CN112894780B - 一种基于三自由度串并混联机构的绳驱动腕部模块及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于三自由度串并混联机构的绳驱动腕部模块，该腕部模块由三自由度串并联模块和驱控集成模块组成，三自由度串并联模块包括球面纯滚动并联机构和张力放大机构，球面纯滚动并联机构实现腕部二自由度球面运动，并联机构的下平台设计为一转动自由度，从而形成串并混联机构，而张力放大机构确保机构轻量化的同时不丢失刚度；驱控集成模块用于集成电机、驱动器以及控制器，形成独立的机电***；本发明结合绳驱动和模块化的优势进行设计，具有质量轻、可重构以及柔顺性好等优点，提出的串并混联机构自由度配置与真人手腕一致，能够实现高逼真仿人腕部运动，为仿人服务机器人腕部设计提供新的设计思路。
Description
技术领域
本发明涉及仿人服务机器人关节技术领域，具体涉及一种基于三自由度串并混联机构的绳驱动腕部模块及其使用方法。
背景技术
仿人臂是仿人服务机器人的重要执行***，随着仿人服务应用场景日益复杂，仿人臂关节设计需要满足柔顺性、轻量化以及可重构等更高的要求。而目前采用传统刚性机构实现多自由度仿人臂关节具有质量大、柔顺性差以及结构复杂等缺点，难以满足仿人臂在非结构化环境下工作的要求。
绳驱动机构是指通过绳索传递运动和动力的机构，其属于刚柔耦合的结构，这类机构具有质量轻、惯量小以及柔顺性好等优势，且绳索传动布局灵活，容易实现多自由的配置。另外，从仿生学的角度分析，绳驱动与人手臂肌腱驱动方式类似，是实现人类手臂仿生设计的一种合理方案，因此，绳驱动机构被广泛应用于仿人臂关节的设计，但为了进一步降低仿人臂的质量，绳驱动仿人臂大多采用驱动后置的方式进行设计，该方式容易造成关节间运动耦合，且过长的绳索传递线路带来了控制带宽低、非线性摩擦严重等问题。
而采用模块化思想实现仿人臂，可将仿人臂分别设计成腕部、肘部和肩部模块，一方面解决了绳驱动仿人臂驱动后置带来的关节间运动耦合、绳索传递线路过长等问题；另一方面使仿人臂具备了不同应用场景下臂长可重构的优势，即仿人臂各关节模块采用标准机械接口进行连接，只需在模块化关节间增加不同长度的连接段即可改变臂长。
目前，在仿人臂的设计上，有分别采用绳驱动机构和模块化思想进行设计的例子，如专利ZL201810632708.7中公开了一种具有张力放大机制的三自由度绳索驱动并联机构，该机构动平台与静平台间由铰链连接，侧边由动定滑轮组成的张力放大机构驱动，可应用于仿人臂腕部或肩部；专利201910382872.1中公开了一种五自由度模块化扬琴演奏机械臂，该机械臂采用了模块化的思想设计，整臂主要分为肩部模块、大臂模块、大臂旋转模块、肘部模块以及小臂模块，电机与驱动器均集成于各关节模块内。虽然绳驱动机构和模块化思想均已应用于仿人臂的设计，但鲜有充分融合两者优点、弥补两者缺点，采用绳驱动关节模块的思路进行仿人臂设计。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于三自由度串并混联机构的绳驱动腕部模块及其使用方法，通过设置球面纯滚动并联机构和张力放大机构以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于三自由度串并混联机构的绳驱动腕部模块，包括自上而下设置的三自由度串并联模块和驱控集成模块，所述三自由度串并联模块由并联机构上平台、张力放大机构、并联机构下平台、转动连接台、绳索固定螺钉、三自由度串并联模块外壳、轴承定位套筒、电机固连齿轮、球面纯滚动并联机构、深沟球轴承、前端绕绳转筒、薄垫片、后端绕绳转筒、塞打螺钉、塞打螺钉轴承以及电机传动齿轮组成；
并联机构上平台与并联机构下平台通过球面纯滚动并联机构和张力放大机构连接，所述球面纯滚动并联机构包括三根沿周向120°均匀排布的并联机构连杆，三根并联机构连杆呈弯曲交错，使并联机构上平台在-90°到90°间运动无干涉；
