CN114083566B - 一种刚柔耦合式机器人手腕关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种刚柔耦合式机器人手腕关节。机器人手的手腕关节与多自由度压电球电机模块相连，多自由度压电球电机模块与球电机驱动模块相连，球电机驱动模块通过信号转换模块与系绳收放模块相连；系绳收放模块的关节驱动信号通过信号转换模块发送给球电机驱动模块，球电机驱动模块根据接收的信号驱动多自由度压电球电机模块，多自由度压电球电机模块进而驱动机器人手，球电机驱动模块检测多自由度压电球电机模块的位置信号并反馈回信号转换模块，信号转换模块根据反馈信号对系绳收放模块进行调节，从而实现机器人手腕关节的控制。本发明可实现腕关节位置、速度和加速度的精确控制，具有结构紧凑、控制性能优良、工程易于实现等优点。

Description

一种刚柔耦合式机器人手腕关节

技术领域

本发明涉及一种机器人手腕关节，尤其是涉及了一种刚柔耦合式机器人手腕关节。

背景技术

类人机器人作为机器人技术的重要分支，集机、电、材料、计算机、传感器、控制技术等多门学科于一体，是一个国家高科技实力和发展水平的重要标志。机器人手臂是类人机器人发展过程中不可缺少的一部分，灵巧的机器人手臂是机器人真正实现类人的基础之一。机器人手臂的灵巧性，是建立在手腕灵巧性基础之上的，手腕承担着机器人手臂的重要角色。目前而言，机器人手腕关节一般由多个电机驱动控制，从而实现机器人手腕关节的多自由度运动。然而，多个电机的应用使得机器人手腕关节存在尺寸偏大、重量较重、活动不便的缺点，需要考虑使用新型驱动控制方式实现机器人手腕的轻量化设计。

发明内容

本发明以机器人手腕关节为背景，针对传统机器人手腕关节存在的尺寸偏大，重量较大，活动不便的缺点，提供了一种刚柔耦合式机器人手腕关节，该机器人手腕关节使用了多自由度的压电球电机，同时，使用了多条柔性系绳模拟人体肌腱发送运动指令，采集系绳拉力信号，通过信号转换器转换成电机驱动信号实现电机的精确控制，进而使得机器人手腕关节的位置速度和加速度都可以实现精确控制，最终得到机器人手腕关节良好的柔顺控制效果。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明包括机器人手、系绳收放模块、信号转换模块、球电机驱动模块和多自由度压电球电机模块；

机器人手的手腕关节与多自由度压电球电机模块相连，多自由度压电球电机模块与球电机驱动模块相连，球电机驱动模块通过信号转换模块与系绳收放模块相连；系绳收放模块的关节驱动信号通过信号转换模块进行信号转换后发送给球电机驱动模块，球电机驱动模块根据接收的信号驱动多自由度压电球电机模块，多自由度压电球电机模块进而驱动机器人手的手腕关节，球电机驱动模块检测多自由度压电球电机模块的位置信号并反馈回信号转换模块，信号转换模块根据反馈信号对系绳收放模块进行调节，从而实现手腕关节的控制。

所述的多自由度压电球电机模块包括定子支架、预紧板簧、行波定子、球形转子、电机底座、内置球铰模块、外置自锁模块和输出杆；

电机底座的下端面与球电机驱动模块固定连接，电机底座的上端面固定安装有多个沿圆周等间隔布置的定子支架，每个定子支架靠近圆心的侧面与行波定子固定连接，每个定子支架与行波定子之间还设置有预紧板簧，在多个行波定子之间的空隙中嵌装有球形转子，多个行波定子与球形转子的外圆周面相切；球形转子上固定安装有外置自锁模块，外置自锁模块上固定安装有输出杆，输出杆与机器人手的手腕关节同轴固定连接，球形转子的内部设置有内置球铰模块，内置球铰模块固定安装在电机底座中，内置球铰模块与外置自锁模块之间通过螺纹配合，内置球铰模块与外置自锁模块之间通过螺纹固连，则球形转子的轴向自锁。

