基于非完整约束的新型欠驱动机器人手腕装置

技术领域

本发明涉及一种机器人手腕装置，特别是一种基于非完整约束的新型欠驱动机器人手腕装置。

背景技术

欠驱动机构是指控制出入小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，成为机器人领域研究的新热点。欠驱动机器人分别以空间机器人、水下机器人、移动机器人、行走机器人、并联机器人、伺服机器人和柔性机器人等多种形式出现在各行各业。

并联机构可以定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。并联机构具有无累积误差，精度较高；驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，这样运动部分重量轻，速度高，动态响应好，结构紧凑，刚度高，承载能力大，完全对称的并联机构具有较好的各向同性。

与人类相似，机器人的功能要通过机械臂操作来实现，而手腕是联系手臂和手爪的重要装置，其设计的是机器人的关键技术之一。现有的机器人手腕一般为三个自由度，均使用三个电机实现三个自由度。由于一个自由度需要由一个动力源（如电机等）来支持，而动力源的质量往往占关节总质量的大部分，所以这类装置显著的不足之处在于：该装置采用完全驱动的方式，致使机械结构较复杂，体积较大，质量较大，成本较高。

发明内容

本发明的目的是针对上述有技术存在的缺陷，提供一种基于非完整约束的新型欠驱动机器人手腕装置。该装置带有两个动力源，而且其动平台具有三个自由度，结构简单，可靠，体积小、重量轻，成本低，易于加工，易于维护。该装置可以作为机器人手腕或多个串联形成机器人手臂。

为达到上述目的，本发明的构思是：

本发明的基于非完整约束的新型欠驱动机器人手腕装置，含有静平台、动平台、连接它们的分支机构链机构和中间约束装置。静平台通过两个分支机构链连接动平台，两个分支机构链都具有驱动源，中间约束装置形成一个非完整约束，从而实现了动平台的三自由度运动。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种基于非完整约束的新型欠驱动机器人手腕装置，包括一个静平台、一个动平台、两个分支机构链、两个驱动动力源和一个中间约束装置，所述静平台通过所述两个分支机构链连接所述动平台，所述两个分支机构链在两个驱动动力源的驱动下，经两个分支机构链传动，中间约束装置形成一个非完整约束，从而实现了动平台的三自由度运动。

上述中间约束装置的结构是：一根连杆一端固定在圆板的下表面，另一端与球形连接件的内表面固定连接；所述球形连接件的内表面与球轴承的外圈固定连接，所述球轴承与所述连杆不接触；细杆的一端与所述球轴承的内圈固定连接；滚轮与上述球形连接件的外表面滚动接触，即滚轮与所述球形连接件不能滑动接触，只能紧贴着所述球形连接件滚动，球形连接件和滚轮之间无间隙，过球形连接件的球心和滚轮的滚轮中心轴形成一个平面，在所述动平台旋转的过程中，所述球形连接件会跟随动平台一起旋转，滚轮与球形连接件接触点处的速度方向就与上述平面垂直，非完整速度约束的形成，是因为经过所述球形连接件的球心的任意直线都可作为所述球形连接件的旋转轴，所述球形连接件可以绕着这根旋转轴而旋转；滚轮与支架转动连接；支架固定在所述基座上表面。

上述静平台的结构是：第一电机固定架固定在基座上表面，另一端连接所述的两个分支机构链中的一个分支机构链；第二电机固定架也固定在基座上表面，另一端连接所述的两个分支机构链中的另一个分支机构链，第二电机固定架与所述第一电机固定架成对称分布。

上述两个驱动动力源为两个电机，第一电机和第二电机分别固定在所述的第一电机固定架下表面和第二电机固定架下表面，第一电机和第二电机的输出端分别与所述的两个分支机构链连接，两个电机驱动所述的两个分支机构链运动，从而同时带动所述的动平台运动。

