專利名稱：三驅動可擴展靈巧機械臂的制作方法
技術領域：
本發明涉及機器人機構設計技術領域，確切的說，設計一種三驅動可擴展靈巧機械臂，用于空間目標的靈活抓取與捕獲。
背景技術：
隨著空間探索的不斷深入，在空間對接、在軌服務、貨物搬運、目標捕獲等工程領域，空間機械臂發揮著至關重要的作用。面對復雜的太空環境、種類繁多的操作對象以及日益復雜的操作任務，要求空間機械臂具有高可靠性、經濟性、安全性、靈巧性等特點。目前，空間機械臂多為六自由度，每個關節都要安裝一個由電機和減速器組成的驅動單元，在增加空間機械臂結構復雜性的同時加大了空間機械臂的質量和轉動慣量，不利于節省能量。為了在節能的同時提高空間機械臂的靈巧性，設計出具有結構緊湊、重量輕、轉動慣量小、多自由度、少驅動等特點的靈巧空間機械臂具有重要的意義。

發明內容
本發明提出一種三驅動可擴展靈巧機械臂，具有驅動單元數量少，自由度數高、靈巧性高等特點，能夠用于空間對接、在軌服務、貨物搬運、目標捕獲等工程領域。本發明的技術方案如下一種三驅動可擴展靈巧機械臂，包括驅動單元、絲杠、絲杠螺母及推桿、連桿、偏擺環、關節、圓環及末端執行器接口，其特征在于所述驅動單元為旋轉型電機和諧波減速器的組合體，安裝于三驅動可擴展靈巧機械臂的機座上，所述絲杠通過聯軸器連接于驅動單元的輸出軸上驅動絲杠螺母做往復直線運動，絲杠螺母帶動推桿做往復直線運動，所述推桿與連桿一端鉸接，連桿另一端與偏擺環外壁鉸接，所述關節為十字軸、關節外殼和凹凸限位機構的組合體，所述圓環中有一直徑軸，圓環與關節外殼通過銷釘連接，所述末端執行器接口為法蘭式，可連接不同類型的末端執行器。進一步的，三驅動可擴展靈巧機械臂共包括三個驅動單元，其中兩個驅動單元通過聯軸器與絲杠相連，依次通過絲杠螺母、連桿及推桿的力傳遞，實現偏擺環的上下及左右偏擺運動，第三個驅動單元通過聯軸器與第一個關節的輸入端相連，實現三驅動可擴展靈巧機械臂繞自身軸線的整體旋轉運動。進一步的，絲杠通過絲杠螺母帶動推桿做往復直線運動，推桿通過連桿與偏擺環外壁鉸接。進一步的，關節結構具有可擴展性，前一個關節的輸出端同時又是后一個關節的輸入端，在三驅動可擴展靈巧機械臂結構中關節的數量可擴展至N(N為自然數)；關節中的凹凸限位機構具有球鉸的全向轉動功能，同時又受到凹凸結構上的限位，在三驅動可擴展靈巧機械臂的運動過程中起到定位與導向作用。進一步的，前一關節的十字軸與后一關節的十字軸之間通過關節外殼連接，偏擺環在推桿產生的推拉力作用下發生偏擺，帶動第一關節內的十字軸偏擺，第一關節內的十字軸又會通過第一和第二關節之間的關節外殼帶動第二關節內的十字軸偏擺，同時第一關節內的凹凸限位機構作為第二關節偏擺的支點和限位；隨后的運動傳遞原理與上述原理相同，通過多個關節偏擺運動的累積，使三驅動可擴展靈巧機械臂實現大范圍的偏擺運動。本發明設計的三驅動可擴展靈巧機械臂，包括安裝在機座上的三個驅動單元、兩根絲杠及其絲杠螺母、推桿、連桿、關節和圓環，末端帶有法蘭式末端執行器接口，可根據任務需求，連接不同末端執行器。