专利名称：一种能实现万向调节精确定位的机器人手腕结构的制作方法
技术领域：
本申请涉及一种机器人关节，特别是用于机器人手腕的能够精确定位的关节。
背景技术：
现在典型的机器人结构是有手臂和手腕结构组成，手臂是用来位置定位，而手腕是实现姿态。手腕结构是否合理直接影响到机器人的姿态调整空间及姿态调整的精度。目前，大部分的手腕结构只能在一个有限的范围进行姿态调整。例如，医疗机器人的手腕结构，尺寸必须紧凑，定位精度高，而且方便逆运动学的求解。为了保证机器人的精度，一般都对机器人进行标定。定位有光学导航仪，磁定位仪，机械定位。该结构充分利用定位的标定，来实现末端姿态的任意精确调整。图1所示为一个典型的工业机器人，其结构为常见的手臂+手腕结构。前3 个旋转关节为位置调整，4、5、6关节组合而成腕关节为姿态调整。手腕关节为典型的 roll+pitch+roll球形关节，三个关节的轴线相交一点。该工业机器人的腕关节为了获得较大的姿态调整，不得不把4关节和5关节之间的臂杆尺寸变的很大，不能应用在小型腕关节上。且不能实现全方位的调整。现有技术中还教导了一种利用被动球关节当作末端腕关节的技术方案。在该技术方案中，虽然被动球关节能够获得较大的姿态调整方位，但是不能实现精确调整，而同样不能实现全方位的调整。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明实施例提供一种拥有高精度、尺寸小、调节范围大，并且传动平稳、安装简单的机器人手腕，以解决现有技术的问题。—种机器人手腕，用于将所述机器人的前臂与手部相连接，包括一关节，其与所述机器人的前臂连接，并能绕其轴转动，所述一关节的轴与所述前臂互相平行；二关节，其与所述一关节连接，并能绕其轴摆动，所述二关节的轴与所述一关节的轴互相垂直；三关节，其与所述二关节连接，并能绕其轴转动，所述三关节的轴与所述二关节的轴互相垂直；被动球关节，其连接于所述三关节与末端执行器之间，并能锁紧定位；所述一关节、二关节和三关节的轴相交于一点。优选地，所述一关节和三关节为能够在360°范围内转动的关节，所述二关节为能在-90° 90°范围内摆动的关节，所述被动球关节能够在-90° 90°范围内调整。优选地，所述一关节的电机用螺钉安装固定在电机支承座上，电机输出轴用带有切面的胀紧套压紧在关节连接轴上，内有螺纹压紧；此关节的轴承安装方式采用内圈转动、 外圈固定的方式，轴承内圈固定在关节连接轴上，轴承外圈固定在电机座上，左端用电机固定座的阶梯轴固定，右端用轴承盖压紧；还设有内外隔套，使得此关节能承受一定的弯矩； 在轴承盖的上面设置有霍尔传感器，用于位置的标定。优选地，所述二关节包括轴座、轴套、轴承、压盖、紧定螺钉和电机；其中轴座起连接一、二关节、同时固定中间轴套的作用；中间轴套用螺钉孔固定，并通过在其上的隔套来固定两个轴承，电机用螺钉固定在轴套上；在上端的轴承压盖上，开有带有键槽的孔，在断面上有一个切面，切面加工有螺纹，电机轴的固定采用紧定螺钉和键；在隔套上设有霍尔传感器，能够定位关节的初始运动位置。优选地，所述三关节结构形式和所述一关节的形式基本相同，轴承采用外圈固定、 内圈转动的方式，内圈较紧的配合保证传动的稳定和精确，外圈采用较松的配合方便安装， 同时电机轴于输出轴套的连接采用带有切面的胀紧套传动。优选地，所述被动球关节包括球铰底托、球铰上托、球铰盖、顶紧杆、凸轮、转动手把、转动轴、固定套、复位弹簧和锁紧螺母；所述被动球关节能够通过旋转转动把手带动凸轮，使得顶紧杆进行直线运动，从而压紧球铰，利用凸轮的压力角自锁，实现固定球关节。