所述的内置球铰模块包括球铰杆和球铰杆顶盖；

所述球形转子的中部在竖直方向上开有安装通孔，安装通孔上部的直径大于安装通孔下部的直径并且安装通孔中部设置为漏斗状的圆弧孔，球铰杆的一端设置为球状，球铰杆的另一端设置为杆状，球铰杆杆状的一端从上穿过安装通孔后与电机底座连接，球铰杆球状的一端正好卡在安装通孔中部的漏斗状的圆弧孔中，从而使得球铰杆固定安装在球形转子的中部；靠近球铰杆球状的一端的安装通孔上部还设置有球铰杆顶盖，球铰杆顶盖与球铰杆球状的一端接触；球铰杆球状一端的顶部还开设有盲孔，外置自锁模块的下部穿过球铰杆顶盖后设置在盲孔中与球铰杆球状的一端进行螺纹连接，从而实现球形转子的轴向自锁。

所述的外置自锁模块包括锁死电机、传动销、电机顶盖、自锁螺杆和内衬套；

电机顶盖固定安装在球形转子上，电机顶盖上固定安装有输出杆，电机顶盖的中部开有顶盖通孔，顶盖通孔中安装有自锁螺杆和内衬套，自锁螺杆外同轴套装有内衬套，自锁螺杆的上端设置有锁死电机，锁死电机的输出轴通过传动销与自锁螺杆的上端同轴固定连接，自锁螺杆的下端与内置球铰模块的上部通过螺纹配合，锁死电机的驱动，使得与锁死电机的输出轴同轴连接的自锁螺杆向下旋转运动后，自锁螺杆的下端与内置球铰模块的上部通过螺纹固定连接，则实现球形转子的轴向自锁。

所述的球电机驱动模块包括连接轴和电机驱动器；

连接轴的两端分别与信号转换模块、球电机驱动模块固定连接，连接轴中固定安装有电机驱动器，电机驱动器分别与信号转换模块、球电机驱动模块电连接。

所述的信号转换模块包括信号转换器，信号转换器的两端分别与系绳收放模块和球电机驱动模块均固定连接，信号转换器的输出端还与电机驱动模块电连接，信号转换器的输入端还与系绳收放模块电连接。

所述的系绳收放模块包括固定桁架、系绳、张紧轮、轮毂电机、底座和电机支架；

固定桁架的两端分别与信号转换模块和底座固定连接，底座上间隔地固定安装有多个电机支架，每个电机支架上安装有轮毂电机，每个电机支架上还通过连接杆固定安装有张紧轮，张紧轮上设置有压力传感器，用于测量系绳压力，张紧轮上的压力传感器和轮毂电机均与信号转换模块电连接，信号转换模块和底座之间设置有多根系绳，每根系绳的一端固定安装在信号转换模块，每根系绳的另一端绕过张紧轮后固定在对应的轮毂电机上，每根系绳卷绕在对应的轮毂电机上，轮毂电机的转动实现系绳的收放。

本发明的有益效果是：

1、本发明相比于传统机器人手腕关节，由于使用了高可靠性多自由度球铰式压电球电机，使得该机器人手腕关节重量轻，结构尺寸小，安装方便。

2、相比于传统的机器人手腕关节，本发明的后端的采用系绳模拟人体肌腱信号，耦合度高，可实现机器人手腕关节良好的柔性控制。

3、相比于传统的行波型压电球电机，本发明提出一种球铰式灵巧压电球电机新结构，解决了以往电机存在的抗压/拉能力差，球转子难于精确控制的问题。

4、本发明结构设计巧妙，制造方便，易于工程实现。

5、本发明的多自由度压电球电机的质心稳定，转子受力均匀，驱动较为容易。

附图说明

图1是本发明的机器人手腕关节三维图之一；

图2是本发明的机器人手腕关节三维图之二；

图3是本发明的多自由度压电球电机模块示意图；

图4是本发明的多自由度压电球电机模块的剖面图；

图5是本发明的电机驱动模块示意图；

图6是本发明的系绳收放模块示意图；

图中：1、球铰杆，2、定子支架，3、预紧板簧，4、行波定子，5、球形转子，6、锁死电机，7、电机底座，8、固连螺钉，9、球铰杆顶盖，10、球铰螺母，11、传动销，12、底座螺钉，13、自锁螺杆，14、内衬套，15、机器人手，16、连接轴，17、信号转换器，18、电机驱动器，19、系绳收放模块外壳，20、输出杆，21、系绳套筒，22、轮毂电机外壳，23、底座，24、电机支架，25、轮毂电机，26、系绳，27、固定桁架，28、张紧轮，29、电机顶盖。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，本发明包括机器人手15、系绳收放模块、信号转换模块、球电机驱动模块和多自由度压电球电机模块；

