CN117532588A - 一种基于三自由度并联绳驱对抗式机器人仿生关节 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种基于三自由度并联绳驱对抗式机器人仿生关节，包括并联绳驱动部分和旋转驱动部分，并联绳驱动部分包括动平台、静平台、三根绳索、三套绳索驱动机构和安装定位座；三套绳索驱动机构均匀设置在安装定位座上，沿静平台周向间隔120°均匀分布三个通孔，绳索一端与绳索驱动机构连接，另一端穿过静平台的通孔后与动平台连接；绳索驱动机构牵引绳索，可改变绳索在静平台和动平台间的相对长度。转动驱动部分包括十字轴万向节和旋转驱动电机；十字轴万向节的万向节上轴和万向节下轴通过第一深沟球轴承与动平台和静平台连接；旋转驱动机电设在安装定位座中心，旋转驱动机电的输出轴与万向节下轴连接以带动十字轴万向节旋转。
Description
技术领域
本发明属于机器人仿生关节技术领域，涉及一种基于三自由度并联绳驱对抗式机器人仿生关节。
背景技术
近年来，协作机器人在人类生活中得到广泛的应用。然而，传统协作机器人存在柔顺性差、安全性能差等问题，驱动关节多数是刚性结构，这也限制了协作机器人的发展。因此，具有柔顺驱动关节的协作机器人是未来发展的趋势。
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，绳驱动与人手臀肌腱驱动方式类似，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。
目前，在机器人关节的设计上，有三自由度并联绳驱机构的设计先例。如专利202110360411.1中公开了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，该腕部模块由三自由度串并联模块和驱控集成模块组成，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。专利202011260420.5公开了一种绳驱动三自由度偏置关节，采用绳驱动的方式驱动绞盘实现关节的旋转运动，具有柔性高、转动惯量小和负载自重比高等优点，可有效对机器人驱动关节进行优化设计。
目前，采用并联绳驱方式的机器人重点关注在提升关节的柔顺性上，忽略了精度方面的要求。同时，并联绳驱机构采了复杂的机械结构，容易发生干涉，影响关节的运动范围。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一基于三自由度并联绳驱对抗式机器人仿生关节，通过对抗式驱动以及丝杆丝母牵引绳索的方式提升关节的精度。不仅保留了绳驱方式的柔顺特点，还保证了关节在工作活动范围的精度。同时，通过并联柔索与刚性旋转轴对抗方式实现关节的变刚度，可以提高机器人对非结构化环境的适应能力和人机交互的安全性。
本发明提供一种基于三自由度并联绳驱对抗式机器人仿生关节，包括：并联绳驱动部分和旋转驱动部分，所述并联绳驱动部分包括：动平台、静平台、三根绳索、三套绳索驱动机构和安装定位座；所述安装定位座固定在外壳内，三套绳索驱动机构沿周向均匀设置在安装定位座上，沿静平台周向间隔120°均匀分布三个通孔，所述绳索一端与对应的绳索驱动机构连接，另一端穿过静平台上对应的通孔后与动平台固定连接；通过绳索驱动机构牵引对应的绳索，改变绳索在静平台和动平台间的相对长度，进而改变机器人仿生关节的俯仰和偏航自由度；
所述转动驱动部分包括：十字轴万向节和旋转驱动电机；所述十字轴万向节包括通过十字轴连接的万向节上轴和万向节下轴，所述万向节上轴和万向节下轴分别通过第一深沟球轴承与动平台和静平台转动连接；所述旋转驱动机电设置在安装定位座中心，旋转驱动机电的输出轴与万向节下轴连接以带动十字轴万向节旋转。
进一步的，所述机器人仿生关节还设有基座，所述基座固定在外壳内；所述绳索驱动机构包括：绳索驱动电机、丝杠螺母机构和齿轮组，所述绳索驱动电机安装在安装定位座上，所述绳索驱动电机通过齿轮组驱动丝杠螺母机构的丝杠旋转从而使螺母沿丝杆移动，所述绳索一端固定在螺母上；所述绳索驱动电机的输出轴末端穿过安装定位座上的通孔后，再通过圆锥滚子轴承与基座转接；所述丝杠两端分别通过圆锥滚子轴承与静平台和基座转接，同时丝杠通过第二深沟球轴承与安装定位座转接。
进一步的，所述绳索驱动机构还包括导轨，所述导轨两端分别与静平台和安装定位座连接，所述导轨与丝杆平行设置，约束螺母沿丝杆的周向转动，使螺母只能沿导轨轴向移动。
进一步的，所述旋转驱动电机安装在电机支架上，所述电机支架两端分别与安装定位座和静平台固定连接。
