[发明专利]一种液压作动器驱动的机器人手腕单元

说明书

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种运动解耦的液压作动器驱动的机器人手腕单元，解决了手腕因传动链长存在中间传动环节而导致机械结构复杂且集成度低的问题，同时也实现了手腕的运动解耦，极大地提高了末端执行器的灵活性、姿态调整能力以及精确定位能力，包括液压马达、液压摆动缸、角度传感器、机座、连接肋板、仰俯圆环、侧摆端盖、轴承、球笼式等速万向节、联轴器、末端法兰连接件。本发明手腕的仰俯轴线、侧摆轴线和自转轴线在空间上交于一点构成球型手腕，可实现仰俯、侧摆和自转三个主动输入运动的解耦，使手腕位姿的控制简便易行、控制精度高，有效避免了因关节配合调整时出现运动耦合产生的机械臂抖震现象。

技术领域

本发明属于机器人腕部技术领域，具体涉及一种运动解耦的液压作动器驱动的机器人手腕单元。

背景技术

在当今高速发展的社会中，机器人正在大规模进入轻工、重工、医疗、军事、航空等行业中，代替人类完成物料传送、装配、分类，环境勘测，物体精确定位与测量，轻型或微型加工等操作，有效地降低了劳动强度，提高劳动效率并延长劳动时间，乃至完成因各种原因人类无法处理的工况。针对这种需求，很多种类的工业机器人已被研发，这些机器人的共同之处在于，都需要一个灵活的手腕机构带动末端执行器，以便有效地替代人类完成特定的工作。

机器人腕部是连接臂与手的重要基础部件，其性能直接影响机器人末端执行器的定位精度、灵活性与作业能力。要实现对机器人末端执行器任意位置及姿态的精确控制就需要六个自由度，并且手腕应有三个自由度。手腕位于臂部的前端，腕部的重量会对臂产生额外的附加载荷而增加能耗与运动的不平稳性。因此研发的手腕应具有造型小、结构紧凑、姿态能力强、小型化、集成度高等优点。

传统的三自由手腕，如Pitch-yaw-roll手腕结构复杂，内部构件间易发生运动干涉，难以制造装配，实用性不强；如基于球面齿轮传动的手腕，该手腕由一系列万向连轴节和球面齿轮串联而成，虽然结构紧凑，外观整齐，能实现三个自由度运动，但球面齿轮的制造难度极大，并且存在原理性传动误差，实际应用极少；再如基于并联机构的手腕，这种手腕具有并联机构的所有缺点，如姿态能力不佳、可达空间/机床空间比小、控制技术复杂等。

主流的电机+齿轮副传动或带传动三自由手腕，如专利CN102029614A提出一种利用万向节和双半球实现手腕三个自由度运动的空间机器人手腕，由于运动的传递是通过电机+齿轮副的传动实现，存在中间传动环节，传动链长，故机械结构复杂且不紧凑，同时受工况环境限制严重。

新型的液压驱动三自由手腕，如专利CN110027010A提出一种借助三个液压摆动缸实现手腕三个自由度运动的液压直驱球型手腕，虽然不存在中间传动环节简化了机械结构，使手腕更加紧凑，但仰俯和侧摆运动环节的机构自重均作用在自转环节机构的输出轴上，从而导致自转环节承受了较大的额外的附加载荷而增加了系统能耗与运动的不平稳性；再如专利CN110171015A提出一种利用一个液压马达和两个液压油缸实现手腕自转、仰俯和侧摆运动的液压驱动球型手腕，解决了仰俯和侧摆运动环节的机构自重对自转环节输出的影响，极大的降低了系统的能耗损失，同时也提高了手腕运动的平稳性，但仰俯和侧摆运动环节的旋转运动是由液压油缸的直线运动经过机构间的位置关系转化而成的，存在直线位移与速度到旋转角度与角速度的非线性转化关系，此外，受机构本身的制约，运动空间有限，导致仰俯和侧摆的运动角度受限，使得末端执行器的灵活性和姿态调整能力受到了严重的限制。

发明内容

本发明针对上述传统三自由手腕、主流的电机+齿轮副传动或带传动三自由手腕以及新型的液压驱动三自由手腕存在的问题，提供了一种结构紧凑集成度高、位姿能力强以及运动解耦的液压作动器驱动的三自由度球型机器人手腕单元，有效的解决了手腕单元因传动链长存在中间传动环节而导致机械结构复杂且集成度低的问题，同时本发明也实现了手腕的运动解耦，极大地提高了末端执行器的灵活性、姿态调整能力以及精确定位能力，此外，本发明也有效解决了手腕仰俯和侧摆运动角度受限的问题，极大的增加了仰俯和侧摆运动角度的可实现范围。