柔性并聯(lián)機器人手腕裝置及控制方法
【專利摘要】柔性并聯(lián)機器人手腕裝置及控制方法，包括由大端板、柔性桿、兩個主動伸縮桿組、小端板構成的手腕裝置，通過兩個主動伸縮桿組的主動伸縮和利用柔性桿的彈性彎曲的配合，實現(xiàn)小端板相對于大端板的位移和角度轉動。通過求解大端板上的固定點三角形ABC和柔性桿另一端點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角，控制方法簡單可靠。本發(fā)明的柔性并聯(lián)機器人手腕裝置結構簡單緊湊，易于制造、安裝和維護，且重量輕、剛度高，適用于機器人的手腕部或肩部連接；將柔性桿做成中空結構，也可作為噴漆機器人的指端使用。
【專利說明】
柔性并聯(lián)機器人手腕裝置及控制方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及機器人的手腕裝置及其控制方法，具體涉及柔性并聯(lián)機器人的手腕裝 置及控制方法，尤其在使用噴涂機器人的場合。
【背景技術】
[0002] 機器人已經廣泛使用在工業(yè)生產、醫(yī)療設備以及人們的生活當中?，F(xiàn)有的機器人 系統(tǒng)主要有串聯(lián)機器人、并聯(lián)機器人及串并聯(lián)混合的機器人系統(tǒng)，而且基本上是采用馬達 驅動齒輪傳動來實現(xiàn)機器人空間位置的確定。眾所周知，隨著傳動鏈的增加，系統(tǒng)累積誤差 增大，因此，隨著對機器人動作要求尤其是定位精度的提高，對所用的相關驅動元件精度及 其伺服系統(tǒng)的要求進一步提高?，F(xiàn)有的機器人手腕轉動自由度(包括噴涂機器人手腕)基本 上是采用齒輪傳動來完成的，制造精度要求高，結構復雜;并聯(lián)機器人手腕雖可精確定位， 但動力原件多，控制組合要求較高;欠自由度手腕動力元件少，但使用限制較大;柔性手腕 是以被動適應為主，且動作不具備唯一性;還有采用運動耦合等方式來實現(xiàn)機器人手腕運 動，等。綜上所述，如何達到利用并聯(lián)機器人的重量輕、剛度大、精度高的優(yōu)點，同時驅動元 件少，控制方法簡單可靠，尤其是主要驅動元件可以遠距離驅動，進一步減小機器人臂端的 重量，是目前機器人發(fā)展中必須解決的問題。

【發(fā)明內容】

[0003] 針對國內外現(xiàn)有機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)機器人手腕裝置及控制方法，通過兩組可以獨立主動伸縮的驅動元件和一個具有彈性 大變形能力的固定柔性桿，構建成并聯(lián)機器人的柔性手腕，利用柔性桿的彎曲特性，實現(xiàn)小 端板相對于大端板的位移和轉動角度。通過求解大端板上的固定點三角形ABC和柔性桿另 一端點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角，控制方法簡單可靠。
[0004]為達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案是： 本發(fā)明的柔性并聯(lián)機器人手腕裝置及控制方法，包括:大端板（1)、柔性桿(2)、主動伸 縮桿組1(3)、主動伸縮桿組11(4)、小端板(5)、主動伸縮桿(21)以及球鉸(22);所述的柔性 桿(2)、主動伸縮桿組1(3)、主動伸縮桿組11(4)的兩端分別對應固定在大端板（1)的A、B、C 點和小端板(5)的a、b、c點上;所述的主動伸縮桿組1(3)、主動伸縮桿組11(4)由伸縮桿(21) 及其兩端的球鉸(22)安裝構成，伸縮長度獨立控制;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)上的固定點三角形ABC、小端板(6)上的 固定點三角形abc是銳角三角形，且三角形ABC與三角形abc相似。
[0005]進一步地，大端板（1)的固定點AB、小端板(5)的固定點ab與柔性桿(2)變形后的弦 長Aa和主動伸縮桿組1(3)的長度構成四邊形ABba，設三角形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，則主動伸縮桿組1(3)的長度在(Lb - Lb_ 0.9H)~ (LB - Lb + 0.9H)之間可變，主動伸縮桿組11(4)的計算方法與主動伸縮桿組1(3)相同。
[0006] 進一步地，伸縮桿(21)可以采用螺紋直線驅動、線管伸縮、液壓缸等動力元件實現(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可以縮小為一個點。
[0007] 進一步地，控制方法是通過精確改變主動伸縮桿組1(3)、主動伸縮桿組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 轉角。
[0008] 可見，本發(fā)明的柔性并聯(lián)機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，與兩個獨立控制的伸縮桿構成可變三棱錐，通過主動控制三棱錐中兩條棱的 長度，配合柔性棱，達到控制三棱錐頂點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，完成手腕的轉動及其控制。本發(fā)明結構簡單緊湊，強度和剛度高， 控制方法簡單可靠，適用于各種類型機器人的手腕部或肩部連接;將柔性桿做成中空結構， 也可作為噴漆機器人的指端。
【附圖說明】
[0009] 圖1為本發(fā)明的結構示意圖。
[0010] 圖2為本發(fā)明工作原理圖。
[0011] 圖3為本發(fā)明的實施例結構示意圖。
