[发明专利]直线驱动实现空间三自由度类球关节转动的立方体杆机构

说明书

技术领域

本发明属于机器人技术应用领域，具体涉及一种直线驱动实现空间三自由度类球关节转动的立方体杆机构，主要应用于液压缸或绳传动等直线驱动的仿生足式机器人三自由度球关节设计。

背景技术

仿生足式机器人是当今机器人研究领域最为前沿的课题之一，它集机械、电子、计算机、材料、传感器、控制技术及人工智能等多门学科于一体，反映了一个国家的智能化和自动化研究水平，同时也作为一个国家高科技实力的重要标志，各发达国家在该领域相继投入巨资开展研究。

液压驱动（液压缸直线驱动）的仿生足式机器人，具有高负载能力和优越的移动能力，将在军事、山地救援、林地勘测等特殊复杂环境下有巨大的需求背景；绳驱动（绳索直线拉伸驱动）的仿生足式机器人可模拟生物关节驱动方式，腿部结构设计轻巧（转动惯量小），可远距离驱动关节转动等优点，在空间探索等领域具有较大应用前景。

仿生足式机器人要具备优越的移动能力，主要依靠多自由度足关节设计（如三自由度球关节）和自由度分配；而实现多自由度足关节结构设计简约性和运动学计算解耦性，是仿生足式机器人关节设计的关键技术之一。通常设计三自由度关节是将三自由度转动关节的旋转轴都尽量相交于一点，类似于球关节，这样有助运动学计算的简化。目前球关节的设计具有一定的复杂性，如邓宗权等人设计的用于宇航机器人中的三自由度球型空间机器人手腕（公开号：CN 102029614A），且各自由度运动会相互耦合；特别是采用直线驱动实现三自由度关节转动的方法中，多个直线驱动输入量之间相互耦合，如刘辛军等人设计的具有支架和三个分支的一种空间三自由度并联机器人结构（公开号：CN 1267587A）和方跃法等人设计的平台作球面转动的一种三自由度平台并联机器人结构（公开号：CN 1417003A）；而绳等柔索并列驱动的三自由度球关节中，各个绳运动输入量与球关节三转动角度具有耦合性问题，其解耦性差，计算更为复杂，如赵明扬等人设计的由三组驱动单元和运动平台组成的一种柔索驱动三自由度并联机构（公开号：CN 1250374C））。

为此，在满足直线驱动（绳、液压缸或气压缸、电机滚珠丝杠，直线电机等直线驱动）实现机器人三自由度球关节转动的传动方式进行创新，设计结构简单、解耦性强、运动简明可靠，为仿生机器人球关节设计提供技术支持，具有很重要的理论意义和实用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、解耦性强、运动简明可靠的直线驱动实现空间三自由度类球关节转动的立方体杆机构。

 

该机构包括：坐标系、球关节角、X轴第一刚体、X轴第二刚体、X轴第三刚体、X轴第四刚体、Y轴第一刚体、Y轴第二刚体、Y轴第三刚体、Y轴第四刚体、Z轴第一刚体、Z轴第二刚体、Z轴第三刚体、Z轴第四刚体、第一基座、第二基座、辅助刚体、第一伸缩杆、第二伸缩杆、第三伸缩杆、XZ1面第一铰接点、XZ1面第二铰接点、XZ1面第三铰接点、XZ1面第四铰接点、XZ2面第一铰接点、XZ2面第二铰接点、XZ2面第三铰接点、XZ2面第四铰接点、XY1面第一铰接点、XY1面第二铰接点、XY1面第三铰接点、 XY1面第四铰接点、XY2面第一铰接点、XY2面第二铰接点、XY2面第三铰接点、XY2面第四铰接点、X1第一铰接点、X1第二铰接点、Y1第一铰接点、Y1第二铰接点、Z1第一铰接点、Z1第二铰接点、YZ1第一铰接点、 YZ1第二铰接点。

其中坐标系设置于立方体一角；绕坐标系三轴旋转的角度分别为α、β和γ；X轴第一刚体、X轴第二刚体、X轴第三刚体、X轴第四刚体的长度相同；Y轴第一刚体、Y轴第二刚体、Y轴第三刚体、Y轴第四刚体、辅助刚体的长度相同；Z轴第一刚体、Z轴第二刚体、Z轴第三刚体、Z轴第四刚体的长度相同。

其中X轴第一刚体一端与Z轴第一刚体一端铰连，铰接点称为XZ1面第一铰接点； X轴第四刚体一端与Z轴第一刚体一端铰连，铰接点称为XZ1面第二铰接点；X轴第四刚体一端与Z轴第二刚体一端铰连，铰接点称为XZ1面第三铰接点；X轴第一刚体一端与Z轴第二刚体一端铰连，铰接点称为XZ1面第四铰接点；以上组成立方体下底面平行四边形。

其中X轴第二刚体一端与Z轴第四刚体一端铰连，铰接点称为XZ2面第一铰接点； X轴第三刚体一端与Z轴第四刚体一端铰连，铰接点称为XZ2面第二铰接点；X轴第三刚体一端与Z轴第三刚体一端铰连，铰接点称为XZ2面第三铰接点；X轴第二刚体一端与Z轴第三刚体一端铰连，铰接点称为XZ2面第四铰接点；以上组成立方体上顶面平行四边形。