專利名稱：一種用于機器人腕部、肩部的三自由度并聯(lián)機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及仿人機器人領(lǐng)域，具體來說，是一種用于機器人腕部、肩部的三自由度并聯(lián)機構(gòu)。
背景技術(shù)：
并聯(lián)機構(gòu)相對串聯(lián)機構(gòu)具有剛度大、精度高、慣性小、負載大及動力學(xué)性能好等優(yōu)點。通常由動平臺和靜平臺以及連接兩平臺的連桿機構(gòu)組成。19世紀60年代，Gough發(fā)明了一種6-D0F機構(gòu),用于輪胎檢測。之后Stewart對Gough發(fā)明的這種機構(gòu)進行機構(gòu)學(xué)意義上的研究，將其應(yīng)用于飛行模擬器，這種六自由度機構(gòu)通常被稱為Gough-Stewart平臺。雖然這種平臺具有并聯(lián)機構(gòu)剛度大、精度高等優(yōu)點，但其工作空間小，姿態(tài)實現(xiàn)困難，運動正解，運動學(xué)建模，精度標定復(fù)雜。為了解決六自由并聯(lián)機構(gòu)的這些不足，使其具有串聯(lián)機構(gòu)的 大工作空間和靈活性。近年來，以純平動和純轉(zhuǎn)動為代表的三自由并聯(lián)結(jié)構(gòu)作為少自由度機構(gòu)的兩大的方面，得到了更多研究。其中，純轉(zhuǎn)動機構(gòu)的研究較少經(jīng)典的3-RRR機構(gòu)為過約束機構(gòu)，對制造和安裝精度要求很高；Di Gregorio提出3-RUU機構(gòu)，器實際上等效與3-RRR機構(gòu)；Vischer提出Arogs機構(gòu)，其實際與3-RRR機構(gòu)是等效的；Karouia提出3-UPU機構(gòu)，這種機構(gòu)實現(xiàn)平動和轉(zhuǎn)動，控制上較為復(fù)雜；河北工業(yè)大學(xué)的劉磊提出了 3-RRR+S機構(gòu)，雖然提高了 3-RRR的剛度，但沒有解決制造和安裝精度的問題。目前常規(guī)的機電系統(tǒng)的驅(qū)動有伺服電機驅(qū)動、液壓精密驅(qū)動、氣動。在仿人機器人應(yīng)用方面，已有的構(gòu)型多采用電機作為驅(qū)動源，電機驅(qū)動的優(yōu)點在于精度高，伺服控制實現(xiàn)容易，但較液壓驅(qū)動，動力輸出較低，因而電機驅(qū)動不能夠很好的支撐仿人大小的機械結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明提出一種一種用于機器人腕部、肩部的三自由度并聯(lián)機構(gòu)，采用液壓缸作為動力輸出，在占用小部分體積的同時，能夠提供較大的動力輸出，且該機構(gòu)能夠在仿人機器人領(lǐng)域應(yīng)用到機器人腕部、肩部等三自由度轉(zhuǎn)動的關(guān)節(jié)處。本發(fā)明三自由度并聯(lián)機構(gòu)，包括靜平臺、動平臺、液壓缸支鏈與支撐旋轉(zhuǎn)桿件構(gòu)成。