一种四自由度一体化机器人关节机构制造技术

一种四自由度一体化机器人关节机构，它涉及一种机器人关节。本发明专利技术为解决目前实际应用的机器人基本由单一自由度关节组成而导致的机器人整体机构复杂庞大的问题，技术要点：所述关节机构的驱动缸的内表面设有点阵绕组，驱动子主体的外表面设有点阵永磁体；三个第一端板、三个第二端板分别合在一起形成的轮廓均是与驱动缸内表面同轴的圆环；三个圆柱曲面形驱动子主体合在一起形成的轮廓是与驱动缸内表面同轴的圆柱体，每个驱动子沿相应的两个导杆沿轴向滑动；三个连杆的一端各自通过转动副与三个驱动子伸出端杆的伸出端连接，另一端各自通过球面副与端平台内侧面连接。本发明专利技术可以应用于机器人关节、关节损伤或运动障碍患者的康复治疗等领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种机器人关节，具体涉及一种四自由度一体化机器人关节机构，属 于机器人运动结构和驱动

技术介绍
机器人是一种能够代替人从事多类工作的高度灵活的自动化机械。机器人关节是 机器人实现运动和定位的关键部位和核心技术，其结构、重量、尺寸对机器人性能有直接影 响。目前实际应用的工业和娱乐机器人运动关节常见形式主要有移动关节和转动关节，基 本都由单一电机、气缸或液压缸等驱动模块分别独立驱动单一自由度关节，系统集中度差， 导致机器人机构复杂庞大、输出功率和重量比小。如果改为多自由度机构驱动单一关节，就可以减少关节与驱动部件(如电机、气 缸等)数目及相应的减速及传动机构。例如，腕关节的三个转动动作若由一个三自由度球 形电机来实现，就可简化结构，提高精度，消除传动间隙与变形，减轻重量，便于实现冗余自 由度的操作。80年代初期曾出现一些多自由度电机设计专利，1986年美国乔治亚理工大学的 vachtesevanos和Lee曾发表了交流型和步进型电机的设计思想，1991年日本东京农业大 学Toyama等人研究了超声型电机的设计思想，然而直到1993年在日本东京举办的“93国 际工业机器人展”上才正式展出由安川电机等六家单位联合开发的第一台三自由度电机的样品。在我国，西北工业大学苏仲飞等人1986年开始，以无刷直流型球形电机为方向对 机器人关节用三自由度球形直流伺服电机进行了概念性研究；接着，在863计划的“八五” 规划中立项，并完成工程型样机的试制与初步实验研究。华中理工大学研制了一台三自由 度球形感应电动机，该电机采用框架支撑结构，转子是一个球，定子是一个开孔的球壳，定 转子上分别布置3套相互正交的三相绕组。浙江大学研制了一种用于机器人球关节的两自 由度的球形步进电动机，由两台五相混合式步进电机组成。哈尔滨工业大学程树康教授等 人1996年开始，对正交圆柱结构三自由度电动机进行了研究。然而，对于球形电动机而言，球形壳体加工的复杂性及动力学输出性能等方面还 没有突破性的进展。对于超声波电机而言，摩擦磨损和多组定子之间的干涉等一系列问题 依然存在问题。其他结构的多自由度电机也都和实际应用存在差距。综上，现有的多自由 度电机的技术还不成熟，无法实际应用于机器人关节的运动，进而无法解决用一个电机实 现机器人关节多自由运动的问题。
技术实现思路