所述张力放大机构包括上平台摆动架定位块、动滑轮、上平台摆动架、上平台绳索保持架、下平台绳索保持架、定滑轮、下平台摆动架、绳索换向销钉、绳索换向轴承以及下平台摆动架定位块；四个张力放大机构沿周向90°均匀排布在并联机构上平台与并联机构下平台之间，通过动滑轮在二自由度运动方向进行张力和刚度的放大；
优选的，所述深沟球轴承定位于三自由度串并联模块外壳内，并联机构下平台与转动连接台的凸缘分别嵌入深沟球轴承内圈，并用螺钉相互连接；前端绕绳转筒、薄垫片以及后端绕绳转筒依次套入转动连接台底面的圆柱内，并通过轴承定位套筒进行轴向定位，两电机固连齿轮通过塞打螺钉轴承与塞打螺钉连接于轴承定位套筒上，两电机传动齿轮分别与前端绕绳转筒和后端绕绳转筒通过螺钉固连，所述轴承定位套筒嵌入三自由度串并联模块外壳进行定位；
优选的，所述球面纯滚动并联机构实现腕部二自由度球面运动，并联机构下平台为一转动自由度，从而形成串并混联机构；
优选的，所述张力放大机构的张力放大倍数为两倍，刚度放大倍数为四倍；
优选的，所述并联机构连杆两端均通过连杆固定销、连接铰链与并联机构上平台和并联机构下平台连接；
优选的，所述张力放大机构通过上平台摆动架定位块、下平台摆动架定位块分别与并联机构上平台和并联机构下平台连接；
优选的，所述张力放大机构的绳索传动路线从绳索固定点开始，从下平台摆动架进入并从上方环绕定滑轮进行换向，由下至上分别通过下平台绳索保持架和上平台绳索保持架，经过动滑轮换向后，由上至下分别进入上平台绳索保持架和下平台绳索保持架，再经过绳索换向销钉进入下平台摆动架定位块，由绳索换向轴承将绳索传递到下方的前端绕绳转筒，绳索沿前端绕绳转筒缠绕并被螺钉固定在凹槽处；
优选的，所述驱控集成模块由驱控集成模块外壳、三个小型直流电机组成，驱控集成模块外壳与轴承定位套筒螺钉连接；所述驱控集成模块外壳表面设有标准卡环接口，用于与肘部或其他模块进行连接；所述小型直流电机设有减速箱和编码器，左右两侧的小型直流电机通过电机固连齿轮和电机传动齿轮驱动前端绕绳转筒和后端绕绳转筒转动，进而实现绳索运动，而中间的小型直流电机直接驱动转动连接台旋转，进而实现三自由度串并混联机构转动；
优选的，中间的小型直流电机驱动转动连接台转动θ角度后，左右两侧的小型直流电机通过编码器设定驱动前端绕绳转筒和后端绕绳转筒相应转动θ角度，以此解决绳索耦合。
本发明工作流程：使用时，左右两侧的小型直流电机通过电机固连齿轮和电机传动齿轮驱动前端绕绳转筒和后端绕绳转筒转动，进而实现绳索运动，其中Δr和Δp分别为两对绳索的伸缩量；而中间的小型直流电机直接驱动转动连接台旋转，进而实现三自由度串并混联机构整体转动。本发明利用球面纯滚动并联机构实现手腕内弯、外伸、手尺侧倾以及手桡侧倾运动，利用转动连接台转动实现手腕外旋和内旋的自由度配置，但转动连接台的转动将导致Δr和Δp发生变化，即存在运动耦合；为解决绳索耦合问题，每当中间的直流电机驱动转动连接台转动θ角度后，左右两侧的小型直流电机通过编码器设定驱动前端绕绳转筒和后端绕绳转筒相应转动θ角度，以此解决绳索耦合。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明中，通过将并联机构连杆设置呈弯曲交错，一方面避免运动过程并联机构连杆之间发生干涉，使并联机构上平台能在-90°到+90°间运动无干涉，另一方面并联机构连杆交错弯曲的设计方式使得并联机构中空，有利于并联机构上平台末端连接的灵巧手在模块内走线，提高了仿人机器人设计的集成度；
2、本发明中，通过设置张力放大机构，采用动滑轮的原理在二自由度运动方向进行张力和刚度放大，张力放大倍数为两倍，刚度放大倍数为四倍，确保机构轻量化的同时不丢失刚度；
3、本发明中，通过球面纯滚动并联机构实现腕部二自由度球面运动，将并联机构的下平台设计为一转动自由度，从而形成串并混联机构；利用球面纯滚动并联机构实现手腕内弯、外伸、手尺侧倾以及手桡侧倾运动，利用转动连接台转动实现手腕外旋和内旋的自由度配置，结构相比于同自由度的关节更加简单紧凑，达到与真人手腕自由度配置一致的目的，具有很好的仿生性；
