。这种铰链基于单万向联轴节传动，可达空间小，姿态能力差。

我国的“东方”喷漆机器人的柔性手腕，是仿照挪威机器人Trallfa手腕制造的，它利用了球面齿轮传动机构，却由于球面齿轮存在原理性误差，制造难度大，且球形齿轮副通常受啮合范围的限制，使之姿态定位精度不高。

另有RCC-RemoteCenterCompliance柔顺手腕，虽然可以通过夹持工件与装配对象间的接触力使柔性构件产生变形，并以此微调末端姿态，但其结构却不适合实现大姿态场合的需要。

曾被考虑作为手腕结构的球面并联机构和Stewart平台，则通常因为结构尺寸和姿态能力受到限制，难于得到实际应用。

可见，上述的各种机器人手腕均在不同程度上存在着传动构件复杂、可达空间小、姿态能力不好等不同缺陷，实用性不强。

                         发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种零部件数量少、结构简单紧凑、可实现即插即用、且在有限的空间内具有灵巧性的机器人手腕机构。

本发明的技术方案有两种：

一种是三转动自由度机器人主动手腕，它由上旋转体、下旋转体和输出端构成，所述的上旋转体与下旋转体通过轴承联接，其内部设置有双万向联轴节、通过轴承套装在所述的双万向联轴节上的锥齿轮、以及与所述的锥齿轮构成啮合副的端面齿轮，所述的锥齿轮通过轴承与所述的下旋转体联接，所述的端面齿轮与上旋转体固接，所述的输出端套装在所述的双万向联轴节的输出轴上并通过轴承与上旋转体联接。

另一种是二转动自由度机器人主动手腕，它由上旋转体、下旋转体和输出端构成，所述的上旋转体与下旋转体通过轴承联接，其内部设置有双万向联轴节，所述的输出端套装在输出轴上并与上旋转体固连。

为使本发明的机器人主动手腕运转更灵活、轻便，在两种技术方案所述的机器人手腕内部设置有滑移副，并以轻金属合金制造所述的上旋转体与下旋转体。

本发明选用了“万向联轴节和锥齿轮——端面齿轮嵌套”的传动方式，与现有技术相比，其优点是：造型小巧，结构紧凑，姿态能力好，模块化程度高，便于系统集成，即可作为单独模块使用，通过与机器人本体适配构成多自由度末端执行器，亦可以串接方式构成机器人的主动柔顺手腕，成为人体视觉、触觉等的有效延伸。

                         附图说明

图1是三转动自由度机器人手腕的初始位置图；

图2是三转动自由度机器人手腕的极限位置图；

图3是二转动自由度机器人手腕的初始位置图；

图4是二转动自由度机器人手腕的极限位置图。

                         具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

(1)三转动自由度机器人主动手腕：

如图1与图2所示：三转动自由度机器人主动手腕，由输出端1、上旋转体2和下旋转体3构成，所述的上旋转体2与下旋转体3通过轴承10联接，其内部设置有双万向联轴节4、通过轴承11套装在所述的双万向联轴节4上的锥齿轮12、以及与所述的锥齿轮12构成啮合副的端面齿轮13，所述的锥齿轮12通过轴承9与所述的下旋转体3联接，所述的端面齿轮13与上旋转体2固接，所述的输出端1套装在双万向联轴节的输出轴16上并通过轴承14与上旋转体2联接。

该手腕机构可通过轴承5将驱动与传动系统封装于机架内部，并可通过机架与机器人本体联接，输出端法兰可联接末端执行器(如摄像头等)，实现空间三自由度转动。

电机——齿轮减速系统20、21、22组成本机构的驱动系统，并分别通过传动齿轮6、7、8驱动输出端1、上旋转体2和下旋转体3，形成三条相互独立的传动链：

传动链A由电机——齿轮减速系统20、传动齿轮7、锥齿轮12、端面齿轮13和上旋转体2组成，传动齿轮7与锥齿轮12固连，端面齿轮13与上旋转体2固连；

传动链B由电机——齿轮减速系统21、传动齿轮6和下旋转体3组成，传动齿轮6与下旋转体3固连；

传动链C由电机——齿轮减速系统22、传动齿轮8、双万向联轴节4和输出端1组成，其中双万向联轴节4的输入轴19与传动齿轮8联接，输出轴16带动输出端1转动。

三转动自由度的形成原理是：上旋转体2、下旋转体3的结合面与下旋转体3的旋转轴线及输出端1的旋转轴线呈一定角度a，当上旋转体2关于结合面法线方向相对下旋转体3转动时，可产生具有二个自由度的球冠运动，其球心角为2a，输出端1绕轴线旋转，可独立调整其自旋角度，进而形成空间三自由度旋转运动。

