柔性并聯(lián)機(jī)器人手腕裝置及控制方法
【專利摘要】柔性并聯(lián)機(jī)器人手腕裝置及控制方法，包括由大端板、柔性桿、兩個(gè)主動(dòng)伸縮桿組、小端板構(gòu)成的手腕裝置，通過兩個(gè)主動(dòng)伸縮桿組的主動(dòng)伸縮和利用柔性桿的彈性彎曲的配合，實(shí)現(xiàn)小端板相對于大端板的位移和角度轉(zhuǎn)動(dòng)。通過求解大端板上的固定點(diǎn)三角形ABC和柔性桿另一端點(diǎn)a形成的三棱錐ABCa，即可精確得到伸縮桿組長度與柔性桿端點(diǎn)到大端板的距離、柔性桿兩端面法向夾角以及小端板與大端板之間的矢量轉(zhuǎn)角，控制方法簡單可靠。本發(fā)明的柔性并聯(lián)機(jī)器人手腕裝置結(jié)構(gòu)簡單緊湊，易于制造、安裝和維護(hù)，且重量輕、剛度高，適用于機(jī)器人的手腕部或肩部連接；將柔性桿做成中空結(jié)構(gòu)，也可作為噴漆機(jī)器人的指端使用。
【專利說明】
柔性并聯(lián)機(jī)器人手腕裝置及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)器人的手腕裝置及其控制方法，具體涉及柔性并聯(lián)機(jī)器人的手腕裝 置及控制方法，尤其在使用噴涂機(jī)器人的場合。
【背景技術(shù)】
[0002] 機(jī)器人已經(jīng)廣泛使用在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療設(shè)備以及人們的生活當(dāng)中?，F(xiàn)有的機(jī)器人 系統(tǒng)主要有串聯(lián)機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)器人及串并聯(lián)混合的機(jī)器人系統(tǒng)，而且基本上是采用馬達(dá) 驅(qū)動(dòng)齒輪傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人空間位置的確定。眾所周知，隨著傳動(dòng)鏈的增加，系統(tǒng)累積誤差 增大，因此，隨著對機(jī)器人動(dòng)作要求尤其是定位精度的提高，對所用的相關(guān)驅(qū)動(dòng)元件精度及 其伺服系統(tǒng)的要求進(jìn)一步提高?，F(xiàn)有的機(jī)器人手腕轉(zhuǎn)動(dòng)自由度(包括噴涂機(jī)器人手腕)基本 上是采用齒輪傳動(dòng)來完成的，制造精度要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜;并聯(lián)機(jī)器人手腕雖可精確定位， 但動(dòng)力原件多，控制組合要求較高;欠自由度手腕動(dòng)力元件少，但使用限制較大;柔性手腕 是以被動(dòng)適應(yīng)為主，且動(dòng)作不具備唯一性;還有采用運(yùn)動(dòng)耦合等方式來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人手腕運(yùn) 動(dòng)，等。綜上所述，如何達(dá)到利用并聯(lián)機(jī)器人的重量輕、剛度大、精度高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)元 件少，控制方法簡單可靠，尤其是主要驅(qū)動(dòng)元件可以遠(yuǎn)距離驅(qū)動(dòng)，進(jìn)一步減小機(jī)器人臂端的 重量，是目前機(jī)器人發(fā)展中必須解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對國內(nèi)外現(xiàn)有機(jī)器人手腕裝置及其控制方法所存在的不足，本發(fā)明提供了柔性 并聯(lián)機(jī)器人手腕裝置及控制方法，通過兩組可以獨(dú)立主動(dòng)伸縮的驅(qū)動(dòng)元件和一個(gè)具有彈性 大變形能力的固定柔性桿，構(gòu)建成并聯(lián)機(jī)器人的柔性手腕，利用柔性桿的彎曲特性，實(shí)現(xiàn)小 端板相對于大端板的位移和轉(zhuǎn)動(dòng)角度。通過求解大端板上的固定點(diǎn)三角形ABC和柔性桿另 一端點(diǎn)a形成的三棱錐ABCa，即可精確得到伸縮桿組長度與柔性桿端點(diǎn)到大端板的距離、柔 性桿兩端面法向夾角以及小端板與大端板之間的矢量轉(zhuǎn)角，控制方法簡單可靠。
