一種基于單定子多自由度超聲電機(jī)的機(jī)器人腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于單定子多自由度超聲電機(jī)的機(jī)器人腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]機(jī)器人是人類20世紀(jì)的重大發(fā)明之一。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人應(yīng)用已從傳統(tǒng)制造業(yè)向非制造業(yè)轉(zhuǎn)變，微型化已成為當(dāng)前機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。航天、醫(yī)療作為機(jī)器人應(yīng)用的兩個(gè)重要技術(shù)領(lǐng)域，其非常規(guī)和極端環(huán)境的特點(diǎn)，對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)提出了更高的要求，諸如輕、小、低噪聲、無(wú)電磁干擾等。
[0003]腕關(guān)節(jié)是機(jī)器人中能夠?qū)崿F(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)的一個(gè)重要機(jī)構(gòu)。目前，其驅(qū)動(dòng)大都采用多個(gè)傳統(tǒng)的單自由度電磁電機(jī)的共同組合實(shí)現(xiàn)。除此之外，高速、低扭矩的特點(diǎn)使得傳統(tǒng)電磁電機(jī)必需配以相應(yīng)的減速系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的低速、大力矩的工作需求。這種繁冗復(fù)雜的結(jié)構(gòu)大大增加了腕關(guān)節(jié)的慣性負(fù)載，使之動(dòng)態(tài)性能降低，這一狀況，不僅對(duì)每增加Ikg質(zhì)量，發(fā)射成本將增加2萬(wàn)美元的太空探索來(lái)講是一個(gè)非?，F(xiàn)實(shí)的問(wèn)題，而且對(duì)追求精密、微型且工作在極端環(huán)境下的醫(yī)療外科手術(shù)設(shè)備的技術(shù)發(fā)展也是一個(gè)非常嚴(yán)重的桎梏。另外，強(qiáng)烈的宇宙輻射、巨大的溫差(300C°左右)變化等惡劣的外太空環(huán)境都對(duì)傳統(tǒng)電磁電機(jī)的正常、穩(wěn)定的工作構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。基于單定子多自由度超聲電機(jī)構(gòu)建機(jī)器人腕關(guān)節(jié)能夠集驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)系統(tǒng)于一體，使得機(jī)構(gòu)零件大為減少，大大減輕驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的重量，而且，由于超聲電機(jī)不產(chǎn)生磁場(chǎng)，亦不受外界磁場(chǎng)的干擾，因此，能夠很好的適應(yīng)外太空以及具有強(qiáng)磁影響的醫(yī)療環(huán)境。
[0004]目前，常用的機(jī)器人腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)主要有如下幾種:
[0005]I)串聯(lián)式腕關(guān)節(jié)。串聯(lián)式腕關(guān)節(jié)是應(yīng)用最多的結(jié)構(gòu)形式，它在工業(yè)機(jī)器人中具有廣泛的應(yīng)用。這種結(jié)構(gòu)的典型代表是Rosheim設(shè)計(jì)的全方位腕機(jī)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)一般由軸線交于一點(diǎn)的三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)副串聯(lián)構(gòu)成，其驅(qū)動(dòng)器安裝于腕關(guān)節(jié)或手臂處。三個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)位于基座內(nèi)，利用萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)原理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)Pitch、Roll、Yaw運(yùn)動(dòng)。由于該腕關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)分別由三個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制，因此結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，尺寸與重量相對(duì)較大。該結(jié)構(gòu)在一定情況下存在著PITCH、YAW運(yùn)動(dòng)耦合，對(duì)運(yùn)動(dòng)精度產(chǎn)生不利影響。除此之外，還有延長(zhǎng)傳動(dòng)鏈將關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)布置在機(jī)器人手臂上以及繩索傳動(dòng)的機(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)形式。上述兩種形式一般會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)鏈過(guò)長(zhǎng)，傳動(dòng)復(fù)雜，使手臂的結(jié)構(gòu)變得異常復(fù)雜，更難以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人腕關(guān)節(jié)的微型化和輕量化。
[0006]2)并聯(lián)式腕關(guān)節(jié)。并聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)造機(jī)器人腕關(guān)節(jié)具有明顯的優(yōu)勢(shì):結(jié)構(gòu)緊湊、高的剛度重量比和響應(yīng)速度。典型代表是3-RRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)腕關(guān)節(jié)，這種機(jī)構(gòu)上下平臺(tái)用三個(gè)3R轉(zhuǎn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)鏈相連，所有轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線均交于球面機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心。該結(jié)構(gòu)在一定程度上可以彌補(bǔ)串聯(lián)式手腕的不足，但是采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)后手腕的運(yùn)動(dòng)變得復(fù)雜，三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)一般是耦合的。另一方面，這種方案仍需將三臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在腕關(guān)節(jié)上，這使得采用并聯(lián)方式的腕關(guān)節(jié)仍然難以微型化、輕量化。