[0012] 圖中： 1一大端板2-柔性桿3-主動伸縮桿組I 4一主動伸縮桿組II 5一小端板 21-主動伸縮桿22-球鉸23-萬向節(jié)。
【具體實施方式】
[0013] 下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細的說明。
[0014] 如圖1所示，本發(fā)明的柔性并聯(lián)機器人手腕裝置及控制方法，包括大端板（1)、柔性 桿(2)、主動伸縮桿組I(3)、主動伸縮桿組II(4)、小端板(5)，其中，柔性桿(2)、主動伸縮桿 組1(3)、主動伸縮桿組11(4)的兩端分別對應固定在大端板(1)的A、B、C點和小端板(5)的a、 b、c點上；主動伸縮桿組I (3)、主動伸縮桿組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)上的固定點三角形采用等邊三角形。
[0015] 當主動伸縮桿組1(3)、主動伸縮桿組11(4)縮短時，在力的作用下，柔性桿(2)將繼 續(xù)彎曲。從材料力學可知:等截面的懸臂梁在端點受力或扭矩時，懸臂梁將產生圓弧形變， 其端點將發(fā)生偏轉和位移，因此，柔性桿(2)的活動端點到大端板(1)間的距離將變小，同時 彎曲的柔性桿(2)活動端面的軸線與大端板(1)間的矢量夾角變??；當主動伸縮桿組1(3)伸 長、主動伸縮桿組11(4)不變時，在力的作用下，柔性桿(2)將向短桿側彎曲，從而使彎曲的 柔性桿(2)活動端面的軸線與大端板(1)間的矢量夾角變化;因此，改變主動伸縮桿組I (3)、 主動伸縮桿組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，為便于計算，將直角坐標系xyz的原點設在A點，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點是弧Aa的一個端點，D點是a點在平面ABC上的投 影，α是Aa的射影與y軸的夾角，β是弧Aa端點切線的夾角，aD是a點到平面ABC的距離。設三角 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b點與Ba線重合時，形成了三角形ABa，設此時β=90°，柔性桿 在力的作用下產生彎曲變形，所形成的弧Aa為四分之一圓，因此Α點到a點的距離（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β= - 90°時，可得:Ι^<?Β - Lb + 0.9H 艮P:主動伸縮桿組I的長度在(Lb _ Lb _ 0.9H)~（Lb _ Lb + 0.9H)之間。
[0018]由四邊形ACca類似計算，可以得出L2(即主動伸縮桿組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）已經確定，根據(jù)彈性彎曲 設定，顯然三角形abc與弧Aa在a點的切線垂直，從圖2中不難得出1^山與€1』及!1之間的關系 式。
[0020] 如圖3所示，本實施例中采用萬向節(jié)(23)作為轉動連接副，柔性桿(2)采用彈性膠 棒，安裝和固定方便，在不產生干涉的情況下，小端板的可變角度增大。
[0021] 雖然已經對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行了詳細的描述和說明，但是本發(fā)明并不局限 于此。應當知道，本領域的技術人員可以在不背離本發(fā)明的精神和原理的條件下進行多種 修改和變化，而不脫離其由權利要求書所限定的本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1. 柔性并聯(lián)機器人手腕裝置及控制方法，包括:大端板（1)、柔性桿(2)、主動伸縮桿組I (3)、主動伸縮桿組11(4)、小端板(5)、主動伸縮桿(21)以及球鉸(22)，其特征在于:柔性桿 (2)、主動伸縮桿組1(3)、主動伸縮桿組11(4)的兩端分別對應固定在大端板（1)的A、B、C點 和小端板(5)的a、b、c點上;所述的主動伸縮桿組1(3)、主動伸縮桿組11(4)由伸縮桿(21)及 其兩端的球鉸(22)安裝構成，伸縮長度獨立控制;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)上的固定點三角形ABC、小端板(6)上的固 定點三角形abc是銳角三角形，且三角形ABC與三角形abc相似。2. 根據(jù)權利要求1所述的柔性并聯(lián)機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AB、小端板(5)的固定點ab與柔性桿(2)變形后的弦長Aa和主動伸縮桿 組I (3)的長度構成四邊形ABba，設三角形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，則主動伸縮桿組1(3)的長度在(Lb - Lb- 0.9H)~（Lb - Lb + 0.9H)之 間可變，主動伸縮桿組11(4)的計算方法與主動伸縮桿組1(3)相同。3. 根據(jù)權利要求1所述的柔性并聯(lián)機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動、線管伸縮、液壓缸等動力元件實現(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可以縮小為一個點。4. 根據(jù)權利要求1 一 3所述的柔性并聯(lián)機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伸縮桿組1(3)、主動伸縮桿組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】長沙學院