柔性并联机器人手腕装置及控制方法
【专利摘要】柔性并联机器人手腕装置及控制方法，包括由大端板、柔性杆、两个主动伸缩杆组、小端板构成的手腕装置，通过两个主动伸缩杆组的主动伸缩和利用柔性杆的弹性弯曲的配合，实现小端板相对于大端板的位移和角度转动。通过求解大端板上的固定点三角形ABC和柔性杆另一端点a形成的三棱锥ABCa，即可精确得到伸缩杆组长度与柔性杆端点到大端板的距离、柔性杆两端面法向夹角以及小端板与大端板之间的矢量转角，控制方法简单可靠。本发明的柔性并联机器人手腕装置结构简单紧凑，易于制造、安装和维护，且重量轻、刚度高，适用于机器人的手腕部或肩部连接；将柔性杆做成中空结构，也可作为喷漆机器人的指端使用。
【专利说明】
柔性并联机器人手腕装置及控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及机器人的手腕装置及其控制方法，具体涉及柔性并联机器人的手腕装 置及控制方法，尤其在使用喷涂机器人的场合。
【背景技术】
[0002] 机器人已经广泛使用在工业生产、医疗设备以及人们的生活当中。现有的机器人 系统主要有串联机器人、并联机器人及串并联混合的机器人系统，而且基本上是采用马达 驱动齿轮传动来实现机器人空间位置的确定。众所周知，随着传动链的增加，系统累积误差 增大，因此，随着对机器人动作要求尤其是定位精度的提高，对所用的相关驱动元件精度及 其伺服系统的要求进一步提高。现有的机器人手腕转动自由度(包括喷涂机器人手腕)基本 上是采用齿轮传动来完成的，制造精度要求高，结构复杂;并联机器人手腕虽可精确定位， 但动力原件多，控制组合要求较高;欠自由度手腕动力元件少，但使用限制较大;柔性手腕 是以被动适应为主，且动作不具备唯一性;还有采用运动耦合等方式来实现机器人手腕运 动，等。综上所述，如何达到利用并联机器人的重量轻、刚度大、精度高的优点，同时驱动元 件少，控制方法简单可靠，尤其是主要驱动元件可以远距离驱动，进一步减小机器人臂端的 重量，是目前机器人发展中必须解决的问题。
【发明内容】
[0003] 针对国内外现有机器人手腕装置及其控制方法所存在的不足，本发明提供了柔性 并联机器人手腕装置及控制方法，通过两组可以独立主动伸缩的驱动元件和一个具有弹性 大变形能力的固定柔性杆，构建成并联机器人的柔性手腕，利用柔性杆的弯曲特性，实现小 端板相对于大端板的位移和转动角度。通过求解大端板上的固定点三角形ABC和柔性杆另 一端点a形成的三棱锥ABCa，即可精确得到伸缩杆组长度与柔性杆端点到大端板的距离、柔 性杆两端面法向夹角以及小端板与大端板之间的矢量转角，控制方法简单可靠。
[0004]为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是： 本发明的柔性并联机器人手腕装置及控制方法，包括:大端板（1)、柔性杆(2)、主动伸 缩杆组1(3)、主动伸缩杆组11(4)、小端板(5)、主动伸缩杆(21)以及球铰(22);所述的柔性 杆(2)、主动伸缩杆组1(3)、主动伸缩杆组11(4)的两端分别对应固定在大端板（1)的A、B、C 点和小端板(5)的a、b、c点上;所述的主动伸缩杆组1(3)、主动伸缩杆组11(4)由伸缩杆(21) 及其两端的球铰(22)安装构成，伸缩长度独立控制;所述的柔性杆(2)可以使用弹簧或其它 具备较大变形能力的弹性的材料;所述的大端板（1)上的固定点三角形ABC、小端板(6)上的 固定点三角形abc是锐角三角形，且三角形ABC与三角形abc相似。
[0005]进一步地，大端板（1)的固定点AB、小端板(5)的固定点ab与柔性杆(2)变形后的弦 长Aa和主动伸缩杆组1(3)的长度构成四边形ABba，设三角形ABC的AB边长为LB，三角形abc 的ab边长为Lb，柔性杆(2)的长度为H，则主动伸缩杆组1(3)的长度在(Lb - Lb_ 0.9H)~ (LB - Lb + 0.9H)之间可变，主动伸缩杆组11(4)的计算方法与主动伸缩杆组1(3)相同。
