基于球形空间的欠驱动机器人手腕机构的制作方法
基于球形空间的欠驱动机器人手腕机构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于球形空间的欠驱动机器人手腕机构。
【背景技术】
[0002] 与人类相似，机器人的功能一般需要通过机械臂操作来实现，而手腕则是联系手 臂和手爪的重要装置，其设计是机器人的关键技术之一。对于常规的机器人手腕，由于一个 自由度需要一个动力源(如电机等)，而动力源的质量往往占关节总质量的大部分，所以常 规的机器人手腕类装置显著的不足之处在于：装置采用完全驱动的方式，致使机械机构较 复杂，体积较大，质量较大，成本较高。
[0003] 欠驱动机构则是指动力源少于系统自由度的机构，欠驱动机器人是一种含有欠 驱动机构的机器人，由于其具有体积小、重量轻、成本低、能耗低、灵活性高等特点，因此引 起学者们的广泛关注，成为机器人领域研宄的新热点。正是在这种背景之下，本发明提出了 一种基于球形空间的欠驱动机器人手腕，其机构简单、重量轻，具有良好的应用前景。
【发明内容】
[0004] 本发明直接在执行连接体内部加入欠驱动机构，省去了外部复杂的动力源装置， 节约了成本和质量，同时提高了精度。为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基 于球形空间的欠驱动机器人手腕机构包括，一个执行连接体和一个臂架，其特征在于：所述 执行连接体有一个球形空腔，在该球形空腔中心处有上下两片可调圆板通过螺栓与臂架固 定连接；三个动力架可根据需要固定在可调圆板中不同的螺栓孔中，该三个动力架中的两 个动力架端部各装有一个动力源，动力源经一个牙嵌式离合器连接一根滚轮轴，滚轮轴上 各装一个滚轮，该滚轮与执行连接体球形空腔的内壁滚动接触；另一个动力架端部直接装 有一个滚轮，该滚轮与执行连接体球形空腔的内壁滚动接触。如图1中所示，A、B两处结构 完全一致，C处结构相对于A、B两处无电机，三个滚轮的轴线和执行连接体的球心须确定一 个平面D，且三个滚轮可以在平面D中通过调节动力架在可调圆板上的固定位置调节滚轮 之间的夹角。
[0005] 如图1所示，滚轮1、2是有动力源驱动的滚轮，其角位移分别是咚、色，则滚轮1、 2的角速度分别是角位移的一阶导数&、&，滚轮3是无动力源驱动的滚轮，其角位移是缚 砵是执行连接体的角位移，则&是执行连接体的角速度，r为滚轮半径，R为执行连接体半 径，是机构角度，#是执行连接体转动轴线与执行连接体球心与滚轮质心连线的夹角， 在本机构中为120°，在A、B两处滚轮与执行连接体接触点处执行连接体的速度可由式：
求出，上式（1)、（2)中因为芦角是不断变化的，所以是不可积分的， 即对速度的约束，构成了欠驱动移动机构。（1)式比（2)式可得：
所以可以求出β角，即执行连接体的转轴就可确定，且随着驱动滚轮输入角速度的变 化而变化。
[0006] 本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著进步：因 为本基于球形空间的欠驱动机器人手腕机构的滚轮和执行连接体是纯滚动接触，滚轮和执 行连接体之间无间隙，所以误差较小，也不存在回程误差，精度高。
[0007] 本基于球形空间的欠驱动机器人手腕机构可以通过调节动力架在可调圆板上的 固定位置调节滚轮之间的夹角，调节时滚轮的轴线须与执行连接体球心确定一个平面以构 成欠驱动机构。当本基于球形空间的欠驱动机器人手腕机构应用于机器人手腕机构中时， 可以通过动力源调节A、B两处滚轮的角速度，由A、B两处滚轮与执行连接体接触点处速度 的不同驱动执行连接体在空间做三自由度的移动，即机器人手腕的运动。对于基于球形空 间的欠驱动机器人手腕机构，本方案中的三个滚轮的轴线与执行连接体球心在同一平面上 的结构是唯一的，因为采用一个滚轮或两个滚轮时，机构上无法实现。
