一種基于串聯(lián)彈性驅(qū)動器的并聯(lián)三自由度柔順機(jī)械手腕的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本文涉及一種三自由度機(jī)械手腕，具體涉及一種基于串聯(lián)彈性驅(qū)動器的并聯(lián)三自由度柔順機(jī)械手腕。
【背景技術(shù)】
[0002]機(jī)械手腕是從仿生學(xué)角度出發(fā)具有人類手腕輸出效果的機(jī)械裝置，可實(shí)現(xiàn)類似人類手腕的內(nèi)收/外展、俯/仰以及內(nèi)/外旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，是連接末端執(zhí)行器和手臂的重要組成部分，主要用于末端執(zhí)行器的精確位置調(diào)整，其性能好壞直接影響到機(jī)械人的想能優(yōu)劣，在工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、以及康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人等領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。傳統(tǒng)的機(jī)械手腕都采用剛性驅(qū)動，導(dǎo)致輸出柔順性較差，不利于人機(jī)交互的安全性。在機(jī)械手腕領(lǐng)域，美國萊斯大學(xué)設(shè)計(jì)研究并發(fā)展主要用于康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域的RiceWrist，采用并聯(lián)3-RPS機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)腕部彎/曲和俯/仰運(yùn)動，對于柔順機(jī)械手腕的研究剛剛起步。近幾年清華大學(xué)、上海交通大學(xué)等國內(nèi)高校對于并聯(lián)手腕和串聯(lián)彈性驅(qū)動器的研究已經(jīng)得到快速發(fā)展，但是將串聯(lián)彈性驅(qū)動器用于并聯(lián)機(jī)械手腕尚未有研究和成果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題:首先，機(jī)械手腕作為連接手臂和末端執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)，必須保證結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力強(qiáng)的特點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)精確的位置調(diào)整，該機(jī)構(gòu)應(yīng)該具有高剛度。傳統(tǒng)的機(jī)械手臂末端調(diào)整姿態(tài)的機(jī)構(gòu)多采用3軸分離形式，即各關(guān)節(jié)軸線垂直串聯(lián)布置，導(dǎo)致機(jī)械臂末端剛度較低，誤差增加且承載能力較差，因此需要一種具有很好的剛度、結(jié)構(gòu)緊湊，可用于機(jī)械手腕的調(diào)姿機(jī)構(gòu)；其次，機(jī)械手腕要實(shí)現(xiàn)較好的柔順性能，傳統(tǒng)的剛性驅(qū)動器不具備良好的柔順性，無法保證人機(jī)交互的安全性，因此需要一種新的驅(qū)動方式應(yīng)用于腕關(guān)節(jié)驅(qū)動；柔順機(jī)械手腕既要將動力由關(guān)節(jié)輸出至末端執(zhí)行器，也要有承受負(fù)載反饋力的能力，因此設(shè)計(jì)的串聯(lián)彈性驅(qū)動器必須實(shí)現(xiàn)這種動力的雙向彈性緩沖；要實(shí)現(xiàn)柔順特性，其機(jī)械手腕關(guān)節(jié)部位不能過于冗雜龐大，同時要降低末端負(fù)載，需要驅(qū)動器與彈性元件的結(jié)合的結(jié)構(gòu)足夠緊湊和輕量。