机器人手15的手腕关节与多自由度压电球电机模块相连，多自由度压电球电机模块与球电机驱动模块相连，球电机驱动模块通过信号转换模块与系绳收放模块相连；系绳收放模块的关节驱动信号通过信号转换模块进行信号转换后发送给球电机驱动模块，球电机驱动模块根据接收的信号驱动多自由度压电球电机模块，多自由度压电球电机模块进而驱动机器人手15的手腕关节，球电机驱动模块检测多自由度压电球电机模块的位置信号并反馈回信号转换模块，信号转换模块根据反馈信号对系绳收放模块进行调节，从而实现手腕关节的控制。

如图3和图4所示，多自由度压电球电机模块包括定子支架2、预紧板簧3、行波定子4、球形转子5、电机底座7、底座螺钉12、内置球铰模块、外置自锁模块和输出杆20；

电机底座7的下端面与球电机驱动模块固定连接，电机底座7的上端面固定安装有多个沿圆周等间隔布置的定子支架2，每个定子支架2靠近圆心的侧面与行波定子4固定连接，每个定子支架2与行波定子4之间还设置有预紧板簧3，在多个行波定子4之间的空隙中嵌装有球形转子5，多个行波定子4与球形转子5的外圆周面相切；球形转子5上固定安装有外置自锁模块，外置自锁模块上固定安装有输出杆20，输出杆20与机器人手15的手腕关节同轴固定连接，球形转子5的内部设置有内置球铰模块，内置球铰模块固定安装在电机底座7中，内置球铰模块与外置自锁模块之间通过螺纹配合，内置球铰模块与外置自锁模块之间通过螺纹固连，则球形转子5的轴向自锁，否则，球形转子5的轴向不自锁。

内置球铰模块包括球铰螺母10、球铰杆1和球铰杆顶盖9；

球形转子5的中部在竖直方向上开有安装通孔，安装通孔上部的直径大于安装通孔下部的直径并且安装通孔中部设置为漏斗状的圆弧孔，球铰杆1的一端设置为球状，球铰杆1的另一端设置为杆状，球铰杆1杆状的一端从上穿过安装通孔后通过球铰螺母10与电机底座7连接，具体地，电机底座7的中部开有底座通孔，球铰杆1杆状的一端穿过底座通孔后与球铰螺母10通过螺纹固定连接，使得球铰杆1安装在电机底座7上，球铰杆1杆状的一端的轴向固定但是周向可旋转。球铰杆1球状的一端正好卡在安装通孔中部的漏斗状的圆弧孔中，从而使得球铰杆1固定安装在球形转子5的中部；靠近球铰杆1球状的一端的安装通孔上部还设置有球铰杆顶盖9，球铰杆顶盖9与球铰杆1球状的一端接触；球铰杆1球状一端的顶部还开设有盲孔，外置自锁模块的下部的自锁螺杆13下端穿过球铰杆顶盖9后设置在盲孔中与球铰杆1球状的一端进行螺纹连接，从而实现球形转子5的轴向自锁。