4、本发明中，通过设定不同电机控制不同结构，中间的小型直流电机驱动转动连接台转动θ角度后，左右两侧的小型直流电机通过编码器设定驱动前端绕绳转筒和后端绕绳转筒相应转动θ角度，以此解决绳索耦合问题，提高了本发明转动的精准性。
5、本发明中，结合绳驱动和模块化的优势进行设计，具有质量轻、可重构以及柔顺性好等优点。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的三自由度串并联模块与驱控集成模块连接示意图；
图3为本发明的整体装配结构***示意图；
图4为本发明的三自由度串并混联机构结构示意图；
图5为本发明的张力放大机构绳索传动路线示意图；
图6为本发明的二自由度球面纯滚动并联机构示意图；
图7为本发明的整体传动分析示意图；
图8为本发明的绳索耦合分析示意图；
图9为本发明的真人手腕自由度配置以及运动范围示意图；
图10为本发明的串并混联机构自由度配置示意图。
图中：A、三自由度串并联模块；B、驱控集成模块；1、并联机构上平台；2、张力放大机构；3、并联机构下平台；4、转动连接台；5、绳索固定螺钉；6、三自由度串并联模块外壳；7、轴承定位套筒；8、电机固连齿轮；9、驱控集成模块外壳；10、标准卡环接口；11、球面纯滚动并联机构；12、深沟球轴承；13、前端绕绳转筒；14、薄垫片；15、后端绕绳转筒；16、塞打螺钉；17、塞打螺钉轴承；18、电机传动齿轮；19、小型直流电机；20、上平台摆动架定位块；21、动滑轮；22、上平台摆动架；23、上平台绳索保持架；24、下平台绳索保持架；25、定滑轮；26、下平台摆动架；27、绳索换向销钉；28、绳索换向轴承；29、下平台摆动架定位块；30、并联机构连杆；31、连杆固定销；32、连接铰链；33、固定螺钉凹槽。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
请参阅图1-10，本发明提供一种技术方案：
本发明提出一种基于三自由度串并混联机构的绳驱动腕部模块及其使用方法，如图1、2所示，该腕部模块由三自由度串并联模块A和驱控集成模块B组成，两者通过外壳侧面螺钉固定，便于连接与拆卸。
所述三自由度串并联模块A，如图3所示，由并联机构上平台1、张力放大机构2、并联机构下平台3、转动连接台4、绳索固定螺钉5、三自由度串并联模块外壳6、轴承定位套筒7、电机固连齿轮8、球面纯滚动并联机构11、深沟球轴承12、前端绕绳转筒13、薄垫片14、后端绕绳转筒15、塞打螺钉16、塞打螺钉轴承17以及电机传动齿轮18组成；
并联机构上平台1与并联机构下平台3通过球面纯滚动并联机构11和张力放大机构2连接，所述球面纯滚动并联机构11包括三根沿周向120°均匀排布的并联机构连杆30，三根并联机构连杆30呈弯曲交错，使并联机构上平台1在-90°到90°间运动无干涉
所述深沟球轴承12定位于三自由度串并联模块外壳6内，并联机构下平台3与转动连接台4的凸缘分别嵌入深沟球轴承12内圈，并用螺钉相互连接；前端绕绳转筒13、薄垫片14以及后端绕绳转筒15依次套入转动连接台4底面的圆柱内，并通过轴承定位套筒7进行轴向定位，两电机固连齿轮8通过塞打螺钉轴承17与塞打螺钉16连接于轴承定位套筒7上，两电机传动齿轮18分别与前端绕绳转筒13和后端绕绳转筒15通过螺钉固连，所述轴承定位套筒7嵌入三自由度串并联模块外壳6进行定位；
所述张力放大机构2，如图4所示，由上平台摆动架定位块20、动滑轮21、上平台摆动架22、上平台绳索保持架23、下平台绳索保持架24、定滑轮25、下平台摆动架26、绳索换向销钉27、绳索换向轴承28以及下平台摆动架定位块29组成。四组张力放大机构2沿周向90°均布在并联机构上平台1和下平台3之间，每正对两组张力放大机构2为一对，采用动滑轮21的原理在二自由度运动方向进行张力和刚度放大，张力放大倍数为两倍，刚度放大倍数为四倍。
