CN104690743A - 一种基于单定子多自由度超声电机的机器人腕关节结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于单定子多自由度超声电机的机器人腕关节结构。超声电机是利用压电材料的逆压电效应，激发弹性体（定子）在超声频段内的微幅振动，使弹性体表面上的质点产生微观的椭圆运动，并通过定、转子之间的摩擦作用将振动转换成转子的旋转运动，输出功率，驱动负载。本发明采用多自由度球形超声电机作为驱动单元，通过球形转子、转动环、周向转动架，并配以弹簧预压装置，实现多自由度的运动输出，使得机构所需要的零件大为减少，减轻结构的重量，有效地避免了普通机器人腕关节因复杂的传动系统所带来的体积、重量较大，以及振动、噪声、能量损耗和传动误差等问题，提高了系统的定位精度和响应速度。

Description

一种基于单定子多自由度超声电机的机器人腕关节结构

技术领域

本发明涉及一种基于单定子多自由度超声电机的机器人腕关节结构，属于机器人技术领域。

背景技术

机器人是人类20世纪的重大发明之一。随着科学技术的进步，机器人应用已从传统制造业向非制造业转变，微型化已成为当前机器人领域的一个重要发展方向。航天、医疗作为机器人应用的两个重要技术领域，其非常规和极端环境的特点，对机器人结构提出了更高的要求，诸如轻、小、低噪声、无电磁干扰等。

腕关节是机器人中能够实现多自由度运动的一个重要机构。目前，其驱动大都采用多个传统的单自由度电磁电机的共同组合实现。除此之外，高速、低扭矩的特点使得传统电磁电机必需配以相应的减速系统才能实现机器人的低速、大力矩的工作需求。这种繁冗复杂的结构大大增加了腕关节的惯性负载，使之动态性能降低，这一状况，不仅对每增加1kg质量，发射成本将增加2万美元的太空探索来讲是一个非常现实的问题，而且对追求精密、微型且工作在极端环境下的医疗外科手术设备的技术发展也是一个非常严重的桎梏。另外，强烈的宇宙辐射、巨大的温差（300C⁰左右）变化等恶劣的外太空环境都对传统电磁电机的正常、稳定的工作构成了严重的威胁。基于单定子多自由度超声电机构建机器人腕关节能够集驱动、传动系统于一体，使得机构零件大为减少，大大减轻驱动结构的重量，而且，由于超声电机不产生磁场，亦不受外界磁场的干扰，因此，能够很好的适应外太空以及具有强磁影响的医疗环境。

目前，常用的机器人腕关节结构主要有如下几种：

1）串联式腕关节。串联式腕关节是应用最多的结构形式，它在工业机器人中具有广泛的应用。这种结构的典型代表是Rosheim设计的全方位腕机构，这种结构一般由轴线交于一点的三个转动运动副串联构成，其驱动器安装于腕关节或手臂处。三个驱动电机位于基座内，利用万向节传动原理，同时实现Pitch、Roll、Yaw运动。由于该腕关节的运动分别由三个驱动电机控制，因此结构比较复杂，尺寸与重量相对较大。该结构在一定情况下存在着PITCH、YAW运动耦合，对运动精度产生不利影响。除此之外，还有延长传动链将关节驱动电机布置在机器人手臂上以及绳索传动的机器人关节设计形式。上述两种形式一般会导致传动链过长，传动复杂，使手臂的结构变得异常复杂，更难以实现机器人腕关节的微型化和轻量化。

2）并联式腕关节。并联机构构造机器人腕关节具有明显的优势：结构紧凑、高的刚度重量比和响应速度。典型代表是3-RRR并联机构腕关节，这种机构上下平台用三个3R转动副运动链相连，所有转动副轴线均交于球面机构的转动中心。该结构在一定程度上可以弥补串联式手腕的不足，但是采用并联机构后手腕的运动变得复杂，三个方向的转动一般是耦合的。另一方面，这种方案仍需将三台驱动电机安装在腕关节上，这使得采用并联方式的腕关节仍然难以微型化、轻量化。

