[發(fā)明專利]一種基于三自由度串并混聯(lián)機(jī)構(gòu)的繩驅(qū)動腕部模塊及其使用方法

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• 申請日: 2021-04-02
• 公開（公告）號: CN112894780A
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 管貽生;梁智豪;宋耀威;王斌
• 申請（專利權(quán)）人: 廣東工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: B25J9/00
• 分類號: B25J9/00;B25J9/08;B25J9/10;B25J9/12;B25J17/00
• 代理公司: 廣東廣信君達(dá)律師事務(wù)所 44329
• 代理人: 熊冰

1.一種基于三自由度串并混聯(lián)機(jī)構(gòu)的繩驅(qū)動腕部模塊，其特征在于，包括自上而下設(shè)置的三自由度串并聯(lián)模塊和驅(qū)控集成模塊，所述三自由度串并聯(lián)模塊由并聯(lián)機(jī)構(gòu)上平臺、張力放大機(jī)構(gòu)、并聯(lián)機(jī)構(gòu)下平臺、轉(zhuǎn)動連接臺、繩索固定螺釘、三自由度串并聯(lián)模塊外殼、軸承定位套筒、電機(jī)固連齒輪、球面純滾動并聯(lián)機(jī)構(gòu)、深溝球軸承、前端繞繩轉(zhuǎn)筒、薄墊片、后端繞繩轉(zhuǎn)筒、塞打螺釘、塞打螺釘軸承以及電機(jī)傳動齒輪組成；

并聯(lián)機(jī)構(gòu)上平臺與并聯(lián)機(jī)構(gòu)下平臺通過球面純滾動并聯(lián)機(jī)構(gòu)和張力放大機(jī)構(gòu)連接，所述球面純滾動并聯(lián)機(jī)構(gòu)包括三根沿周向120°均勻排布的并聯(lián)機(jī)構(gòu)連桿，三根并聯(lián)機(jī)構(gòu)連桿呈彎曲交錯，使并聯(lián)機(jī)構(gòu)上平臺在-90°到90°間運(yùn)動無干涉；