【附图说明】
[0008] 图1基于球形空间的欠驱动机器人手腕机构原理图； 图2基于球形空间的欠驱动机器人手腕机构半剖视图； 图3图2的F向局部视图； 图4图2的N向视图； 图5滚轮轴与动力源连接机构示意图，图中（a)为纵向剖视图，（b)为图（a)中E-E处 剖视图； 图6可调圆板的结构示意图，图中（a)为主视图，（b)为图（a)中G-G处剖视图。
【具体实施方式】
[0009] 本发明的优选实施案例结合附图详述如下： 实施案例一： 参见图1-图6,本基于球形空间的欠驱动机器人手腕机构包括：一个执行连接体（1) 和一个臂架（8)。其特征在于：所述执行连接体（1)有一个球形空腔，在该球形空腔中心处 有上下两片可调圆板（2)通过螺栓与臂架（8)固定连接；三个动力架（3)可根据需要固定 在可调圆板（2)中不同的螺栓孔中，该三个动力架（3)中的两个动力架（3)端部各装有一 个动力源（4)，动力源（4)经一个牙嵌式离合器（5)连接一根滚轮轴（7)，滚轮轴（7)上各装 一个滚轮（6)，该滚轮（6)与执行连接体（1)球形空腔的内壁滚动接触；另一个动力架（3) 端部直接装有一个滚轮（6)，且滚轮（6)与执行连接体（1)球形空腔的内壁滚动接触。A、 B两处机构完全一致，C处机构相对于A、B两处无动力源（4)，三个滚轮（6)的轴线和执行 连接体（1)的球心须确定一个平面D，且三个滚轮（6)可以在平面D中通过调节动力架（3) 在可调圆板（2)上的固定位置调节滚轮（6)之间的夹角。
[0010] 动力源⑷用来驱动滚轮（6)转动，三个滚轮（6)的轴线和执行连接体⑴的球 心须确定一个平面D，且三个滚轮（6)可以在平面D中通过调节动力架（3)在可调圆板（2) 上的固定位置调节滚轮（6)之间的夹角。由于本基于球形空间的欠驱动机器人手腕机构的 机构特点，在A处滚轮（6)与执行连接体（1)接触点处执行连接体（1)的速度与滚轮（6) 的速度相等，同样的在B处滚轮（6)与执行连接体（1)接触点处执行连接体（1)的速度与 滚轮（6)的速度相等，可以求出在A、B两处滚轮（6)与执行连接体（1)接触点处执行连接 体（1)的速度，因为执行连接体（1)转动的轴线是不断变化的，即执行连接体（1)转动的轴 线与执行连接体（1)球心和滚轮（6)质心连线的夹角是不断变化的，所以，构成了欠驱动移 动机构。
[0011] 因为本基于球形空间的欠驱动机器人手腕机构的滚轮（6)和执行连接体（1)是纯 滚动接触，滚轮（6)和执行连接体（1)之间无间隙，所以误差较小，也不存在回程误差，精度 尚。
[0012] 本基于球形空间的欠驱动机器人手腕机构可以通过调节动力架（3)在可调圆板 (2)上的固定位置调节滚轮（6)之间的夹角，调节时要保证三个动力架（3)对应的滚轮（6) 的轴线与执行连接体（1)的球心在同一平面D上，以构成欠驱动移动机构。当本基于球形 空间的欠驱动机器人手腕机构应用于机器人机构中时，可以通过动力源（4)调节A、B两处 滚轮（6)的角速度，由A、B两处滚轮（6)与执行连接体（1)接触点处速度的不同驱动执行 连接体（1)在空间做三自由度的移动，即机器人手腕的运动。同时，对于基于球形空间的 欠驱动机器人手腕机构，本方案中的三个滚轮(6)的轴线与执行连接体（1)球心在同一平 面上机构是唯一的，因为采用一个或两个滚轮（6)时，机构上无法实现。
【主权项】
