CN103552089B - 一种串并联球关节装置 - Google Patents
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Abstract
一种串并联球关节装置，它包括：球关节底座、静平台、X轴支链、动平台、支撑链、Y轴支链和摆动单元，球关节底座和静平台分别安装在摆动单元的输出端和安装法兰上，摆动单元运动时，静平台和球关节底座产生相对转动，形成动平台绕动平台Z轴转动；X轴支链连接在静平台和动平台之间，驱动动平台绕动平台的Y轴转动；Y轴支链连接在静平台和动平台之间，驱动动平台绕动平台的X轴转动；该串并联球关节装置绕旋转中心产生三自由度的旋转。本发明利用串并联结构，提高了球关节的刚度、承载能力、工作空间和运动精度，减少球关节的体积；同时本发明作为模块，通过不同的组合，可以实现仿人手臂的灵活操作。
Description
技术领域
本发明涉及一种串并联球关节装置，具体来说，是一种用于机器人腕部、肩部的三自由度串并联机构，属于仿人机器人技术领域。
背景技术
人的手臂具有7个自由度，肩部和腕部各有3个自由度，分别绕肩关节点和腕关节点旋转，肘关节有一个转动自由度，驱动小臂绕肘关节转动。为了模仿人手臂灵活的运动，人们研究了多种机构来实现绕定点的三自由度旋转，其中：美国Unimate公司研制的Unimate2000B机械手,PUMA公司生产的PUMA 562机器人，Graco机器人公司研制出的Omni机械手腕采用的是串联机器人构型，三个运动关节串行连接，旋转轴线相交一点，这种机构多采用齿轮传动或电机直接驱动,***复杂、精度低、刚度差、重量大、机构复杂，严重影响仿人手臂的性能。还有一些机器手采用少自由度并联机构来实现绕定点的三自由度旋转,包括：经典的3-RRR机构、河北工业大学刘磊提出的3-RRR+S机构，这些机构刚度大、精度高，但工作空间小，同样满足不了仿人手臂的要求。同时，已有的仿人手臂在体积上也很庞大，无法实现人手臂的外形尺寸。
发明内容
1、目的：本发明的目的是提供一种串并联球关节装置，用于仿人手臂的肩关节和腕关节，在减小仿人手臂的体积的同时，能够提供较大的动力输出，提高仿人手臂的刚度、精度和承载能力。
2、技术方案：见图1，本发明一种串并联球关节装置，它包括：球关节底座1、静平台2、X轴支链3、动平台4、支撑链5、Y轴支链6和摆动单元7，它们之间的位置连接关系是：球关节底座1和静平台2分别安装在摆动单元7的输出端和安装法兰上，摆动单元7运动时，静平台2和球关节底座1产生相对转动，形成动平台4绕动平台Z轴转动；X轴支链3连接在静平台2和动平台4之间，驱动动平台4绕动平台的Y轴转动；Y轴支链6连接在静平台2和动平台4之间，驱动动平台4绕动平台的X轴转动。8是串并联球关节的旋转中心,该串并联球关节装置绕旋转中心8产生三自由度的旋转。
所述的球关节底座1由球关节安装底座201、安装螺钉202、左压环203、右压环204和键205组成，它们之间的位置连接关系是：安装螺钉202将左压环203和右压环204固定在球关节安装底座201上，球关节底座通过键205和球关节安装底座201的孔连接到摆动单元7的输出轴上。该球关节安装底座是由一圆柱和一圆盘组合的T型结合件；该左压环和右压环是半圆环件；该安装螺钉和键是按需选购的市购件。
所述的静平台2包括：静平台底座301、滑动轴承302、第一螺钉303、第一垫圈304、X旋转轴305、第一隔离套306、Y旋转轴307、第二垫圈308、第二螺钉309和第三螺钉310。它们之间的位置连接关系是：滑动轴承302采用过盈配合安装在静平台底座301上，X旋转轴305采用过盈配合安装在静平台底座301上，第一隔离套306采用间隙配合安装在X旋转轴305，第一螺钉303将第一垫圈304固定在X旋转轴305上。Y旋转轴307采用过盈配合安装在静平台底座301上，第二螺钉309将第二垫圈308固定在Y旋转轴307上。第三螺钉310将静平台2固定在摆动单元7的固定架上。该静平台底座是园筒与矩形块状的结合件；该X旋转轴、Y旋转轴是圆柱状件；该滑动轴承和第一隔离套是圆环状件；各螺钉、垫圈是按需选购的市购件。