三個驅動單元為三驅動可擴展靈巧機械臂的動力源，絲杠及絲杠螺母將電機的旋轉運動轉化為推桿往復直線運動；其中兩個驅動單元帶動絲杠及螺母運動，通過與螺母聯動的推桿與連桿的作用于偏擺環，改變第一關節姿態，通過十字軸與第一關節與第二關節之間的外殼力傳遞作用，將力傳遞到第二關節，而后通過與之相連的十字軸與關節外殼，繼續改變后續關節的偏擺方向，依次類推，達到控制三驅動可擴展靈巧機械臂上下左右等彎曲偏擺姿態的目的；第三個驅動單元帶動三驅動可擴展靈巧機械臂第一關節輸入端旋轉， 通過關節依次傳遞旋轉運動直至末端，達到三驅動可擴展靈巧機械臂整體回轉的目的。關節為十字軸、關節外殼和凹凸限位機構的組合體，關節外殼可繞十字軸上下左右偏擺，其特點與萬向節相同，關節外殼兩端安裝有凹凸限位機構，凹凸限位機構為凹凸配合的具有球鉸功能的限位機構，相互凹凸配合的兩個構件可沿任意方向偏擺，但相對偏擺到一定角度，由于機械限位的存在，則停止偏擺，達到控制偏擺角度大小的目的。本發明的優點在于1.三驅動可擴展靈巧機械臂的驅動單元數量少，結構緊湊，整體質量輕；2.驅動單元數量遠遠小于三驅動可擴展靈巧機械臂的自由度數，靈巧性高；3.三驅動可擴展靈巧機械臂的可擴展性強，可根據實際任務需求自由調整關節數量。


圖1是以N = 2為例設計的三驅動可擴展靈巧機械臂的總體結構主視圖；圖2是以N = 2為例設計的三驅動可擴展靈巧機械臂的總體結構俯視圖；圖3是偏擺環、軸承與第一關節外殼配合示意圖；圖4是第一關節外殼示意圖；圖5是十字軸示意圖；圖6是第一關節與第二關節之間外殼示意圖；圖7是三驅動可擴展靈巧機械臂第二關節外殼示意圖；圖8是第一關節與第二關節配合示意圖；圖9是圓環示意圖；圖10是三驅動可擴展靈巧機械臂第二關節外殼、圓環、執行器接口與手爪配合示意圖；圖11是主視圖1中偏擺環受兩個推力聯合作用后，三驅動可擴展靈巧機械臂的彎曲示意圖；圖12是主視圖1中偏擺環受兩個拉力聯合作用后，三驅動可擴展靈巧機械臂的彎曲示意圖；圖13是俯視圖2中偏擺環受一個推力與一個拉力聯合作用后，三驅動可擴展靈巧機械臂的彎曲示意圖；圖14是俯視圖2中偏擺環受一個拉力與一個推力聯合作用后，三驅動可擴展靈巧機械臂的彎曲示意圖；圖中標識驅動單元1、33、34，聯軸器2,29,32,絲杠3,31,絲杠螺母4,30,推桿5、 28，第一關節輸入端6，鉸鏈7、9、25、27，連桿8、洸，偏擺環10，軸承11，第一關節外殼12，十字軸13、15，第一關節與第二關節外殼14，第二關節外殼16，銷釘17，末端執行器接口 18，手爪19，圓環20，凹凸限位機構21、22、23，固定座24。
具體實施例方式下面結合附圖對該機械臂結構作進一步說明。如圖1、2所示，三個驅動單元1、33、34為整個機械臂提供動力，其中驅動單元1、 34的輸出端通過聯軸器2、32分別與絲杠3、31進行相連；絲杠3、31上分別安裝有絲杠螺母4、30，絲杠螺母4、30分別與推桿5、觀相連，可推動推桿做往復直線運動；推桿末端分別有鉸鏈7、27，通過連桿8J6與偏擺環10外壁連接。通過絲杠螺母4、30的滑動，分別推動推桿5、28，通過連桿8J6的力傳遞作用，可以控制偏擺環10的偏擺；驅動單元33輸出端通過聯軸器四與第一關節輸入端6相連，可帶動第一關節轉動，通過關節運動的傳遞，可使整個三驅動可擴展靈巧機械臂一同旋轉。