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案:一種基于串聯(lián)彈性驅(qū)動器的并聯(lián)三自由度柔順機(jī)械手腕，包括與機(jī)械臂相連的固定平臺、與末端執(zhí)行器相連的動平臺、三組并聯(lián)的線性串雙聯(lián)彈性驅(qū)動器模塊和中間約束連桿四部分；其中線性雙串聯(lián)彈性驅(qū)動器下端通過球鉸與固定平臺相連，上端通過球鉸與動平臺相連；分別與定平臺和動平臺固連的球鉸成120°布置在圓周上，中間連桿位于動平臺和定平臺的軸線處，下端與動平臺固連，上端通過球鉸與動平臺相連；線性雙串聯(lián)彈性驅(qū)動器由電機(jī)、推桿、雙串聯(lián)彈簧組、上、下彈簧擋板、彈簧驅(qū)動擋板、導(dǎo)向螺栓組成。三個擋板通過導(dǎo)向螺栓相連，兩組彈簧安裝在導(dǎo)向螺栓上通過中間擋板隔開，即:彈簧一端頂在上(下)擋板，一端頂在驅(qū)動擋板；電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩通過推桿裝置變換成直線推力，推動驅(qū)動擋板壓縮彈簧產(chǎn)生變形，彈簧將驅(qū)動力通過上擋板、球鉸傳遞給動平臺，實(shí)現(xiàn)末端位姿調(diào)整。
[0005]所述串聯(lián)彈簧組中的彈簧數(shù)量可以改變，根據(jù)需要通過改變擋板的形狀可以改變彈簧組中彈簧的數(shù)量，彈簧是均勻布置在擋板上的，可以是奇數(shù)個均勻布置，也可以是偶數(shù)個均勻布置，再通過導(dǎo)向螺栓串聯(lián)在一起；所述彈簧剛度可以根據(jù)不同實(shí)際條件改變；所述彈簧的預(yù)壓縮量可以通過調(diào)節(jié)導(dǎo)向螺栓的螺母根據(jù)具體要求改變；所述中間約束桿的長度可以改變；
[0006]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明所述的基于串聯(lián)彈性驅(qū)動器的并聯(lián)三自由度柔順機(jī)械手腕，是從仿生學(xué)角度出發(fā)，將3-SPS-S并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于機(jī)械手腕，可實(shí)現(xiàn)手腕彎/曲、俯/仰以及內(nèi)/外旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，并使得手腕部位具有很好的承載能力；該發(fā)明把串聯(lián)彈性驅(qū)動器引入及機(jī)械手腕，并設(shè)計(jì)發(fā)明了基于電動推桿的線性雙串聯(lián)彈性驅(qū)動器，可實(shí)現(xiàn)雙向的彈性緩沖，使得機(jī)械手腕的動力學(xué)特性更加的柔順化，提高人機(jī)交互的安全性并且具有更好的仿人特性。
【附圖說明】
[0007]圖1基于串聯(lián)彈性驅(qū)動器的并聯(lián)三自由度柔順機(jī)械手腕三維視圖。
[0008]圖2基于電動推桿的雙串聯(lián)彈性驅(qū)動器三維視圖。
[0009]圖3線性雙串聯(lián)彈性驅(qū)動器彈簧組局部視圖。
[0010]圖4基于串聯(lián)彈性驅(qū)動器的并聯(lián)三自由度柔順機(jī)械手腕運(yùn)動效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
