专利名称：三自由度欠驱动机器人手腕装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机器人手腕装置，特别是一种三自由度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 尚ο
发明内容
本发明的目的是针对上述有技术存在的缺陷，提供一种三自由度欠驱动机器人 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三自由度欠驱动机器人手腕装 置，含有静平台、动平台和连接它们的分支机构。其特征在于静平台通过三个分支 连接动平台，其中有两个分支具有驱动源，动平台可以做三自由度的运动。一个弯曲的 基座连接杆一端通过两个螺钉固定在基座上表面，另一端连接所述的一个分支；一个电 机固定座通过两个螺钉也固定在所述基座上表面，所述的电机固定座与基座连接杆间隔 120° ；另一个电机固定座通过两个螺钉固定在也基座上表面，所述的电机固定座与电 机固定座和基座连接杆均间隔120°。两个动力源电机分别通过螺栓固定在所述的电机 固定座上，电机的输出端分别与联轴器相连，所述的联轴器分别所述的另外两个分支连 接。两连杆通过铰链销串联，构成其中一分支，该分支的一端通过铰链销与基座连接杆铰接，该分支的另一端通过铰链销与动平台铰接；两连杆通过铰链销串联，构成其中另 一分支，该分支的一端通过固定销与联轴器固定在一起，该分支的另一端通过铰链销与 动平台铰接；又有两连杆通过铰链销串联，构成其中另一分支，该分支的一端通过固定 销与联轴器固定在一起，该分支的另一端通过铰链销与动平台铰接。三个动平台连杆一 端分别通过螺钉固定在圆板下表面，三个动平台连杆成120°均勻分布，三个动平台连杆 另一端分别通过铰链销与三个分支铰接。根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案
一种三自由度欠驱动机器人手腕装置，包括一个静平台、一个动平台、三个分支和 两个驱动动力源，其特征在于所述静平台通过所述三个分支铰连所述的动平台，所述 三个分支中有两个分支在两个驱动动力源的驱动下，经三个分支的传动，动平台作三自 由度运动。上述静平台的结构是一个弯曲的基座连接杆一端通过两个螺钉固定在基座 上表面，另一端连接通过一个铰链销连接所述三个分支中的一个分支；一个第一电机 固定座通过两个螺钉也固定在所述基座上表面，所述第一电机固定座与基座连接杆间隔 120° ； 一个第三电机固定座通过两个螺钉固定在也基座上表面，所述第二电机固定座与 第一电机固定座和一个基座连接杆均间隔120°。上述两个动力源为两个电机，第一电机和第二电机分别通过螺栓固定在所述的 第一电机固定座和第二电机固定座上，第一电机和第二电机的输出端分别与第一联轴器 和第二联轴器相连，所述第一联轴器和第二联轴器与所述三个分支中的另外两个分支连 接，两个电机驱动所述的两个分支运动，从而同时带动所述的动平台运动。上述三个分支的结构是一根第一上连杆和一根第一下连杆通过铰链销串联并 可以相对旋转，构成三个分支中第一个分支，该分支的一端通过铰链销与所述基座连接 杆铰接，该分支的另一端通过铰链销与动平台铰接，这个分支没有驱动源；一根第二上 连杆和一根第二下连杆通过铰链销串联可以相对旋转，构成三个分支中第二分支，该分 支的一端通过固定销与所述第一联轴器固定在一起，该分支的另一端通过铰链销与动平 台铰接；一根第三上连杆和一根第三下连杆通过铰链销串联可以相对旋转，构成三个分 支中第三分支，该分支的一端通过固定销与联轴器固定在一起，该分支的另一端通过铰 链销与动平台铰接。上述动平台的结构是三个动平台连杆一端分别通过螺钉固定在一个圆板下表 面，所述三根动平台连杆成120°周向均勻分布，所述三根动平台连杆另一端分别通过铰 链销与三个分支铰接。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，所以
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。
图1是本发明的一种三自由度欠驱动机器人手腕实施例的前视图； 图2是图1的俯视图；图3是图1的A-A剖视图。
具体实施例方式本发明的优选实施例结合附图详述如下
实施例一参见图1、图2、图3，本三自由度欠驱动机器人手腕装置，包括一个静 平台、一个动平台、三个分支和两个驱动动力源，其特征在于所述静平台通过所述三 个分支铰连所述动平台，所述三个分支中有两个分支在两个驱动动力源的驱动下，经三 个分支的传动，动平台作三自由度运动。实施例二参见图1、图2、图3，所述静平台的结构是一个弯曲的基座连接 杆(32) —端通过两个螺钉(33)、 (34)固定在基座(1)上表面，另一端连接所述 的三个分支中的一个分支；一个第一电机固定座(2)通过两个螺钉(36)、 (37)也 固定在所述基座(1)上表面，所述的第一电机固定座(2)与基座连接杆(32)间隔 120° ；另一个第二电机固定座(31)通过两个螺钉(38)、 (39)固定在基座(1) 上表面，所述的第二电机固定座(31)与电机固定座(2)和基座连接杆(32)均间隔 120°。