外置自锁模块包括锁死电机6、传动销11、固连螺钉8、电机顶盖29、自锁螺杆13和内衬套14；

电机顶盖29通过固连螺钉8固定安装在球形转子5上，球形转子5为顶部为平面的球形，电机顶盖29上固定安装有输出杆20，电机顶盖29的中部开有顶盖通孔，顶盖通孔中安装有自锁螺杆13和内衬套14，自锁螺杆13外同轴套装有内衬套14，自锁螺杆13和内衬套14之间螺纹连接，自锁螺杆13的上端设置有锁死电机6，锁死电机6的输出轴通过传动销11与自锁螺杆13的上端同轴固定连接，内衬套14的下表面与球铰杆顶盖9的上表面紧密接触；输出杆20中开有电机安装孔，锁死电机6设置在电机安装孔中；自锁螺杆13的下端与内置球铰模块的上部通过螺纹配合，锁死电机6的驱动，使得与锁死电机6的输出轴同轴连接的自锁螺杆13向下旋转运动后，自锁螺杆13的下端与内置球铰模块的上部的球铰杆顶盖9和球铰杆1通过螺纹固定连接，则实现球形转子5的轴向自锁。

如图5所示，球电机驱动模块包括连接轴16和电机驱动器18；

连接轴16的两端分别与信号转换模块、球电机驱动模块固定连接，连接轴16中固定安装有电机驱动器18，电机驱动器18的输出端、输入端分别与信号转换模块的行波定子4控制端、球电机驱动模块的信号转换器17输出端电连接。

信号转换模块包括信号转换器17，信号转换器17的两端分别与系绳收放模块的系绳26、套筒21和球电机驱动模块的连接轴16均固定连接，信号转换器17的输出端还与电机驱动模块的电机驱动器18的输入端电连接，信号转换器17的输入端还与系绳收放模块的系绳26、张紧轮28和轮毂电机25电连接。信号转换器的输入端和输出端分别设置有四个输入口和四个输出口，可将来自四个压力传感器的信号转换为球电机驱动模块中的电机驱动器的电信号输出。电机驱动器可将信号转换器的输出信号综合处理后传递给多自由度压电球电机。

如图6所示，系绳收放模块包括固定桁架27、系绳26、套筒21、张紧轮28、轮毂电机25、轮毂电机外壳22、系绳收放模块外壳19、底座23和电机支架24；

固定桁架27、系绳26、套筒21、张紧轮17、轮毂电机25、轮毂电机外壳22、系绳收放模块外壳19、底座23和电机支架24均设置在系绳收放模块外壳19内；固定桁架27的两端分别与信号转换模块的输入端和底座23固定连接，底座分为两个半圆，通过销钉连接，每个半圆至少与一根固定桁架27固定连接，底座23上间隔地固定安装有多个电机支架24，每个电机支架24上安装有轮毂电机25，每个轮毂电机25外均安装有轮毂电机外壳22，每个电机支架24上还通过连接杆固定安装有张紧轮28，张紧轮28上设置有压力传感器，用于测量系绳26压力，张紧轮28上的压力传感器和轮毂电机25均与信号转换模块电连接，信号转换模块和底座23之间设置有多根系绳26，系绳26与轮毂电机25个数相同，具体实施中，系绳26与轮毂电机25均为4个。每根系绳26的一端固定安装在信号转换模块的输入端，每根系绳26的一端外设置有套筒21，套筒21的一端固定安装在信号转换模块的输入端，套筒21与系绳26之间设置有间隙；每根系绳26的另一端绕过张紧轮28后固定在对应的轮毂电机25上，每根系绳26卷绕在对应的轮毂电机25上，轮毂电机25的转动实现系绳26的收放，系绳26的收放过程和人体的肌腱收缩和舒张过程类似，安装在张紧轮28上的压力传感器有信号输出，信号转换器17接收并将收集到的压力信号转换为电机驱动器18的输入电信号输出，电机驱动器18处理接收来自信号转换器17的电信号，控制多自由度压电球电机转动，实现球铰式压电球电机的电机输出杆6的多位姿。

具体实施中，每根系绳26的拉力作为系绳收放模块的关节驱动信号，每根系绳26的拉力是对测量所得的系绳26施加在对应压力传感器上的压力和张紧轮28与电机支架24之间的夹角进行计算后获得，其中张紧轮28与电机支架24的夹角具体是电机支架24的连接杆与电机支架24的中轴线之间的夹角。

