[实用新型]一种基于三自由度串并混联机构的绳驱动腕部模块

说明书

本实用新型公开一种基于三自由度串并混联机构的绳驱动腕部模块，该腕部模块由三自由度串并联模块和驱控集成模块组成，三自由度串并联模块包括球面纯滚动并联机构和张力放大机构，球面纯滚动并联机构实现腕部二自由度球面运动，并联机构的下平台设计为一转动自由度，从而形成串并混联机构，而张力放大机构确保机构轻量化的同时不丢失刚度；驱控集成模块用于集成电机、驱动器以及控制器，形成独立的机电系统；本实用新型结合绳驱动和模块化的优势进行设计，具有质量轻、可重构以及柔顺性好等优点，提出的串并混联机构自由度配置与真人手腕一致，能够实现高逼真仿人腕部运动，为仿人服务机器人腕部设计提供新的设计思路。

技术领域

本实用新型涉及仿人服务机器人关节技术领域，具体涉及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。

背景技术

仿人臂是仿人服务机器人的重要执行系统，随着仿人服务应用场景日益复杂，仿人臂关节设计需要满足柔顺性、轻量化以及可重构等更高的要求。而目前采用传统刚性机构实现多自由度仿人臂关节具有质量大、柔顺性差以及结构复杂等缺点，难以满足仿人臂在非结构化环境下工作的要求。

绳驱动机构是指通过绳索传递运动和动力的机构，其属于刚柔耦合的结构，这类机构具有质量轻、惯量小以及柔顺性好等优势，且绳索传动布局灵活，容易实现多自由的配置。另外，从仿生学的角度分析，绳驱动与人手臂肌腱驱动方式类似，是实现人类手臂仿生设计的一种合理方案，因此，绳驱动机构被广泛应用于仿人臂关节的设计，但为了进一步降低仿人臂的质量，绳驱动仿人臂大多采用驱动后置的方式进行设计，该方式容易造成关节间运动耦合，且过长的绳索传递线路带来了控制带宽低、非线性摩擦严重等问题。

而采用模块化思想实现仿人臂，可将仿人臂分别设计成腕部、肘部和肩部模块，一方面解决了绳驱动仿人臂驱动后置带来的关节间运动耦合、绳索传递线路过长等问题；另一方面使仿人臂具备了不同应用场景下臂长可重构的优势，即仿人臂各关节模块采用标准机械接口进行连接，只需在模块化关节间增加不同长度的连接段即可改变臂长。

目前，在仿人臂的设计上，有分别采用绳驱动机构和模块化思想进行设计的例子，如专利ZL201810632708.7中公开了一种具有张力放大机制的三自由度绳索驱动并联机构，该机构动平台与静平台间由铰链连接，侧边由动定滑轮组成的张力放大机构驱动，可应用于仿人臂腕部或肩部；专利201910382872.1中公开了一种五自由度模块化扬琴演奏机械臂，该机械臂采用了模块化的思想设计，整臂主要分为肩部模块、大臂模块、大臂旋转模块、肘部模块以及小臂模块，电机与驱动器均集成于各关节模块内。虽然绳驱动机构和模块化思想均已应用于仿人臂的设计，但鲜有充分融合两者优点、弥补两者缺点，采用绳驱动关节模块的思路进行仿人臂设计。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供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，通过设置球面纯滚动并联机构和张力放大机构以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种基于三自由度串并混联机构的绳驱动腕部模块，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；