[發明專利]一種三自由度混聯擬人手腕裝置

在審

• 申請號: 202111157404.8
• 申請日: 2021-09-30
• 公開（公告）號: CN113635291A
• 公開（公告）日: 2021-11-12
• 發明（設計）人: 張翼;曾文;鄧華;徐曉磊
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: B25J9/00
• 分類號: B25J9/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開一種三自由度混聯擬人手腕裝置，包含旋轉模塊與并聯模塊，其中旋轉模塊為串聯結構，可實現手腕的旋轉運動；并聯模塊為左右對稱結構，可實現手腕的屈伸與偏轉運動。該手腕裝置剛度大、承載能力強，結構簡單緊湊，具有一定的自鎖能力；可安裝三組旋轉編碼器，控制精度高。該手腕裝置可實現屈伸、偏轉及旋轉三個方向的運動，三組運動旋轉軸相互正交，易于控制，且具有類似人體手腕的運動范圍及擬人運動特性，特別適合應用在假肢手上，也可以作為仿人機器人的手腕使用。

技術背景

我國殘肢患者人口基數大，對于上肢殘疾者來說，手的缺失不僅使其喪失了生活勞動中最重要的工具，而且將遭受沉重心理打擊。假肢作為殘疾患者的肢體延伸或替代，可以提高其自主生活能力以及改善其心理狀態。另外，隨著機器人技術的不斷應用，各種仿人機器人也走向了人們的生活。因此，研究設計一種可以用于假肢領域或仿人機器人領域的擬人手腕裝置具有重要的意義。

早期的擬人假肢手腕自由度較少，難以滿足手腕的運動要求，如CN102178574B所介紹的假肢手腕只有一個手腕屈伸的自由度。目前，已有一些三自由度的擬人手腕裝置，如CN108836582A，CN104875214A。其中，發明專利CN108836582A設計的假肢手腕采用串并混聯的結構形式。其屈伸與側偏兩個自由度為并聯結構，由兩條并列的UPS支鏈驅動及一條約束支鏈組成。其旋轉自由度為單獨的串聯結構形式。該發明具有剛度高、承載能力強、精度高、仿生性和功能性強等優點，但對于其并聯部分的結構布置來說，由于球副的轉角限制，其工作空間難以滿足人體手腕在屈伸方向上的運動范圍需求。發明專利CN108836582A介紹的仿人手腕裝置采用差動齒輪機構實現手腕屈伸與偏轉，并且采用渦輪蝸桿傳動單元，有一定的自鎖能力，旋轉自由度與屈伸偏轉兩個自由度串聯連接。該手腕具有結構緊湊、質量輕的優點。但在實際應用中，由于該機構的軸系結構復雜，其尺寸較大。

發明內容

本發明的目的在于提供一種三自由度串并混聯擬人手腕裝置，該手腕剛度大、承載能力強，控制精度高、結構簡單緊湊，具有一定的自鎖能力；具有手腕的屈伸、偏轉及旋轉三個自由度，且具有人體手腕的運動范圍及擬人運動特性，特別適合安裝在假肢手上，也可以作為仿人機器人的手腕使用。

本發明的三自由度混聯擬人手腕裝置包括旋轉模塊與并聯模塊。所述旋轉模塊為串聯結構，實現手腕的旋轉運動。所述并聯模塊為左右對稱結構，包括定平臺、動平臺、第一主動支鏈、第二主動支鏈、約束支鏈，實現手腕的屈伸與偏轉運動。手腕的旋轉運動沿L1軸，屈伸運動沿L2軸，偏轉運動沿L3軸。L1軸、L2軸、L3軸相互正交，易于控制，具有擬人運動特性。

所述旋轉模塊主要包括固定軸、旋轉軸、第一驅動器和第一編碼器。所述固定軸與所述旋轉軸均為套筒類結構，所述固定軸的內壁與所述旋轉軸的外周面通過軸承可繞L1軸旋轉地配合。所述固定軸的內腔安裝有第一驅動器，所述第一驅動器的輸出軸與所述旋轉軸固接，所述旋轉軸與所述并聯模塊固接，從而實現本發明擬人手腕裝置的旋轉運動。所述旋轉軸端面安裝有所述第一編碼器，實現本裝置旋轉運動的全閉環控制。

所述約束支鏈為U形結構，包括萬向塊，第一屈伸軸，第二屈伸軸，第一偏轉軸，第二偏轉軸，第一編碼器和第二編碼器。所述萬向塊通過所述第一屈伸軸與所述第二屈伸軸，可繞L2軸旋轉地安裝于所述定平臺上，約束本發明擬人手腕裝置的屈伸運動。所述動平臺通過所述第一偏轉軸與所述第二偏轉軸，可繞L3旋轉地安裝于所述萬向塊上，約束本發明擬人手腕裝置的偏轉運動。所述萬向塊的內壁安裝有所述第二編碼器，實現本裝置屈伸運動的全閉環控制；所述萬向塊的上側面安裝有所述第三編碼器，實現本裝置偏轉運動的全閉環控制。