[发明专利]一种三自由度混联拟人手腕装置

说明书

本发明公开一种三自由度混联拟人手腕装置，包含旋转模块与并联模块，其中旋转模块为串联结构，可实现手腕的旋转运动；并联模块为左右对称结构，可实现手腕的屈伸与偏转运动。该手腕装置刚度大、承载能力强，结构简单紧凑，具有一定的自锁能力；可安装三组旋转编码器，控制精度高。该手腕装置可实现屈伸、偏转及旋转三个方向的运动，三组运动旋转轴相互正交，易于控制，且具有类似人体手腕的运动范围及拟人运动特性，特别适合应用在假肢手上，也可以作为仿人机器人的手腕使用。

技术背景

我国残肢患者人口基数大，对于上肢残疾者来说，手的缺失不仅使其丧失了生活劳动中最重要的工具，而且将遭受沉重心理打击。假肢作为残疾患者的肢体延伸或替代，可以提高其自主生活能力以及改善其心理状态。另外，随着机器人技术的不断应用，各种仿人机器人也走向了人们的生活。因此，研究设计一种可以用于假肢领域或仿人机器人领域的拟人手腕装置具有重要的意义。

早期的拟人假肢手腕自由度较少，难以满足手腕的运动要求，如CN102178574B所介绍的假肢手腕只有一个手腕屈伸的自由度。目前，已有一些三自由度的拟人手腕装置，如CN108836582A，CN104875214A。其中，发明专利CN108836582A设计的假肢手腕采用串并混联的结构形式。其屈伸与侧偏两个自由度为并联结构，由两条并列的UPS支链驱动及一条约束支链组成。其旋转自由度为单独的串联结构形式。该发明具有刚度高、承载能力强、精度高、仿生性和功能性强等优点，但对于其并联部分的结构布置来说，由于球副的转角限制，其工作空间难以满足人体手腕在屈伸方向上的运动范围需求。发明专利CN108836582A介绍的仿人手腕装置采用差动齿轮机构实现手腕屈伸与偏转，并且采用涡轮蜗杆传动单元，有一定的自锁能力，旋转自由度与屈伸偏转两个自由度串联连接。该手腕具有结构紧凑、质量轻的优点。但在实际应用中，由于该机构的轴系结构复杂，其尺寸较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三自由度串并混联拟人手腕装置，该手腕刚度大、承载能力强，控制精度高、结构简单紧凑，具有一定的自锁能力；具有手腕的屈伸、偏转及旋转三个自由度，且具有人体手腕的运动范围及拟人运动特性，特别适合安装在假肢手上，也可以作为仿人机器人的手腕使用。

本发明的三自由度混联拟人手腕装置包括旋转模块与并联模块。所述旋转模块为串联结构，实现手腕的旋转运动。所述并联模块为左右对称结构，包括定平台、动平台、第一主动支链、第二主动支链、约束支链，实现手腕的屈伸与偏转运动。手腕的旋转运动沿L1轴，屈伸运动沿L2轴，偏转运动沿L3轴。L1轴、L2轴、L3轴相互正交，易于控制，具有拟人运动特性。

所述旋转模块主要包括固定轴、旋转轴、第一驱动器和第一编码器。所述固定轴与所述旋转轴均为套筒类结构，所述固定轴的内壁与所述旋转轴的外周面通过轴承可绕L1轴旋转地配合。所述固定轴的内腔安装有第一驱动器，所述第一驱动器的输出轴与所述旋转轴固接，所述旋转轴与所述并联模块固接，从而实现本发明拟人手腕装置的旋转运动。所述旋转轴端面安装有所述第一编码器，实现本装置旋转运动的全闭环控制。

所述约束支链为U形结构，包括万向块，第一屈伸轴，第二屈伸轴，第一偏转轴，第二偏转轴，第一编码器和第二编码器。所述万向块通过所述第一屈伸轴与所述第二屈伸轴，可绕L2轴旋转地安装于所述定平台上，约束本发明拟人手腕装置的屈伸运动。所述动平台通过所述第一偏转轴与所述第二偏转轴，可绕L3旋转地安装于所述万向块上，约束本发明拟人手腕装置的偏转运动。所述万向块的内壁安装有所述第二编码器，实现本装置屈伸运动的全闭环控制；所述万向块的上侧面安装有所述第三编码器，实现本装置偏转运动的全闭环控制。