專利名稱：完全重力平衡的6自由度串聯(lián)式主手機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種6自由度串聯(lián)式主手機器人。特別是涉及一種能夠完全重力平衡的6自由度串聯(lián)式主手機器人。
背景技術(shù)：
(I)目前國際上已經(jīng)推出的商品化力感機器人,如美國SensAble Technologies的PHANTOM系列力感機器人和法國Haption公司的Virtuose系列力感機器人等均沒有實現(xiàn)完全重力平衡，僅是進行了位置機構(gòu)的重力平衡設(shè)計。如果主手機器人沒有完全重力平衡，就不滿足力雅克比計算前提條件，所計算出的關(guān)節(jié)力矩值會存在一定的誤差，進而影響到主手機器人的力感精度。(2)在專利號為CN102320040A的發(fā)明專利中，其自主調(diào)節(jié)平衡機構(gòu)采用一個直流電機通過減速裝置驅(qū)動和控制一個平衡滑塊自動地對手臂機構(gòu)進行自重補償?？紤]到腕部要作3維運動，因此這種補償方法的應(yīng)用受到不小的限制，除非腕部質(zhì)心始終位于機器人手臂上某一定點。在專利號為CN102152299A的發(fā)明專利中，為腕關(guān)節(jié)機構(gòu)各姿態(tài)架提供動力的電機置于小臂及姿態(tài)架內(nèi)部?？紤]到電機的質(zhì)量不容忽視，因此該發(fā)明機構(gòu)存在不小的動態(tài)慣性力，會對力感精度與力感方向造成不小的影響。在專利號為CN101623864A的發(fā)明專利中，其位置機構(gòu)實現(xiàn)了重力平衡，但對姿態(tài)機構(gòu)沒有進行重力平衡設(shè)計。在專利號為CN101480798A的發(fā)明專利中，公開了一種力反饋手控器的高精度、低慣性直線位移機構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)單自由度的力覺反饋。在專利號為CN101439514A的發(fā)明專利中，公開了一種滑塊式結(jié)構(gòu)解耦六維力反饋裝置，可做到六自由度無條件解耦，結(jié)構(gòu)簡單，容易控制，運動精度高。但由于沒有進行重力平衡設(shè)計，因此除非采用其他的辦法進行重力補償，否則難以實現(xiàn)主動力感。在專利號為CN101439515A的發(fā)明專利中，公開了一種平行四桿式結(jié)構(gòu)解耦六維力反饋裝置，由固定基座、三自由度并聯(lián)移動單元、三自由度并串聯(lián)轉(zhuǎn)動單元構(gòu)成。該專利也沒有進行重力平衡設(shè)計，因此除非能夠采用其他的辦法實現(xiàn)重力補償，否則也難以實現(xiàn)主動力感。在專利號為CN101444431A的發(fā)明專利中，公開了一種用于輔助微創(chuàng)外科手術(shù)機器人的三維力反饋主操作手。沒有提及重力平衡問題。在專利號為CN201224104Y的發(fā)明專利中，公開了一種力反饋三自由度手控器的機構(gòu)，由菱形連桿機構(gòu)組件、手部機構(gòu)、配重、支架、手柄連接件和配重連接件組成。實現(xiàn)了重力平衡，但發(fā)明機構(gòu)僅具有3個自由度。在專利號為CN101261781A的發(fā)明專利中，公開了一種五自由度力反饋虛擬手術(shù)器械，其允許的人體運動關(guān)節(jié)包括手臂的腕關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)。沒有提及重力平衡問題。從其附圖可以判定，該專利沒有進行重力平衡設(shè)計。
專利號為CN2772746Y的發(fā)明專利，涉及一種實現(xiàn)遙控操作機器人控制的人機接口裝置，由數(shù)據(jù)手套和力反饋裝置組成，在數(shù)據(jù)手套的手指和手掌上分別連接有連接扣，力反饋裝置由缸體和活塞組成，在缸體的活塞運動空間內(nèi)充有電流變液體。在工作原理上與本次新申請的專利完全不同。在專利號為CN1593861A的發(fā)明專利中，公開了一種可穿戴式的柔性外骨骼機械手，由肩部大3RPS并聯(lián)機構(gòu)、肩部滑環(huán)機構(gòu)、兩個肘部四桿機構(gòu)、腕部滑環(huán)機構(gòu)和腕部小3RPS并聯(lián)機構(gòu)依次串連而成，具有9個自由度，可滿足人體上臂全方位運動的要求。