[0007]3)多自由度單關(guān)節(jié)。指利用單個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)腕關(guān)節(jié)所需求的多個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。典型結(jié)構(gòu)是基于凹凸齒傳動(dòng)的TrafTla手腕，它的基本結(jié)構(gòu)是一對(duì)“球冠齒輪”，它是在一個(gè)球冠上制出若干個(gè)離散分布的凹坑，在另一個(gè)球冠上鑲嵌有同樣數(shù)目的錐形指狀齒。凹坑與指狀齒嚙合，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的傳遞。這種球齒輪存在兩個(gè)方面的缺陷:一是存在傳動(dòng)原理誤差，二是加工難度很大，手腕的設(shè)計(jì)和制造都非常困難。目前，一種新型的三自由度球型腕關(guān)節(jié)被提出。該腕關(guān)節(jié)具有高集成度，主要由上半球，下半球和輸出端構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)俯仰、側(cè)擺和自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。上、下半球的連接采用回轉(zhuǎn)軸線與接觸面法線方向具有一定角度的偏置方式，上、下半球在偏置斜面的運(yùn)動(dòng)合成了輸出端的俯仰與側(cè)擺運(yùn)動(dòng)，自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由通過(guò)軸承懸浮于上半球凸起的輸出端實(shí)現(xiàn)。由于該結(jié)構(gòu)依然采用電磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使得該腕關(guān)節(jié)仍然難以微型化、輕量化。
[0008]總之，目前機(jī)器人腕關(guān)節(jié)均由傳統(tǒng)的電磁電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，復(fù)雜的傳動(dòng)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)形式使得它們很難滿足當(dāng)前對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)提出的微型化、輕量化要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是提供一種基于單定子多自由度超聲電機(jī)的機(jī)器人腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，更好的滿足航天、醫(yī)療等非常規(guī)和極端環(huán)境下對(duì)機(jī)器人技術(shù)的需求。
[0010]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種基于單定子多自由度超聲電機(jī)的機(jī)器人腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括球形轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)向環(huán)、周向轉(zhuǎn)動(dòng)架、一轉(zhuǎn)動(dòng)軸、二轉(zhuǎn)動(dòng)軸、一滑動(dòng)軸承、二滑動(dòng)軸承、軸套、深溝球軸承、軸承支撐套筒、電機(jī)振子、電機(jī)支撐座、滑套和彈簧預(yù)壓裝置，彈簧預(yù)壓裝置包括電機(jī)托架、預(yù)壓力彈簧和彈簧壓蓋，轉(zhuǎn)向環(huán)通過(guò)一轉(zhuǎn)動(dòng)軸與周向轉(zhuǎn)動(dòng)架上的一滑動(dòng)軸承裝配在一起，方向沿周向轉(zhuǎn)動(dòng)架直徑方向。球形轉(zhuǎn)子通過(guò)二轉(zhuǎn)動(dòng)軸與轉(zhuǎn)向環(huán)上的二滑動(dòng)軸承裝配在一起，方向沿轉(zhuǎn)向環(huán)直徑方向。在空間上，一轉(zhuǎn)動(dòng)軸與二轉(zhuǎn)動(dòng)軸形成垂直布置。周向轉(zhuǎn)動(dòng)架通過(guò)軸套與深溝球軸承內(nèi)圈配合，軸承支撐套筒與深溝球軸承外圈配合并對(duì)軸承支撐，軸承壓環(huán)限制軸承沿軸向移動(dòng)。軸承支撐套筒與電機(jī)支撐座固接，電機(jī)支撐座中間開有導(dǎo)向槽，槽內(nèi)裝配滑套以減少摩擦。電機(jī)托架可在導(dǎo)向槽內(nèi)上下滑動(dòng)，電機(jī)振子安放于導(dǎo)向槽內(nèi)，可隨電機(jī)托架上下移動(dòng)。預(yù)壓力彈簧套裝在電機(jī)托架下凸起的軸端上，防止預(yù)壓力彈簧的左右擺動(dòng)。預(yù)壓力彈簧下端由彈簧壓蓋固定，彈簧壓蓋通過(guò)螺紋的旋合實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)壓力彈簧進(jìn)行壓力調(diào)整，達(dá)到對(duì)電機(jī)振子與球形轉(zhuǎn)子之間的預(yù)壓力的控制。底座支撐套與電機(jī)支撐座通過(guò)螺釘固接，實(shí)現(xiàn)與手臂結(jié)構(gòu)的連接作用。
[0011]本發(fā)明的有益效果:超聲電機(jī)是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，激發(fā)彈性體在超聲頻段內(nèi)的微幅振動(dòng)，從而使彈性體表面上的質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生微觀的橢圓形的運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)定、轉(zhuǎn)子之間的摩擦將振動(dòng)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，輸出功率，驅(qū)動(dòng)負(fù)載。