三自由度球型空间机器人手腕制造技术

一种三自由度球型空间机器人手腕，它涉及一种机器人手腕。针对三自由度机器人手腕结构复杂、集成度低、自身重量大且存在运动耦合的问题。上半球轴与末端执行器接口转动连接，上半球和下半球转动连接，上半球和下半球的接触面为偏置斜面，偏置斜面与水平面之间的角度为10°-25°，上半球电机与减速机构通过上半球齿轮传动机构与万向节轴固接，万向节轴通过内部万向节与上半球轴固接，上半球轴与末端执行器接口转动连接，下半球电机与减速机构通过下半球齿轮传动机构与下半球轴固接，自转电机与减速机构通过自转齿轮传动机构与转盘固接，转盘通过外部万向节与末端执行器接口传动连接。本发明专利技术用于宇航机器人中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种空间机器人手腕。技术背景空间机器人在星球探测与采样、航天器和空间站的维护等任务中发挥着越来越重 要的作用，如实现月球与火星表面土壤的采样、飞船的控制与舱门的开启、空间舱段的组 装、航天器的维修等，均可代替宇航员完成，空间机器人的显著特征是结构紧凑，集成化程 度高，功重比和作用空间大。应用于危险和极限环境下的空间机器人对腕部的性能指标要求苛刻。腕部是连接 臂与手的重要基础部件，其性能直接影响空间机器人末端执行器的定位精度、灵活性与作 业功能。机器人腕部的功用是通过局部微小调整来改变末端执行器在空间的姿态，实现准 确定位，腕部的自由度及姿态范围直接影响机器人的灵活性、稳定性与定位精度，机器人任 意位置及姿态的控制需要六个自由度，手腕应有三个自由度，手腕位于臂部的前端，腕部的 重量又构成小臂的附加载荷而增加能耗。腕部是在狭小的空间实现三轴回转，因此手腕的 机构设计复杂、可变参数多，手腕的性能指标已经成为限制机器人在空间极限环境下应用 与扩展的主要瓶径。目前，机器人腕部尚不能完全满足空间作业要求，其三自由度运动的传递普遍采 用齿轮传动，结构复杂、集成度低，存在运动耦合问题，使得末端执行器的灵活性、姿态调整 能力和精确定位能力受限，空间机器人尚不能通过腕部的调整完成飞船舱门开启等复杂作 业，在星球采样方面也存在一些局限性。机器人手腕基本上可分为三类1.球型手腕，它的三个关节轴线相交于一点，其 位置和姿态是解耦的，逆运动学分析简单，结构紧凑，功重比大，所以空间机器人等特殊场 合下使用的机器人大多采用球型手腕。由于受机械结构的限制，这种手腕设计难度大，结 构复杂，重量难以降低，工作空间小，腕部的自转角度较小，一般在沈0°左右；2.非球型 手腕，它的三个轴线不交于一点，克服了机械结构的局限性，每个关节的转动角度都能达到 360°以上，但其缺点是结构不紧凑，体积庞大，限制了功重比指标的提高，运动不能解耦， 控制精度低；3.并联结构手腕，此种结构的手腕实际上是一种小型化的并联机构。The Martin Marietta和美国NASA的宇航飞行中心于1991年研制的一种用于空 间站装配的遥控机器人腕部模块，其电机的布置采用俯仰、侧摆和自转分离方式，但其结构 不紧凑，功重比小，三个关节的运动不解耦，控制精度低。US Patent No. 5239883公开的一种可通过齿轮副传动实现侧摆与俯仰两自由度 运动的球型机械腕部关节，由于运动的传递都是通过齿轮副的传动实现，因此其结构过于复杂，重量较大。1991年Graco Robotics, Inc.研制了紧凑型双万向节万向腕，它的斜齿轮传动链 由防倾斜的在齿轮滑轨内运动的凸轮机构导向来保证，克服了以往腕部功重比小和结构强 度欠佳的缺点，俯仰和侧摆分别由两个相交的万向节转动轴传动，使结构更加紧凑，但该腕部的缺点仍然是结构复杂，加工难度大，但腕部斜齿轮在载荷的作用下有跳跃的不平稳现象。