[0006] 进一步地，伸缩杆(21)可以采用螺纹直线驱动、线管伸缩、液压缸等动力元件实现 伸缩;所述的球铰(22)可以采用万向节等连接方式;所述的三角形abc可以缩小为一个点。
[0007] 进一步地，控制方法是通过精确改变主动伸缩杆组1(3)、主动伸缩杆组11(4)的长 度，利用柔性杆(2)的弹性弯曲特性，来精确控制小端板(5)相对于大端板(1)的位移和矢量 转角。
[0008] 可见，本发明的柔性并联机器人手腕装置及控制方法，其工作原理是:定长的柔性 杆在受力弯曲时其中性层长度不变，柔性杆的两端面法向夹角与所形成的弧的圆心角相 等，弦长变化，与两个独立控制的伸缩杆构成可变三棱锥，通过主动控制三棱锥中两条棱的 长度，配合柔性棱，达到控制三棱锥顶点到锥底平面的距离和柔性杆端面法向角度的目的。 采用几何方法求解三棱锥，即可精确得到伸缩杆组长度与柔性杆端点到大端板平面的距离 以及柔性杆端面的法向与大端板平面之间的矢量夹角，同时可以确定小端板平面的法向与 大端板平面的矢量夹角，完成手腕的转动及其控制。本发明结构简单紧凑，强度和刚度高， 控制方法简单可靠，适用于各种类型机器人的手腕部或肩部连接;将柔性杆做成中空结构， 也可作为喷漆机器人的指端。
【附图说明】
[0009] 图1为本发明的结构示意图。
[0010] 图2为本发明工作原理图。
[0011] 图3为本发明的实施例结构示意图。
[0012] 图中： 1一大端板2-柔性杆3-主动伸缩杆组I 4一主动伸缩杆组II 5一小端板 21-主动伸缩杆22-球铰23-万向节。
【具体实施方式】
[0013] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细的说明。
[0014] 如图1所示，本发明的柔性并联机器人手腕装置及控制方法，包括大端板（1)、柔性 杆(2)、主动伸缩杆组I(3)、主动伸缩杆组II(4)、小端板(5)，其中，柔性杆(2)、主动伸缩杆 组1(3)、主动伸缩杆组11(4)的两端分别对应固定在大端板(1)的A、B、C点和小端板(5)的a、 b、c点上；主动伸缩杆组I (3)、主动伸缩杆组II (4)米用液压缸作为伸缩杆（21 )，在伸缩杆 (21)的两端安装球铰(22)，采用弹簧作为柔性杆(2)，并用垫圈、螺母等紧固件固定在大端 板(1)和小端板(5)上;大端板(1)、小端板(6)上的固定点三角形采用等边三角形。
[0015] 当主动伸缩杆组1(3)、主动伸缩杆组11(4)缩短时，在力的作用下，柔性杆(2)将继 续弯曲。从材料力学可知:等截面的悬臂梁在端点受力或扭矩时，悬臂梁将产生圆弧形变， 其端点将发生偏转和位移，因此，柔性杆(2)的活动端点到大端板(1)间的距离将变小，同时 弯曲的柔性杆(2)活动端面的轴线与大端板(1)间的矢量夹角变小；当主动伸缩杆组1(3)伸 长、主动伸缩杆组11(4)不变时，在力的作用下，柔性杆(2)将向短杆侧弯曲，从而使弯曲的 柔性杆(2)活动端面的轴线与大端板(1)间的矢量夹角变化;因此，改变主动伸缩杆组I (3)、 主动伸缩杆组IK4)的长度，就可以改变小端板(5)与大端板(1)之间的夹角和距离，完成手 腕的功能。
[0016]如图2所示，为便于计算，将直角坐标系xyz的原点设在A点，三角形ABC与xy平面重 合，y轴是三角形ABC中角A的角平分线，a点是弧Aa的一个端点，D点是a点在平面ABC上的投 影，α是Aa的射影与y轴的夹角，β是弧Aa端点切线的夹角，aD是a点到平面ABC的距离。设三角 形ABC中AB边长为Lb，三角形abc中ab边长为L b，弧Aa的长度为H(柔性杆的长度），L^Bb线的 长度(伸缩杆I的长度），L2为Cc线的长度(伸缩杆II的长度）。