所述的动平台4包括：第四螺钉401、动平台Y旋转轴402、第二隔离套403、动平台底座404、第五螺钉405、动平台X旋转轴406、第三隔离套407、第六螺钉408和第四隔离套409。它们之间的位置连接关系是：动平台Y旋转轴402采用过盈配合安装在动平台底座404上，第二隔离套403采用间隙配合安装在动平台Y旋转轴402上，第四螺钉401安装在动平台Y旋转轴上402；动平台X旋转轴406采用过盈配合安装在动平台底座404上，第三隔离套407、第四隔离套409采用间隙配合安装在动平台X旋转轴406上，第五螺钉405、第六螺钉408安装在动平台X旋转轴406上。该动平台底座是L状结构件，其上设有通孔与件连接；该动平台X旋转轴、Y旋转轴是圆柱状件；该第二、第三、第四隔离套是圆环状件；各螺钉是按需选购的市购件。
所述的X轴支链3包括：液压缸安装底座501、液压缸体502、液压缸推杆503、支架504、滑块505和直销轴506。它们之间的位置连接关系是：液压缸体通过螺纹安装在液压缸安装底座上，液压缸推杆安装在液压缸体上，支架通过螺纹安装在液压推杆的末端，滑块通过直销轴安装在支架上。X轴支链的液压缸安装底座的安装孔安装在静平台的Y旋转轴上，X轴支链的滑块安装在动平台的X旋转轴上。该液压缸安装底座、液压缸体和液压缸推杆是按需设计定制的配套件；该支架是L状结构支架；该滑块是带有连接孔的块状件；该直销轴是圆柱销轴。
所述的Y轴支链6包括：滑块601、直销轴602、液压缸安装座603、液压缸体604、液压缸推杆605、滑块606、直销轴607和支架608。它们之间的位置连接关系是：液压缸体通过螺纹连接在液压缸安装座上，液压推杆安装在液压缸体上，支架通过螺纹连接在液压推杆的末端，滑块通过直销轴分别安装在液压安装座和支架上。安装在液压安装座上的滑块和静平台的Y旋转轴连接，将Y轴支链连接到静平台上。安装在支架上的滑块安装在动平台的Y旋转轴上，将Y轴支链连接到静平台上。该液压缸安装座、液压缸体和液压缸推杆是按需设计定制的配套件；该支架是L状结构支架；该滑块是带有连接孔的块状件；该直销轴是圆柱销轴。
所述的支撑链5包括：滑块701、直销轴702、支架703、立杆704和第七螺钉705。它们之间的位置连接关系是：滑块通过直销轴安装在支架上，立杆通过过盈配合与支架连接。第七螺钉将支架、立杆固定到摆动单元7的安装架上。滑块安装到动平台的X旋转轴上，将支撑链安装到动平台上。该支架是Π状结构支架；该滑块是带有连接孔的块状件；该直销轴是圆柱销轴；该立杆是圆柱状件。
所述的摆动单元7采用的是日本SMC公司的CRBU2W40摆动缸，本发明的X轴支链和Y轴支链所用的液压缸采用的是台湾AIRTAC公司的MI20产品。
3、优点及功效：本发明一种串并联球关节装置的优点在于：1)采用串并联混合结构，串联结构增加了球关节的运动空间，并联机构增加了球关节的刚度和精度。2)本发明的动力源采用液压缸，提高了机器人***的动力体积比，能够承担更大的负载。
附图说明
图1为本发明三自由度并联机构整体结构示意图。
图1A一种串并联球关节装置的运动简图。
图2球关节底座结构图。
图2A球关节底座安装图。
图3静平台结构图。
图4动平台结构图。
图5X支链结构图。
图6Y支链结构图。
图7支撑链结构图。
图8三个串并联球关节构成的仿人手臂。
图9两个串并联球关节的连接图。
图中符号说明如下：
1-球关节底座、2-静平台、3-X轴支链、4-动平台、5-支撑链、6-Y轴支链 7-摆动单元
201-球关节安装底座 202-安装螺钉 203-左压环 204-右压环 205-键
206-图1的序号7摆动单元的输出轴，207-图1的序号2静平台的U型槽
