[發(fā)明專利]一種可用作機(jī)器人腕關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)解耦球面轉(zhuǎn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200710045780.1
• 申請(qǐng)日: 2007-09-11
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101116971A
• 公開(kāi)（公告）日: 2008-02-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊建國(guó);李蓓智;張帆
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東華大學(xué)
• 主分類號(hào): B25J17/00
• 分類號(hào): B25J17/00;B25J9/08
• 代理公司: 上海泰能知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所
• 代理人: 黃志達(dá);謝文凱

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及工業(yè)機(jī)器人，尤其涉及機(jī)器人的腕、肩、腰部關(guān)節(jié)。

背景技術(shù)

工業(yè)機(jī)器人通常由機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和智能系統(tǒng)三個(gè)部分組成。機(jī)械系統(tǒng)又分為執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般由手部、腕部、臂部、腰部和機(jī)架組成。機(jī)器人腕部(即手腕)是臂部與手部的連接部件，是機(jī)器人的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，是工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)中最為復(fù)雜的部件。手腕按自由度個(gè)數(shù)可分為單自由度手腕、兩自由度手腕和三自由度手腕。手腕處于手臂術(shù)端，要求其結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕；為了使手腕處于空間任意方向，靈活自如地實(shí)現(xiàn)各種作業(yè)，腕部最好具有三個(gè)俯仰、偏轉(zhuǎn)、擺動(dòng)自由度。

當(dāng)機(jī)器手腕實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度時(shí)，公知的方法是采用類似文獻(xiàn)[Arthur?J.Critchlow，″Introduction?to?Robotics″Mscmillan?Publishing?Comp，New?York，1986，p.70]中的手腕機(jī)構(gòu)。此時(shí)驅(qū)動(dòng)手腕三個(gè)自由度的電機(jī)都安裝在機(jī)器人上臂后端，然后通過(guò)中央軸、內(nèi)層套筒和外層套筒，實(shí)現(xiàn)手腕的三個(gè)自由度。顯然這種三層套筒軸傳動(dòng)方式的復(fù)雜性限制了6自由度機(jī)器人的普及。近年來(lái)隨著元器件的小型化，尤其是電機(jī)功率/重量比地提高，出現(xiàn)了使電機(jī)更加靠近被驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，日本安川公司(YASKAWA?Electric?Mfg.Co.Ltd)的機(jī)器人Motoman?KS(All-Electric?Industrial?robot，YASKAWA，Japan)系統(tǒng)中采用的手腕結(jié)構(gòu)是其中的代表。它采用齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。但是齒輪傳動(dòng)容易磨損、傳動(dòng)精度較低，要精密、小巧的成本很高，對(duì)工作空間狹窄的應(yīng)用難以實(shí)現(xiàn)。

隨著并聯(lián)機(jī)構(gòu)的出現(xiàn)，能實(shí)現(xiàn)三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)開(kāi)始應(yīng)用于機(jī)器人腕關(guān)節(jié)。與串聯(lián)結(jié)構(gòu)的球面轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)相比，并聯(lián)球面轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的腕關(guān)節(jié)剛度大、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)快，單位體積能承受更大的載荷，特別適合用于機(jī)器人的腕、肩、腰部關(guān)節(jié)[杭魯濱，王彥，吳俊等.基于拓?fù)浣怦顪?zhǔn)則的球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)解耦條件研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2005，Vol.41，No.9：pp28-32]。運(yùn)動(dòng)解耦并聯(lián)機(jī)器人是指輸出運(yùn)動(dòng)的任一個(gè)自由度都僅依賴單個(gè)驅(qū)動(dòng)單元，其他驅(qū)動(dòng)單元?jiǎng)幼鞑粚?duì)此自由度產(chǎn)生影響。中國(guó)專利文獻(xiàn)CN03258423.7文獻(xiàn)報(bào)道的“基于球面機(jī)構(gòu)的太陽(yáng)跟蹤裝置”中采用了三自由度球面機(jī)構(gòu)，但它的三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)完全耦合，即不能解耦；導(dǎo)致并聯(lián)機(jī)構(gòu)控制復(fù)雜，標(biāo)定困難，且制約了精度的提高。美國(guó)專利US00596699IA提出的二自由度球面機(jī)構(gòu)也只能在初始位置瞬時(shí)解耦，其他位置不能解耦。文獻(xiàn)[杭魯濱，王彥，吳俊等.基于拓?fù)浣怦顪?zhǔn)則的球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)解耦條件研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2005，Vol.41，No.9：pp28-32]提出了一種部分解耦的3-RRR球面轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，但由于位姿參數(shù)仍然存在弱耦合，控制一個(gè)姿態(tài)參數(shù)會(huì)同時(shí)導(dǎo)致其他姿態(tài)參數(shù)變化。有關(guān)可以解耦的三自由度球面機(jī)構(gòu)文獻(xiàn)發(fā)明目前尚未檢索到。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種運(yùn)動(dòng)解耦的球面轉(zhuǎn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，它具有剛度大、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制容易、運(yùn)動(dòng)精度高、成本較低等特點(diǎn)。

本發(fā)明通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種可用作機(jī)器人腕關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)解耦球面轉(zhuǎn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，主要由鏈接機(jī)架、動(dòng)平臺(tái)及固連在機(jī)架和動(dòng)平臺(tái)之間的結(jié)構(gòu)相同的三條運(yùn)動(dòng)支鏈組成，所述三條運(yùn)動(dòng)支鏈分別由三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副與它們之間的桿件組成，并且三個(gè)運(yùn)動(dòng)支鏈的主動(dòng)副相互正交分布，所有運(yùn)動(dòng)副軸線匯交于一點(diǎn)，并由三條運(yùn)動(dòng)支鏈的電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)圍繞轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線匯點(diǎn)的球面轉(zhuǎn)動(dòng)輸出。

所述每條運(yùn)動(dòng)支鏈?zhǔn)级说闹鲃?dòng)副由旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使桿件的一端實(shí)現(xiàn)繞電機(jī)軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)，桿件的另一端連接轉(zhuǎn)動(dòng)副，轉(zhuǎn)動(dòng)副同時(shí)連接另一桿件，另一桿件又通過(guò)另一轉(zhuǎn)動(dòng)副與動(dòng)平臺(tái)相連。

所述機(jī)構(gòu)的工作原理如下：當(dāng)三條運(yùn)動(dòng)支鏈的電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)支鏈帶動(dòng)動(dòng)平臺(tái)繞電機(jī)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其他運(yùn)動(dòng)支鏈具有該軸向轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，因此可以與動(dòng)平臺(tái)隨動(dòng)，不需要該運(yùn)動(dòng)支鏈的主動(dòng)副參與運(yùn)動(dòng)，因此機(jī)構(gòu)的單個(gè)輸入運(yùn)動(dòng)控制一個(gè)輸出自由度，機(jī)構(gòu)的三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度解耦，可以實(shí)現(xiàn)繞轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線交點(diǎn)的球面運(yùn)動(dòng)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下有益效果：

1.本發(fā)明所述的運(yùn)動(dòng)解耦球面轉(zhuǎn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)僅含有轉(zhuǎn)動(dòng)副，并且所有驅(qū)動(dòng)電機(jī)都可以安裝在機(jī)架上，因而具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，運(yùn)動(dòng)響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)。

2.本發(fā)明所述的球面轉(zhuǎn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)解耦，單個(gè)輸出自由度僅需要控制單個(gè)驅(qū)動(dòng)單元，標(biāo)定容易，控制簡(jiǎn)單，從而降低了開(kāi)發(fā)成本。

附圖說(shuō)明