为解决目前实际应用的机器人基本由单一自由度关节组成而导致的机器人整体 机构复杂庞大的问题，本专利技术设计一种4自由度一体化机器人关节机构，实现多自由度驱 动的一体化和集约化，即用一个机器人关节机构(本专利技术)可实现机器人关节多自由运动。本专利技术为解决上述技术问题采取的技术方案是技术方案一本专利技术所述的一种四自由度一体化机器人关节机构，所述关节机构 包括端平台、支撑体和驱动组件构成，所述支撑体由端盖、第一滑盘、第二滑盘、六个导杆、 挡圈和外缸体构成；所述驱动组件包括驱动缸、三个驱动子和三个连杆；每个驱动子由圆 柱曲面形驱动子主体、第一端板、第二端板和驱动子伸出端杆构成，圆柱曲面形驱动子主 体、第一端板和第二端板构成驱动子的缸内部分；所述关节机构的驱动缸的内表面设有点 阵绕组(线圈)，圆柱曲面形驱动子主体的外表面设有点阵永磁体；第一端板、第二端板平 行设置在圆柱曲面形驱动子主体的两端，圆柱曲面形驱动子主体的一端与第一端板固接， 圆柱曲面形驱动子主体的另一端与第二端板固接，驱动子伸出端杆的一端与第一端板的外 端面固接为一体，第一端板、第二端板均为圆心角小于120°的部分圆环形板，三个第一端 板、三个第二端板分别合在一起形成的轮廓均是与驱动缸内表面同轴的圆环；圆柱曲面形 驱动子主体的圆柱面为小于三分之一圆柱面；三个圆柱曲面形驱动子主体合在一起形成的 轮廓是与驱动缸内表面同轴的圆柱体，驱动缸安装在外缸体的内腔中，端盖与外缸体的一 端连接，外缸体的两端各设有第一滑盘、第二滑盘，且所述第二滑盘位于端盖的内腔中并与 挡圈相接触，第二滑盘可与挡圈相对滑动；所述挡圈夹在外缸体相应端面与端盖之间并与 二者固联，挡圈的作用是对第二滑盘进行轴向限位；所述第一滑盘搭接在外缸体的内侧凸 缘上并与所述凸缘的外端面相接触，第一滑盘与凸缘相对滑动；六个导杆沿轴向均布设置 在驱动缸的内腔中，每个导杆的一端与第一滑盘联接，每个导杆的另一端与第二滑盘联接； 每个驱动子上的第一端板、第二端板分别套装在相邻的两个导杆上，且第二端板靠近端盖 设置，每个驱动子沿相应的两个导杆沿轴向滑动，三个驱动子的缸内部分均位于驱动缸的 内腔中，三个驱动子伸出端杆的另一端均穿出第一滑盘；三个连杆的一端各自通过转动副 与三个驱动子伸出端杆的伸出端连接，三个连杆的另一端各自通过球面副与端平台内侧面 连接。技术方案二 本方案所述的四自由度一体化机器人关节机构与技术方案一的不同 之处在于，驱动缸的内表面设有点阵永磁体，圆柱曲面形驱动子主体的外表面设有点阵绕 组(线圈)，其它与技术方案一相同。本专利技术的有益效果是本专利技术圆柱驱动缸内有三个相同的驱动子，在电磁力驱动下分别能独立沿导杆轴 向上下运动，驱动子伸出端杆通过转动副联接三个连杆，连杆分别通过球副联接端平台，从 而形成3-PRS并联机构，实现3自由度(1T2R)运动；同时，三个驱动子在电磁力作用下可 同步绕驱动缸圆柱面中心轴一起周向转动，相当于上述并联机构又串联了一个转动(R)运 动。从而使该关节运动等效四自由度(R+1T2R)混联机构，即端平台相对端盖实现绕笛卡尔 空间三坐标轴独立主动旋转的姿态调整和伸缩运动共四个自由度。本专利技术实现了用一个机器人关节模块(本专利技术所设计机器人关节)作多自由度运 动功能，从而解决了机械臂等领域目前用一个电机或驱动关节模块只能驱动一个自由度运 动的问题，并可提高机器人运动机构的集成度和模块化。本专利技术驱动组件部分为圆柱体结构，相对于以往研究的球形结构，更易于机械加 工，也便于布置永磁体阵列和绕组线圈阵列，同时也更易于改变外形(圆柱体长度或直径) 以利于和机械臂融合为一体化。本专利技术视具体应用要求可将端平台作为定平台，把盖端作为运动平台，也可以将 端盖作为定平台，把端平台作为动平台。本专利技术可以应用于机器人(机械臂)关节领域，也可用于多坐标机械加工中心、全 方位跟踪天线和全景摄影操作台等具有多个运动自由度的设备中，在关节损伤或运动障碍 患者的康复治疗等领域也具有广泛的应用前景，并且对于这类装置或设备的应用向小型化 及冗余自由度方向拓展都具有重要的意义。