所述張力放大機(jī)構(gòu)包括上平臺擺動架定位塊、動滑輪、上平臺擺動架、上平臺繩索保持架、下平臺繩索保持架、定滑輪、下平臺擺動架、繩索換向銷釘、繩索換向軸承以及下平臺擺動架定位塊；四個張力放大機(jī)構(gòu)沿周向90°均勻排布在并聯(lián)機(jī)構(gòu)上平臺與并聯(lián)機(jī)構(gòu)下平臺之間，通過動滑輪在二自由度運(yùn)動方向進(jìn)行張力和剛度的放大。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的繩驅(qū)動腕部模塊，其特征在于，所述深溝球軸承定位于三自由度串并聯(lián)模塊外殼內(nèi)，并聯(lián)機(jī)構(gòu)下平臺與轉(zhuǎn)動連接臺的凸緣分別嵌入深溝球軸承內(nèi)圈，并用螺釘相互連接；前端繞繩轉(zhuǎn)筒、薄墊片以及后端繞繩轉(zhuǎn)筒依次套入轉(zhuǎn)動連接臺底面的圓柱內(nèi)，并通過軸承定位套筒進(jìn)行軸向定位，兩個電機(jī)固連齒輪通過塞打螺釘軸承與塞打螺釘連接于軸承定位套筒上，兩個電機(jī)傳動齒輪分別與前端繞繩轉(zhuǎn)筒和后端繞繩轉(zhuǎn)筒通過螺釘固連，所述軸承定位套筒嵌入三自由度串并聯(lián)模塊外殼進(jìn)行定位。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的繩驅(qū)動腕部模塊，其特征在于，所述球面純滾動并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)腕部二自由度球面運(yùn)動，并聯(lián)機(jī)構(gòu)下平臺為一轉(zhuǎn)動自由度，從而形成串并混聯(lián)機(jī)構(gòu)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的繩驅(qū)動腕部模塊，其特征在于，所述張力放大機(jī)構(gòu)的張力放大倍數(shù)為兩倍，剛度放大倍數(shù)為四倍。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的繩驅(qū)動腕部模塊，其特征在于，所述并聯(lián)機(jī)構(gòu)連桿兩端均通過連桿固定銷、連接鉸鏈與并聯(lián)機(jī)構(gòu)上平臺和并聯(lián)機(jī)構(gòu)下平臺連接。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的繩驅(qū)動腕部模塊，其特征在于，所述張力放大機(jī)構(gòu)通過上平臺擺動架定位塊、下平臺擺動架定位塊分別與并聯(lián)機(jī)構(gòu)上平臺和并聯(lián)機(jī)構(gòu)下平臺連接。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的繩驅(qū)動腕部模塊，其特征在于，所述張力放大機(jī)構(gòu)的繩索傳動路線從繩索固定點(diǎn)開始，從下平臺擺動架進(jìn)入并從上方環(huán)繞定滑輪進(jìn)行換向，由下至上分別通過下平臺繩索保持架和上平臺繩索保持架，經(jīng)過動滑輪換向后，由上至下分別進(jìn)入上平臺繩索保持架和下平臺繩索保持架，再經(jīng)過繩索換向銷釘進(jìn)入下平臺擺動架定位塊，由繩索換向軸承將繩索傳遞到下方的前端繞繩轉(zhuǎn)筒，繩索沿前端繞繩轉(zhuǎn)筒纏繞并被螺釘固定在凹槽處。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的繩驅(qū)動腕部模塊，其特征在于，所述驅(qū)控集成模塊由驅(qū)控集成模塊外殼和三個小型直流電機(jī)組成，驅(qū)控集成模塊外殼與軸承定位套筒螺釘連接；所述驅(qū)控集成模塊外殼表面設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)卡環(huán)接口，用于與肘部或其他模塊進(jìn)行連接；所述小型直流電機(jī)設(shè)有減速箱和編碼器，左右兩側(cè)的小型直流電機(jī)通過電機(jī)固連齒輪和電機(jī)傳動齒輪驅(qū)動前端繞繩轉(zhuǎn)筒和后端繞繩轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)繩索運(yùn)動，而中間的小型直流電機(jī)直接驅(qū)動轉(zhuǎn)動連接臺旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)三自由度串并混聯(lián)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的繩驅(qū)動腕部模塊，其特征在于，所述中間的小型直流電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)動連接臺轉(zhuǎn)動θ角度后，左右兩側(cè)的小型直流電機(jī)通過編碼器設(shè)定驅(qū)動前端繞繩轉(zhuǎn)筒和后端繞繩轉(zhuǎn)筒相應(yīng)轉(zhuǎn)動θ角度，以此解決繩索耦合。

10.一種由權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的一種基于三自由度串并混聯(lián)機(jī)構(gòu)的繩驅(qū)動腕部模塊的使用方法，其特征在于，包括以下步驟：

使用時，左右兩側(cè)的小型直流電機(jī)通過電機(jī)固連齒輪和電機(jī)傳動齒輪驅(qū)動前端繞繩轉(zhuǎn)筒和后端繞繩轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)繩索運(yùn)動，其中Δr和Δp分別為兩對繩索的伸縮量；而中間的小型直流電機(jī)直接驅(qū)動轉(zhuǎn)動連接臺旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)三自由度串并混聯(lián)機(jī)構(gòu)整體轉(zhuǎn)動，利用球面純滾動并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)手腕內(nèi)彎、外伸、手尺側(cè)傾以及手橈側(cè)傾運(yùn)動，利用轉(zhuǎn)動連接臺轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)手腕外旋和內(nèi)旋的自由度配置，但轉(zhuǎn)動連接臺的轉(zhuǎn)動將導(dǎo)致Δr和Δp發(fā)生變化，即存在運(yùn)動耦合；為解決繩索耦合問題，每當(dāng)中間的直流電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)動連接臺轉(zhuǎn)動θ角度后，左右兩側(cè)的小型直流電機(jī)通過編碼器設(shè)定驅(qū)動前端繞繩轉(zhuǎn)筒和后端繞繩轉(zhuǎn)筒相應(yīng)轉(zhuǎn)動θ角度，以此解決繩索耦合。