本发明的工作过程如下：

首先，系绳模块中系绳通过张紧测量模块中的张紧轮，缠绕在系绳收放模块中的轮毂电机上，系绳一直保持张紧状态，张紧轮上的压力传感器测量压力并输出信号，四个轮毂电机可分别独立转动不受影响，通过轮毂电机的转动，实现系绳的收缩和舒张，模拟人体肌腱的收缩和舒张过程，同时，四个轮毂电机各自相互独立运动不受影响，安装在张紧轮上的压力传感器分被测量来自系绳的不同压力值，将得到的压力信号输入至信号转换器中，压力传感器与轮毂电机形成闭环回路控制，压力传感器的数值可以反馈到轮毂电机，通过轮毂电机的转动改变系绳的拉力。

然后，信号转换器接收来自四个压力传感器的信号，并将压力传感器的信号进行处理转换后变为电机驱动器的电信号输出给电机驱动器，电机驱动器接收来自信号转换器的电信号后，带动多自由度压电球电机进行转动，多自由度球铰式压电球电机的电机输出轴可以输出多个不同的位姿，位姿具体指多自由度球铰式压电球电机的周向转动和轴向位移，进而达到灵活驱动机器人手腕关节的目的，同时，多自由度压电球电机的电信号通过闭环回路可以反馈至电机驱动器，电机驱动器可将信号传输回信号转换器，信号转换器可将电机驱动器反馈回的信号转换为压力传感器的信号输出，通过压力传感器与轮毂电机的闭环回路控制实现系绳的收缩和舒张。

最后，不断重复上述步骤，即可实现机器人手腕关节柔性控制，达到高精度位姿控制，性能可靠，灵巧，轻量化的要求。

锁死电机开始运行后，经传动销带动自锁螺杆在内衬套轴向内孔内旋转运动，自锁螺杆边旋转边沿着内衬套轴向上下运动，进而带动自锁螺杆下端***球铰杆中，实现锁死控制，当需要锁死时，由锁死电机带动自锁螺杆下行，***球铰杆顶端的盲孔实现锁死，当需要解锁时，锁死电机做反向运动即可，自锁后相比于自锁前，与压电球电机连接的输出杆不会随着系绳的拉伸有任何运动，即可实现手腕关节在某一位置固定，便于机器人的手提升重物。

Claims (6)

1.一种刚柔耦合式机器人手腕关节，其特征在于，包括机器人手(15)、系绳收放模块、信号转换模块、球电机驱动模块和多自由度压电球电机模块；

机器人手(15)的手腕关节与多自由度压电球电机模块相连，多自由度压电球电机模块与球电机驱动模块相连，球电机驱动模块通过信号转换模块与系绳收放模块相连；系绳收放模块的关节驱动信号通过信号转换模块进行信号转换后发送给球电机驱动模块，球电机驱动模块根据接收的信号驱动多自由度压电球电机模块，多自由度压电球电机模块进而驱动机器人手(15)的手腕关节，球电机驱动模块检测多自由度压电球电机模块的位置信号并反馈回信号转换模块，信号转换模块根据反馈信号对系绳收放模块进行调节，从而实现手腕关节的控制；

所述的系绳收放模块包括固定桁架(27)、系绳(26)、张紧轮(28)、轮毂电机(25)、底座(23)和电机支架(24)；

固定桁架(27)的两端分别与信号转换模块和底座(23)固定连接，底座(23)上间隔地固定安装有多个电机支架(24)，每个电机支架(24)上安装有轮毂电机(25)，每个电机支架(24)上还通过连接杆固定安装有张紧轮(28)，张紧轮(28)上设置有压力传感器，用于测量系绳(26)压力，张紧轮(28)上的压力传感器和轮毂电机(25)均与信号转换模块电连接，信号转换模块和底座(23)之间设置有多根系绳(26)，每根系绳(26)的一端固定安装在信号转换模块，每根系绳(26)的另一端绕过张紧轮(28)后固定在对应的轮毂电机(25)上，每根系绳(26)卷绕在对应的轮毂电机(25)上，轮毂电机(25)的转动实现系绳(26)的收放。