其中靜平臺與動平臺通過3套液壓缸支鏈相連，其中，每套液壓缸支鏈包括虎克鉸組件與液壓缸構(gòu)成；液壓缸的缸體端與伸縮端分別通過一個具有兩個垂直方向上的轉(zhuǎn)動自由度虎克鉸組件與靜平臺和同平臺相連；令與液壓缸缸體端相連的虎克鉸組件為第一虎克鉸組件；與液壓缸伸縮端相連的虎克鉸組件為第二虎克鉸組件；液壓缸的缸體端與第一虎克鉸組件中一個連接件固連，第一虎克鉸組件中另一連接件的面連接板與靜平臺固連；液壓缸的伸縮端與第二虎克鉸組件中一個連接件固連；第二虎克鉸組件中另一個連接件與動平臺固連；靜平臺與動平臺間還連接有由上支桿、下支桿、彈簧與銷釘構(gòu)成的支撐旋轉(zhuǎn)桿件；其中，上支桿一端與動平臺中心處固連；下支桿一端與靜平臺中心處固連；上支桿另一端具有球頭，下支桿另一端具有凹槽，通過球頭和凹槽面相切配合，使上支桿與下支桿間的球鉸連接。由于液壓缸伸縮端與缸體端之間可以直動及轉(zhuǎn)動，因此，上述結(jié)構(gòu)構(gòu)成的三自由度并聯(lián)機構(gòu)，以具有凹槽的支撐旋轉(zhuǎn)桿件上端為軸心，可使動平臺具有空間內(nèi)三個方向的轉(zhuǎn)動自由度。本發(fā)明的優(yōu)點在于I、本發(fā)明三自由度并聯(lián)機構(gòu)的動力源采用液壓缸，提高了機器人系統(tǒng)的動力體積t匕，能夠在仿人機器人領(lǐng)域應(yīng)用到腕部、肩部等三自由度轉(zhuǎn)動的關(guān)節(jié)處；2、本發(fā)明三自由度并聯(lián)機構(gòu)承載能力大、構(gòu)型簡單、加工精度要求低；3、本發(fā)明三自由度并聯(lián)機構(gòu)為模塊化結(jié)構(gòu)單元，對于不同要的任務(wù)要求，通過聯(lián)接可以實現(xiàn)不同構(gòu)型，并實現(xiàn)相應(yīng)功能。


圖I為本發(fā)明三自由度并聯(lián)機構(gòu)整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明三自由度并聯(lián)機構(gòu)中一套液壓缸支鏈結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為液壓缸支鏈中虎克鉸組件結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為虎克鉸組件中連接件結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明三自由度并聯(lián)機構(gòu)中支撐旋轉(zhuǎn)桿件與靜平臺和動平臺間連接方式示意圖；圖6為通過三個三自由度并聯(lián)機構(gòu)構(gòu)成的整個仿人機器人的手臂結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為兩個三自由度并聯(lián)機構(gòu)間的連接方式示意圖。圖中I-靜平臺2-動平臺3-液壓缸支鏈 4-支撐旋轉(zhuǎn)桿件301-第一虎克鉸組件302-第二虎克鉸組件303-液壓缸 304-連接件A305-連接件B306-連接塊307-連接軸 308-安裝板309-液壓缸套筒 310-面連接板311-軸連接板 401-上支桿402-下支桿403-彈簧404-銷釘
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。本發(fā)明一種一種用于機器人腕部、肩部的三自由度并聯(lián)機構(gòu)，如圖I所示，包括靜平臺I、動平臺2、液壓缸支鏈3與支撐旋轉(zhuǎn)桿件4構(gòu)成；所述靜平臺I與動平臺2均為板狀結(jié)構(gòu)，靜平臺I與動平臺2通過三套液壓缸支鏈3相連；且靜平臺I與動平臺2間還連接有支撐旋轉(zhuǎn)桿件4。