如圖2、3所示，偏擺環10與第一關節外殼12通過軸承11進行連接，偏擺環10與第一關節外殼12之間嵌套軸承11，當驅動單元1、34帶動絲杠螺母4、30，通過推桿5、觀與連桿8J6作用于偏擺環10時，偏擺環10偏擺，帶動軸承11偏擺，軸承11帶動第一關節外殼12偏擺；而當驅動單元33作旋轉運動時，帶動第一關節外殼12與軸承11內殼旋轉，偏擺環不旋轉；這樣通過控制偏擺環10可控制里面第一關節外殼12偏擺，但偏擺環不隨第一關節旋轉。如圖4、5、6所示，分別為第一關節外殼12、十字軸13、第一關節與第二關節之間關節外殼14，關節外殼12、14均為空心圓柱形，關節外殼12與關節外殼14通過十字軸13進行連接，兩關節外殼能夠相對上下左右擺動，當兩關節外殼旋轉軸線不在同一直線上時，依然能傳遞旋轉運動；關節外殼12右端與關節外殼16左端形成凹凸限位機構22，關節外殼 14左端為凹凸限位機構23的凸部分，關節外殼14右端為凹凸限位機構21的凹部分。如圖7所示，第二關節外殼16通過十字軸15與關節外殼14相連，第二關節外殼 16左端為凹凸限位機構22凸部分結構，凸起部分與關節外殼12右端的凹槽配合，形成凹凸限位機構21。圖8為圖4、5、6、7的裝配示意圖，圖4與圖5所示部件通過十字軸13連接，圖5 與圖6通過十字軸14連接，關節外殼12右端的凹部分與關節外殼16左端凸部分配合，形成凹凸限位機構22 ；相互凹凸配合的兩個構件面可沿任意方向偏擺，具有球鉸功能，但與球鉸略有不同，凹面與凸面不完全接觸，且所示的凸部分上的圓環在凹凸面配合轉動時，能起到限位的作用，使得凹凸面配合的兩構件相對轉動到一定角度就會停止運動。如圖9所示為可繞第二關節外殼16對應旋轉副轉動的的圓環20，圓環中間的軸起末端執行器接口 18的支撐作用，同時末端執行器接口 18可繞該軸旋轉。該三驅動可擴展靈巧機械臂的工作原理主要分為以下四種運動模式(1)兩驅動單元同時推動推桿當驅動單元1、34同時旋轉分別帶動絲杠3、31，絲杠通過絲杠螺母4、30推動推桿5、28，推桿5、觀分別帶動連桿8J6作用于偏擺環10，偏擺環10受到兩個推力的聯合作用后，相當于受到一個彎矩作用，從而繞著固定座M向上(如圖11)旋轉傾斜，帶動與之通過軸承11相連的第一關節外殼12向上旋轉傾斜；第一關節外殼12通過十字軸13帶動第一關節與第二關節外殼14繞著以固定座M為支點向上旋轉傾斜，且由于凹凸限位機構23的存在，第一關節與第二關節外殼14相對于第一關節外殼12 只能向上傾斜到一定的角度；同時，旋轉傾斜的關節外殼14又通過十字軸15的聯動作用， 帶動第二關節外殼16向上以凹凸限位機構22凹槽為支點旋轉傾斜一定的角度；最后通過凹凸限位機構21與圓環20的支撐導向作用，末端執行器接口 18會以凹凸限位機構21凹槽為支點隨著關節外殼16傾斜一定的角度；這樣，通過關節偏擺的角度累積，整個機械臂向上彎曲形成一段圓弧；通過驅動單元33帶動各個關節旋轉，整個機械臂連同手爪可同時旋轉。