[0004]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是： 本發(fā)明的柔性并聯(lián)機(jī)器人手腕裝置及控制方法，包括:大端板（1)、柔性桿(2)、主動(dòng)伸 縮桿組1(3)、主動(dòng)伸縮桿組11(4)、小端板(5)、主動(dòng)伸縮桿(21)以及球鉸(22);所述的柔性 桿(2)、主動(dòng)伸縮桿組1(3)、主動(dòng)伸縮桿組11(4)的兩端分別對應(yīng)固定在大端板（1)的A、B、C 點(diǎn)和小端板(5)的a、b、c點(diǎn)上;所述的主動(dòng)伸縮桿組1(3)、主動(dòng)伸縮桿組11(4)由伸縮桿(21) 及其兩端的球鉸(22)安裝構(gòu)成，伸縮長度獨(dú)立控制;所述的柔性桿(2)可以使用彈簧或其它 具備較大變形能力的彈性的材料;所述的大端板（1)上的固定點(diǎn)三角形ABC、小端板(6)上的 固定點(diǎn)三角形abc是銳角三角形，且三角形ABC與三角形abc相似。
[0005]進(jìn)一步地，大端板（1)的固定點(diǎn)AB、小端板(5)的固定點(diǎn)ab與柔性桿(2)變形后的弦 長Aa和主動(dòng)伸縮桿組1(3)的長度構(gòu)成四邊形ABba，設(shè)三角形ABC的AB邊長為LB，三角形abc 的ab邊長為Lb，柔性桿(2)的長度為H，則主動(dòng)伸縮桿組1(3)的長度在(Lb - Lb_ 0.9H)~ (LB - Lb + 0.9H)之間可變，主動(dòng)伸縮桿組11(4)的計(jì)算方法與主動(dòng)伸縮桿組1(3)相同。
[0006] 進(jìn)一步地，伸縮桿(21)可以采用螺紋直線驅(qū)動(dòng)、線管伸縮、液壓缸等動(dòng)力元件實(shí)現(xiàn) 伸縮;所述的球鉸(22)可以采用萬向節(jié)等連接方式;所述的三角形abc可以縮小為一個(gè)點(diǎn)。
[0007] 進(jìn)一步地，控制方法是通過精確改變主動(dòng)伸縮桿組1(3)、主動(dòng)伸縮桿組11(4)的長 度，利用柔性桿(2)的彈性彎曲特性，來精確控制小端板(5)相對于大端板(1)的位移和矢量 轉(zhuǎn)角。
[0008] 可見，本發(fā)明的柔性并聯(lián)機(jī)器人手腕裝置及控制方法，其工作原理是:定長的柔性 桿在受力彎曲時(shí)其中性層長度不變，柔性桿的兩端面法向夾角與所形成的弧的圓心角相 等，弦長變化，與兩個(gè)獨(dú)立控制的伸縮桿構(gòu)成可變?nèi)忮F，通過主動(dòng)控制三棱錐中兩條棱的 長度，配合柔性棱，達(dá)到控制三棱錐頂點(diǎn)到錐底平面的距離和柔性桿端面法向角度的目的。 采用幾何方法求解三棱錐，即可精確得到伸縮桿組長度與柔性桿端點(diǎn)到大端板平面的距離 以及柔性桿端面的法向與大端板平面之間的矢量夾角，同時(shí)可以確定小端板平面的法向與 大端板平面的矢量夾角，完成手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)及其控制。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單緊湊，強(qiáng)度和剛度高， 控制方法簡單可靠，適用于各種類型機(jī)器人的手腕部或肩部連接;將柔性桿做成中空結(jié)構(gòu)， 也可作為噴漆機(jī)器人的指端。
【附圖說明】
[0009] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010] 圖2為本發(fā)明工作原理圖。
