本发明专利技术属于仿人假肢相关技术领域，其公开了一种三轴相交的电机直驱多自由度腕关节机构及仿人假肢，腕关节机构包括手掌模块、腕关节掌屈伸模块、腕关节桡尺偏模块及腕关节内外旋模块，腕关节桡尺偏模块连接腕关节内外旋模块及腕关节掌屈伸模块，腕关节屈伸模块远离腕关节桡尺偏模块的一端连接于手掌模块；腕关节内外旋模块提供了腕关节内外旋自由度，腕关节桡尺偏模块提供了腕关节桡尺偏自由度；腕关节掌屈伸模块提供了腕关节掌屈伸自由度；腕关节内外旋自由度的旋转轴线、腕关节桡尺偏自由度的旋转轴线及腕关节掌屈伸自由度的旋转轴线相交于一点。本发明专利技术实现了腕关节三个运动自由度的主动柔顺控制，且使得该腕关节结构的运动具备极高的仿人性。具备极高的仿人性。具备极高的仿人性。
【技术实现步骤摘要】
一种三轴相交的电机直驱多自由度腕关节机构及仿人假肢
[0001]本专利技术属于仿人假肢相关
，更具体地，涉及一种三轴相交的电机直驱多自由度腕关节机构及仿人假肢。
技术介绍
[0002]仿人机械腕关节结构是仿人工程学和机械臂领域应用需求的结合产物，对腕关节的设计参数有一定的要求，包括整体长度、负载以及电路系统部分。同时也要求模拟真实人腕的关节自由度，现有的腕关节结构往往只有手腕背屈/掌屈、桡偏/尺偏两个自由度，与真实人腕具有的自由度相差甚远。
[0003]仿人机械腕关节在运动模式上与人手腕相类似，因此其行为是可以预期的，与之协作的残障人士会感到更自然，人机协作效率更高。仿人机械腕关节要频繁的和人进行交互,所以在物理上必须是安全的，机械臂的运动必须是柔顺的。现有的机械腕关节多采用齿轮、绳驱传动，容易磨损的同时也造成运动精度的降低，特别是传动方式的回程间隙与摩擦无法量化预测，影响驱动系统的功率密度和整体响应性能。而其他以气动肌肉等作为动力源的方法必然导致日常使用的上肢残疾患者要背负一整套气泵系统，实际使用效果不佳。
技术实现思路
[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种三轴相交的电机直驱多自由度腕关节机构及仿人假肢，其具有普适性，可以用于大多数的机械臂上充当腕关节机构，可以实现腕关节三个运动自由度的主动柔顺控制，且三个运动自由度的轴线相交于一点，使得该腕关节结构的运动具备极高的仿人性。
[0005]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种三轴相交的电机直驱多自由度腕关节机构，所述腕关节机构包括手掌模块、腕关节掌屈伸模块、腕关节桡尺偏模块及腕关节内外旋模块，所述腕关节桡尺偏模块连接所述腕关节内外旋模块及所述腕关节掌屈伸模块，所述腕关节屈伸模块远离所述腕关节桡尺偏模块的一端连接于所述手掌模块；
[0006]所述腕关节内外旋模块提供了腕关节内外旋自由度，所述腕关节桡尺偏模块提供了腕关节桡尺偏自由度；所述腕关节掌屈伸模块提供了腕关节掌屈伸自由度；所述腕关节内外旋自由度的旋转轴线、所述腕关节桡尺偏自由度的旋转轴线及所述腕关节掌屈伸自由度的旋转轴线相交于一点。
[0007]进一步地，所述腕关节桡尺自由度的旋转轴线偏移45
°
。
[0008]进一步地，腕关节桡尺偏的角度由所述腕关节内外旋自由度、所述腕关节桡尺偏自由度及所述腕关节掌屈伸自由度共同决定。