所述张力放大机构2，如图5所示，绳索传动路线由O1开始，从下平台摆动架26左孔进入并从上方环绕右侧定滑轮25进行换向，由下至上分别通过下平台绳索保持架24和上平台绳索保持架23左孔，经过动滑轮21换向后，由上至下分别进入上平台绳索保持架23和下平台绳索保持架24右孔，再经过绳索换向销钉27进入下平台摆动架定位块29左孔，由绳索换向轴承28将绳索传递到下方的前端绕绳转筒13，绳索沿前端绕绳转筒13缠绕并被螺钉固定在凹槽33处，另一端从前端绕绳转筒13右侧绕出后重复上述绕绳方法，直到绳索到达另一张力放大机构2的O2处，其中O1和O2为并联机构下平台3的绳索固定点，同理，另外两对张力放大机构2绕线方式相同。
所述球面纯滚动并联机构11，如图6所示，由并联机构连杆30、连杆固定销31和连接铰链32组成。球面纯滚动并联机构11位于并联机构上平台1和并联机构下平台3正中央，且并联机构连杆30与并联机构上平台1和并联机构下平台3连接处呈周向120°排布，并联机构连杆30与连接铰链32通过连杆固定销31连接，同样，连接铰链32与并联机构上平台1和并联机构下平台3也通过固定销31进行连接。
所述球面纯滚动并联机构11，如图7所示，一方面避免运动过程并联机构连杆30之间发生干涉，连杆采用交错弯曲的方式设计，使并联机构上平台1能在-90°到+90°间运动无干涉，另一方面并联机构连杆30交错弯曲的设计方式使得并联机构中空，有利于并联机构上平台1末端连接的灵巧手在模块内走线。
所述驱控集成模块B，如图8所示，由驱控集成模块外壳9和小型直流电机19组成。驱控集成模块外壳9与轴承定位套筒7通过末端周向90°排布的四个螺钉连接；驱控集成模块表面设有标准卡环接口10，用于与肘部或其他模块进行连接；三个小型直流电机19前端和末端分别带有减速箱和编码器，且减速箱上具有两个用于与驱控集成模块外壳9连接的螺孔；电机的输出轴为D型轴，可与电机固连齿轮8和转动连接台4的D型孔进行型面连接。
所述驱控集成模块B，如图9所示，左右两侧的小型直流电机19通过电机固连齿轮8和电机传动齿轮18驱动前端绕绳转筒13和后端绕绳转筒15转动，进而实现绳索运动，其中Δr和Δp分别为两对绳索的伸缩量，而中间的小型直流电机19直接驱动转动连接台4旋转，进而实现图3所示的机构整体转动，但转动连接台4的转动将导致Δr和Δp发生变化，即存在运动耦合，如图8所示，为解决绳索耦合问题，每当中间的小型直流电机19驱动转动连接台4转动θ角度后，左右两侧的小型直流电机19需要驱动前端绕绳转筒13和后端绕绳转筒15相应转动θ角度。
如图9所示，真人手腕具有三个自由度，且各个自由度具有相应的运动范围，分别为内弯75°/外伸75°、外旋85°/内旋76°和手尺侧倾45°/手桡侧倾20°。如图10所示，本发明利用球面纯滚动并联机构11实现腕部二自由度球面运动，并联机构下平台3为一转动自由度，从而形成串并混联机构，利用球面纯滚动并联机构11实现手腕内弯、外伸、手尺侧倾以及手桡侧倾运动，利用转动连接台4转动实现手腕外旋和内旋的自由度配置，达到与真人手腕自由度配置一致的目的。
本发明工作流程：使用时，左右两侧的小型直流电机19通过电机固连齿轮8和电机传动齿轮18驱动前端绕绳转筒13和后端绕绳转筒15转动，进而实现绳索运动，其中Δr和Δp分别为两对绳索的伸缩量；而中间的小型直流电机19直接驱动转动连接台4旋转，进而实现三自由度串并混联机构整体转动。本发明利用球面纯滚动并联机构11实现手腕内弯、外伸、手尺侧倾以及手桡侧倾运动，利用转动连接台4转动实现手腕外旋和内旋的自由度配置，但转动连接台4的转动将导致Δr和Δp发生变化，即存在运动耦合；为解决绳索耦合问题，每当中间的直流电机驱动转动连接台4转动θ角度后，左右两侧的小型直流电机19通过编码器设定驱动前端绕绳转筒13和后端绕绳转筒15相应转动θ角度，以此解决绳索耦合。
上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于三自由度串并混联机构的绳驱动腕部模块，其特征在于，包括自上而下设置的三自由度串并联模块和驱控集成模块，所述三自由度串并联模块由并联机构上平台、张力放大机构、并联机构下平台、转动连接台、绳索固定螺钉、三自由度串并联模块外壳、轴承定位套筒、电机固连齿轮、球面纯滚动并联机构、深沟球轴承、前端绕绳转筒、薄垫片、后端绕绳转筒、塞打螺钉、塞打螺钉轴承以及电机传动齿轮组成；