該機械手采用氣缸作為執(zhí)行元件。在工作原理上與本次新新申請的專利完全不同。專利號為CN1488474A的發(fā)明專利也是一種面向人機交互的帶有力反饋的外骨架式可佩戴數(shù)據(jù)臂。在工作原理上與本次新申請的專利完全不同。在專利號為CN1410232A的發(fā)明專利中，公開了一種6自由度通用型異構(gòu)式機器人手控器(圖1)，它由手部轉(zhuǎn)動機構(gòu)、支架和配重組成，支架上設(shè)雙平行連桿機構(gòu)，由3 4根 聯(lián)桿構(gòu)成，聯(lián)桿上有三個萬向節(jié)。雙平行連桿機構(gòu)進行了重力平衡。在機器人構(gòu)型等方面與與本次新申請的專利完全不同。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種能夠解決力感主手完全重力平衡問題的完全重力平衡的6自由度串聯(lián)式主手機器人。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種完全重力平衡的6自由度串聯(lián)式主手機器人，包括分別固定在基座上的第一關(guān)節(jié)驅(qū)動電機和第一關(guān)節(jié)軸；第一關(guān)節(jié)絲盤，通過回轉(zhuǎn)副可旋轉(zhuǎn)的連接在第一關(guān)節(jié)軸的下端，所述的第一關(guān)節(jié)驅(qū)動電機的輸出軸通過傳動絲連接第一關(guān)節(jié)絲盤；兩個吊架，分別固定連接在第一關(guān)節(jié)絲盤底部端面上的兩側(cè)；大臂關(guān)節(jié)軸，該大臂關(guān)節(jié)軸的兩端部分別對稱的固定在所述的兩個吊架下端部；第二、三關(guān)節(jié)絲盤，該第二、三關(guān)節(jié)絲盤的回轉(zhuǎn)中心固定連接在大臂關(guān)節(jié)軸上；平行四邊形驅(qū)動機構(gòu)，該平行四邊形驅(qū)動機構(gòu)可旋轉(zhuǎn)的連接在大臂關(guān)節(jié)軸上，且底部連接腕部機構(gòu)。所述的第一關(guān)節(jié)驅(qū)動電機和第一關(guān)節(jié)軸通過支架相連。所述的第一關(guān)節(jié)軸的軸線鉛垂設(shè)置。所述的平行四邊形驅(qū)動機構(gòu)包括有大臂，可旋轉(zhuǎn)的連接在所述的大臂關(guān)節(jié)軸上，所述的大臂的上端分別固定有大臂配重和第二關(guān)節(jié)驅(qū)動電機，所述的第二關(guān)節(jié)驅(qū)動電機的輸出軸通過傳動絲連接所述的第
二、三關(guān)節(jié)絲盤；曲柄，可旋轉(zhuǎn)的連接在大臂關(guān)節(jié)軸上，所述的曲柄的一端分別固定有小臂配重和第三關(guān)節(jié)驅(qū)動電機，所述曲柄的另一端連接連桿的上端；小臂，該小臂的一端通過第三關(guān)節(jié)連接在所述大臂的底端，該小臂的臂部鉸接在所述的連桿的底端，該小臂的另一端通過第四關(guān)節(jié)連接腕部機構(gòu)。所述的腕部機構(gòu)包括有連接在第四關(guān)節(jié)上的L型支架，固定在L型支架一端的第五關(guān)節(jié)配重，分別固定在L型支架另一端的第五關(guān)節(jié)和第六關(guān)節(jié)。所述的第四關(guān)節(jié)的軸線、第五關(guān)節(jié)的軸線和第六關(guān)節(jié)的軸線三者匯交于一點。所述的第四關(guān)節(jié)、第五關(guān)節(jié)和第六關(guān)節(jié)分別連接有絕對式碼盤。第一關(guān)節(jié)驅(qū)動電機、第二關(guān)節(jié)驅(qū)動電機和第三關(guān)節(jié)驅(qū)動電機均采用直流電機，并各連接一個光電碼盤。本發(fā)明的完全重力平衡的6自由度串聯(lián)式主手機器人，能夠?qū)崿F(xiàn)6自由度力感機器人的完全重力平衡，滿足力雅克比方程成立條件，使主手機器人具有良好的靜態(tài)透明性，提聞力感精度。