1. 一种基于球形空间的欠驱动机器人手腕机构，包括，一个执行连接体（1)和一个臂 架（8)，其特征在于：所述执行连接体（1)有一个球形空腔，在该球形空腔中心处有上下两 片可调圆板（2)通过螺栓与臂架（8)固定连接；三个动力架（3)可根据需要固定在可调圆 板（2)中不同的螺栓孔中，该三个动力架（3)中的两个动力架（3)端部各装有一个动力源 (4)，动力源（4)经一个牙嵌式离合器（5)连接一根滚轮轴（7)，滚轮轴（7)上各装一个滚轮 (6)，该滚轮（6)与执行连接体（1)球形空腔的内壁滚动接触；另一个动力架（3)端部直接 装有一个滚轮（6)且该滚轮（6)与执行连接体（1)球形空腔的内壁滚动接触。2. 根据权利要求1，本基于球形空间的欠驱动机器人手腕机构可以通过调节动力架 (3)在可调圆板（2)上的固定位置调节滚轮（6)之间的夹角，调节时要保证三个动力架（3) 三处对应的滚轮（3)的轴线与执行连接体（1)的球心在同一平面上，以构成欠驱动移动机 构。
【专利摘要】本发明涉及一种基于球形空间的欠驱动机器人手腕机构。它包括，一个执行连接体和一个臂架，所述执行连接体有一个球形空腔，在该球形空腔中心处有上下两片可调圆板通过螺栓与臂架固定连接；三个动力架可根据需要固定在可调圆板中不同的螺栓孔中，该三个动力架中的两个动力架端部各装有一个动力源，动力源经一个牙嵌式离合器连接一根滚轮轴，滚轮轴上各装一个滚轮，该滚轮与执行连接体球形空腔的内壁滚动接触；另一个动力架端部直接装有一个滚轮且与执行连接体球形空腔的内壁滚动接触。因为本基于球形空间的欠驱动机器人手腕机构的滚轮和执行连接体是纯滚动接触，滚轮和执行连接体之间无间隙，所以误差较小，也不存在回程误差，精度高。
【IPC分类】B25J17/00
【公开号】CN104890005
【申请号】CN201510352469
【发明人】何斌, 周高飞, 张鹏昌, 顾卓超, 汤文
【申请人】上海大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月24日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于球形空间的欠驱动机器人手腕机构。
【背景技术】
[0002] 与人类相似，机器人的功能一般需要通过机械臂操作来实现，而手腕则是联系手 臂和手爪的重要装置，其设计是机器人的关键技术之一。对于常规的机器人手腕，由于一个 自由度需要一个动力源(如电机等)，而动力源的质量往往占关节总质量的大部分，所以常 规的机器人手腕类装置显著的不足之处在于：装置采用完全驱动的方式，致使机械机构较 复杂，体积较大，质量较大，成本较高。
[0003] 欠驱动机构则是指动力源少于系统自由度的机构，欠驱动机器人是一种含有欠 驱动机构的机器人，由于其具有体积小、重量轻、成本低、能耗低、灵活性高等特点，因此引 起学者们的广泛关注，成为机器人领域研宄的新热点。正是在这种背景之下，本发明提出了 一种基于球形空间的欠驱动机器人手腕，其机构简单、重量轻，具有良好的应用前景。
【发明内容】
[0004] 本发明直接在执行连接体内部加入欠驱动机构，省去了外部复杂的动力源装置， 节约了成本和质量，同时提高了精度。为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基 于球形空间的欠驱动机器人手腕机构包括，一个执行连接体和一个臂架，其特征在于：所述 执行连接体有一个球形空腔，在该球形空腔中心处有上下两片可调圆板通过螺栓与臂架固 定连接；三个动力架可根据需要固定在可调圆板中不同的螺栓孔中，该三个动力架中的两 个动力架端部各装有一个动力源，动力源经一个牙嵌式离合器连接一根滚轮轴，滚轮轴上 各装一个滚轮，该滚轮与执行连接体球形空腔的内壁滚动接触；另一个动力架端部直接装 有一个滚轮，该滚轮与执行连接体球形空腔的内壁滚动接触。如图1中所示，A、B两处结构 完全一致，C处结构相对于A、B两处无电机，三个滚轮的轴线和执行连接体的球心须确定一 个平面D，且三个滚轮可以在平面D中通过调节动力架在可调圆板上的固定位置调节滚轮 之间的夹角。