松开转动手把，由复位弹簧带动顶紧杆复位，松开球关节；所述球铰底托通过螺纹固定在球座中间的螺纹孔上，在固定套内的凹起的带有台阶的孔用来固定轴承，轴承通过锁紧螺母和台阶固定在转动把手内，而内带有螺纹孔的球铰底盖通过螺钉固定在转动把手上。顶紧杆上端面球面切除能与球铰配合，达到很好的锁紧效果；所述球铰上托固定在球铰底托上，在球铰的球形表面涂有一层橡胶，使得球铰锁紧时，不会出现松动的现象。一种机器人，其特征在于，包括前臂和末端执行器，所述前臂和末端执行器通过根据以上技术方案之一所述的机器人手腕相连。通过以上技术方案，本发明具有以下有益效果1、结构紧凑，安装简单，大大减小了手腕的尺寸并提高了手腕刚度。2、电机轴固定方式采用带有切面的胀紧套固定，传动平稳。3、关节连接出用止口，关节的位置采用可调整的方式，通过选型减少轴承的轴向游隙，电机传动采用直接驱动方式，提高了整个手腕的精度。4、采用主动关节+被动球关节的方式大大提高了手腕的姿态调整范围。总之，该腕关节结构拥有高精度，尺寸小，调节范围大。并且传动平稳，安装简单。
图1是现有技术中的机器人手腕关节结构图；图2是本发明的机器人手腕关节模型图；图3是本发明的机器人手腕关节结构4是本发明的机器人手腕关节的一关节结构图；图5是本发明的机器人手腕关节的二关节结构图；图6是本发明的机器人手腕关节的三关节结构图；图7是本发明的机器人手腕关节的被动球关节结构图；图8是本发明的机器人手腕关节的主动关节调节范围示意图；图9是本发明的机器人手腕关节的调节范围示意图。
1.轴座2. M3X 10开槽沉头螺钉3. M2. 5X6开槽沉头螺钉4.压盖5. 61807深沟球轴承6.内隔套7.外隔套8. M2. 5X8开槽沉头螺钉9.霍尔传感器10.关节连接轴11. M3X9内六角螺钉12.压盖13.压紧螺母14. M3X9内六角螺钉15.连接座16. M2. 5X8内六角螺钉 17.压盖18. 61808深沟球轴承19.内轴套20. EC32+G P32A-4电机21. M3X10开槽沉头螺钉22.小臂焊接23. M2. 5X8开槽沉头螺钉24. M3X8开槽沉头螺钉25. A2X2平键26.压盖27.隔套28.压盖29.霍尔定位盘30. EC32+G P32A-4电机31.小臂焊接32. M3 X 10开槽沉头螺钉33.轴承压盖34.深沟球轴承20Cr35.内隔套36.外隔套37.连接轴38.霍尔传感器39.压盖40.压紧螺母41. 6-14-2紧定套42. M2. 5X6开槽沉头螺钉43. M2. 5X8 内六角螺钉44.末端连接座45.外套46.隔套47.锁紧螺母48.转动杆49. 1000800轴承 50.凸轮51.顶杠52.连接块53.球铰底托54.转动把手55.球铰56.球铰上托57.末端器58.复位弹簧
具体实施例方式图2示出了本发明的机器人手腕关节的结构。机器人手腕关节包括一关节、二关节、三关节和被动球关节，其具体结构如图3-5所示。一关节的电机用4个m3的螺钉安装固定在电机支承座上，电机输出轴用带有切面的胀紧套压紧在一关节连接轴上，内有m6的螺纹压紧。此关节的轴承安装方式采用，内圈转动，外圈固定的方式，两个61807的深沟球轴承内圈固定在一关节的连接轴上，右端用连接轴的阶梯轴固定，一端用压盖压紧，轴承外圈固定在电机座上，左端用电机固定座的阶梯轴固定，右端用轴承盖压紧。在两轴承的中间有内外隔套，使得此关节能承受一定的弯矩。 轴承的内圈配合采用较紧的配合，保证传动的稳定性，外圈采用较松的配合，方便装配。