[發明專利]一種基于三自由度串并混聯機構的繩驅動腕部模塊及其使用方法

在審

• 申請號: 202110360411.1
• 申請日: 2021-04-02
• 公開（公告）號: CN112894780A
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發明（設計）人: 管貽生;梁智豪;宋耀威;王斌
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學
• 主分類號: B25J9/00
• 分類號: B25J9/00;B25J9/08;B25J9/10;B25J9/12;B25J17/00
• 代理公司: 廣東廣信君達律師事務所 44329
• 代理人: 熊冰

本發明公開一種基于三自由度串并混聯機構的繩驅動腕部模塊，該腕部模塊由三自由度串并聯模塊和驅控集成模塊組成，三自由度串并聯模塊包括球面純滾動并聯機構和張力放大機構，球面純滾動并聯機構實現腕部二自由度球面運動，并聯機構的下平臺設計為一轉動自由度，從而形成串并混聯機構，而張力放大機構確保機構輕量化的同時不丟失剛度；驅控集成模塊用于集成電機、驅動器以及控制器，形成獨立的機電系統；本發明結合繩驅動和模塊化的優勢進行設計，具有質量輕、可重構以及柔順性好等優點，提出的串并混聯機構自由度配置與真人手腕一致，能夠實現高逼真仿人腕部運動，為仿人服務機器人腕部設計提供新的設計思路。

技術領域

本發明涉及仿人服務機器人關節技術領域，具體涉及一種基于三自由度串并混聯機構的繩驅動腕部模塊及其使用方法。

背景技術

仿人臂是仿人服務機器人的重要執行系統，隨著仿人服務應用場景日益復雜，仿人臂關節設計需要滿足柔順性、輕量化以及可重構等更高的要求。而目前采用傳統剛性機構實現多自由度仿人臂關節具有質量大、柔順性差以及結構復雜等缺點，難以滿足仿人臂在非結構化環境下工作的要求。

繩驅動機構是指通過繩索傳遞運動和動力的機構，其屬于剛柔耦合的結構，這類機構具有質量輕、慣量小以及柔順性好等優勢，且繩索傳動布局靈活，容易實現多自由的配置。另外，從仿生學的角度分析，繩驅動與人手臂肌腱驅動方式類似，是實現人類手臂仿生設計的一種合理方案，因此，繩驅動機構被廣泛應用于仿人臂關節的設計，但為了進一步降低仿人臂的質量，繩驅動仿人臂大多采用驅動后置的方式進行設計，該方式容易造成關節間運動耦合，且過長的繩索傳遞線路帶來了控制帶寬低、非線性摩擦嚴重等問題。

而采用模塊化思想實現仿人臂，可將仿人臂分別設計成腕部、肘部和肩部模塊，一方面解決了繩驅動仿人臂驅動后置帶來的關節間運動耦合、繩索傳遞線路過長等問題；另一方面使仿人臂具備了不同應用場景下臂長可重構的優勢，即仿人臂各關節模塊采用標準機械接口進行連接，只需在模塊化關節間增加不同長度的連接段即可改變臂長。

目前，在仿人臂的設計上，有分別采用繩驅動機構和模塊化思想進行設計的例子，如專利ZL201810632708.7中公開了一種具有張力放大機制的三自由度繩索驅動并聯機構，該機構動平臺與靜平臺間由鉸鏈連接，側邊由動定滑輪組成的張力放大機構驅動，可應用于仿人臂腕部或肩部；專利201910382872.1中公開了一種五自由度模塊化揚琴演奏機械臂，該機械臂采用了模塊化的思想設計，整臂主要分為肩部模塊、大臂模塊、大臂旋轉模塊、肘部模塊以及小臂模塊，電機與驅動器均集成于各關節模塊內。雖然繩驅動機構和模塊化思想均已應用于仿人臂的設計，但鮮有充分融合兩者優點、彌補兩者缺點，采用繩驅動關節模塊的思路進行仿人臂設計。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種基于三自由度串并混聯機構的繩驅動腕部模塊及其使用方法，通過設置球面純滾動并聯機構和張力放大機構以解決上述背景技術中提出的問題。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種基于三自由度串并混聯機構的繩驅動腕部模塊，包括自上而下設置的三自由度串并聯模塊和驅控集成模塊，所述三自由度串并聯模塊由并聯機構上平臺、張力放大機構、并聯機構下平臺、轉動連接臺、繩索固定螺釘、三自由度串并聯模塊外殼、軸承定位套筒、電機固連齒輪、球面純滾動并聯機構、深溝球軸承、前端繞繩轉筒、薄墊片、后端繞繩轉筒、塞打螺釘、塞打螺釘軸承以及電機傳動齒輪組成；

并聯機構上平臺與并聯機構下平臺通過球面純滾動并聯機構和張力放大機構連接，所述球面純滾動并聯機構包括三根沿周向120°均勻排布的并聯機構連桿，三根并聯機構連桿呈彎曲交錯，使并聯機構上平臺在-90°到90°間運動無干涉；