[0012]機(jī)械手腕的整體布置如附圖1所示，雙串聯(lián)彈性驅(qū)動器3a下端通過螺栓與球鉸鏈連桿緊固連接，球鉸鏈與固定平臺4緊固連接，上端通過螺栓與球鉸2a緊固連接，球鉸與動平臺緊固連接；雙串聯(lián)彈性驅(qū)動器3d、3c以同樣的方式并聯(lián)在動平臺和定平臺之間；球鉸2a、2d、2e成120°均勻固定連接在動平臺上，球鉸2b、2g、2f成120°均勻固定連接在定平臺上；球鉸2c的軸線與動平臺軸線重合并且與動平臺固定連接，球鉸連桿通過螺栓與約束桿5上端緊固連接，約束桿的另一端與固定平臺固結(jié)。
[0013]雙串聯(lián)彈性驅(qū)動器模塊整體布置和局部視圖如圖2、圖3所示，電機(jī)7和推桿6共同組成電動推桿裝置，推桿6穿過下彈簧擋板的中心孔9通過螺栓與彈簧驅(qū)動擋板2緊固連接，其中中心孔軸線與推桿6軸線重合，且孔直徑大于推桿直徑；下彈簧擋板3、驅(qū)動擋板
2、上彈簧擋板I通過導(dǎo)向螺栓連接在一起，其中驅(qū)動擋板為活動板，上下?lián)醢迮c導(dǎo)向螺栓通過螺紋連接；彈簧組5a套在螺栓上端頂在上彈簧擋板I上，一端頂在驅(qū)動擋板2上；彈簧組5b以同樣的方式套在螺栓上，一端與驅(qū)動頂在驅(qū)動擋板上，另一端頂在下?lián)醢迳?；兩組彈簧中間用驅(qū)動擋板2隔開串聯(lián)在上下彈簧擋板之間。
[0014]如圖3所示上擋板通過螺栓與球鉸連桿緊固連接；
[0015]驅(qū)動方式方式具體實(shí)施形式:電機(jī)驅(qū)動電動推桿移動，推桿6推動彈簧驅(qū)動擋板2向上移動，驅(qū)動擋板壓縮彈簧組產(chǎn)生變形將推力傳遞給上擋板1，上彈簧擋板I通過球鉸驅(qū)動動平臺運(yùn)動；圖1中的雙串聯(lián)驅(qū)動器都是按照上述形式進(jìn)行力的傳遞，通過控制彈性驅(qū)動器3a、3b、3c中推桿的長度可實(shí)現(xiàn)動平臺不同的運(yùn)動。
[0016]具體運(yùn)動效果如圖4所示，為了便于區(qū)分運(yùn)動形式加以末端執(zhí)行器I ; (a)是末端執(zhí)行器處于平衡位置，(b)是末端執(zhí)行器內(nèi)收/外展運(yùn)動，(C)是末端執(zhí)行器俯/仰運(yùn)動，(d)末端執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于串聯(lián)彈性驅(qū)動器的并聯(lián)三自由度柔順機(jī)械手腕，其特征在于:該機(jī)械手腕是基于3-SPS-S并聯(lián)機(jī)構(gòu)的三自由度機(jī)械手腕，可實(shí)現(xiàn)腕關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展、俯/仰以及內(nèi)/外旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，從仿生學(xué)角度出發(fā)，為實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的安全性，將串聯(lián)彈性驅(qū)動器應(yīng)用于并聯(lián)機(jī)械手腕，把移動副作為驅(qū)動副，并基于電動推桿設(shè)計(jì)發(fā)明了線性雙串聯(lián)彈性驅(qū)動器，可實(shí)現(xiàn)雙向的彈性緩沖，輸出效果具有更好的柔順性。其中雙串聯(lián)驅(qū)動器模塊，驅(qū)動源是電動推桿，電動推桿上端通過螺栓與彈簧驅(qū)動擋板緊固連接；上彈簧擋板、彈簧驅(qū)動擋板、下彈簧擋板通過導(dǎo)向螺栓連接在一起，其中彈簧驅(qū)動擋板與導(dǎo)向螺栓不存在接觸，上彈簧擋板、下彈簧擋板與導(dǎo)向螺栓均是螺紋連接；上、下兩組彈簧分別套在導(dǎo)向螺栓上，上、下兩組彈簧中間由驅(qū)動擋板隔開，兩端分別頂在上彈簧擋板和下彈簧擋板上，使得上、下兩組彈簧形成串聯(lián)關(guān)系；線性雙串聯(lián)彈性