偏擺后的三驅動可擴展靈巧機械臂的整體結構如圖11所示；(2)兩驅動單元同時拉動推桿當驅動單元1、34同時旋轉分別帶動絲杠3、31，絲杠通過絲杠螺母4、30拉動推桿5、28，推桿5、觀分別帶動連桿8J6作用于偏擺環10，偏擺環10受到兩個拉力的聯合作用后，相當于受到一個彎矩作用，從而繞著固定座M向下(如圖12)旋轉傾斜，帶動與之通過軸承11相連的第一關節外殼12向下旋轉傾斜；第一關節外殼12通過十字軸13帶動第一關節與第二關節外殼14繞著以固定座M為支點向下旋轉傾斜，且由于凹凸限位機構23的存在，第一關節與第二關節外殼14相對于第一關節外殼12 只能向下傾斜到一定的角度；同時，旋轉傾斜的關節外殼14又通過十字軸15的聯動作用， 帶動第二關節外殼16向下以凹凸限位機構22凹槽為支點旋轉傾斜一定的角度；最后通過凹凸限位機構21與圓環20的支撐導向作用，末端執行器接口 18會以凹凸限位機構21凹槽為支點隨著關節外殼16傾斜一定的角度；這樣，通過關節偏擺的角度累積，整個機械臂向下彎曲形成一段圓弧；通過驅動單元33帶動各個關節旋轉，整個機械臂連同手爪可同時旋轉。偏擺后的三驅動可擴展靈巧機械臂的整體結構如圖12所示；(3) 一個驅動單元推動推桿，一個驅動單元拉動推桿當驅動單元1旋轉帶動絲杠 3，絲杠通過絲杠螺母4推動推桿5，推桿帶動連桿觀向偏擺環10施加一個推力，驅動單元 34旋轉帶動絲杠31，絲杠通過絲杠螺母30拉動推桿觀，推桿帶動連桿沈向偏擺環10施加一個拉力時，偏擺環10受到一個推力和一個拉力的聯合作用后，相當于受到一個彎矩作用，從而繞著固定座M向下(如圖13)旋轉傾斜，帶動與之通過軸承11相連的第一關節外殼12向下旋轉傾斜；第一關節外殼12通過十字軸13帶動第一關節與第二關節外殼14繞著以固定座M為支點向下旋轉傾斜，且由于凹凸限位機構23的存在，第一關節與第二關節外殼14相對于第一關節外殼12只能到傾斜一定的角度；同時，旋轉傾斜的關節外殼14又通過十字軸15的聯動作用，帶動第二關節外殼16向下以凹凸限位機構22凹槽為支點旋轉傾斜一定的角度；最后通過凹凸限位機構21與圓環20的支撐導向作用，末端執行器接口 18會以凹凸限位機構21凹槽為支點隨著關節外殼16傾斜一定的角度；這樣，通過關節偏擺的角度累積，整個機械臂越來越向上彎曲，形成一段圓弧線；通過驅動單元33帶動各個關節旋轉，整個機械臂連同手爪可同時旋轉。偏擺后的三驅動可擴展靈巧機械臂整體結構如圖13所示；(4) 一個驅動單元拉動推桿，一個驅動單元推動推桿當驅動單元1旋轉帶動絲杠 3，絲杠通過絲杠螺母4拉動推桿5，推桿帶動連桿觀向偏擺環10施加一個拉力，驅動單元 34旋轉帶動絲杠31，絲杠通過絲杠螺母30推動推桿觀，推桿帶動連桿沈向偏擺環10施加一個推力時，偏擺環10受到一個拉力和一個推力的聯合作用后，相當于受到一個彎矩作用，從而繞著固定座M向上(如圖14)旋轉傾斜，帶動與之通過軸承11相連的第一關節外殼12向上旋轉傾斜；第一關節外殼12通過十字軸13帶動第一關節與第二關節外殼14繞著以固定座M為支點向上旋轉傾斜，且由于凹凸限位機構23的存在，第一關節與第二關節外殼14相對于第一關節外殼12只能到傾斜一定的角度；同時，旋轉傾斜的關節外殼14又通過十字軸15的聯動作用，帶動第二關節外殼16向上以凹凸限位機構22凹槽為支點向上旋轉傾斜一定的角度；最后通過凹凸限位機構21與圓環20的支撐導向作用，末端執行器接口 18會以凹凸限位機構21凹槽為支點隨著關節外殼16向上傾斜一定的角度；這樣，通過關節偏擺的角度累積，整個機械臂向上彎曲形成一段圓弧；通過驅動單元33帶動各個關節旋轉，整個機械臂連同手爪可同時旋轉。偏擺后的三驅動可擴展靈巧機械臂整體結構如圖 14所示。綜上所述，通過兩個驅動單元1、34的協調控制，可使三驅動可擴展靈巧機械臂大范圍偏擺，通過控制驅動單元33，可使三驅動可擴展靈巧機械臂整體旋轉；這樣，結合了整體偏擺與旋轉功能的三驅動可擴展靈巧機械臂，可方便靈巧的對空間目標進行抓取與捕