2.根据权利要求1所述的一种刚柔耦合式机器人手腕关节，其特征在于，所述的多自由度压电球电机模块包括定子支架(2)、预紧板簧(3)、行波定子(4)、球形转子(5)、电机底座(7)、内置球铰模块、外置自锁模块和输出杆(20)；

电机底座(7)的下端面与球电机驱动模块固定连接，电机底座(7)的上端面固定安装有多个沿圆周等间隔布置的定子支架(2)，每个定子支架(2)靠近圆心的侧面与行波定子(4)固定连接，每个定子支架(2)与行波定子(4)之间还设置有预紧板簧(3)，在多个行波定子(4)之间的空隙中嵌装有球形转子(5)，多个行波定子(4)与球形转子(5)的外圆周面相切；球形转子(5)上固定安装有外置自锁模块，外置自锁模块上固定安装有输出杆(20)，输出杆(20)与机器人手(15)的手腕关节同轴固定连接，球形转子(5)的内部设置有内置球铰模块，内置球铰模块固定安装在电机底座(7)中，内置球铰模块与外置自锁模块之间通过螺纹配合，内置球铰模块与外置自锁模块之间通过螺纹固连，则球形转子(5)的轴向自锁。

3.根据权利要求2所述的一种刚柔耦合式机器人手腕关节，其特征在于，所述的内置球铰模块包括球铰杆(1)和球铰杆顶盖(9)；

所述球形转子(5)的中部在竖直方向上开有安装通孔，安装通孔上部的直径大于安装通孔下部的直径并且安装通孔中部设置为漏斗状的圆弧孔，球铰杆(1)的一端设置为球状，球铰杆(1)的另一端设置为杆状，球铰杆(1)杆状的一端从上穿过安装通孔后与电机底座(7)连接，球铰杆(1)球状的一端正好卡在安装通孔中部的漏斗状的圆弧孔中，从而使得球铰杆(1)固定安装在球形转子(5)的中部；靠近球铰杆(1)球状的一端的安装通孔上部还设置有球铰杆顶盖(9)，球铰杆顶盖(9)与球铰杆(1)球状的一端接触；球铰杆(1)球状一端的顶部还开设有盲孔，外置自锁模块的下部穿过球铰杆顶盖(9)后设置在盲孔中与球铰杆(1)球状的一端进行螺纹连接，从而实现球形转子(5)的轴向自锁。

4.根据权利要求2所述的一种刚柔耦合式机器人手腕关节，其特征在于，所述的外置自锁模块包括锁死电机(6)、传动销(11)、电机顶盖(29)、自锁螺杆(13)和内衬套(14)；

电机顶盖(29)固定安装在球形转子(5)上，电机顶盖(29)上固定安装有输出杆(20)，电机顶盖(29)的中部开有顶盖通孔，顶盖通孔中安装有自锁螺杆(13)和内衬套(14)，自锁螺杆(13)外同轴套装有内衬套(14)，自锁螺杆(13)的上端设置有锁死电机(6)，锁死电机(6)的输出轴通过传动销(11)与自锁螺杆(13)的上端同轴固定连接，自锁螺杆(13)的下端与内置球铰模块的上部通过螺纹配合，锁死电机(6)的驱动，使得与锁死电机(6)的输出轴同轴连接的自锁螺杆(13)向下旋转运动后，自锁螺杆(13)的下端与内置球铰模块的上部通过螺纹固定连接，则实现球形转子(5)的轴向自锁。

5.根据权利要求1所述的一种刚柔耦合式机器人手腕关节，其特征在于，所述的球电机驱动模块包括连接轴(16)和电机驱动器(18)；

连接轴(16)的两端分别与信号转换模块、多自由度压电球电机模块固定连接，连接轴(16)中固定安装有电机驱动器(18)，电机驱动器(18)分别与信号转换模块、多自由度压电球电机模块电连接。

6.根据权利要求1所述的一种刚柔耦合式机器人手腕关节，其特征在于，所述的信号转换模块包括信号转换器(17)，信号转换器(17)的两端分别与系绳收放模块和球电机驱动模块均固定连接，信号转换器(17)的输出端还与电机驱动模块电连接，信号转换器(17)的输入端还与系绳收放模块电连接。

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