圖I是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。 圖中I:第一關(guān)節(jié)驅(qū)動電機2:第一關(guān)節(jié)軸3 :支架4 :第一關(guān)節(jié)絲盤5:吊架6 :大臂關(guān)節(jié)軸7:第二、三關(guān)節(jié)絲盤8:大臂9:大臂配重10:第二關(guān)節(jié)驅(qū)動電機11:曲柄12 :小臂配重13:第三關(guān)節(jié)驅(qū)動電機14:連桿15 :小臂16 :第三關(guān)節(jié)17:第四關(guān)節(jié)18:L型支架19 :第五關(guān)節(jié)配重20 :第五關(guān)節(jié)21 :第六關(guān)節(jié)
具體實施例方式下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的完全重力平衡的6自由度串聯(lián)式主手機器人做出詳細說明。本發(fā)明的完全重力平衡的6自由度串聯(lián)式主手機器人，是采用下述的方法進行設(shè)計的(I)首先通過對稱設(shè)計或配重的方法逆序依次實現(xiàn)腕部3個關(guān)節(jié)機構(gòu)的重力平衡設(shè)計，讓整個手腕的質(zhì)心位于主手機器人小臂桿件上某一定點。在具體設(shè)計時，先設(shè)法使得第六關(guān)節(jié)軸的質(zhì)心位于該定點，然后通過對稱或配重方法讓第五關(guān)節(jié)軸的質(zhì)心也位于此定點位置，再通過對稱或配重方法讓第四關(guān)節(jié)軸的質(zhì)心也處于該定點位置。在滿足主手機器人剛度條件前提下，應(yīng)盡量減少各個關(guān)節(jié)機構(gòu)的自重。為了有效減輕整個腕部的質(zhì)量，上述關(guān)節(jié)均采用絕對式編碼器。(2)將小臂驅(qū)動電機通過平行四邊形機構(gòu)后移到大臂關(guān)節(jié)軸側(cè)，進一步減小機器人的表觀質(zhì)量。小臂驅(qū)動電機輸出軸通過鋼絲與絲盤相聯(lián)，并沿著絲盤外周滾動，再通過平行四邊形機構(gòu)帶動小臂關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)。其平衡重配置在四桿機構(gòu)的曲柄上。(3)大臂驅(qū)動電機的輸出軸也通過鋼絲與上述絲盤相聯(lián)，也可以沿著絲盤外周滾動，進而帶動大臂關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)。在大臂的一側(cè)配有平衡重。為了彌補計算等誤差的影響，可以適當(dāng)調(diào)節(jié)配重大小或位置。(4)通過小臂電機及其配重以及大臂電機及其配重，在滿足2元一次重力平衡方程的條件下，可以獲得兩個配重質(zhì)量。(5)將主手機器人的第一個關(guān)節(jié)軸線鉛垂布置，保證整個主手機器人不會因自重產(chǎn)生繞鉛垂線的回轉(zhuǎn)運動。(6)先做好腕部機構(gòu)的重力平衡調(diào)整，然后再調(diào)整位置機構(gòu)的重力平衡。如圖I所示，本發(fā)明的完全重力平衡的6自由度串聯(lián)式主手機器人，具體包括分別固定在基座上的第一關(guān)節(jié)驅(qū)動電機I和第一關(guān)節(jié)軸2，所述的第一關(guān)節(jié)驅(qū)動電機I和第一關(guān)節(jié)軸2通過支架3相連，所述的第一關(guān)節(jié)軸2的軸線鉛垂設(shè)置。
第一關(guān)節(jié)絲盤4，通過回轉(zhuǎn)副連接在第一關(guān)節(jié)軸2的下端，所述的第一關(guān)節(jié)驅(qū)動電機I的輸出軸通過傳動絲連接第一關(guān)節(jié)絲盤4 ；兩個吊架5，分別固定連接在第一關(guān)節(jié)絲盤4底部端面上的兩側(cè)；大臂關(guān)節(jié)軸6，該大臂關(guān)節(jié)軸6的兩端部分別對稱地固定在所述的兩個吊架5下端部;第二、三關(guān)節(jié)絲盤7，該第二、三關(guān)節(jié)絲盤7的回轉(zhuǎn)中心固定連接在大臂關(guān)節(jié)軸6上；平行四邊形驅(qū)動機構(gòu)，該平行四邊形驅(qū)動機構(gòu)可旋轉(zhuǎn)的連接在大臂關(guān)節(jié)軸6上，且底部連接腕部機構(gòu)。