附图说明图1是本专利技术的整体外形示意图，图2是本专利技术的内部结构示意图(没有画出 端平台；为了表达内部结构，剖切掉一部分构件，致使含有的六个导杆从该中只能看到四 个)，图3是驱动子3的立体图，图4是驱动缸7的剖面图，图5是连杆2的立体图，图6是 半个外缸体10的立体图，图7是端平台1的立体图。具体实施例方式具体实施方式一如图1 7所示，本实施方式所述的一种四自由度一体化机器 人关节机构，所述关节机构包括端平台1、支撑体和驱动组件构成，所述支撑体由端盖11、 第一滑盘4、第二滑盘5、六个导杆6、挡圈8和外缸体10构成；所述驱动组件包括驱动缸 7、三个驱动子3和三个连杆2 ；每个驱动子3由圆柱曲面形驱动子主体3-1、第一端板3-2、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种四自由度一体化机器人关节机构，所述关节机构包括端平台（１）、支撑体和驱动组件构成，所述支撑体由端盖（１１）、第一滑盘（４）、第二滑盘（５）、六个导杆（６）、挡圈（８）和外缸体（１０）构成；其特征在于：所述驱动组件包括驱动缸（７）、三个驱动子（３）和三个连杆（２）；每个驱动子（３）由圆柱曲面形驱动子主体（３－１）、第一端板（３－２）、第二端板（３－３）和驱动子伸出端杆（３－４）构成，圆柱曲面形驱动子主体（３－１）、第一端板（３－２）和第二端板（３－３）构成驱动子的缸内部分；所述关节机构的驱动缸（７）的内表面设有点阵绕组（７－１），圆柱曲面形驱动子主体（３－１）的外表面设有点阵永磁体（３－１－１）；第一端板（３－２）、第二端板（３－３）平行设置在圆柱曲面形驱动子主体（３－１）的两端，圆柱曲面形驱动子主体（３－１）的一端与第一端板（３－２）固接，圆柱曲面形驱动子主体（３－１）的另一端与第二端板（３－３）固接，驱动子伸出端杆（３－４）的一端与第一端板（３－２）的外端面固接为一体，第一端板（３－２）、第二端板（３－３）均为圆心角小于１２０°的部分圆环形板，三个第一端板（３－２）、三个第二端板（３－３）分别合在一起形成的轮廓均是与驱动缸（７）内表面同轴的圆环；圆柱曲面形驱动子主体（３－１）的圆柱面为小于三分之一圆柱面；三个圆柱曲面形驱动子主体（３－１）合在一起形成的轮廓是与驱动缸（７）内表面同轴的圆柱体，驱动缸（７）安装在外缸体（１０）的内腔中，端盖（１１）与外缸体（１０）的一端连接，外缸体（１０）的两端各设有第一滑盘（４）、第二滑盘（５），且所述第二滑盘（５）位于端盖（１１）的内腔中并与挡圈（８）相接触，第二滑盘（５）与挡圈（８）相对滑动；所述挡圈（８）夹在外缸体（１０）相应端面与端盖（１１）之间并与二者固联，挡圈（８）的作用是对第二滑盘（５）进行轴向限位；所述第一滑盘（４）搭接在外缸体（１０）的内侧凸缘（１０－１）上并与所述凸缘（１０－１）的外端面相接触，第一滑盘（４）与凸缘（１０－１）相对滑动；六个导杆（６）沿轴向均布设置在驱动缸（７）的内腔中，每个导杆（６）的一端与第一滑盘（４）联接，每个导杆（６）的另一端与第二滑盘（５）联接；每个驱动子（３）上的第一端板（３－２）、第二端板（３－３）分别套装在相邻的两个导杆（６）上，且第二端板（３－３）靠近端盖（１１）设置，每个驱动子（３）沿相应的两个导杆（６）沿轴向滑动，三...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张广玉，顾海栋，陈志刚，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]