[0009]进一步地，所述腕关节内外旋模块包括前臂连接固定套、腕关节内外旋驱动件、电机输出套筒、内外旋中空式磁编码器、内外旋编码内圈固定座及内外旋编码外圈固定座；所述腕关节内外旋驱动件固定连接于所述前臂连接固定套；所述内外旋编码外圈固定座的一端连接于所述前臂连接固定套，所述内外旋中空式磁编码器固定连接所述内外旋编码外圈
固定座的另一端及所述内外旋编码内圈固定座，以实现内外旋转动角度的主动检测；所述电机输出套筒固定连接于所述腕关节内外旋驱动件，且部分地收容于所述内外旋编码外圈固定座内。
[0010]进一步地，所述腕关节内外旋驱动件用于直接驱动所述电机输出轴套筒，以提供腕关节内外旋自由度，并通过所述电机输出轴套筒传递运动给所述腕关节桡尺偏模块。
[0011]进一步地，所述腕关节桡尺偏模块包括碳素圆筒轴、棱形金属块、异形插槽件、腕关节桡尺驱动件、桡尺偏内圈固定座及桡尺偏中空式磁编码器；所述碳素圆筒轴的一端固定连接于所述电机输出轴套筒，另一端固定连接于所述棱形金属块；所述棱形金属块固定连接于所述异形插槽件的一端；所述腕关节桡尺驱动件固定连接所述异形插槽件，且所述桡尺偏内圈固定座固定连接所述腕关节驱动件，所述桡尺中空式磁编码器固定连接于所述桡尺内圈固定座。
[0012]进一步地，所述腕关节桡尺偏模块通过所述桡尺偏内圈固定座连接于所述腕关节掌屈伸模块。
[0013]进一步地，所述腕关节掌屈伸模块包括手掌模块连接座、掌屈伸旋转板、掌屈伸深沟球轴承、方形轴承座、外侧保护板、内侧保护板、腕关节掌屈伸驱动件、方形电机轴套、掌屈伸驱动板及掌屈伸中空式磁编码器；所述手掌模块连接座呈凹字型，所述掌屈伸旋转板的一端及所述掌屈伸驱动板的一端分别固定连接于所述手掌模块连接座相背的两端；所述腕关节掌屈伸模块通过所述手掌模块连接座连接于所述手掌模块；所述掌屈伸旋转板的另一端与所述掌屈伸深沟球轴承相嵌套，所述掌屈伸深沟球轴承与所述方形轴承座相嵌套；所述方形轴承座连接所述内侧保护板的一端及所述外侧保护板的一端，所述方形电机轴套连接所述内侧保护板的另一端及所述外侧保护板的另一端；所述腕关节掌屈伸驱动件连接于所述方形电机轴套；所述掌屈伸驱动板的另一端固定连接于所述腕关节掌屈伸驱动件；所述掌屈伸中空式磁编码器固定连接于所述掌屈伸驱动板；所述内侧保护板固定连接所述桡尺偏内圈固定座。
[0014]进一步地，所述碳素中筒轴的中心轴、所述腕关节桡尺驱动件的中心轴与所述腕关节掌屈伸驱动件的中心轴相交于空间一点上；所述碳素圆筒轴的中心轴与所述腕关节内外旋驱动件的中心轴重合。
[0015]本专利技术提供了一种仿人假肢，所述仿人假肢包括如上所述的三轴相交的电机直驱多自由度腕关节机构及假肢臂，所述腕关节机构连接于所述假肢臂。
[0016]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本专利技术提供的三轴相交的电机直驱多自由度腕关节机构及仿人假肢主要具有以下有益效果：
[0017]1.所述腕关节内外旋自由度的旋转轴线、所述腕关节桡尺偏自由度的旋转轴线及所述腕关节掌屈伸自由度的旋转轴线相交于一点，此结构设计与人体手腕实际的生理结构特点相呼应，使得该结构在运动时具备极好的仿人行为，人体手腕运动时的屈伸、桡尺、内外旋自由度的旋转角度能够用在该腕关节结构上。
[0018]2.所述腕关节桡尺自由度的旋转轴线偏移45
°
，与腕关节内外旋自由度的旋转轴线呈一定夹角。此结构设计避免了因电机的体积原因造成的腕关节机械结构运动范围减小的问题，尤其针对的是腕关节屈伸自由度，当手腕结构伸展时，腕关节桡尺自由度偏移45