在轴承盖的上面粘有霍尔传感器，用于位置的标定。该关节采用轴套结构，使得关节紧凑，传动平稳。电机的固定方式采用带有切面的胀紧套固定，使得连接非常稳固，不会出现电机轴打滑的现象。在一关节和二关节的连接处用止口的加工精度保证一关节的轴线在二关节中的精确定位。二关节为摆动关节，其结构由轴座，轴套，轴承，压盖，紧定螺钉，电机组成。其中轴座起连接一、二关节，同时固定中间轴套的作用。用高精度加工的螺钉孔，固定中间轴套。中间轴套通过在其上的隔套来固定两个61808深沟球轴承，由于轴承内圈套在一个加工件上，该结构同轴度很高，保证了精确传动。同时电机通过轴套，用4个m3的螺钉固定在轴套上，使得结构非常紧凑。在上端的轴承压盖上，开有带有键槽的孔，在断面上有一个长为6的切面，切面大有m2. 5的螺纹，电机轴的固定采用紧定螺钉和键，这样电机传动平稳， 精确，不会因为长时间的运行而出现电机转动、输出轴不转动的现象。在隔套上套有霍尔传感器，能够精确的定位关节的初始运动位置。3关节的轴线是否与一关节的轴线相交于一点，取决于两个因素一是2关节的输出轴套的加工精度；二是在运动时，固定在二关节的两个61808的轴向游隙。对于第一个因素，由于2关节的输出轴套(3关节的电机固定座)是一个工件，可以通过加工精度保证，二是可通过中间的隔套调节。对于第二个因素，选用两个径向游隙较小的轴承，即可以有效降低成对安装轴承的轴向游隙。综合考虑，能够保证1关节的轴线和3关节的轴线相交于一点ο3关节结构形式和1关节的形式大体相同，轴承也是采用外圈固定，内圈转动，内圈较紧的配合保证传动的稳定和精确，外圈采用较松的配合方便安装。同时电机轴于输出轴套的连接采用带有切面的胀紧套传动。被动球关节通过带有止口的球座与3关节相连。整个球关节包括球铰底托、球铰上托、球铰盖、顶紧杆、凸轮、转动手把、转动轴、固定套、复位弹簧和锁紧螺母；所述被动球关节能够通过旋转转动把手带动凸轮，使得顶紧杆进行直线运动，从而压紧球铰，利用凸轮的压力角自锁，实现固定球关节。松开转动手把，由复位弹簧带动顶紧杆复位，松开球关节；所述球铰底托通过螺纹固定在球座中间的螺纹孔上，在固定套内的凹起的带有台阶的孔用来固定轴承，轴承通过锁紧螺母和台阶固定在转动把手内，而内带有螺纹孔的球铰底盖通过螺钉固定在转动把手上。顶紧杆上端面球面切除能与球铰配合，达到很好的锁紧效果；所述球铰上托固定在球铰底托上，在球铰的球形表面涂有一层橡胶，使得球铰锁紧时，不会出现松动的现象。对于一般的主动的手腕结构，由于机械的限制，一般不能调节360°全方位的姿态，而只有被动的手腕结构，很难做到精确的调整姿态。该手腕结构综合了被动的球关节和主动手腕结构，能够空间360°全方位的调整。取3关节的轴线方向为执行器的ζ方向。1关节为360 °转动关节，2关节为-90° 90°的摆动关节，所以3个主动关节能调整的范围为一个半球如图7所示。当在第3关节末端加上被动球关节后，末端执行器方向可以调整，这样这个手腕的调节范围发生了变化，如图8所示。对于不同的球关节方向，其主动关节调整姿态的调整中心线，即末端执行器ζ方向不同。当球关节的调整方位为-90° 90°即末端执行器方向1和末端执行器方向3，由图8可知，此结构拥有整个球面的调整姿态范围。以上所述仅为本发明的几种具体实施例，以上实施例仅用于对本发明的技术方案和发明构思做说明而非限制本发明的权利要求范围。凡本技术领域中技术人员在本专利的发明构思基础上结合现有技术，通过逻辑分析、推理或有限实验可以得到的其他技术方案， 也应该被认为落在本发明的权利要求保护范围之内。