[0011] 圖3為本發(fā)明的實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012] 圖中： 1一大端板2-柔性桿3-主動(dòng)伸縮桿組I 4一主動(dòng)伸縮桿組II 5一小端板 21-主動(dòng)伸縮桿22-球鉸23-萬向節(jié)。
【具體實(shí)施方式】
[0013] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0014] 如圖1所示，本發(fā)明的柔性并聯(lián)機(jī)器人手腕裝置及控制方法，包括大端板（1)、柔性 桿(2)、主動(dòng)伸縮桿組I(3)、主動(dòng)伸縮桿組II(4)、小端板(5)，其中，柔性桿(2)、主動(dòng)伸縮桿 組1(3)、主動(dòng)伸縮桿組11(4)的兩端分別對應(yīng)固定在大端板(1)的A、B、C點(diǎn)和小端板(5)的a、 b、c點(diǎn)上；主動(dòng)伸縮桿組I (3)、主動(dòng)伸縮桿組II (4)米用液壓缸作為伸縮桿（21 )，在伸縮桿 (21)的兩端安裝球鉸(22)，采用彈簧作為柔性桿(2)，并用墊圈、螺母等緊固件固定在大端 板(1)和小端板(5)上;大端板(1)、小端板(6)上的固定點(diǎn)三角形采用等邊三角形。
[0015] 當(dāng)主動(dòng)伸縮桿組1(3)、主動(dòng)伸縮桿組11(4)縮短時(shí)，在力的作用下，柔性桿(2)將繼 續(xù)彎曲。從材料力學(xué)可知:等截面的懸臂梁在端點(diǎn)受力或扭矩時(shí)，懸臂梁將產(chǎn)生圓弧形變， 其端點(diǎn)將發(fā)生偏轉(zhuǎn)和位移，因此，柔性桿(2)的活動(dòng)端點(diǎn)到大端板(1)間的距離將變小，同時(shí) 彎曲的柔性桿(2)活動(dòng)端面的軸線與大端板(1)間的矢量夾角變?。划?dāng)主動(dòng)伸縮桿組1(3)伸 長、主動(dòng)伸縮桿組11(4)不變時(shí)，在力的作用下，柔性桿(2)將向短桿側(cè)彎曲，從而使彎曲的 柔性桿(2)活動(dòng)端面的軸線與大端板(1)間的矢量夾角變化;因此，改變主動(dòng)伸縮桿組I (3)、 主動(dòng)伸縮桿組IK4)的長度，就可以改變小端板(5)與大端板(1)之間的夾角和距離，完成手 腕的功能。
[0016]如圖2所示，為便于計(jì)算，將直角坐標(biāo)系xyz的原點(diǎn)設(shè)在A點(diǎn)，三角形ABC與xy平面重 合，y軸是三角形ABC中角A的角平分線，a點(diǎn)是弧Aa的一個(gè)端點(diǎn)，D點(diǎn)是a點(diǎn)在平面ABC上的投 影，α是Aa的射影與y軸的夾角，β是弧Aa端點(diǎn)切線的夾角，aD是a點(diǎn)到平面ABC的距離。設(shè)三角 形ABC中AB邊長為Lb，三角形abc中ab邊長為L b，弧Aa的長度為H(柔性桿的長度），L^Bb線的 長度(伸縮桿I的長度），L2為Cc線的長度(伸縮桿II的長度）。
[0017]由四邊形ABba可知，當(dāng)b點(diǎn)與Ba線重合時(shí)，形成了三角形ABa，設(shè)此時(shí)β=90°，柔性桿 在力的作用下產(chǎn)生彎曲變形，所形成的弧Aa為四分之一圓，因此Α點(diǎn)到a點(diǎn)的距離（即弧Aa的 弦長）為:Aa=2 V ·Η/π ~〇 · 9H 由二角形形成條件，不難得出:Li>Lb - Lb - 0.9Η 同理，當(dāng)β= - 90°時(shí)，可得:Ι^<?Β - Lb + 0.9H 艮P:主動(dòng)伸縮桿組I的長度在(Lb _ Lb _ 0.9H)~（Lb _ Lb + 0.9H)之間。
[0018]由四邊形ACca類似計(jì)算，可以得出L2(即主動(dòng)伸縮桿組II)的變化區(qū)間。
[0019]在三棱錐ABCa中，三角形ABC、柔性棱長（即弧Aa的長度）已經(jīng)確定，根據(jù)彈性彎曲 設(shè)定，顯然三角形abc與弧Aa在a點(diǎn)的切線垂直，從圖2中不難得出1^山與€1』及!1之間的關(guān)系 式。