如圖2所示，每套液壓缸支鏈3由第一虎克鉸組件301、第二虎克鉸組件302與一個液壓缸303構(gòu)成；所述第一虎克鉸組件301與第二虎克鉸組件302均具有兩個垂直方向上的轉(zhuǎn)動自由度，液壓缸303的缸體端與伸縮端分別通過第一虎克鉸組件301、第二虎克鉸組件302與靜平臺I、動平臺2相連。所述第一虎克鉸組件301與第二虎克鉸組件302結(jié)構(gòu)相同，均由連接件A304、連接件B305、連接塊306與連接軸307構(gòu)成，如圖3所示；其中，連接件A304與連接件B305結(jié)構(gòu)相同，均為一個面連接板310、兩軸連接板311構(gòu)成的一體結(jié)構(gòu)，兩軸連接板311與面連接板310兩相對側(cè)邊垂直相連，如圖4所示。連接件A304與連接件B305中兩軸連接板311均與連接塊306通過連接軸307軸接，且使連接塊306位于連接件A304與連接件B305中兩軸連接板311之間，并保證連接件A304與連接件B305中的連接軸307軸線相互垂直且共面，由此使連接件A304與連接件B305可分別以連接軸307為軸繞連接塊306轉(zhuǎn)動，使第一虎克鉸組件301與第二虎克鉸組件302具有兩個垂直方向上的轉(zhuǎn)動自由度。為了便于加工以及連接件A304、連接件B305與連接塊306間的軸接，本發(fā)明中在連接件A304與連接件B305中的兩軸連接板311上對稱開有軸孔，通過在連接件A304與連接件B305中的兩軸連接板311外側(cè)固定安裝具有連接軸307的安裝板308，使安裝板308上的連接軸307穿過軸孔與連接塊306軸接。液壓缸303的缸體端與伸縮端通過上述結(jié)構(gòu)的虎克鉸組件與靜平臺I和動平臺2間的連接方式為液壓缸303的缸體端固定套接液壓缸套筒309，液壓缸套筒309上具有凸軸，通過 凸軸與第一虎克鉸組件301中一個連接件的面連接板310螺紋連接，便于拆卸；第一虎克鉸組件301中另一連接件的面連接板310與靜平臺I固連。液壓缸303的伸縮端端部具有螺紋結(jié)構(gòu)，與第二虎克鉸組件302中一個連接件的面連接板310螺紋固連，第二虎克鉸組件302中另一個連接件的面連接板310與動平臺2固連。連接后第一虎克鉸組件301和第二虎克鉸組件302中的連接軸軸線分別與靜平臺I和動平臺2平行。所述靜平臺I與動平臺2間還連接有支撐旋轉(zhuǎn)桿件4 ;支撐旋轉(zhuǎn)桿件4包括上支桿401、下支桿402與彈簧403，如圖5所示，其中，上支桿401 —端通過過盈配合與動平臺2中心處固連；下支桿402 —端通過過盈配合與靜平臺I中心處固連；上支桿401另一端具有球頭，且上支桿401的直徑小于球頭直徑；下支桿402另一端具有凹槽；球頭和凹槽面相切配合，形成球鉸連接，由此實現(xiàn)動平臺2與靜平臺I間的相互定位，且使動平臺2與靜平臺I間可相對以球鉸轉(zhuǎn)動。在下支桿402周向上對稱位置過盈配合固定有銷釘404 ;在下支桿402上還套有彈簧403，彈簧403位于下支桿402兩銷釘404處，使兩銷釘404位于彈簧403空隙處，且使彈簧403將上支桿401的球頭包裹，由此通過彈簧403可加固球頭與凹槽間的球鉸配合，使上支桿401與下支桿402間相對轉(zhuǎn)對時，球頭不會由凹槽間脫出，防止上支桿401脫離下支桿402。