本技术介绍了一种新型三自由度齿轮约束绳索驱动直驱式腕部装置,由第一臂段、第二臂段、第三臂段、夹爪以及三个绳驱机构组成,旨在提升腕部灵活性和操作精度。
背景技术
近年来,一类具有绳驱纯滚动关节的机械臂成为学术界和工业界的研发热点。相比于传统的工业机械臂,此类机械臂的关节电机后置于基座附近,通过绳索将动力传递到关节,从而降低了臂杆质量,提高了机械臂的敏捷性。此类机械臂区别于传统工业机械臂的一个显著特征为:具有绳驱圆形纯滚动关节或(和)绳驱球形纯滚动关节。
相关的现有技术如下:
现有技术一,Y.-J.Kim,J.-I.Kim andW.Jang,“Quaternion Joint:Dexterous3-DOF Joint Representing Quaternion Motion for High-Speed Safe Interaction”,2018IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems(IROS),Madrid,Spain,2018,pp.935-942。该文章为LIMS2提出一种新型的灵巧的三自由度(3-DOF)虚拟球形腕部机构,称为四元数关节,它具有大的运动范围和在整个运动范围内无奇异点的均匀可操纵性。这种关节由一个2-DOF的球形纯滚动关节和两对驱动绳索组成,可以看成是并联关节,基于这一特性,它具有简单明了的正逆运动学和高可操纵性。通过在四元数关节的远端添加一个1-DOF旋转关节,可以扩展为3-DOF关节机构。
四元数虚拟球形腕关节(Quaternion Joint)的设计具有许多显著的优点,如大的运动范围、高可操纵性、轻量化、简单可靠的结构等。然而,该关节也存在一些缺点,具体如下所示:
1、四元数虚拟球形腕关节的设计复杂,零件数量多,安装难度较大,并且绳索安装所带来的复杂度也非常大。
2、四元数虚拟球形腕关节的正运动学比较复杂,不如传统串联式关节简单明了。
3、四元数虚拟球形腕关节刚度较小,面对高负载时可能会导致较大的精度差。
4、上述关节为纯机械关节,没有反馈机制,其精度完全取决于绳索的拉伸程度与绳索滑轮间的摩擦。
现有技术二,UR5机械臂是由丹麦优傲机器人公司(Universal Robots)开发的一款轻型协作型工业机械臂,它以其易用性、灵活性和安全性而闻名。UR5机械臂的设计注重用户体验,它的设置和部署过程快速且灵活,使得它能够轻松集成到现有的生产线中,帮助提高生产效率和质量。此外,UR5e是UR5的升级版,提供了更多的功能和改进的性能,包括更高的重复定位精度和更广泛的应用适应性。
该机械臂的腕部关节拥有3个自由度,并且3个自由度作了偏置处理,可以看成是三个关节的串联,这样设计的好处是该腕关节的正逆运动学比较简洁,可以直接用DH法进行建模,并且采用了模块化设计的理念,便于检修和更换,但UR5腕部关节依然具有以下的缺点:
1、质量较大,由于电机直接安装在回转关节,会导致腕关节的质量比较大,从而使得其自重与载荷的比值较大,UR5机械臂整体重量为18.4kg,其最大载荷只有5kg。
2、由于腕部质量较大,该腕部关节的运行速度低,面对一些特殊场景可能比较吃力。
3、该腕部刚度比较大,导致其工作时安全性差。
所以如何解决现有技术的上述问题,已经成为本领域技术人员亟待攻克的难题。
实现思路