[0005] 如图1所示，滚轮1、2是有动力源驱动的滚轮，其角位移分别是咚、色，则滚轮1、 2的角速度分别是角位移的一阶导数&、&，滚轮3是无动力源驱动的滚轮，其角位移是缚 砵是执行连接体的角位移，则&是执行连接体的角速度，r为滚轮半径，R为执行连接体半 径，是机构角度，#是执行连接体转动轴线与执行连接体球心与滚轮质心连线的夹角， 在本机构中为120°，在A、B两处滚轮与执行连接体接触点处执行连接体的速度可由式：
求出，上式（1)、（2)中因为芦角是不断变化的，所以是不可积分的， 即对速度的约束，构成了欠驱动移动机构。（1)式比（2)式可得：
所以可以求出β角，即执行连接体的转轴就可确定，且随着驱动滚轮输入角速度的变 化而变化。
[0006] 本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著进步：因 为本基于球形空间的欠驱动机器人手腕机构的滚轮和执行连接体是纯滚动接触，滚轮和执 行连接体之间无间隙，所以误差较小，也不存在回程误差，精度高。
[0007] 本基于球形空间的欠驱动机器人手腕机构可以通过调节动力架在可调圆板上的 固定位置调节滚轮之间的夹角，调节时滚轮的轴线须与执行连接体球心确定一个平面以构 成欠驱动机构。当本基于球形空间的欠驱动机器人手腕机构应用于机器人手腕机构中时， 可以通过动力源调节A、B两处滚轮的角速度，由A、B两处滚轮与执行连接体接触点处速度 的不同驱动执行连接体在空间做三自由度的移动，即机器人手腕的运动。对于基于球形空 间的欠驱动机器人手腕机构，本方案中的三个滚轮的轴线与执行连接体球心在同一平面上 的结构是唯一的，因为采用一个滚轮或两个滚轮时，机构上无法实现。
【附图说明】
[0008] 图1基于球形空间的欠驱动机器人手腕机构原理图； 图2基于球形空间的欠驱动机器人手腕机构半剖视图； 图3图2的F向局部视图； 图4图2的N向视图； 图5滚轮轴与动力源连接机构示意图，图中（a)为纵向剖视图，（b)为图（a)中E-E处 剖视图； 图6可调圆板的结构示意图，图中（a)为主视图，（b)为图（a)中G-G处剖视图。
【具体实施方式】
[0009] 本发明的优选实施案例结合附图详述如下： 实施案例一： 参见图1-图6,本基于球形空间的欠驱动机器人手腕机构包括：一个执行连接体（1) 和一个臂架（8)。其特征在于：所述执行连接体（1)有一个球形空腔，在该球形空腔中心处 有上下两片可调圆板（2)通过螺栓与臂架（8)固定连接；三个动力架（3)可根据需要固定 在可调圆板（2)中不同的螺栓孔中，该三个动力架（3)中的两个动力架（3)端部各装有一 个动力源（4)，动力源（4)经一个牙嵌式离合器（5)连接一根滚轮轴（7)，滚轮轴（7)上各装 一个滚轮（6)，该滚轮（6)与执行连接体（1)球形空腔的内壁滚动接触；另一个动力架（3) 端部直接装有一个滚轮（6)，且滚轮（6)与执行连接体（1)球形空腔的内壁滚动接触。A、 B两处机构完全一致，C处机构相对于A、B两处无动力源（4)，三个滚轮（6)的轴线和执行 连接体（1)的球心须确定一个平面D，且三个滚轮（6)可以在平面D中通过调节动力架（3) 在可调圆板（2)上的固定位置调节滚轮（6)之间的夹角。
