[实用新型]一种基于单定子多自由度超声电机的机器人腕关节结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于单定子多自由度超声电机的机器人腕关节结构，属于机器人技术领域。

背景技术

机器人是人类20世纪的重大发明之一。随着科学技术的进步，机器人应用已从传统制造业向非制造业转变，微型化已成为当前机器人领域的一个重要发展方向。航天、医疗作为机器人应用的两个重要技术领域，其非常规和极端环境的特点，对机器人结构提出了更高的要求，诸如轻、小、低噪声、无电磁干扰等。

腕关节是机器人中能够实现多自由度运动的一个重要机构。目前，其驱动大都采用多个传统的单自由度电磁电机的共同组合实现。除此之外，高速、低扭矩的特点使得传统电磁电机必需配以相应的减速系统才能实现机器人的低速、大力矩的工作需求。这种繁冗复杂的结构大大增加了腕关节的惯性负载，使之动态性能降低，这一状况，不仅对每增加1kg质量，发射成本将增加2万美元的太空探索来讲是一个非常现实的问题，而且对追求精密、微型且工作在极端环境下的医疗外科手术设备的技术发展也是一个非常严重的桎梏。另外，强烈的宇宙辐射、巨大的温差（300C⁰左右）变化等恶劣的外太空环境都对传统电磁电机的正常、稳定的工作构成了严重的威胁。基于单定子多自由度超声电机构建机器人腕关节能够集驱动、传动系统于一体，使得机构零件大为减少，大大减轻驱动结构的重量，而且，由于超声电机不产生磁场，亦不受外界磁场的干扰，因此，能够很好的适应外太空以及具有强磁影响的医疗环境。

目前，常用的机器人腕关节结构主要有如下几种：

1）串联式腕关节。串联式腕关节是应用最多的结构形式，它在工业机器人中具有广泛的应用。这种结构的典型代表是Rosheim设计的全方位腕机构，这种结构一般由轴线交于一点的三个转动运动副串联构成，其驱动器安装于腕关节或手臂处。三个驱动电机位于基座内，利用万向节传动原理，同时实现Pitch、Roll、Yaw运动。由于该腕关节的运动分别由三个驱动电机控制，因此结构比较复杂，尺寸与重量相对较大。该结构在一定情况下存在着PITCH、YAW运动耦合，对运动精度产生不利影响。除此之外，还有延长传动链将关节驱动电机布置在机器人手臂上以及绳索传动的机器人关节设计形式。上述两种形式一般会导致传动链过长，传动复杂，使手臂的结构变得异常复杂，更难以实现机器人腕关节的微型化和轻量化。

2）并联式腕关节。并联机构构造机器人腕关节具有明显的优势：结构紧凑、高的刚度重量比和响应速度。典型代表是3-RRR并联机构腕关节，这种机构上下平台用三个3R转动副运动链相连，所有转动副轴线均交于球面机构的转动中心。该结构在一定程度上可以弥补串联式手腕的不足，但是采用并联机构后手腕的运动变得复杂，三个方向的转动一般是耦合的。另一方面，这种方案仍需将三台驱动电机安装在腕关节上，这使得采用并联方式的腕关节仍然难以微型化、轻量化。

3）多自由度单关节。指利用单个运动关节来实现腕关节所需求的多个方向的转动。典型结构是基于凹凸齿传动的Traffla手腕，它的基本结构是一对“球冠齿轮”，它是在一个球冠上制出若干个离散分布的凹坑，在另一个球冠上镶嵌有同样数目的锥形指状齿。凹坑与指状齿啮合，从而实现运动的传递。这种球齿轮存在两个方面的缺陷:一是存在传动原理误差，二是加工难度很大，手腕的设计和制造都非常困难。目前，一种新型的三自由度球型腕关节被提出。该腕关节具有高集成度，主要由上半球，下半球和输出端构成，可实现俯仰、侧摆和自转运动。上、下半球的连接采用回转轴线与接触面法线方向具有一定角度的偏置方式，上、下半球在偏置斜面的运动合成了输出端的俯仰与侧摆运动，自转运动由通过轴承悬浮于上半球凸起的输出端实现。由于该结构依然采用电磁电机驱动，使得该腕关节仍然难以微型化、轻量化。

总之，目前机器人腕关节均由传统的电磁电机进行驱动，复杂的传动系统和结构形式使得它们很难满足当前对机器人结构提出的微型化、轻量化要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于单定子多自由度超声电机的机器人腕关节结构，更好的满足航天、医疗等非常规和极端环境下对机器人技术的需求。