进一步的，所述万向节上轴和万向节下轴都设有突出的绳索收束盘，绳索收束盘上设有三个供绳索穿过的穿绳孔，三个穿绳孔沿绳索收束盘周向间隔120°分布；所述绳索被万向节上轴和万向节下轴的穿绳孔收束到靠近回转中心位置，能避免仿生关节运动过程中绳索间的干涉。
进一步的，所述万向节上轴和万向节下轴都设有与第一深沟球轴承进行转配定位用的凸台。
进一步的，所述静平台和动平台分别为一大一小两个圆盘，静平台的直径与动平台的直径之比为5:4。
进一步的，所述绳索驱动电机和旋转驱动电机都包含减速器。
本发明的一基于三自由度并联绳驱对抗式机器人仿生关节，至少具有如下有益效果：
1、本发明的仿生关节采用了并联绳索驱动，相比于传统的刚性关节具有较好的柔顺性，采用了并联绳索驱动部分和转动驱动部分的对抗驱动，可以实现关节的变刚度，提高机器人对非结构化环境的适应能力和人机交互的安全性。多电机驱动带来了更高的承载力。
2、本发明的仿生关节中绳索被万向节轴上的穿绳孔收束到靠近回转中心位置，可避免关节运动过程中绳索间的干涉，同时在静平台与万向节轴之间形成了三角形结构，有利于并联机构的稳定性。
3、本发明的仿生关节中采用了对抗式驱动，消除了驱动电机减速器间的齿隙，提升了横滚自由度的精度。
4、本发明的仿生关节中采用了丝杆螺母机构来驱动绳索，相比于绳轮绞盘驱动方式，无需考虑因绳轮重复绕线导致的驱动半径改变，提升了俯仰和偏航自由度上的精度。
附图说明
图1是本发明的一基于三自由度并联绳驱对抗式机器人仿生关节的结构示意图；
图2是本发明的一基于三自由度并联绳驱对抗式机器人仿生关节的***图；
1-动平台，2-万向节上轴，3-第一深沟球轴承，4-穿绳孔，5-万向节下轴，6-静平台，7-绳索固定螺栓，8-电机支架，9-导轨，10-旋转驱动电机，11-螺母，12-绳索驱动电机，13-齿轮组，14-安装定位座，15-圆锥滚子轴承，16-基座，17-丝杆，18-绳索，19-绳索收束盘，20-凸台；21-第二深沟球轴承。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明提供一种基于三自由度并联绳驱对抗式机器人仿生关节，包括：并联绳驱动部分和旋转驱动部分。所述并联绳驱动部分包括：动平台1、静平台6、三根绳索18、三套绳索驱动机构和安装定位座14。所述安装定位座14固定在外壳内(图中未示出)，三套绳索驱动机构沿周向均匀设置在安装定位座14上，沿静平台6周向间隔120°均匀分布三个通孔，所述绳索18一端与对应的绳索驱动机构连接，另一端穿过静平台6上对应的通孔后与动平台1固定连接。通过绳索驱动机构牵引对应的绳索18，改变绳索18在静平台6和动平台1间的相对长度，进而改变机器人仿生关节的俯仰和偏航自由度。
所述转动驱动部分包括：十字轴万向节和旋转驱动电机10。所述十字轴万向节包括通过十字轴连接的万向节上轴2和万向节下轴5，所述万向节上轴2和万向节下轴5分别通过第一深沟球轴承3与动平台1和静平台6转动连接。所述旋转驱动机10电设置在安装定位座14中心，旋转驱动机电10的输出轴与万向节下轴5连接，通过十字轴将动力传导到万向节的上轴，进而带动十字轴万向节旋转。
所述机器人仿生关节还设有基座16，所述基座16固定在外壳内。所述绳索驱动机构包括：绳索驱动电机12、丝杠螺母机构和齿轮组13。三个绳索驱动电机12沿周向间隔120°安装在安装定位座14上，所述绳索驱动电机12通过齿轮组13驱动丝杠螺母机构的丝杠17旋转从而使螺母11沿丝杆17移动，所述绳索18一端通过绳索固定螺栓7固定在螺母11上，通过螺母11的移动牵引绳索18，改变绳索18在静平台6和动平台1间的相对长度，仿生关节的活动范围由丝杆17的行程决定。
所述绳索驱动电机12的输出轴末端穿过安装定位座14上的通孔后，再通过圆锥滚子轴承15与基座16转接；所述丝杠17两端分别通过圆锥滚子轴承15与静平台6和基座16转接，同时丝杠17也通过第二深沟球轴承21与安装定位座14转接。
所述绳索驱动机构还包括导轨9，所述导轨9两端分别与静平台6和安装定位座14连接，所述导轨9与丝杆17平行设置，约束螺母11沿丝杆17的周向转动，使螺母11只能沿导轨9轴向移动。
所述旋转驱动电机10安装在电机支架8上，所述电机支架8两端分别与安装定位座14和静平台6固定连接。所述电机支架8与安装定位座14固定在一起，安装定位座14和基座16都与外壳固定在一起，构成同一刚性整体。