301-静平台底座 302-滑动轴承 303-第一螺钉 304-第一垫圈 305-X旋转轴
306-第一隔离套 307-Y旋转轴 308-第二垫圈 309-第二螺钉 310-第三螺钉
401-第四螺钉 402-动平台Y旋转轴 403-第二隔离套 404-动平台底座
405-第五螺钉 406-动平台X旋转轴 407-第三隔离套 408-第六螺钉
409-第四隔离套
501-液压缸安装底座 502-液压缸体 503-液压缸推杆 504-支架 505-滑块
506-直销轴
601-滑块 602-直销轴 603液压缸安装座 604液压缸体 605液压缸推杆
606-滑块 607-直销轴 608-支架
701-滑块 702-直销轴 703-支架 704-立杆 705-第七螺钉。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
请参见图1所示，本发明一种串并联球关节装置，是一种可以作为仿人手臂肩部和腕部的三自由度机构，由球关节底座1、静平台2、X轴支链3、动平台4、支撑链5、Y轴支链6和摆动单元7所构成，串并联球关节装置绕球心8产生三自由度的旋转。球关节底座1和静平台2分别安装在摆动单元7的输出端和安装法兰上，摆动单元7运动时，静平台2和球关节底座1产生相对转动，形成动平台4绕动平台4的Z轴转动；X轴支链3连接在静平台2和动平台4之间，驱动动平台4绕动平台4的Y轴转动；Y轴支链6连接在静平台2和动平台4之间，驱动动平台4绕动平台4的X轴转动。
图1A是本发明一种串并联球关节装置的运动简图。其中：A和C两点之间的运动副是X轴支链3的运动副等效图，B和D两点之间的运动副是Y轴支链6的运动副等效图，A和Q两点之间的运动副是支撑链5的运动副等效图。AEB连线构成了并联机器人的动平台4，CQD连线构成了并联机器人的静平台2。X轴支链3的主动关节是液压缸构成的移动副。移动副的一端采用一个虎克铰连接到动平台4，一端采用转动副，连接到静平台2，X轴支链3完成二维的平面旋转运动。Y轴支链6的主动关节是液压缸构成的移动副。移动副的两端采用虎克铰，分别连接到静平台2和动平台4上，驱动动平台绕动平台4的X轴旋转。支撑链5的末端的虎克铰固定动平台4的一个点，使动平台4的运动围绕该点进行。
请参见图2和图2A所示，本发明的球关节底座1由球关节安装底座201，安装螺钉202，左压环203，右压环204，键205组成，安装螺钉202将左压环203和右压环204固定在球关节安装底座201上，左右压环203、204的台阶伸入到静平台2的U型槽207里，限制球关节底座沿旋转轴的轴向运动。球关节底座通过键205和球关节安装底座201的孔连接到摆动单元7的输出轴上，摆动单元7的输出轴206将动力通过键205传递给球关节底座201，使球关节底座201和静平台2产生相对旋转，形成绕动平台4Z轴的旋转运动。
请参见图3所示，本发明的静平台2包括：静平台底座301、滑动轴承302、第一螺钉303、第一垫圈304、X旋转轴305、第一隔离套306、Y旋转轴307、第二垫圈308、第二螺钉309、第三螺钉310。滑动轴承302采用过盈配合安装在静平台底座301上，X旋转轴305采用过盈配合安装在静平台底座301上，第一隔离套306采用间隙配合安装在X旋转轴305，第一螺钉303将第一垫圈304固定在X旋转轴305上，固定Y轴支链6一端的虎克铰。Y旋转轴307采用过盈配合安装在静平台底座301上，第二螺钉309将第二垫圈308固定在Y旋转轴307上，固定X轴支链3一端的转动关节，限制X轴支链3的运动，只产生一个绕动平台Y轴的转动。第三螺钉310将静平台2固定在摆动单元7的固定架上。