驅(qū)動器下端通過球鉸與固定平臺相連，上端通過球鉸與動平臺相連；分別與定平臺和動平臺固連的球鉸成120°固連在動平臺和定平臺的圓周上，動平臺和定平臺上個固連3個球鉸，三組線性雙串聯(lián)彈性驅(qū)動器通過球鉸并聯(lián)在動平臺和固定平臺之間；中間連桿位于動平臺和定平臺的軸線上，下端與動平臺固連，上端通過球鉸與動平臺相連；運(yùn)動時，線性雙串聯(lián)彈性驅(qū)動器中電機(jī)驅(qū)動推桿移動，推桿推動彈簧驅(qū)動擋板向上移動，彈簧驅(qū)動擋板壓縮彈簧組產(chǎn)生變形，然后彈簧將推力傳遞給上彈簧擋板，上彈簧擋板通過球鉸驅(qū)動動平臺運(yùn)動，通過控制電動推桿移動距離可以實(shí)現(xiàn)腕關(guān)節(jié)不同運(yùn)動模式。2.如權(quán)利要求1所述的基于串聯(lián)彈性驅(qū)動器的并聯(lián)三自由度柔順機(jī)械手腕，其特征在于:將線性雙串聯(lián)彈性驅(qū)動器引入3-SPS-S機(jī)構(gòu)，并用于機(jī)械手腕實(shí)現(xiàn)調(diào)整姿態(tài)的功能，通過選用不同的電動推桿可改變所述機(jī)械手腕的承載能力，并能夠改變動平臺運(yùn)動范圍。3.如權(quán)利要求1所述的基于串聯(lián)彈性驅(qū)動器的并聯(lián)三自由度柔順機(jī)械手腕，其特征在于:線性雙串聯(lián)彈性驅(qū)動器彈簧組中彈簧個數(shù)可以通過改變上彈簧擋板、彈簧驅(qū)動擋板、下彈簧擋板的形狀改變，如，圓形擋板可以均勻布置3個彈簧構(gòu)成彈簧組。4.如權(quán)利要求1所述的基于串聯(lián)彈性驅(qū)動器的并聯(lián)三自由度柔順機(jī)械手腕，其特征在于:其線性雙串聯(lián)彈性驅(qū)動器是適用于電動推桿的線性雙串聯(lián)彈性驅(qū)動器，通過串聯(lián)兩組彈簧，可實(shí)現(xiàn)雙向彈性緩沖，使正反兩個方向都具有柔順化效果。5.如權(quán)利要求1所述的基于串聯(lián)彈性驅(qū)動器的并聯(lián)三自由度柔順機(jī)械手腕，其特征在于:線性雙串聯(lián)彈性驅(qū)動器，可以根據(jù)實(shí)際需要通過導(dǎo)向螺栓改變上彈簧擋板和下彈簧擋板之間的距離來改變彈簧預(yù)壓縮量，得到所需彈簧預(yù)緊力。
【專利摘要】一種基于串聯(lián)彈性驅(qū)動器的并聯(lián)三自由度柔順機(jī)械手腕，包括固定平臺、動平臺、三組并聯(lián)的線性雙串聯(lián)彈性驅(qū)動器、中間約束連桿以及連接線性雙串聯(lián)彈性驅(qū)動器和固定(動)平臺的球鉸；雙串聯(lián)彈性驅(qū)動器3a下端通過螺栓與球鉸鏈連桿緊固連接，上端通過螺栓與球鉸2a緊固連接；線性雙串聯(lián)彈性驅(qū)動器3d、3c以同樣的方式并聯(lián)在動平臺和定平臺之間；球鉸2a、2d、2e以及2b、2g、2f成120°分別均勻固定連接在動/定平臺上；球鉸連桿通過螺栓與約束桿5緊固連接，約束桿的另一端與固定平臺固結(jié)。該發(fā)明將3-SPS-S并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于機(jī)械手腕，并設(shè)計(jì)發(fā)明了基于電動推桿的線性雙串聯(lián)彈性驅(qū)動器，使得機(jī)械手腕更加的柔順化，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂末端執(zhí)行器的位姿調(diào)整。
【IPC分類】B25J17/02
【公開號】CN105082172
【申請?zhí)枴緾N201510336580
【發(fā)明人】張秀麗, 夏旭, 王昆
【申請人】北京交通大學(xué)
【公開日】2015年11月25日
【申請日】2015年6月17日