权利要求
1.一种机器人手腕，用于将所述机器人的前臂与手部相连接，包括一关节，其与所述机器人的前臂连接，并能绕其轴转动，所述一关节的轴与所述前臂互相平行；二关节，其与所述一关节连接，并能绕其轴摆动，所述二关节的轴与所述一关节的轴互相垂直；三关节，其与所述二关节连接，并能绕其轴转动，所述三关节的轴与所述二关节的轴互相垂直；被动球关节，其连接于所述三关节与末端执行器之间，并能锁紧定位；所述一关节、二关节和三关节的轴相交于一点。
2.根据权利要求1所述的机器人手腕，其特征在于，所述一关节和三关节为能够在 360°范围内转动的关节，所述二关节为能在-90° 90°范围内摆动的关节，所述被动球关节能够在-90° 90°范围内调整。
3.根据权利要求1或2所述的机器人手腕，其特征在于，所述一关节的电机用螺钉安装固定在电机支承座上，电机输出轴用带有切面的胀紧套压紧在关节连接轴上，内有螺纹压紧；此关节的轴承安装方式采用内圈转动、外圈固定的方式，轴承内圈固定在关节连接轴上，轴承外圈固定在电机座上，左端用电机固定座的阶梯轴固定，右端用轴承盖压紧；还设有内外隔套，使得此关节能承受一定的弯矩；在轴承盖的上面设置有霍尔传感器，用于位置的标定。
4.根据权利要求1或2所述的机器人手腕，其特征在于，所述二关节包括轴座、轴套、轴承、压盖、紧定螺钉和电机；其中轴座起连接一、二关节、同时固定中间轴套的作用；中间轴套用螺钉孔固定，并通过在其上的隔套来固定两个轴承，电机用螺钉固定在轴套上；在上端的轴承压盖上，开有带有键槽的孔，在断面上有一个切面，切面加工有螺纹，电机轴的固定采用紧定螺钉和键；在隔套上设有霍尔传感器，能够定位关节的初始运动位置。
5.根据权利要求1或2所述的机器人手腕，其特征在于，所述三关节结构形式和所述一关节的形式基本相同，轴承采用外圈固定、内圈转动的方式，内圈较紧的配合保证传动的稳定和精确，外圈采用较松的配合方便安装，同时电机轴于输出轴套的连接采用带有切面的胀紧套传动。
6.根据权利要求1或2所述的机器人手腕，其特征在于，所述被动球关节包括球铰底托、球铰上托、球铰盖、顶紧楔套、转动把手和定位橡胶圈；所述被动球关节能够通过旋转转动把手，使得顶紧楔套进行直线运动，从而压紧球铰，实现固定球关节；所述球铰底托通过螺纹固定在球座中间的螺纹孔上，在球座的上凸起的带有台阶的轴用来固定轴承，轴承通过卡簧和台阶固定在转动把手内，而内带有螺纹孔的球铰底盖通过螺钉固定在转动把手上，顶紧楔套通过螺纹旋在带有螺纹的球铰底盖上，而顶紧楔套有方槽控制其旋转；所述球铰上托固定在球铰底托上，在球铰上托上开有两个方向的槽，在球铰的球形表面涂有一层橡胶，使得球铰锁紧时，不会出现松动的现象。
7.一种机器人，其特征在于，包括前臂和末端执行器，所述前臂和末端执行器通过根据权利要求1-6之一所述的机器人手腕相连。
全文摘要
本发明公开了一种能实现万向调节精确定位的机器人手腕结构，针对目前存在的几种手腕结构的缺点，充分利用主动调整关节的精确调整和被动的球关节的粗略调整，其中主动调整关节由电机驱动控制，可以实现姿态的微调，而其紧凑精确的关节形式不仅保证了逆运动学的求解，而且实现了精确的定位。其中带有锁紧机构的被动球关节能使末端执行器粗略的调整姿态。从而实现末端姿态的万向调整。
文档编号B25J9/08GK102303318SQ201110168939
公开日2012年1月4日 申请日期2011年6月22日 优先权日2011年6月22日
发明者于华涛, 孔祥战, 朱翔宇, 段星光, 王兴涛 申请人:北京理工大学