所述万向节上轴2和万向节下轴5都设有突出的绳索收束盘19，绳索收束盘19上设有三个供绳索穿过的穿绳孔4，三个穿绳孔沿绳索收束盘19周向间隔120°分布；所述绳索18被万向节上轴2和万向节下轴5的穿绳孔4收束到靠近回转中心位置，能避免仿生关节运动过程中绳索间的干涉。同时在静平台6与十字轴万向节之间形成了三角形结构，有利于并联机构的稳定性。
所述万向节上轴2和万向节下轴5都设有与第一深沟球轴承3进行转配定位用的凸台20。
所述静平台6和动平台1分别为一大一小两个圆盘，静平台6的直径与动平台1的直径之比为5:4。
所述绳索驱动电机12和旋转驱动电机10都包含减速器。
对抗驱动是由旋转驱动电机10与三条绳索18相互作用实现的。由旋转驱动电机10提供动力带动所配合的万向节下轴5旋转，同时带动三条绳索18周向转动，使万向节下轴5的穿绳孔4位置与静平台6穿绳孔位置产生偏移量。三个绳索驱动电机12经过齿轮组13、丝杆17、螺母11传动，同时向下牵引绳索18，阻止绳索18周向转动，产生对抗力矩，达到消除旋转驱动电机10中减速器齿轮组配合间隙的目的。
本发明的仿生关节的俯仰和偏航自由度控制由并联的三条绳索结构共同驱动，三条绳索沿周向120°均匀分布。该仿生关节的三条绳索被万向节上轴2和万向节下轴5的穿绳孔约束，使其靠近回转中心，可避免关节运动过程中绳索间的干涉。该仿生关节中对抗驱动部分是由旋转驱动电机与三条绳索相互作用实现，由三个牵引绳索的电机共同驱动产生对抗力矩。并联绳索驱动部分和转动驱动部分的对抗作用可实现关节的变刚度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于三自由度并联绳驱对抗式机器人仿生关节，其特征在于，包括：并联绳驱动部分和旋转驱动部分，所述并联绳驱动部分包括：动平台、静平台、三根绳索、三套绳索驱动机构和安装定位座；所述安装定位座固定在外壳内，三套绳索驱动机构沿周向均匀设置在安装定位座上，沿静平台周向间隔120°均匀分布三个通孔，所述绳索一端与对应的绳索驱动机构连接，另一端穿过静平台上对应的通孔后与动平台固定连接；通过绳索驱动机构牵引对应的绳索，改变绳索在静平台和动平台间的相对长度，进而改变机器人仿生关节的俯仰和偏航自由度；
所述转动驱动部分包括：十字轴万向节和旋转驱动电机；所述十字轴万向节包括通过十字轴连接的万向节上轴和万向节下轴，所述万向节上轴和万向节下轴分别通过第一深沟球轴承与动平台和静平台转动连接；所述旋转驱动机电设置在安装定位座中心，旋转驱动机电的输出轴与万向节下轴连接以带动十字轴万向节旋转。
2.如权利要求1所述的基于三自由度并联绳驱对抗式机器人仿生关节，其特征在于，所述机器人仿生关节还设有基座，所述基座固定在外壳内；所述绳索驱动机构包括：绳索驱动电机、丝杠螺母机构和齿轮组，所述绳索驱动电机安装在安装定位座上，所述绳索驱动电机通过齿轮组驱动丝杠螺母机构的丝杠旋转从而使螺母沿丝杆移动，所述绳索一端固定在螺母上；所述绳索驱动电机的输出轴末端穿过安装定位座上的通孔后，再通过圆锥滚子轴承与基座转接；所述丝杠两端分别通过圆锥滚子轴承与静平台和基座转接，同时丝杠通过第二深沟球轴承与安装定位座转接。
3.如权利要求2所述的基于三自由度并联绳驱对抗式机器人仿生关节，其特征在于，所述绳索驱动机构还包括导轨，所述导轨两端分别与静平台和安装定位座连接，所述导轨与丝杆平行设置，约束螺母沿丝杆的周向转动，使螺母只能沿导轨轴向移动。
4.如权利要求1所述的基于三自由度并联绳驱对抗式机器人仿生关节，其特征在于，所述旋转驱动电机安装在电机支架上，所述电机支架两端分别与安装定位座和静平台固定连接。
5.如权利要求1所述的基于三自由度并联绳驱对抗式机器人仿生关节，其特征在于，所述万向节上轴和万向节下轴都设有突出的绳索收束盘，绳索收束盘上设有三个供绳索穿过的穿绳孔，三个穿绳孔沿绳索收束盘周向间隔120°分布；所述绳索被万向节上轴和万向节下轴的穿绳孔收束到靠近回转中心位置，能避免仿生关节运动过程中绳索间的干涉。
6.如权利要求1所述的基于三自由度并联绳驱对抗式机器人仿生关节，其特征在于，所述万向节上轴和万向节下轴都设有与第一深沟球轴承进行转配定位用的凸台。
7.如权利要求1所述的基于三自由度并联绳驱对抗式机器人仿生关节，其特征在于，所述静平台和动平台分别为一大一小两个圆盘，静平台的直径与动平台的直径之比为5:4。
8.如权利要求2所述的基于三自由度并联绳驱对抗式机器人仿生关节，其特征在于，所述绳索驱动电机和旋转驱动电机都包含减速器。
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