上述两个分支机构链的结构是：一根第一上连杆和一根第一下连杆构成转动副后串联，构成两个分支机构链中的一个分支机构链，该分支机构链的一端与所述第一电机的输出端固定连接，该分支机构链的另一端与动平台相连，构成转动副；一根第二上连杆和一根第二下连杆构成转动副后串联，构成两个分支机构链中的另一个分支机构链，该分支机构链的一端与所述第二电机的输出端固定连接，该分支机构链的另一端与动平台相连，构成转动副。

上述动平台的结构是：第一动平台连杆一端固定在所述圆板下表面，第一动平台连杆另一端与所述第一上连杆构成转动副；第二动平台连杆一端固定在所述圆板下表面，第二动平台连杆另一端与所述第二上连杆构成转动副；第一动平台连杆与第二动平台连杆成对称分布。

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优点：

本发明采用两个动力源驱动的三自由度并联机构作三自由度运动，动力源少，以手腕的体积也小，重量轻，成本低，仅需要较低的控制系统，本发明结构简单，工作可靠，可作为机器人的关节，用以实现较少的动力源驱动较多的手臂关节自由度。

附图说明

图1是本发明的一种基于非完整约束的新型欠驱动机器人手腕装置实施例的前视图。

图2是图1的俯视图。

图3是图1的A-A剖视图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

参见图1、图2、图3，一种基于非完整约束的新型欠驱动机器人手腕装置，包括一个静平台、一个动平台、两个分支机构链、两个驱动动力源和一个中间约束装置，所述静平台通过所述两个分支机构链连接所述动平台，所述两个分支机构链分别在两个驱动动力源的驱动下，经两个分支机构链传动，中间约束装置形成一个非完整约束，从而实现了动平台的三自由度运动。

所述中间约束装置的结构是：一根连杆10一端固定在圆板7的下表面，另一端与球形连接件11的内表面固定连接；所述球形连接件11的内表面与球轴承17的外圈固定连接，所述球轴承17与所述连杆10不接触；细杆12的一端与所述球轴承17的内圈固定连接；滚轮18与上述球形连接件11的外表面滚动接触，即滚轮18与所述球形连接件11不能滑动接触，只能紧贴着所述球形连接件11滚动，球形连接件11和滚轮18之间无间隙，过球形连接件11的球心和滚轮18的滚轮中心轴形成一个平面X，在所述动平台旋转的过程中，所述球形连接件11会跟随动平台一起旋转，滚轮18与球形连接件11接触点处的速度方向就与上述平面X垂直，非完整速度约束的形成，是因为经过所述球形连接件11的球心的任意直线都能够作为所述球形连接件11的旋转轴，所述球形连接件11绕着这根旋转轴而旋转；滚轮18与支架13转动连接；支架13固定在基座1上表面。

所述静平台的结构是：第一电机固定架2固定在基座1上表面，另一端连接所述的两个分支机构链中的一个分支机构链；第二电机固定架16也固定在基座1上表面，另一端连接所述的两个分支机构链中的另一个分支机构链，第二电机固定架16与所述第一电机固定架2成对称分布。

所述两个驱动动力源为两个电机，第一电机3和第二电机15分别固定在所述的第一电机固定架2下表面和第二电机固定架16下表面，第一电机3和第二电机15的输出端分别与所述的两个分支机构链连接。

所述两个分支机构链的结构是：一根第一上连杆5和一根第一下连杆4构成转动副后串联，构成两个分支机构链中的一个分支机构链，该分支机构链的一端与所述第一电机3的输出端固定连接，该分支机构链的另一端与动平台相连，构成转动副；一根第二上连杆9和一根第二下连杆14构成转动副后串联，构成两个分支机构链中的另一个分支机构链，该分支机构链的一端与所述第二电机15的输出端固定连接，该分支机构链的另一端与动平台相连，构成转动副。

所述动平台的结构是：第一动平台连杆6一端固定在所述圆板7下表面，第一动平台连杆6另一端与所述第一上连杆5构成转动副；第二动平台连杆8一端固定在所述圆板7下表面，第二动平台连杆8另一端与所述第二上连杆9构成转动副；第一动平台连杆6与第二动平台连杆8成对称分布。