°
的设计将能为手腕伸展提供足够的不小于人体运动范围的空间。
[0019]3.关节间通过电机力矩环直驱传动并带位置环控制反馈，在降低传动系统复杂度的同时提高了控制成熟度与精准度，实现了精准操控。
[0020]4.所述腕关节机构具有运动精度高、柔顺性强、轻量化、走线简单、制造和控制难度更低等特点，可以应用于家庭服务、康复医疗、服务机器人等领域。
附图说明
[0021]图1是本专利技术提供的一种三轴相交的电机直驱多自由度腕关节机构的示意图；
[0022]图2是图1中的三轴相交的电机直驱多自由度腕关节机构的腕关节内外旋模块的示意图；
[0023]图3是图1中的三轴相交的电机直驱多自由度腕关节机构的腕关节桡尺偏模块的示意图；
[0024]图4是图1中的三轴相交的电机直驱多自由度腕关节机构的腕关节掌屈伸模块的示意图；
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种三轴相交的电机直驱多自由度腕关节机构，其特征在于：所述腕关节机构包括手掌模块、腕关节掌屈伸模块、腕关节桡尺偏模块及腕关节内外旋模块，所述腕关节桡尺偏模块连接所述腕关节内外旋模块及所述腕关节掌屈伸模块，所述腕关节屈伸模块远离所述腕关节桡尺偏模块的一端连接于所述手掌模块；所述腕关节内外旋模块提供了腕关节内外旋自由度，所述腕关节桡尺偏模块提供了腕关节桡尺偏自由度；所述腕关节掌屈伸模块提供了腕关节掌屈伸自由度；所述腕关节内外旋自由度的旋转轴线、所述腕关节桡尺偏自由度的旋转轴线及所述腕关节掌屈伸自由度的旋转轴线相交于一点。2.如权利要求1所述的三轴相交的电机直驱多自由度腕关节机构，其特征在于：所述腕关节桡尺自由度的旋转轴线偏移45
°
。3.如权利要求1所述的三轴相交的电机直驱多自由度腕关节机构，其特征在于：腕关节桡尺偏的角度由所述腕关节内外旋自由度、所述腕关节桡尺偏自由度及所述腕关节掌屈伸自由度共同决定。4.如权利要求1所述的三轴相交的电机直驱多自由度腕关节机构，其特征在于：所述腕关节内外旋模块包括前臂连接固定套、腕关节内外旋驱动件、电机输出套筒、内外旋中空式磁编码器、内外旋编码内圈固定座及内外旋编码外圈固定座；所述腕关节内外旋驱动件固定连接于所述前臂连接固定套；所述内外旋编码外圈固定座的一端连接于所述前臂连接固定套，所述内外旋中空式磁编码器固定连接所述内外旋编码外圈固定座的另一端及所述内外旋编码内圈固定座，以实现内外旋转动角度的主动检测；所述电机输出套筒固定连接于所述腕关节内外旋驱动件，且部分地收容于所述内外旋编码外圈固定座内。5.如权利要求4所述的三轴相交的电机直驱多自由度腕关节机构，其特征在于：所述腕关节内外旋驱动件用于直接驱动所述电机输出轴套筒，以提供腕关节内外旋自由度，并通过所述电机输出轴套筒传递运动给所述腕关节桡尺偏模块。6.如权利要求4所述的三轴相交的电机直驱多自由度腕关节机构，其特征在于：所述腕关节桡尺偏模块包括碳素圆筒轴、棱形金属块、异形插槽件、腕关节桡尺驱动件、桡尺偏内圈...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈文斌，郁鑫伟，蔡俊杰，张闰哲，周志洁，方向，熊蔡华，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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