所述的平行四邊形驅(qū)動機構(gòu)包括有大臂8，可旋轉(zhuǎn)的連接在所述的大臂關(guān)節(jié)軸6上，所述的大臂8的上端分別固定有大臂配重9和第二關(guān)節(jié)驅(qū)動電機10，所述的第二關(guān)節(jié)驅(qū)動電機10的輸出軸通過傳動絲連接所述的第二、三關(guān)節(jié)絲盤7;曲柄11，可旋轉(zhuǎn)的連接在大臂關(guān)節(jié)軸6上，所述的曲柄11的一端分別固定有小臂配重12和第三關(guān)節(jié)驅(qū)動電機13，所述曲柄11的另一端連接連桿14的上端；小臂15，該小臂15的一端通過第三關(guān)節(jié)16連接在所述大臂8的底端，該小臂15的臂部鉸接在所述的連桿14的底端，該小臂15的另一端通過第四關(guān)節(jié)17連接腕部機構(gòu)。第一關(guān)節(jié)驅(qū)動電機I、第二關(guān)節(jié)驅(qū)動電機10和第三關(guān)節(jié)驅(qū)動電機13均采用直流電機，并各連接一個光電碼盤。所述的腕部機構(gòu)包括有連接在第四關(guān)節(jié)17上的L型支架18，固定在L型支架18一端的第五關(guān)節(jié)配重19，分別固定在L型支架18另一端的第五關(guān)節(jié)20和第六關(guān)節(jié)21。所述的第四關(guān)節(jié)17的軸線、第五關(guān)節(jié)20的軸線和第六關(guān)節(jié)21的軸線三者匯交于一點。所述的第四關(guān)節(jié)17、第五關(guān)節(jié)20和第六關(guān)節(jié)21分別連接有絕對式碼盤。本發(fā)明的完全重力平衡的6自由度串聯(lián)式主手機器人，小臂關(guān)節(jié)通過平行四邊形機構(gòu)驅(qū)動。每個關(guān)節(jié)軸均實現(xiàn)了重力平衡。位置機構(gòu)的3個驅(qū)動電機均采用直流電機，配有3個光電碼盤。腕部姿態(tài)機構(gòu)的3個關(guān)節(jié)裝有絕對式碼盤。本機構(gòu)設(shè)計緊湊、工作空間范圍大、剛度高，具有良好靜態(tài)力感精度。在中低速下也具有良好的動態(tài)力感精度。
權(quán)利要求
1.一種完全重力平衡的6自由度串聯(lián)式主手機器人，其特征在于，包括 分別固定在基座上的第一關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(I)和第一關(guān)節(jié)軸(2 ); 第一關(guān)節(jié)絲盤(4)，通過回轉(zhuǎn)副可旋轉(zhuǎn)的連接在第一關(guān)節(jié)軸(2)的下端，所述的第一關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(I)的輸出軸通過傳動絲連接第一關(guān)節(jié)絲盤(4)； 兩個吊架(5)，分別固定連接在第一關(guān)節(jié)絲盤(4)底部端面上的兩側(cè)； 大臂關(guān)節(jié)軸(6)，該大臂關(guān)節(jié)軸(6)的兩端部分別對稱的固定在所述的兩個吊架(5)下端部； 第二、三關(guān)節(jié)絲盤(7)，該第二、三關(guān)節(jié)絲盤(7)的回轉(zhuǎn)中心固定連接在大臂關(guān)節(jié)軸(6)上； 平行四邊形驅(qū)動機構(gòu)，該平行四邊形驅(qū)動機構(gòu)可旋轉(zhuǎn)的連接在大臂關(guān)節(jié)軸(6)上，且底部連接腕部機構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的完全重力平衡的6自由度串聯(lián)式主手機器人，其特征在于，所述的第一關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(I)和第一關(guān)節(jié)軸(2 )通過支架(3 )相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的完全重力平衡的6自由度串聯(lián)式主手機器人，其特征在于，所述的第一關(guān)節(jié)軸(2)的軸線鉛垂設(shè)置。