3）多自由度单关节。指利用单个运动关节来实现腕关节所需求的多个方向的转动。典型结构是基于凹凸齿传动的Traffla手腕，它的基本结构是一对“球冠齿轮”，它是在一个球冠上制出若干个离散分布的凹坑，在另一个球冠上镶嵌有同样数目的锥形指状齿。凹坑与指状齿啮合，从而实现运动的传递。这种球齿轮存在两个方面的缺陷:一是存在传动原理误差，二是加工难度很大，手腕的设计和制造都非常困难。目前，一种新型的三自由度球型腕关节被提出。该腕关节具有高集成度，主要由上半球，下半球和输出端构成，可实现俯仰、侧摆和自转运动。上、下半球的连接采用回转轴线与接触面法线方向具有一定角度的偏置方式，上、下半球在偏置斜面的运动合成了输出端的俯仰与侧摆运动，自转运动由通过轴承悬浮于上半球凸起的输出端实现。由于该结构依然采用电磁电机驱动，使得该腕关节仍然难以微型化、轻量化。

总之，目前机器人腕关节均由传统的电磁电机进行驱动，复杂的传动系统和结构形式使得它们很难满足当前对机器人结构提出的微型化、轻量化要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于单定子多自由度超声电机的机器人腕关节结构，更好的满足航天、医疗等非常规和极端环境下对机器人技术的需求。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于单定子多自由度超声电机的机器人腕关节结构，其特征在于，包括球形转子、转向环、周向转动架、一转动轴、二转动轴、一滑动轴承、二滑动轴承、轴套、深沟球轴承、轴承支撑套筒、电机振子、电机支撑座、滑套和弹簧预压装置，弹簧预压装置包括电机托架、预压力弹簧和弹簧压盖，转向环通过一转动轴与周向转动架上的一滑动轴承装配在一起，方向沿周向转动架直径方向。球形转子通过二转动轴与转向环上的二滑动轴承装配在一起，方向沿转向环直径方向。在空间上，一转动轴与二转动轴形成垂直布置。周向转动架通过轴套与深沟球轴承内圈配合，轴承支撑套筒与深沟球轴承外圈配合并对轴承支撑，轴承压环限制轴承沿轴向移动。轴承支撑套筒与电机支撑座固接，电机支撑座中间开有导向槽，槽内装配滑套以减少摩擦。电机托架可在导向槽内上下滑动，电机振子安放于导向槽内，可随电机托架上下移动。预压力弹簧套装在电机托架下凸起的轴端上，防止预压力弹簧的左右摆动。预压力弹簧下端由弹簧压盖固定，弹簧压盖通过螺纹的旋合实现上下移动，进而实现对预压力弹簧进行压力调整，达到对电机振子与球形转子之间的预压力的控制。底座支撑套与电机支撑座通过螺钉固接，实现与手臂结构的连接作用。

本发明的有益效果：超声电机是利用压电材料的逆压电效应，激发弹性体在超声频段内的微幅振动，从而使弹性体表面上的质点产生微观的椭圆形的运动，并通过定、转子之间的摩擦将振动转换成转子的旋转运动，输出功率，驱动负载。本发明采用多自由度超声电机作为驱动单元，通过球形转子、转动环、周向转动架，并配以弹簧预压装置，构建机器人腕关节结构，实现多自由度的运动输出，集驱动、传动系统于一体，使得系统所需要的零件大为减少而变得紧凑小巧、简单而灵活。避免了普通机器人腕关节因复杂的传动系统所带来的体积、重量较大，以及由此而引起的振动、噪声、能量损耗和传动误差等问题，大大提高了系统的定位精度和响应速度，为机器人在医疗、航天等极端环境下的应用提供更好的条件。