[0020] 如圖3所示，本實(shí)施例中采用萬向節(jié)(23)作為轉(zhuǎn)動(dòng)連接副，柔性桿(2)采用彈性膠 棒，安裝和固定方便，在不產(chǎn)生干涉的情況下，小端板的可變角度增大。
[0021] 雖然已經(jīng)對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)的描述和說明，但是本發(fā)明并不局限 于此。應(yīng)當(dāng)知道，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以在不背離本發(fā)明的精神和原理的條件下進(jìn)行多種 修改和變化，而不脫離其由權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 柔性并聯(lián)機(jī)器人手腕裝置及控制方法，包括:大端板（1)、柔性桿(2)、主動(dòng)伸縮桿組I (3)、主動(dòng)伸縮桿組11(4)、小端板(5)、主動(dòng)伸縮桿(21)以及球鉸(22)，其特征在于:柔性桿 (2)、主動(dòng)伸縮桿組1(3)、主動(dòng)伸縮桿組11(4)的兩端分別對應(yīng)固定在大端板（1)的A、B、C點(diǎn) 和小端板(5)的a、b、c點(diǎn)上;所述的主動(dòng)伸縮桿組1(3)、主動(dòng)伸縮桿組11(4)由伸縮桿(21)及 其兩端的球鉸(22)安裝構(gòu)成，伸縮長度獨(dú)立控制;所述的柔性桿(2)可以使用彈簧或其它具 備較大變形能力的彈性的材料;所述的大端板(1)上的固定點(diǎn)三角形ABC、小端板(6)上的固 定點(diǎn)三角形abc是銳角三角形，且三角形ABC與三角形abc相似。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性并聯(lián)機(jī)器人手腕裝置及控制方法，其特征在于:所述的 大端板（1)的固定點(diǎn)AB、小端板(5)的固定點(diǎn)ab與柔性桿(2)變形后的弦長Aa和主動(dòng)伸縮桿 組I (3)的長度構(gòu)成四邊形ABba，設(shè)三角形ABC的AB邊長為Lb，三角形abc的ab邊長為Lb，柔性 桿(2)的長度為H，則主動(dòng)伸縮桿組1(3)的長度在(Lb - Lb- 0.9H)~（Lb - Lb + 0.9H)之 間可變，主動(dòng)伸縮桿組11(4)的計(jì)算方法與主動(dòng)伸縮桿組1(3)相同。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性并聯(lián)機(jī)器人手腕裝置及控制方法，其特征在于:所述的伸 縮桿(21)可以采用螺紋直線驅(qū)動(dòng)、線管伸縮、液壓缸等動(dòng)力元件實(shí)現(xiàn)伸縮;所述的球鉸(22) 可以采用萬向節(jié)等連接方式;所述的三角形abc可以縮小為一個(gè)點(diǎn)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1 一 3所述的柔性并聯(lián)機(jī)器人手腕裝置及控制方法，其特征在于:所述 的控制方法是通過精確改變主動(dòng)伸縮桿組1(3)、主動(dòng)伸縮桿組11(4)的長度，利用柔性桿 (2)的彈性彎曲特性，來精確控制小端板(5)相對于大端板(1)的位移和矢量轉(zhuǎn)角。
【文檔編號】B25J9/00GK106078691SQ201610599775
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月28日 公開號201610599775.4, CN 106078691 A, CN 106078691A, CN 201610599775, CN-A-106078691, CN106078691 A, CN106078691A, CN201610599775, CN201610599775.4
【發(fā)明人】唐勇, 朱宗銘, 龐佑霞, 梁亮, 許焰, 唐思蜀, 胡玲君
【申請人】長沙學(xué)院