上述結(jié)構(gòu)中，三套液壓缸303在靜平臺I與動平臺2之間連接后，使I、三套液壓缸支鏈3的軸線與動平臺2的軸線間具有夾角；2、三套液壓缸支鏈3中第一虎克鉸組件301與靜平臺I相連的連接件轉(zhuǎn)動軸中心點，到靜平臺I軸線的水平距離相等，中心點到靜平臺I軸線垂線垂直于第一虎克鉸組件301中該轉(zhuǎn)軸；且三套液壓缸303中第二虎克鉸組件302與動平臺2相連的連接件轉(zhuǎn)動軸線共面，并相交于上支桿401中球頭的中心點；3、三套液壓缸支鏈3中第一虎克鉸組件301與靜平臺I相連的連接件轉(zhuǎn)動軸線間夾角為120°，第二虎克鉸組件302與動平臺2相連的連接件轉(zhuǎn)動軸線間夾角為120°。由于液壓缸303伸縮端與缸體端之間可以直動及轉(zhuǎn)動，因此，上述結(jié)構(gòu)構(gòu)成的三自由度并聯(lián)機構(gòu)，以具有凹槽的支撐旋轉(zhuǎn)桿件4上端為軸心，可使動平臺2具有空間內(nèi)三個方向的轉(zhuǎn)動自由度。
將三個上述結(jié)構(gòu)構(gòu)成的仿人機器人三自由度并聯(lián)機構(gòu)依次串聯(lián)，如圖6、圖7所示，使第二個三自由度并聯(lián)機構(gòu)的動平臺2與第一個三自由度并聯(lián)機構(gòu)的靜平臺I固連；第 二個三自由度并聯(lián)機構(gòu)的靜平臺I與楔形肩部固定件底面相連，肩部固定件的側(cè)面與第三個三自由度并聯(lián)結(jié)構(gòu)中的動平臺2相連，由此便可構(gòu)成整個仿人機器人的手臂結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種用于機器人腕部、肩部的三自由度并聯(lián)機構(gòu)，其特征在于包括靜平臺、動平臺、液壓缸支鏈與支撐旋轉(zhuǎn)桿件構(gòu)成； 所述靜平臺與動平臺通過3套液壓缸支鏈相連，其中，每套液壓缸支鏈包括虎克鉸組件與液壓缸構(gòu)成；液壓缸的缸體端與伸縮端分別通過一個具有兩個垂直方向上的轉(zhuǎn)動自由度虎克鉸組件與靜平臺和同平臺相連；令與液壓缸缸體端相連的虎克鉸組件為第一虎克鉸組件；與液壓缸伸縮端相連的虎克鉸組件為第二虎克鉸組件；液壓缸的缸體端與第一虎克鉸組件中一個連接件固連，第一虎克鉸組件中另一連接件的面連接板與靜平臺固連；液壓缸的伸縮端與第二虎克鉸組件中一個連接件固連；第二虎克鉸組件中另一個連接件與動平臺固連；且連接后第一虎克鉸組件和第二虎克鉸組件的轉(zhuǎn)動軸線分別與靜平臺和動平臺平行； 靜平臺與動平臺間還連接有由上支桿、下支桿、彈簧與銷釘構(gòu)成的支撐旋轉(zhuǎn)桿件；其中，上支桿一端與動平臺中心處固連；下支桿一端與靜平臺中心處固連；上支桿另一端具 有球頭，下支桿另一端具有凹槽，通過球頭和凹槽面相切配合，使上支桿與下支桿間的球鉸連接。
2.如權(quán)利要求I所述一種用于機器人腕部、肩部的三自由度并聯(lián)機構(gòu)，其特征在于上述結(jié)構(gòu)中，三套液壓缸在靜平臺與動平臺之間連接后，使 a、三套液壓缸支鏈的軸線與動平臺的軸線間具有夾角； b、三套液壓缸支鏈中第一虎克鉸組件301與靜平臺I相連的連接件轉(zhuǎn)動軸中心點，到靜平臺I軸線的水平距離相等，中心點到靜平臺I軸線垂線垂直于第一虎克鉸組件301中該轉(zhuǎn)軸；且三套液壓缸中第二虎克鉸組件與動平臺相連的連接件轉(zhuǎn)動軸線共面，并相交于上支桿中球頭的中心點； C、三套液壓缸支鏈中第一虎克鉸組件與靜平臺相連的連接件轉(zhuǎn)動軸線間夾角為120°，第二虎克鉸組件與動平臺相連的連接件轉(zhuǎn)動軸線間夾角為120°。