[0017]由四边形ABba可知，当b点与Ba线重合时，形成了三角形ABa，设此时β=90°，柔性杆 在力的作用下产生弯曲变形，所形成的弧Aa为四分之一圆，因此Α点到a点的距离（即弧Aa的 弦长）为:Aa=2 V ·Η/π ~〇 · 9H 由二角形形成条件，不难得出:Li>Lb - Lb - 0.9Η 同理，当β= - 90°时，可得:Ι^<?Β - Lb + 0.9H 艮P:主动伸缩杆组I的长度在(Lb _ Lb _ 0.9H)~（Lb _ Lb + 0.9H)之间。
[0018]由四边形ACca类似计算，可以得出L2(即主动伸缩杆组II)的变化区间。
[0019]在三棱锥ABCa中，三角形ABC、柔性棱长（即弧Aa的长度）已经确定，根据弹性弯曲 设定，显然三角形abc与弧Aa在a点的切线垂直，从图2中不难得出1^山与€1』及!1之间的关系 式。
[0020] 如图3所示，本实施例中采用万向节(23)作为转动连接副，柔性杆(2)采用弹性胶 棒，安装和固定方便，在不产生干涉的情况下，小端板的可变角度增大。
[0021] 虽然已经对本发明的优选实施例进行了详细的描述和说明，但是本发明并不局限 于此。应当知道，本领域的技术人员可以在不背离本发明的精神和原理的条件下进行多种 修改和变化，而不脱离其由权利要求书所限定的本发明的保护范围。
【主权项】
1. 柔性并联机器人手腕装置及控制方法，包括:大端板（1)、柔性杆(2)、主动伸缩杆组I (3)、主动伸缩杆组11(4)、小端板(5)、主动伸缩杆(21)以及球铰(22)，其特征在于:柔性杆 (2)、主动伸缩杆组1(3)、主动伸缩杆组11(4)的两端分别对应固定在大端板（1)的A、B、C点 和小端板(5)的a、b、c点上;所述的主动伸缩杆组1(3)、主动伸缩杆组11(4)由伸缩杆(21)及 其两端的球铰(22)安装构成，伸缩长度独立控制;所述的柔性杆(2)可以使用弹簧或其它具 备较大变形能力的弹性的材料;所述的大端板(1)上的固定点三角形ABC、小端板(6)上的固 定点三角形abc是锐角三角形，且三角形ABC与三角形abc相似。2. 根据权利要求1所述的柔性并联机器人手腕装置及控制方法，其特征在于:所述的 大端板（1)的固定点AB、小端板(5)的固定点ab与柔性杆(2)变形后的弦长Aa和主动伸缩杆 组I (3)的长度构成四边形ABba，设三角形ABC的AB边长为Lb，三角形abc的ab边长为Lb，柔性 杆(2)的长度为H，则主动伸缩杆组1(3)的长度在(Lb - Lb- 0.9H)~（Lb - Lb + 0.9H)之 间可变，主动伸缩杆组11(4)的计算方法与主动伸缩杆组1(3)相同。3. 根据权利要求1所述的柔性并联机器人手腕装置及控制方法，其特征在于:所述的伸 缩杆(21)可以采用螺纹直线驱动、线管伸缩、液压缸等动力元件实现伸缩;所述的球铰(22) 可以采用万向节等连接方式;所述的三角形abc可以缩小为一个点。4. 根据权利要求1 一 3所述的柔性并联机器人手腕装置及控制方法，其特征在于:所述 的控制方法是通过精确改变主动伸缩杆组1(3)、主动伸缩杆组11(4)的长度，利用柔性杆 (2)的弹性弯曲特性，来精确控制小端板(5)相对于大端板(1)的位移和矢量转角。
【文档编号】B25J9/00GK106078691SQ201610599775
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月28日 公开号201610599775.4, CN 106078691 A, CN 106078691A, CN 201610599775, CN-A-106078691, CN106078691 A, CN106078691A, CN201610599775, CN201610599775.4
【发明人】唐勇, 朱宗铭, 庞佑霞, 梁亮, 许焰, 唐思蜀, 胡玲君
【申请人】长沙学院