请参见图4所示，本发明的动平台4包括：第四螺钉401、动平台Y旋转轴402、第四隔离套403、动平台底座404、第五螺钉405、动平台X旋转轴406、第三隔离套407、第六螺钉408、第四隔离套409。动平台Y旋转轴402采用过盈配合安装在动平台底座404上，第二隔离套403采用间隙配合安装在动平台Y旋转轴402上，第七螺钉401安装在动平台Y旋转轴上402上，固定Y支链6的一端虎克铰；动平台X旋转轴406采用过盈配合安装在动平台底座404上，第三隔离套407、4 409采用间隙配合安装在动平台X旋转轴406上，第五螺钉405、6408安装在动平台X旋转轴406上，分别将X轴支链3的虎克铰和支撑链5的虎克铰固定在动平台4上。
请参见图5所示，本发明的X轴支链3包括：液压缸安装底座501、液压缸体502、液压缸推杆503、支架504、滑块505、直销轴506。液压缸体502通过螺纹安装在液压缸底座501上，液压缸推杆503安装在液压缸体502上，支架504通过螺纹安装在液压推杆503的末端，滑块505通过直销轴506安装在支架504上，形成虎克铰。X轴支链的液压缸安装底座501的安装孔安装在静平台2的Y旋转轴307Y旋转轴上，X轴支链的滑块505安装在动平台4的动平台X旋转轴406上。
请参见图6所示，本发明的Y轴支链6包括：滑块601、直销轴602、液压缸安装座603、液压缸体604、液压缸推杆605、滑块606、直销轴607、支架608。液压缸体604通过螺纹连接在液压缸安装座603上，液压推杆605安装在液压缸体604上，支架608通过螺纹连接在液压推杆605的末端，滑块601、606通过直销轴602、607分别安装在液压缸安装座603和支架608上，形成Y支链两端的虎克铰。安装在液压缸安装座603上的滑块601和静平台2的X旋转轴305连接，将Y轴支链连接到静平台2上。安装在支架608上的滑块606安装在动平台4的动平台Y旋转轴402上，将Y轴支链连接到静平台2上。
请参见图7所示，本发明的支撑链5包括：滑块701、直销轴702、支架703、立杆704、第七螺钉705。滑块701通过直销轴702安装在支架703上，形成虎克铰。立杆704通过过盈配合与支架703连接。第七螺钉705将支703架固定到摆动单元7的安装架上。滑块701安装到动平台X旋转轴406上，将支撑链5安装到动平台4上。
本发明所述的摆动单元7采用的是日本SMC公司的CRBU2W40摆动缸，本发明的X轴支链3和Y轴支链6所用的液压缸采用的是台湾AIRTAC公司的MI20产品。
请参见图8、图9所示，将三个串并联球关节依次连接起来，使第一个串并联球关节的球关节底座与第二关节的动平台连接一起，形成肘部关节；第二关节的球关节底座通过一个楔形肩部固定件与第三关节的动平台连接，形成肩部，就可以构成整个仿人机器人的手臂结构。
Claims (1)
1.一种串并联球关节装置，其特征在于：它包括：球关节底座(1)、静平台(2)、X轴支链(3)、动平台(4)、支撑链(5)、Y轴支链(6)和摆动单元(7)，球关节底座(1)和静平台(2)分别安装在摆动单元(7)的输出端和安装法兰上，摆动单元(7)运动时，静平台(2)和球关节底座(1)产生相对转动，形成动平台(4)绕动平台Z轴转动；X轴支链(3)连接在静平台(2)和动平台(4)之间，驱动动平台(4)绕动平台的Y轴转动；Y轴支链(6)连接在静平台(2)和动平台(4)之间，驱动动平台(4)绕动平台的X轴转动；该串并联球关节装置绕串并联球关节的旋转中心(8)产生三自由度的旋转；
所述的球关节底座(1)由球关节安装底座(201)、安装螺钉(202)、左压环(203)、右压环(204)和键(205)组成，安装螺钉(202)将左压环(203)和右压环(204)固定在球关节安装底座(201)上，球关节底座通过所述键(205)和球关节安装底座(201)的孔连接到摆动单元(7)的输出轴上；该球关节安装底座是由一圆柱和一圆盘组合的T型结合件；该左压环和右压环是半圆环件；