所述两个驱动动力源为两个电机，第一电机(3)和第二电机(30)分别通过 螺栓固定在所述的第一电机固定座(2)和第二电机固定座(31)上，第一电机(3)和 第二电机(30)的输出端分别与第一联轴器(4)和第二联轴器(28)相连，所述的第 一联轴器(4)和第二联轴器(28)分别与所述的三个分支中的另外两个分支连接。所述三个分支的结构是一根第一上连杆(22)和一根第一下连杆(25)通过 铰链销(24)串联，构成三个分支中第一个分支，该分支的一端通过铰链销(35)与所 述基座连接杆(32)铰接，该分支的另一端通过铰链销(21)与动平台铰接；一根第二 上连杆(6)和一根第二下连杆连杆(8)通过铰链销(7)串联，构成三个分支中另第三 个分支，该分支的一端通过固定销(5)与所述第一联轴器(4)固定在一起，该分支的 另一端通过铰链销(9)与动平台铰接；一根第三上连杆(23)和一根第三下连杆(27) 通过铰链销(26)串联，构成其中三个分支中的第三个分支，该分支的一端通过固定销
(28)与所述第二联轴器(29)固定在一起，该分支的另一端通过铰链销(20)与动平 台铰接。所述动平台的结构是三根动平台连杆(10、18、19) 一端分别通过螺钉 (12、13、14、15、16、17)固定在圆板(11)下表面，动平台连杆(10、18、19)成
120°周向均勻分布，三根动平台连杆(10、18、19)另一端分别通过铰链销(9、20、 21)与所述三个分支的上连杆(22、18、19)铰接。本实施例其工作原理为两个电机(3、30)经过两个联轴器(4、8)驱动机 构的第二和第三分支运动，带动动平台运动，动平台从而带动第一个分支运动，传感器 检测第一分支的第一下连杆(25)相对于基座连杆(32)的转角，同时该传感器将该 值传给计算机，计算机根据这个值计算机构的逆运动学，求解出期望的两个电机的输入 值，然后交给控制系统，控制系统进而控制电机的输入，以达到动平台的期望位置，从 而实现对欠驱动手腕的控制。上述具体实施方式
用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保 护范围。
权利要求
1.一种三自由度欠驱动机器人手腕装置，包括一个静平台、一个动平台、三个分支 和两个驱动动力源，其特征在于所述静平台通过所述三个分支铰连所述动平台，所述 三个分支中有两个分支在两个驱动动力源的驱动下，经三个分支的传动，动平台作三自由度运动。
2.根据权利要求1所述的三自由欠驱动机器人手腕装置，其特征在于所述静平台的 结构是一个弯曲的基座连接杆(32) —端通过两个螺钉(33)、 (34)固定在基座(1)上表面，另一端连接所述的三个分支中的一个分支；一个第一电机固定座(2) 通过两个螺钉(36)、 (37)也固定在所述基座(1)上表面，所述的第一电机固定 座(2)与基座连接杆(32)间隔120° ；另一个第二电机固定座(31)通过两个螺钉(38)、 (39)固定在基座(1)上表面，所述的第二电机固定座(31)与电机固定座(2)和基座连接杆(32)均间隔120°。
3.根据权利要求2所述的三自由度欠驱动机器人手腕装置，其特征在于所述两个驱动 动力源为两个电机，第一电机(3)和第二电机(30)分别通过螺栓固定在所述的第一 电机固定座(2)和第二电机固定座(31)上，第一电机(3)和第二电机(30)的输 出端分别与第一联轴器(4)和第二联轴器(28)相连，所述的第一联轴器(4)和第二 联轴器(28)分别与所述的三个分支中的另外两个分支连接。
4.根据权利要求3所述的三自由度欠驱动机器人手腕装置，其特征在于所述三个分 支的结构是一根第一上连杆(22)和一根第一下连杆(25)通过铰链销(24)串联， 构成三个分支中第一个分支，该分支的一端通过铰链销(35)与所述基座连接杆(32) 铰接，该分支的另一端通过铰链销(21)与动平台铰接；一根第二上连杆(6)和一根 第二下连杆连杆(8)通过铰链销(7)串联，构成三个分支中另第三个分支，该分支的 一端通过固定销(5)与所述第一联轴器(4)固定在一起，该分支的另一端通过铰链销(9)与动平台铰接；一根第三上连杆(23)和一根第三下连杆(27)通过铰链销(26) 串联，构成其中三个分支中的第三个分支，该分支的一端通过固定销(28)与所述第二 联轴器(29)固定在一起，该分支的另一端通过铰链销(20)与动平台铰接。
5.根据权利要求4所述的三自由度欠驱动机器人手腕装置，其特征在于所述动平台 的结构是三根动平台连杆(10、18、19) 一端分别通过螺钉(12、13、14、15、16、 17)固定在圆板(11)下表面，动平台连杆(10、18、19)成120°周向均勻分布，三 根动平台连杆(10、18、19)另一端分别通过铰链销(9、20、21)与所述三个分支的 上连杆(22、18、19)铰接。
全文摘要
本发明涉及一种三自由度欠驱动机器人手腕装置。它包括静平台、动平台、三个分支和两个驱动动力源。静平台通过三个分支铰链动平台，三个分支中两个分支分别连接两个驱动动力源，在两个驱动动力源的驱动下，经三个分支的传动，动平台作三自由度运动。
文档编号B25J17/02GK102009414SQ20101061011
公开日2011年4月13日 申请日期2010年12月29日 优先权日2010年12月29日
发明者何斌, 刘文珍 申请人:上海大学