NASA研制了新一代的腕部模块，传动系统采用三个并联的螺杆驱动实现侧摆、俯 仰，简化了设计，降低了成本，由于其附加的灵活性适于非结构化环境，NASA喷气推力实验 室已经将该万向腕成功的应用于处理危险的物品。但该腕部的缺点是要三个驱动实现侧 摆、俯仰两个运动。韩国提出了一种球型两自由度主动驱动机器人腕部关节，它的下半球运动通过齿 轮传动实现，上半球通过内部万向节传递运动，两个偏置斜面复合成手腕的侧摆与俯仰两 个运动，结构紧凑、简单，且实现了两个输入运动的解耦，并通过离合器的啮合程度控制传 递力矩的大小，使腕部在一定力矩的作用下成为被动腕，起到了过载荷保护和避免机械干 涉而损坏腕部关节的作用，但离合器的啮合会使手腕输出端的绝对位置不能记忆，使手腕 的位置控制失效，此外该腕部只能实现两个自由度的运动。目前，由于腕部不能实现姿态的准确调整，给空间机器人在外星球取样任务的顺 利完成带来了困难与不便，主要原因是通过其它大关节的配合运动实现执行器末端姿态准 确调整时存在运动耦合问题，还会带来整个机械臂的振颤而影响定位精度。空间机器人不能开启舱门的原因是腕部自转角度有限，通过其它关节的配合运动 实现执行器末端的旋转存在运动耦合问题，会发生旋转轨迹的机械干涉而使舱门的开启失 败；旋启舱门后的拉开过程中，末端执行器的运动轨迹还会与舱门旋转轨迹发生机械干涉 而失败，甚至损坏腕部；机械臂在外星球探险时，从土壤中拉出石头的过程也同样存在易损 坏腕部的问题，解决途径是要求腕部能实现主、被动腕的工作模式。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种三自由度球型空间机器人手腕，以解决目前三自由度机 器人手腕结构复杂、集成度低、自身重量大且存在运动耦合的问题。本专利技术为解决上述技术问题采取的技术方案是手腕包括球型组件、上半球齿轮 传动机构、上半球电机与减速机构、下半球电机与减速机构、机架、下半球齿轮传动机构、自 转电机与减速机构、自转齿轮传动机构、转盘、外部万向节、末端执行器接口和三个绝对转 角传感器，球型组件包括上半球轴、上半球、下半球、下半球轴、内部万向节和内部万向节 轴，上半球轴与上半球同轴设置且制成一体，上半球轴与末端执行器接口转动连接，上半球 和下半球转动连接，上半球和下半球的接触面为偏置斜面，偏置斜面与水平面之间的角度 为10° -25°，下半球和下半球轴同轴设置且制成一体，球型组件由上至下设有贯通空腔， 内部万向节设在空腔内，且内部万向节的转动中心与上半球和下半球构成的球体的球心重 合，内部万向节的输出端设在上半球轴的空腔内，内部万向节的输入端设在下半球轴的空 腔内，下半球轴设在机架内，且下半球轴与机架转动连接；下半球齿轮传动机构由第一主动齿轮和第一从动齿轮构成，上半球齿轮传动机构 由第二主动齿轮和第二从动齿轮构成，自转齿轮传动机构由第三主动齿轮、第三从动齿轮、 齿轮轴和外齿圈构成，上半球齿轮传动机构、下半球齿轮传动机构和第三主动齿轮、第三从 动齿轮均设置在机架内；下半球电机与减速机构的输出端上固装套有第一主动齿轮，第一主动齿轮与第一从动齿轮啮合，第一从动齿轮固装在下半球轴上；上半球电机与减速机构6的输出端上固套装有第二主动齿轮，第二主动齿轮和第 二从动齿轮啮合，第二从动齿轮固套装在内部万向节轴的一端上，内部万向节轴的另一端 与内部万向节的输入端固接，内部万向节的输出端与上半球轴固接，上半球轴与末端执行 器接口转动连接，上半球电机与减速机构、下半球电机与减速机构和自转电机与减速机构 的末端各装有一个绝对转角传感器；自转电机与减速机构的输出端上固套装有第三主动齿轮，第三主动齿轮与第三从 动齿轮啮合，第三从动齿轮固套装在齿轮轴上，齿轮轴与机架转动连接，齿轮轴与外齿圈啮 合，外齿圈与转盘固接，转盘设置在机架上且二者转动连接，转盘通过外部万向节与末端执 行器接口传动连接。