附图说明

图1为本发明的剖视图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例所涉及的一种基于单定子多自由度超声电机的机器人腕关节结构，包括球形转子1、转向环2、周向转动架3、一转动轴4、二转动轴5、一滑动轴承6、二滑动轴承7、轴套8、深沟球轴承9、轴承支撑套筒10、电机振子11、电机支撑座12、滑套13和弹簧预压装置，弹簧预压装置包括电机托架14、预压力弹簧15和弹簧压盖16。

进一步的还包括，一转动轴4与转向环2固接并通过一滑动轴承6与周向转动架3连接，方向沿周向转动架直径方向，实现转向环2绕水平轴的转动。二转动轴5由球形转子1中心穿过，并和球形转子1过盈配合，通过二滑动轴承7与转向环2连接，方向沿转向环2直径方向，实现球形转子1绕x轴或y轴的转动，在空间上，一转动轴4与二转动轴5形成垂直布置。

还包括，周向转动架3与轴套8通过螺钉固接，轴套8与深沟球轴承9内圈过盈配合，使得周向转动架3能随深沟球轴承9内套一起转动，实现球形转子1绕z轴的转动。轴承支撑套筒10与深沟球轴承9外圈过渡配合并对深沟球轴承9支撑，轴承压环17与轴承支撑套筒10上端部通过螺钉固接，以限制深沟球轴承9沿轴向移动，实现在预压力弹簧15作用下电机振子11与球形转子1之间的预压力的加载控制。

还包括，轴承支撑套筒10与电机支撑座12通过螺钉固接，电机支撑座12中间开有导向槽18，导向槽18内装配滑套13，以减少摩擦。电机托架14可在导向槽18内上下滑动。电机振子11安放于导向槽18内，可随电机托架14上下移动。预压力弹簧15套装在电机托架14下凸起的轴端上，防止预压力弹簧15的左右摆动。预压力弹簧15下端由弹簧压盖16固定，弹簧压盖16通过螺纹的旋合实现上下移动，进而实现对预压力弹簧15进行压力调整，达到对电机振子11与球形转子1之间的预压力的控制。底座支撑套19与电机支撑座12通过螺钉固接，实现与手臂结构的连接作用。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种基于单定子多自由度超声电机的机器人腕关节结构，其特征在于，包括球形转子、转向环、周向转动架、一转动轴、二转动轴、一滑动轴承、二滑动轴承、轴套、深沟球轴承、轴承支撑套筒、电机振子、电机支撑座、滑套和弹簧预压装置，弹簧预压装置包括电机托架、预压力弹簧和弹簧压盖，所述转动环与一转动轴固接，通过一滑动轴承与周向转动架圆柱副连接，二转动轴穿过球形转子，与球形转子固接，通过二滑动轴承与转向环圆柱副连接，所述周向转动架通过螺钉固定在轴套上，轴套和轴承支撑套筒分别与深沟球轴承内外圈圆柱副连接，所述电机支撑座与轴承支撑套筒通过螺钉固接，电机支撑座上侧中间开有导向槽，下侧与弹簧压盖螺纹连接，所述滑套与导向槽固接，电机托架在下、电机振子在上分别与滑套圆柱副连接，所述预压力弹簧套装在电机托架下凸起的轴端上，预压力弹簧下端由弹簧压盖固定，弹簧压盖通过螺纹的旋合上下移动。

2. 根据权利要求1所述的一种基于单定子多自由度超声电机的机器人腕关节结构，其特征在于，所述一转动轴与二转动轴在空间上形成垂直布置。

3.根据权利要求1所述的一种基于单定子多自由度超声电机的机器人腕关节结构，其特征在于，还包括轴承压环，所述轴承压环通过螺钉固接在轴承支撑套筒上端部，以限制轴承沿轴向移动。

4.根据权利要求1所述的一种基于单定子多自由度超声电机的机器人腕关节结构，其特征在于，还包括底座支撑套，所述底座支撑套与电机支撑座通过螺钉固接。

5.根据权利要求1所述的一种基于单定子多自由度超声电机的机器人腕关节结构，其特征在于，所述滑套材料为聚四氟乙烯。