3.如權(quán)利要求I所述一種用于機器人腕部、肩部的三自由度并聯(lián)機構(gòu)，其特征在于所述上支桿的直徑小于球頭直徑；在下支桿周向上對稱位置過盈配合固定有銷釘；在下支桿上還套有彈簧，彈簧位于下支桿兩銷釘處，使兩銷釘位于彈簧空隙處，且使彈簧將上支桿的球頭包裹。
4.如權(quán)利要求I所述一種用于機器人腕部、肩部的三自由度并聯(lián)機構(gòu)，其特征在于所述液壓缸缸體端外部套接液壓缸套筒，通過液壓缸套筒上的凸軸與第一虎克鉸組件中連接件螺紋連接。
5.如權(quán)利要求I所述一種用于機器人腕部、肩部的三自由度并聯(lián)機構(gòu)，其特征在于所述虎克鉸組件由連接件A、連接件B、連接塊與連接軸構(gòu)成；其中，連接件A與連接件B結(jié)構(gòu)相同，均為一個面連接板、兩軸連接板構(gòu)成的一體結(jié)構(gòu)，兩軸連接板與面連接板兩相對側(cè)邊垂直相連；連接件A與連接件B中兩軸連接板均與連接塊通過連接軸軸接，使連接塊位于連接件A與連接件B中兩軸連接板之間，且連接件A與連接件B中的連接軸軸線相互垂直且共面。
6.如權(quán)利要求5所述一種用于機器人腕部、肩部的三自由度并聯(lián)機構(gòu)，其特征在于所述連接件A與連接件B中的兩軸連接板上對稱開有軸孔，通過在連接件A與連接件B中的兩軸連接板外側(cè)固定安裝具有連接軸的安裝板，使安裝板上的連接軸穿過軸孔與連接塊軸接，實現(xiàn)連接件A、連接件B與連接塊間的軸接。
7.如權(quán)利要求I所述一種用于機器人腕部、肩部的三自由度并聯(lián)機構(gòu)，其特征在于將三個三自由度并聯(lián)機構(gòu)依次串聯(lián)，使第二個三自由度并聯(lián)機構(gòu)的動平臺與第一個三自由度并聯(lián)機構(gòu)的靜平臺固連；第二個三自由度并聯(lián)機構(gòu)的靜平臺與楔形肩部固定件底面相連，肩部固定件的側(cè)面與第三個三自由度并聯(lián)結(jié)構(gòu)中的動平臺相連，便可構(gòu)成整個仿人機器人的手臂結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種用于機器人腕部、肩部的三自由度并聯(lián)機構(gòu)，屬于仿人機器人領(lǐng)域，由三個液壓缸的缸體端與伸縮端分別通過兩自由度虎克鉸組件連接靜平臺與動平臺。且靜平臺中心處還連接上支桿，動平臺中心處還連接下支桿；上支桿另一端與下支桿另一端球鉸連接。通過上述結(jié)構(gòu)構(gòu)成的三自由度并聯(lián)機構(gòu)，可以具有凹槽的支撐旋轉(zhuǎn)桿件上端為軸心，可使動平臺具有空間內(nèi)三個方向的轉(zhuǎn)動自由度。本發(fā)明的優(yōu)點為提高了機器人系統(tǒng)的動力體積比，且承載能力大、構(gòu)型簡單、加工精度要求低，能夠在仿人機器人領(lǐng)域應(yīng)用到腕部、肩部等三自由度轉(zhuǎn)動的關(guān)節(jié)處；同時，作為模塊化結(jié)構(gòu)單元，對于不同要的任務(wù)要求，通過聯(lián)接可以實現(xiàn)不同構(gòu)型，并實現(xiàn)相應(yīng)功能。
文檔編號B25J17/02GK102962848SQ201210457479
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月14日
發(fā)明者胡磊, 于惠勇, 彭程 申請人:北京航空航天大學(xué)