-M-犾。
權利要求
1.一種三驅動可擴展靈巧機械臂，包括驅動單元、絲杠、絲杠螺母及推桿、連桿、偏擺環、關節、圓環及末端執行器接口，其特征在于所述驅動單元為旋轉型電機和諧波減速器的組合體，安裝于三驅動可擴展靈巧機械臂的機座上，所述絲杠通過聯軸器連接于驅動單元的輸出軸上驅動絲杠螺母做往復直線運動，絲杠螺母帶動推桿做往復直線運動，所述推桿與連桿一端鉸接，連桿另一端與偏擺環外壁鉸接，所述關節為十字軸、關節外殼和凹凸限位機構的組合體，所述圓環中有一直徑軸， 圓環與關節外殼通過銷釘連接，所述末端執行器接口為法蘭式，可連接不同類型的末端執行器。
2.根據權利要求1所述的驅動單元，其特征在于三驅動可擴展靈巧機械臂共包括三個驅動單元，其中兩個驅動單元通過聯軸器與絲杠相連，依次通過絲杠螺母、連桿及推桿的力傳遞，實現偏擺環的上下及左右偏擺運動，第三個驅動單元通過聯軸器與第一關節的輸入端相連，實現三驅動可擴展靈巧機械臂繞自身軸線的整體旋轉運動。
3.根據權利要求2所述的絲杠，其特征在于絲杠通過絲杠螺母帶動推桿做往復直線運動，推桿通過連桿與偏擺環外壁鉸接。
4.根據權利要求3所述的關節，其特征在于關節結構具有可擴展性，前一個關節的輸出端同時又是后一個關節的輸入端，在三驅動可擴展靈巧機械臂結構中關節的數量可擴展至N(N為自然數)；關節中的凹凸限位機構具有球鉸的全向轉動功能，同時又受到凹凸結構上的限位，在三驅動可擴展靈巧機械臂的運動過程中起到定位與導向作用。
5.根據權利要求4所述的關節，其特征在于前一關節的十字軸與后一關節的十字軸之間通過關節外殼連接，偏擺環在推桿產生的推拉力作用下發生偏擺，帶動第一關節內的十字軸偏擺，第一關節內的十字軸又會通過第一和第二關節之間的關節外殼帶動第二關節內的十字軸偏擺，同時第一關節內的凹凸限位機構作為第二關節偏擺的支點和限位；隨后的運動傳遞原理與上述原理相同，通過多個關節偏擺運動的累積，使三驅動可擴展靈巧機械臂實現大范圍的偏擺運動。
全文摘要
一種三驅動可擴展靈巧機械臂，目的在于簡化機械臂結構，增加自由度，可靈巧有效地對空間目標進行捕獲。三驅動可擴展靈巧機械臂的動力源為三個安裝在基座上的驅動單元，其中兩個驅動單元通過絲杠、絲杠螺母、推桿及連桿的運動傳遞控制三驅動可擴展靈巧機械臂的姿態；第三個驅動單元控制三驅動可擴展靈巧機械臂整體的旋轉運動，這樣可利用三個驅動單元控制2N+5(N為自然數)個自由度。三驅動可擴展靈巧機械臂的關節為十字軸、關節外殼和凹凸限位機構的組合體，關節可彎曲旋轉，同時關節可串聯擴展，使得機械臂具有極高的自由度和靈巧性。
文檔編號B25J9/08GK102501246SQ201110348828
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月8日 優先權日2011年11月8日
發明者孫漢旭, 褚明, 賈慶軒, 鄧夏, 陳鋼, 黃飛杰 申請人:北京郵電大學