[實用新型]一種基于單定子多自由度超聲電機的機器人腕關節結構

有效

• 申請號: 201520185862.6
• 申請日: 2015-03-31
• 公開（公告）號: CN204505286U
• 公開（公告）日: 2015-07-29
• 發明（設計）人: 陶征;劉旭;高建設
• 申請（專利權）人: 鄭州大學
• 主分類號: B25J17/02
• 分類號: B25J17/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種基于單定子多自由度超聲電機的機器人腕關節結構，屬于機器人技術領域。

背景技術

機器人是人類20世紀的重大發明之一。隨著科學技術的進步，機器人應用已從傳統制造業向非制造業轉變，微型化已成為當前機器人領域的一個重要發展方向。航天、醫療作為機器人應用的兩個重要技術領域，其非常規和極端環境的特點，對機器人結構提出了更高的要求，諸如輕、小、低噪聲、無電磁干擾等。

腕關節是機器人中能夠實現多自由度運動的一個重要機構。目前，其驅動大都采用多個傳統的單自由度電磁電機的共同組合實現。除此之外，高速、低扭矩的特點使得傳統電磁電機必需配以相應的減速系統才能實現機器人的低速、大力矩的工作需求。這種繁冗復雜的結構大大增加了腕關節的慣性負載，使之動態性能降低，這一狀況，不僅對每增加1kg質量，發射成本將增加2萬美元的太空探索來講是一個非常現實的問題，而且對追求精密、微型且工作在極端環境下的醫療外科手術設備的技術發展也是一個非常嚴重的桎梏。另外，強烈的宇宙輻射、巨大的溫差（300C⁰左右）變化等惡劣的外太空環境都對傳統電磁電機的正常、穩定的工作構成了嚴重的威脅。基于單定子多自由度超聲電機構建機器人腕關節能夠集驅動、傳動系統于一體，使得機構零件大為減少，大大減輕驅動結構的重量，而且，由于超聲電機不產生磁場，亦不受外界磁場的干擾，因此，能夠很好的適應外太空以及具有強磁影響的醫療環境。

目前，常用的機器人腕關節結構主要有如下幾種：

1）串聯式腕關節。串聯式腕關節是應用最多的結構形式，它在工業機器人中具有廣泛的應用。這種結構的典型代表是Rosheim設計的全方位腕機構，這種結構一般由軸線交于一點的三個轉動運動副串聯構成，其驅動器安裝于腕關節或手臂處。三個驅動電機位于基座內，利用萬向節傳動原理，同時實現Pitch、Roll、Yaw運動。由于該腕關節的運動分別由三個驅動電機控制，因此結構比較復雜，尺寸與重量相對較大。該結構在一定情況下存在著PITCH、YAW運動耦合，對運動精度產生不利影響。除此之外，還有延長傳動鏈將關節驅動電機布置在機器人手臂上以及繩索傳動的機器人關節設計形式。上述兩種形式一般會導致傳動鏈過長，傳動復雜，使手臂的結構變得異常復雜，更難以實現機器人腕關節的微型化和輕量化。

2）并聯式腕關節。并聯機構構造機器人腕關節具有明顯的優勢：結構緊湊、高的剛度重量比和響應速度。典型代表是3-RRR并聯機構腕關節，這種機構上下平臺用三個3R轉動副運動鏈相連，所有轉動副軸線均交于球面機構的轉動中心。該結構在一定程度上可以彌補串聯式手腕的不足，但是采用并聯機構后手腕的運動變得復雜，三個方向的轉動一般是耦合的。另一方面，這種方案仍需將三臺驅動電機安裝在腕關節上，這使得采用并聯方式的腕關節仍然難以微型化、輕量化。

3）多自由度單關節。指利用單個運動關節來實現腕關節所需求的多個方向的轉動。典型結構是基于凹凸齒傳動的Traffla手腕，它的基本結構是一對“球冠齒輪”，它是在一個球冠上制出若干個離散分布的凹坑，在另一個球冠上鑲嵌有同樣數目的錐形指狀齒。凹坑與指狀齒嚙合，從而實現運動的傳遞。這種球齒輪存在兩個方面的缺陷:一是存在傳動原理誤差，二是加工難度很大，手腕的設計和制造都非常困難。目前，一種新型的三自由度球型腕關節被提出。該腕關節具有高集成度，主要由上半球，下半球和輸出端構成，可實現俯仰、側擺和自轉運動。上、下半球的連接采用回轉軸線與接觸面法線方向具有一定角度的偏置方式，上、下半球在偏置斜面的運動合成了輸出端的俯仰與側擺運動，自轉運動由通過軸承懸浮于上半球凸起的輸出端實現。由于該結構依然采用電磁電機驅動，使得該腕關節仍然難以微型化、輕量化。

總之，目前機器人腕關節均由傳統的電磁電機進行驅動，復雜的傳動系統和結構形式使得它們很難滿足當前對機器人結構提出的微型化、輕量化要求。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于單定子多自由度超聲電機的機器人腕關節結構，更好的滿足航天、醫療等非常規和極端環境下對機器人技術的需求。