本专利技术具有以下有益效果1、本专利技术的内部万向节、外部万向节的转动中心和两 个偏置斜面相结合的双半球球心重合构成球型手腕，可实现侧摆、俯仰和自转三个主动输 入运动的解耦，成为独立运动，使姿态的控制简便易行，避免了关节配合调整时出现的运动 耦合与机械臂的振动现象；2、腕部的侧摆和俯仰是由两个主动驱动的半球复合而成的运 动，两个偏置斜面相结合的双半球使本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三自由度球型空间机器人手腕，其特征在于所述手腕包括球型组件、上半球齿轮传动机构（５）、上半球电机与减速机构（６）、下半球电机与减速机构（８）、机架（９）、下半球齿轮传动机构（１０）、自转电机与减速机构（１２）、自转齿轮传动机构（１３）、转盘（１５）、外部万向节（１６）、末端执行器接口（１８）和三个绝对转角传感器（７），球型组件包括上半球轴（１－１）、上半球（１）、下半球（３）、下半球轴（３－１）、内部万向节（４）和内部万向节轴（４－１），上半球轴（１－１）与上半球（１）同轴设置且制成一体，上半球轴（１－１）与末端执行器接口（１８）转动连接，上半球（１）和下半球（３）转动连接，上半球（１）和下半球（３）的接触面为偏置斜面，偏置斜面与水平面之间的角度（α）为１０°－２５°，下半球（３）和下半球轴（３－１）同轴设置且制成一体，球型组件由上至下设有贯通空腔１９，内部万向节（４）设在空腔１９内，且内部万向节（４）的转动中心与上半球（１）和下半球（３）构成的球体的球心重合，内部万向节（４）的输出端设在上半球轴（１－１）的空腔内，内部万向节（４）的输入端设在下半球轴（３－１）的空腔内，下半球轴（３－１）设在机架（９）内，且下半球轴（３－１）与机架（９）转动连接；下半球齿轮传动机构（１０）由第一主动齿轮（１０－１）和第一从动齿轮（１０－２）构成，上半球齿轮传动机构（５）由第二主动齿轮（５－１）和第二从动齿轮（５－２）构成，自转齿轮传动机构（１３）由第三主动齿轮（１３－１）、第三从动齿轮（１３－２）、齿轮轴（１３－３）和外齿圈（１３－４）构成，上半球齿轮传动机构（５）、下半球齿轮传动机构（１０）和第三主动齿轮（１３－１）、第三从动齿轮（１３－２）均设置在机架（９）内；下半球电机与减速机构（８）的输出端上固装套有第一主动齿轮（１０－１），第一主动齿轮（１０－１）与第一从动齿轮（１０－２）啮合，第一从动齿轮（１０－２）固装在下半球轴（３－１）上；上半球电机与减速机构（６）的输出端上固套装有第二主动齿轮（５－１），第二主动齿轮（５－１）和第二从动齿轮（５－２）啮合，第二从动齿轮（５－２）固套装在内部万向节轴（４－１）的一端上，内部万向节轴（４－１）的另一端与内部万向节（４）的输入端固接，内部万向节（４）的输出端与上半球轴（１－１）固接，上半球轴（１－１）与末端执行器接口（１８）转动连接，上半球电机与减速机构（６）、下半球电机与减速机构（８）和自转电机与减速机构（１２）的末端各装有一个绝对转角传感器（７）；自转电机与减速机构（１２）的输出端上固套装有第三主动齿轮（１３－１），第三主动齿轮（１３－１）与第三从动齿轮（１３－２）啮合，第三从动齿轮（１３－２）固套装在齿轮轴（１３－３）上，齿轮轴（１３－３）与机架（９）转动连接，齿轮轴（１３－３）与外齿圈（１３－４）啮合，外齿圈（１３－４）与转盘（１５）固接，转盘（１５）设置在机架（９）上且二者转动连接，转盘（１５）通过外部万向节（１６）与末端执行器接口（１８）传动连接。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：邓宗权，侯绪研，姜生元，全齐全，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93