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的完全重力平衡的6自由度串聯(lián)式主手機器人，其特征在于，所述的平行四邊形驅(qū)動機構(gòu)包括有 大臂(8)，可旋轉(zhuǎn)的連接在所述的大臂關(guān)節(jié)軸(6)上，所述的大臂(8)的上端分別固定有大臂配重(9)和第二關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(10)，所述的第二關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(10)的輸出軸通過傳動絲連接所述的第二、三關(guān)節(jié)絲盤(7)； 曲柄(11)，可旋轉(zhuǎn)的連接在大臂關(guān)節(jié)軸(6)上，所述的曲柄(11)的一端分別固定有小臂配重(12)和第三關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(13)，所述曲柄(11)的另一端連接連桿(14)的上端； 小臂(15)，該小臂(15)的一端通過第三關(guān)節(jié)(16)連接在所述大臂(8)的底端，該小臂(15)的臂部鉸接在所述的連桿(14)的底端，該小臂(15)的另一端通過第四關(guān)節(jié)(17)連接腕部機構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的完全重力平衡的6自由度串聯(lián)式主手機器人，其特征在于，所述的腕部機構(gòu)包括有連接在第四關(guān)節(jié)(17)上的L型支架(18)，固定在L型支架(18)—端的第五關(guān)節(jié)配重(19)，分別固定在L型支架(18)另一端的第五關(guān)節(jié)(20)和第六關(guān)節(jié)(21)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的完全重力平衡的6自由度串聯(lián)式主手機器人，其特征在于，所述的第四關(guān)節(jié)(17)的軸線、第五關(guān)節(jié)(20)的軸線和第六關(guān)節(jié)(21)的軸線三者匯交于一點。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的完全重力平衡的6自由度串聯(lián)式主手機器人，其特征在于，所述的第四關(guān)節(jié)(17)、第五關(guān)節(jié)(20)和第六關(guān)節(jié)(21)分別連接有絕對式碼盤。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的完全重力平衡的6自由度串聯(lián)式主手機器人，其特征在于，第一關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(I )、第二關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(10)和第三關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(13)均采用直流電機，并各連接一個光電碼盤。
全文摘要
一種完全重力平衡的6自由度串聯(lián)式主手機器人分別固定在基座上的第一關(guān)節(jié)驅(qū)動電機和第一關(guān)節(jié)軸；第一關(guān)節(jié)絲盤，通過回轉(zhuǎn)副可旋轉(zhuǎn)的連接在第一關(guān)節(jié)軸的下端，所述的第一關(guān)節(jié)驅(qū)動電機的輸出軸通過傳動絲連接第一關(guān)節(jié)絲盤；兩個吊架，分別固定連接在第一關(guān)節(jié)絲盤底部端面上的兩側(cè)；大臂關(guān)節(jié)軸，該大臂關(guān)節(jié)軸的兩端部分別對稱的固定在所述的兩個吊架下端部；第二、三關(guān)節(jié)絲盤，該第二、三關(guān)節(jié)絲盤的回轉(zhuǎn)中心固定連接在大臂關(guān)節(jié)軸上；平行四邊形驅(qū)動機構(gòu)，該平行四邊形驅(qū)動機構(gòu)可旋轉(zhuǎn)的連接在大臂關(guān)節(jié)軸上，且底部連接腕部機構(gòu)。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)6自由度力感機器人的完全重力平衡，滿足力雅克比方程成立條件，使主手機器人具有良好的靜態(tài)透明性，提高力感精度。
文檔編號B25J9/00GK102825596SQ20121033978
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月13日
發(fā)明者趙臣, 閆帥, 趙漢望, 范榮芳, 馬峰濤 申請人:天津大學(xué)