[0010] 动力源⑷用来驱动滚轮（6)转动，三个滚轮（6)的轴线和执行连接体⑴的球 心须确定一个平面D，且三个滚轮（6)可以在平面D中通过调节动力架（3)在可调圆板（2) 上的固定位置调节滚轮（6)之间的夹角。由于本基于球形空间的欠驱动机器人手腕机构的 机构特点，在A处滚轮（6)与执行连接体（1)接触点处执行连接体（1)的速度与滚轮（6) 的速度相等，同样的在B处滚轮（6)与执行连接体（1)接触点处执行连接体（1)的速度与 滚轮（6)的速度相等，可以求出在A、B两处滚轮（6)与执行连接体（1)接触点处执行连接 体（1)的速度，因为执行连接体（1)转动的轴线是不断变化的，即执行连接体（1)转动的轴 线与执行连接体（1)球心和滚轮（6)质心连线的夹角是不断变化的，所以，构成了欠驱动移 动机构。
[0011] 因为本基于球形空间的欠驱动机器人手腕机构的滚轮（6)和执行连接体（1)是纯 滚动接触，滚轮（6)和执行连接体（1)之间无间隙，所以误差较小，也不存在回程误差，精度 尚。
[0012] 本基于球形空间的欠驱动机器人手腕机构可以通过调节动力架（3)在可调圆板 (2)上的固定位置调节滚轮（6)之间的夹角，调节时要保证三个动力架（3)对应的滚轮（6) 的轴线与执行连接体（1)的球心在同一平面D上，以构成欠驱动移动机构。当本基于球形 空间的欠驱动机器人手腕机构应用于机器人机构中时，可以通过动力源（4)调节A、B两处 滚轮（6)的角速度，由A、B两处滚轮（6)与执行连接体（1)接触点处速度的不同驱动执行 连接体（1)在空间做三自由度的移动，即机器人手腕的运动。同时，对于基于球形空间的 欠驱动机器人手腕机构，本方案中的三个滚轮(6)的轴线与执行连接体（1)球心在同一平 面上机构是唯一的，因为采用一个或两个滚轮（6)时，机构上无法实现。
【主权项】
1. 一种基于球形空间的欠驱动机器人手腕机构，包括，一个执行连接体（1)和一个臂 架（8)，其特征在于：所述执行连接体（1)有一个球形空腔，在该球形空腔中心处有上下两 片可调圆板（2)通过螺栓与臂架（8)固定连接；三个动力架（3)可根据需要固定在可调圆 板（2)中不同的螺栓孔中，该三个动力架（3)中的两个动力架（3)端部各装有一个动力源 (4)，动力源（4)经一个牙嵌式离合器（5)连接一根滚轮轴（7)，滚轮轴（7)上各装一个滚轮 (6)，该滚轮（6)与执行连接体（1)球形空腔的内壁滚动接触；另一个动力架（3)端部直接 装有一个滚轮（6)且该滚轮（6)与执行连接体（1)球形空腔的内壁滚动接触。2. 根据权利要求1，本基于球形空间的欠驱动机器人手腕机构可以通过调节动力架 (3)在可调圆板（2)上的固定位置调节滚轮（6)之间的夹角，调节时要保证三个动力架（3) 三处对应的滚轮（3)的轴线与执行连接体（1)的球心在同一平面上，以构成欠驱动移动机 构。
【专利摘要】本发明涉及一种基于球形空间的欠驱动机器人手腕机构。它包括，一个执行连接体和一个臂架，所述执行连接体有一个球形空腔，在该球形空腔中心处有上下两片可调圆板通过螺栓与臂架固定连接；三个动力架可根据需要固定在可调圆板中不同的螺栓孔中，该三个动力架中的两个动力架端部各装有一个动力源，动力源经一个牙嵌式离合器连接一根滚轮轴，滚轮轴上各装一个滚轮，该滚轮与执行连接体球形空腔的内壁滚动接触；另一个动力架端部直接装有一个滚轮且与执行连接体球形空腔的内壁滚动接触。因为本基于球形空间的欠驱动机器人手腕机构的滚轮和执行连接体是纯滚动接触，滚轮和执行连接体之间无间隙，所以误差较小，也不存在回程误差，精度高。
【IPC分类】B25J17/00
【公开号】CN104890005
【申请号】CN201510352469
【发明人】何斌, 周高飞, 张鹏昌, 顾卓超, 汤文
【申请人】上海大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月24日
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