CN2931013Y - 三自由度解耦型仿肩关节 - Google Patents

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朱兴龙
杨振中
陈健
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Abstract

本实用新型涉及一种用于机器人的三自由度解耦型肩关节。本实用新型集成了直流伺服技术和液压伺服技术,采用模块化设计方法,根据人体的肩关节结构设计。解决了现有技术存在的输出力矩小,运动控制精度低、驱动电机沉重且价格昂贵或伺服电机的动力通过绳索、钢丝绳传动等缺陷。本实用新型关节主要由三只摆动液压缸组合而成,它们之间直接通过刚性臂或轴连接在一起,实现了关节三自由度回转轴线在空间垂直相交,运动解耦,位姿分离,且关节运动范围大,有足够的灵活性和自由性,输出力矩大(达100Nm),功重比大,运动平稳,结构简单、传动简单、安装方便、体积小、结构紧凑、重量轻、动态响应快、运动灵活、控制方便。

Description

三自由度解耦型仿肩关节
技术领域
本实用新型涉及一种机械传动机构,特别涉及一种用于机器人关节的机械传动机构。
背景技术
机器人操作臂是研究和开发工业应用机器人的关键所在。在本实用新型做出之前,已经开发了多种形式的机器人关节,其驱动装置普遍采用单一的伺服电机或者气、液压泵等作为动力源,通过带、链、绳索或齿轮传动,实现关节的移动或摆动。这类结构的主要不足在于或者输出力矩小,如采用增力机构,则体积、重量大,且空间结构上难以实现,或者虽然输出力矩大,但运动控制精度低,有的还存在控制困难、响应慢、功率不足,传动机构存在间隙、关节中存在摩擦等问题。直接驱动机器人虽然对机器人的发展起了很大作用,但却存在输出力矩波动大,限制了控制性能的提高;一种新型执行器在低速时能产生很大转矩,但其驱动电机极其沉重且价格昂贵;一种三自由度回转轴线垂直相交的机械关节,也存在重量重、体积大,且伺服电机的动力通过绳索传递,绳索在空间上布置十分困难;一种三自由度液压式关节,其回转轴线不能交于一点,运动不解耦、位姿不分离,且结构庞大,腕关节上三个自由度的回转角度较小,工作范围受到限制;机器人PYR关节,虽然实现了运动解耦,但结构过于复杂且驱动力矩不足,负载能力有限,自身的刚度问题也难以解决;一种三自由度液压伺服关节虽然也实现了运动解耦,但其动力采用钢丝绳传动,难以预紧,传动效果不好,且关节体积较大,结构不够紧凑。
发明内容
本实用新型的目的就在于克服上述现有机器人关节存在的各种缺陷,设计了一种新型三自由度解耦型仿肩关节。
本实用新型的技术方案:三自由度解耦型仿肩关节,其主要技术特征在于由三只摆动液压缸构成,其中第一摆动液压缸的直流伺服电机安装在一端缸盖上,内置于电机机壳,其输出轴经D型接头与液压缸内的伺服阀芯连接,缸盖、缸体上分别设置进油口、出油口,缸体另一端随动阀套输出轴经D型接头与第二摆动液压缸相连接并与其一个油口连通,形成第一个转动自由度;第二摆动液压缸的直流伺服电机经固定座安装在缸盖上,其输出轴经D型接头连接液压缸内的伺服阀芯,缸盖上设置另一油口,随动阀套输出轴两端与刚性连接臂连接,形成第二个转动自由度:刚性连接臂另一端与第三摆动液压缸连接,其直流伺服电机安装在缸盖上,内置于刚性连接臂空腔,经D型接头与液压缸内的伺服阀芯连接,缸盖上设置进油口、出油口,与随动阀套输出轴形成第三个转动自由度,并为整个肩关节的输出。
本实用新型的优点和效果在于采用直流伺服技术和液压伺服技术相结合的方法,使用小功率直流伺服电机控制驱动大功率液压摆动缸,得到大的输出力矩和高的控制精度,结构上仿造人体的肩关节,实现关节三自由度回转轴线在空间垂直相交,三个自由度的回转角度大,分别可达±150°、±60°、±150°,关节运动范围大,有足够的灵活性和自由性,运动解耦,简化了机器人操作臂因运动不解耦而带来的控制系统的复杂性,实现了位姿分离,且输出力矩大(达100Nm),功重比大,运动平稳,同时将直流伺服机构、液压伺服机构、角位移传感器和摆动液压缸有机集成,采用内置油道、内置电机、动密封技术,三只摆动液压缸之间,无需减速机构,无需中间传动机构,直接连接以驱动三个自由度的转动,具有结构简单、传动简单、安装方便、体积小、结构紧凑、重量轻、动态响应快、无超调、运动灵活、控制方便等优点。
本实用新型的其它优点和效果将在下面的具体实施方式中继续描述。
附图说明
图1——第一节摆动液压缸结构示意图。
图2——第二节摆动液压缸结构示意图。
图3——第三节摆动液压缸结构示意图。
图4——刚性连接臂结构示意图。
图5——三自由度解耦型肩关节整体结构图。
具体实施方式
如图1、图2、图3、图4、图5所示,三自由度解耦型肩关节采用模块化设计思想,根据人体肩关节的结构设计,主要由三只摆动液压缸组合而成。
三只摆动液压缸之间直接通过刚性连接臂(本例中)或轴连接,分别驱动三个自由度的转动,它们的内部结构相似,均由伺服阀芯6、随动阀套及动叶片8、随动阀套衬套7、固定叶片5、缸盖1及缸体11等组成。
如图1所示,为第一节摆动液压缸,呈圆柱形,为单作用缸,进油口10、出油口12分别设置在缸盖1和缸体11上,缸盖1上连接有直流伺服电机机壳2,直流伺服电机3安装在缸盖1上,并完全内置于直流伺服电机机壳2,通过D型接头4与液压缸内的伺服阀芯6相连接(液压缸可以通过直流伺服电机机壳2与机器人本体连接),液压缸另一端的缸盖13与缸体11做成一体,以提高关节的刚性,液压缸随动阀套及动叶片8输出轴通过D型接头9直接与下一节摆动液压缸(图2)连接(如图5),构成驱动关节转动的一个自由度,其回转角度范围为±150°;图2为第二节摆动液压缸,呈球形,为双作用缸,一个油口从第一节摆动液压缸内通过D型接头9中间的孔引入,另一油口18设置在端盖14上,它通过缸体上的D型槽19直接与上一节摆动液压缸(图1)的输出轴D型接头9连接(如图5),以传递上一节摆动液压缸的输出力矩,直流伺服电机17通过固定座16安装在液压缸缸盖14上,部分内置于随动阀套15,通过D型接头与液压缸内的伺服阀芯相连接(同图1),其随动阀套15通过刚性连接臂(图4)直接与下一节摆动液压缸(图3)连接(如图5),构成驱动关节转动的第二个自由度,其回转角度范围为±60°;图3为第三节摆动液压缸,呈圆柱形,为单作用缸,进油口22、出油口24分别设置在缸盖21和缸盖23上,其缸盖23通过刚性连接臂(图4)直接与上一节摆动液压缸(图2)连接(如图5),以传递上一节摆动液压缸的输出力矩,直流伺服电机25安装在缸盖23上,并完全内置于刚性连接臂(如图4),通过D型接头与液压缸内的伺服阀芯相连接(同图1),其随动阀套20的输出构成关节的第三个自由度,亦为整个肩关节的输出,其回转角度范围为±150°;图4为第二节摆动液压缸和第三节摆动液压缸之间的刚性连接臂,其一端通过通过孔26、孔27和第二节摆动液压缸的随动阀套15(图2)两端的输出轴连接,另一端面28通过螺栓和第三节摆动液压缸的缸盖23(图3)的端面连接,第三节摆动液压缸的直流伺服电机25(图3)内置在连接臂空腔29内;关节的连接顺序为:第一节摆动液压缸(图1)→第二节摆动液压缸(图2)→刚性连接臂(图4)→第三节摆动液压缸(图3),整体结构如图5所示,30、31、32、33分别为第三节摆动液压缸(图3)、刚性连接臂(图4)、第二节摆动液压缸(图2)、第一节摆动液压缸(图1)。本实用新型三自由度解耦型肩关节环环相扣,结构紧凑,全面满足了肩关节各方面的要求。

