[发明专利]一种基于三自由度串并混联机构的绳驱动腕部模块及其使用方法

权利要求书

1.一种基于三自由度串并混联机构的绳驱动腕部模块，其特征在于，包括自上而下设置的三自由度串并联模块和驱控集成模块，所述三自由度串并联模块由并联机构上平台、张力放大机构、并联机构下平台、转动连接台、绳索固定螺钉、三自由度串并联模块外壳、轴承定位套筒、电机固连齿轮、球面纯滚动并联机构、深沟球轴承、前端绕绳转筒、薄垫片、后端绕绳转筒、塞打螺钉、塞打螺钉轴承以及电机传动齿轮组成；

并联机构上平台与并联机构下平台通过球面纯滚动并联机构和张力放大机构连接，所述球面纯滚动并联机构包括三根沿周向120°均匀排布的并联机构连杆，三根并联机构连杆呈弯曲交错，使并联机构上平台在-90°到90°间运动无干涉；

所述张力放大机构包括上平台摆动架定位块、动滑轮、上平台摆动架、上平台绳索保持架、下平台绳索保持架、定滑轮、下平台摆动架、绳索换向销钉、绳索换向轴承以及下平台摆动架定位块；四个张力放大机构沿周向90°均匀排布在并联机构上平台与并联机构下平台之间，通过动滑轮在二自由度运动方向进行张力和刚度的放大。

2.根据权利要求1所述的绳驱动腕部模块，其特征在于，所述深沟球轴承定位于三自由度串并联模块外壳内，并联机构下平台与转动连接台的凸缘分别嵌入深沟球轴承内圈，并用螺钉相互连接；前端绕绳转筒、薄垫片以及后端绕绳转筒依次套入转动连接台底面的圆柱内，并通过轴承定位套筒进行轴向定位，两个电机固连齿轮通过塞打螺钉轴承与塞打螺钉连接于轴承定位套筒上，两个电机传动齿轮分别与前端绕绳转筒和后端绕绳转筒通过螺钉固连，所述轴承定位套筒嵌入三自由度串并联模块外壳进行定位。

3.根据权利要求2所述的绳驱动腕部模块，其特征在于，所述球面纯滚动并联机构实现腕部二自由度球面运动，并联机构下平台为一转动自由度，从而形成串并混联机构。

4.根据权利要求1所述的绳驱动腕部模块，其特征在于，所述张力放大机构的张力放大倍数为两倍，刚度放大倍数为四倍。

5.根据权利要求1所述的绳驱动腕部模块，其特征在于，所述并联机构连杆两端均通过连杆固定销、连接铰链与并联机构上平台和并联机构下平台连接。

6.根据权利要求1所述的绳驱动腕部模块，其特征在于，所述张力放大机构通过上平台摆动架定位块、下平台摆动架定位块分别与并联机构上平台和并联机构下平台连接。

7.根据权利要求1所述的绳驱动腕部模块，其特征在于，所述张力放大机构的绳索传动路线从绳索固定点开始，从下平台摆动架进入并从上方环绕定滑轮进行换向，由下至上分别通过下平台绳索保持架和上平台绳索保持架，经过动滑轮换向后，由上至下分别进入上平台绳索保持架和下平台绳索保持架，再经过绳索换向销钉进入下平台摆动架定位块，由绳索换向轴承将绳索传递到下方的前端绕绳转筒，绳索沿前端绕绳转筒缠绕并被螺钉固定在凹槽处。

8.根据权利要求1所述的绳驱动腕部模块，其特征在于，所述驱控集成模块由驱控集成模块外壳和三个小型直流电机组成，驱控集成模块外壳与轴承定位套筒螺钉连接；所述驱控集成模块外壳表面设有标准卡环接口，用于与肘部或其他模块进行连接；所述小型直流电机设有减速箱和编码器，左右两侧的小型直流电机通过电机固连齿轮和电机传动齿轮驱动前端绕绳转筒和后端绕绳转筒转动，进而实现绳索运动，而中间的小型直流电机直接驱动转动连接台旋转，进而实现三自由度串并混联机构转动。

9.根据权利要求8所述的绳驱动腕部模块，其特征在于，所述中间的小型直流电机驱动转动连接台转动θ角度后，左右两侧的小型直流电机通过编码器设定驱动前端绕绳转筒和后端绕绳转筒相应转动θ角度，以此解决绳索耦合。

10.一种由权利要求1-9任一项所述的一种基于三自由度串并混联机构的绳驱动腕部模块的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

使用时，左右两侧的小型直流电机通过电机固连齿轮和电机传动齿轮驱动前端绕绳转筒和后端绕绳转筒转动，进而实现绳索运动，其中Δr和Δp分别为两对绳索的伸缩量；而中间的小型直流电机直接驱动转动连接台旋转，进而实现三自由度串并混联机构整体转动，利用球面纯滚动并联机构实现手腕内弯、外伸、手尺侧倾以及手桡侧倾运动，利用转动连接台转动实现手腕外旋和内旋的自由度配置，但转动连接台的转动将导致Δr和Δp发生变化，即存在运动耦合；为解决绳索耦合问题，每当中间的直流电机驱动转动连接台转动θ角度后，左右两侧的小型直流电机通过编码器设定驱动前端绕绳转筒和后端绕绳转筒相应转动θ角度，以此解决绳索耦合。