并联机构上平台与并联机构下平台通过球面纯滚动并联机构和张力放大机构连接，所述球面纯滚动并联机构包括三根沿周向120°均匀排布的并联机构连杆，三根并联机构连杆呈弯曲交错，使并联机构上平台在-90°到90°间运动无干涉；
所述张力放大机构包括上平台摆动架定位块、动滑轮、上平台摆动架、上平台绳索保持架、下平台绳索保持架、定滑轮、下平台摆动架、绳索换向销钉、绳索换向轴承以及下平台摆动架定位块；四个张力放大机构沿周向90°均匀排布在并联机构上平台与并联机构下平台之间，通过动滑轮在二自由度运动方向进行张力和刚度的放大；
所述深沟球轴承定位于三自由度串并联模块外壳内，并联机构下平台与转动连接台的凸缘分别嵌入深沟球轴承内圈，并用螺钉相互连接；前端绕绳转筒、薄垫片以及后端绕绳转筒依次套入转动连接台底面的圆柱内，并通过轴承定位套筒进行轴向定位，两个电机固连齿轮通过塞打螺钉轴承与塞打螺钉连接于轴承定位套筒上，两个电机传动齿轮分别与前端绕绳转筒和后端绕绳转筒通过螺钉固连，所述轴承定位套筒嵌入三自由度串并联模块外壳进行定位；
所述球面纯滚动并联机构实现腕部二自由度球面运动，并联机构下平台为一转动自由度，从而形成串并混联机构；
所述张力放大机构的绳索传动路线从绳索固定点开始，从下平台摆动架进入并从上方环绕定滑轮进行换向，由下至上分别通过下平台绳索保持架和上平台绳索保持架，经过动滑轮换向后，由上至下分别进入上平台绳索保持架和下平台绳索保持架，再经过绳索换向销钉进入下平台摆动架定位块，由绳索换向轴承将绳索传递到下方的前端绕绳转筒，绳索沿前端绕绳转筒缠绕并被螺钉固定在凹槽处；
所述驱控集成模块由驱控集成模块外壳和三个小型直流电机组成，驱控集成模块外壳与轴承定位套筒螺钉连接；所述驱控集成模块外壳表面设有标准卡环接口，用于与肘部或其他模块进行连接；所述小型直流电机设有减速箱和编码器，左右两侧的小型直流电机通过电机固连齿轮和电机传动齿轮驱动前端绕绳转筒和后端绕绳转筒转动，进而实现绳索运动，而中间的小型直流电机直接驱动转动连接台旋转，进而实现三自由度串并混联机构转动。
2.根据权利要求1所述的绳驱动腕部模块，其特征在于，所述张力放大机构的张力放大倍数为两倍，刚度放大倍数为四倍。
3.根据权利要求1所述的绳驱动腕部模块，其特征在于，所述并联机构连杆两端均通过连杆固定销、连接铰链与并联机构上平台和并联机构下平台连接。
4.根据权利要求1所述的绳驱动腕部模块，其特征在于，所述张力放大机构通过上平台摆动架定位块、下平台摆动架定位块分别与并联机构上平台和并联机构下平台连接。
5.根据权利要求1所述的绳驱动腕部模块，其特征在于，所述中间的小型直流电机驱动转动连接台转动角度后，左右两侧的小型直流电机通过编码器设定驱动前端绕绳转筒和后端绕绳转筒相应转动/>角度，以此解决绳索耦合。
6.一种由权利要求1-5任一项所述的一种基于三自由度串并混联机构的绳驱动腕部模块的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
使用时，左右两侧的小型直流电机通过电机固连齿轮和电机传动齿轮驱动前端绕绳转筒和后端绕绳转筒转动，进而实现绳索运动，其中Δ和Δ/>分别为两对绳索的伸缩量；而中间的小型直流电机直接驱动转动连接台旋转，进而实现三自由度串并混联机构整体转动，利用球面纯滚动并联机构实现手腕内弯、外伸、手尺侧倾以及手桡侧倾运动，利用转动连接台转动实现手腕外旋和内旋的自由度配置，但转动连接台的转动将导致Δ/>和Δ/>发生变化，即存在运动耦合；为解决绳索耦合问题，每当中间的直流电机驱动转动连接台转动角度后，左右两侧的小型直流电机通过编码器设定驱动前端绕绳转筒和后端绕绳转筒相应转动/>角度，以此解决绳索耦合。
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