Claims (5)

1.三自由度解耦型仿肩关节,其特征在于由三只摆动液压缸构成,其中第一摆动液压缸的直流伺服电机安装在一端缸盖上,内置于电机机壳,其输出轴经D型接头与液压缸内的伺服阀芯连接,缸盖、缸体上分别设置进油口、出油口,缸体另一端随动阀套输出轴经D型接头与第二摆动液压缸相连接并与其一个油口连通,形成第一个转动自由度;第二摆动液压缸的直流伺服电机经固定座安装在缸盖上,其输出轴经D型接头连接液压缸内的伺服阀芯,缸盖上设置另一油口,随动阀套输出轴两端与刚性连接臂连接,形成第二个转动自由度:刚性连接臂另一端与第三摆动液压缸连接,其直流伺服电机安装在缸盖上,内置于刚性连接臂空腔,经D型接头与液压缸内的伺服阀芯连接,缸盖上设置进油口、出油口,与随动阀套输出轴形成第三个转动自由度,并为整个肩关节的输出。
2.根据权利要求1所述的三自由度解耦型仿肩关节,其特征在于第一摆动液压缸、第三摆动液压缸为单作用缸,第二摆动液压缸为双作用缸。
3.根据权利要求1所述的三自由度解耦型仿肩关节,其特征在于第一摆动液压缸、第三摆动液压缸为柱形结构,第二摆动液压缸为球形结构。
4.根据权利要求1所述的三自由度解耦型仿肩关节,其特征在于第一摆动液压缸所形成的第一个转动自由度的回转角度为±150°,第三摆动液压缸所形成的第三个转动自由度的回转角度为±150°,第二个摆动液压缸所形成的第二个转动自由度的回转角度为±60°。
5.根据权利要求1所述的三自由度解耦型仿肩关节,其特征在于连接三只摆动液压缸的刚性连接臂可由轴代替。
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