(2)二转动自由度机器人主动手腕：

有的时候，机器人手腕与机器人本体相连不需要输出端绕自身轴线旋转的运动，或是为了提高其局部的灵活度，也没有必要将自旋自由度集成于手腕结构之内。因此，在前述三转动自由度机器人主动手腕机构的基础上，去掉锥齿轮12与端面齿轮13构成的啮合副以及相应的电机——齿轮减速机构20，便形成更为简单、紧凑的二转动自由度机器人主动手腕。

如图3与图4所示：二转动自由度机器人主动手腕，由输出端1、上旋转体2和下旋转体3构成，所述的上旋转体2与下旋转体3通过轴承10联接，其内部设置有双万向联轴节4，所述的输出端1套装在双万向联轴节的输出轴16上并与上旋转体2固连。

该手腕机构同样通过轴承5将驱动与传动系统封装于机架内部，并通过机架与机器人本体联接，输出端法兰可联接末端执行器(如摄像头等)，实现空间二自由度转动。

二转动自由度机器人主动手腕机构的驱动系统与上述三转动自由度机器人主动手腕机构的驱动系统相比少了传动链A。除此之外，其余部分的传动机构和工作原理与三转动自由度机器入主动手腕完全相同。

为使本发明的机器人主动手腕运转更灵活，在两种技术方案所述的机器人手腕内部设置有滑移副，以保证输出端1的轴向位置不变。以下是滑移副处于不同位置的两种情况：

(1)在输出轴16与输出端1之间设置滑移副，当输出端1运动至极限位置时，双万向联轴节4的中间部分17关于上、下旋转体2、3中心对称。这样，如果轴向固定双万向联轴节4上的十字轴18，则输出轴16与输出端1之间可相对滑动。

(2)在双万向联轴节4的中间部分17的内部设置滑移副，使双万向联轴节4上边的十字轴15和下边的十字轴18可在机构运动过程中始终关于上、下旋转体2、3中心对称。此方式利用了末端移动型双万向联轴节的标准结构。

本发明基于模块化思想，将“双万向联轴节和锥齿轮——端面齿轮嵌套”的传动机构封装于手腕结构内部，并预留机械与电气接口。

为使本发明的机器人手腕更加轻便，所述的上旋转体2与下旋转体3可采用轻金属合金(如铝合金等)制造。

由于机构的实际应用工况为低速轻载，故除滚动轴承外，也可使用干摩擦滑动轴承。

本发明可用于机械手手指关节，也可作为视觉、触觉等传感器的运动载体，还能作为反馈装置与控制系统连接，对末端执行器的位置和姿态进行自动调节。

以该机构作为主动关节驱动的小型乃至微型机器人，即可制成蛇形机器人，又可制成轮子驱动的爬行机器人，以代替人去完成管道内部的检测、修复、焊接、清淤等工作，并可制成微型医用机器人。

Claims (10)

1.一种三转动自由度机器人主动手腕，包括上旋转体、下旋转体和输出端，所述的上旋转体与下旋转体通过轴承联接，其特征是，所述上旋转体与下旋转体的内部设置有双万向联轴节、通过轴承套装在所述的双万向联轴节上的锥齿轮、以及与所述的锥齿轮构成啮合副的端面齿轮，所述的锥齿轮通过轴承与所述的下旋转体联接，所述的端面齿轮与上旋转体固接，所述的输出端套装在所述的双万向联轴节的输出轴上并通过轴承与上旋转体联接。

2.根据权利要求1所述的三转动自由度机器人主动手腕，其特征是，所述的双万向联轴节中间部分的内部设置有滑移结构。

3.根据权利要求1所述的三转动自由度机器人主动手腕，其特征是，所述的双万向联轴节的输出轴与输出端之间设置有滑移结构。

4.根据权利要求1所述的三转动自由度机器人主动手腕，其特征是，所述的的轴承为滚动轴承。

5.根据权利要求1所述的三转动自由度机器入主动手腕，其特征是，所述的轴承为干摩擦滑动轴承。

6.一种二转动自由度机器人主动手腕，包括上旋转体、下旋转体和输出端，所述的上旋转体与下旋转体通过轴承联接，其特征是，所述上旋转体与下旋转体的内部设置有双万向联轴节，所述的输出端套装在所述的双万向联轴节的输出轴上并与上旋转体固连。

7.根据权利要求6所述的二转动自由度机器人主动手腕，其特征是，所述的双万向联轴节中间部分的内部设置有滑移结构。

8.根据权利要求6所述的二转动自由度机器人主动手腕，其特征是，所述的双万向联轴节的输出轴与输出端之间设置有滑移结构。

9.根据权利要求6所述的二转动自由度机器人主动手腕，其特征是，所述的轴承为滚动轴承。

10.根据权利要求6所述的二转动自由度机器人主动手腕，其特征是，所述的轴承为干摩擦滑动轴承。

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