所述的静平台(2)包括：静平台底座(301)、滑动轴承(302)、第一螺钉(303)、第一垫圈(304)、X旋转轴(305)、第一隔离套(306)、Y旋转轴(307)、第二垫圈(308)、第二螺钉(309)和第三螺钉(310)；滑动轴承(302)采用过盈配合安装在静平台底座(301)上，X旋转轴(305)采用过盈配合安装在静平台底座(301)上，第一隔离套(306)采用间隙配合安装在X旋转轴(305)，第一螺钉(303)将第一垫圈(304)固定在X旋转轴(305)上；Y旋转轴(307)采用过盈配合安装在静平台底座(301)上，第二螺钉(309)将第二垫圈(308)固定在Y旋转轴(307)上；第三螺钉(310)将静平台(2)固定在摆动单元(7)的固定架上；该静平台底座是园筒与矩形块状的结合件；该X旋转轴、Y旋转轴是圆柱状件；该滑动轴承和第一隔离套是圆环状件；
所述的动平台(4)包括：第四螺钉(401)、动平台Y旋转轴(402)、第二隔离套(403)、动平台底座(404)、第五螺钉(405)、动平台X旋转轴(406)、第三隔离套(407)、第六螺钉(408)和第四隔离套(409)；动平台Y旋转轴(402)采用过盈配合安装在动平台底座(404)上，第二隔离套(403)采用间隙配合安装在动平台Y旋转轴(402)上，第四螺钉(401)安装在动平台Y旋转轴(402)上；动平台X旋转轴(406)采用过盈配合安装在动平台底座(404)上，第三隔离套(407)、第四隔离套(409)采用间隙配合安装在动平台X旋转轴(406)上，第五螺钉(405)、第六螺钉(408)安装在动平台X旋转轴(406)上；该动平台底座是L状结构件，其上设有通孔与第二隔离套(403)和第三隔离套(407)连接； 该动平台X旋转轴、Y旋转轴是圆柱状件；该第二、第三、第四隔离套是圆环状件；
所述的X轴支链(3)包括：液压缸安装底座(501)、液压缸体(502)、液压缸推杆(503)、支架(504)、第一滑块(505)和直销轴(506)；液压缸体通过螺纹安装在液压缸安装底座上，液压缸推杆安装在液压缸体上，支架通过螺纹安装在液压推杆的末端，第一滑块(505)通过直销轴安装在支架上；X轴支链的液压缸安装底座的安装孔安装在静平台的Y旋转轴上，X轴支链的滑块安装在动平台的X旋转轴上；该液压缸安装底座、液压缸体和液压缸推杆是按需设计定制的配套件；该支架是L状结构支架；该第一滑块(505)是带有连接孔的块状件；该直销轴是圆柱销轴；
所述的Y轴支链(6)包括：第二滑块(601)、直销轴(602)、液压缸安装座(603)、液压缸体(604)、液压缸推杆(605)、第三滑块(606)、直销轴(607)和支架(608)；液压缸体通过螺纹连接在液压缸安装座上，液压推杆安装在液压缸体上，支架通过螺纹连接在液压推杆的末端，第二滑块(601)和第三滑块(606)通过直销轴分别安装在液压安装座和支架上；安装在液压安装座上的第二滑块(601)和静平台的Y旋转轴连接，将Y轴支链连接到静平台上；安装在支架上的第三滑块(606)安装在动平台的Y旋转轴上，将Y轴支链连接到静平台上；该液压缸安装座、液压缸体和液压缸推杆是按需设计定制的配套件；该支架是L状结构支架；该第二滑块(601)和第三滑块(606)是带有连接孔的块状件；该直销轴是圆柱销轴；
所述的支撑链(5)包括：第四滑块(701)、直销轴(702)、支架(703)、立杆(704)和第七螺钉(705)；第四滑块(701)通过直销轴安装在支架上，立杆通过过盈配合与支架连接；第七螺钉(705)将支架、立杆固定到摆动单元(7)的安装架上；第四滑块(701)安装到动平台的X旋转轴上，将支撑链安装到动平台上；该支架是Π状结构支架；该第四滑块(701)是带有连接孔的块状件；该直销轴是圆柱销轴；该立杆是圆柱状件；
所述的摆动单元(7)采用的是CRBU2W40摆动缸，X轴支链和Y轴支链所用的液压缸采用的是MI20产品。
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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