面向人机接触交互的高灵巧九自由度混联机器人

本发明涉及机器人机构设计领域，特别涉及一种面向人机接触交互的高灵巧九自由度混联机器人的设计。

背景技术：

1、此部分的陈述仅仅提供与本公开有关的背景技术信息，并且这些陈述可能构成现有技术。在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题。

2、在物理接触交互、表面探伤及康复理疗等人机接触交互场景中，机器人需要与人体或复杂曲面进行直接、密切的物理接触。这类场景对机器人的末端灵巧性、运动柔顺性、力控精度以及人机交互安全性提出了极高的要求。然而，传统的刚性串联与并联机器人，如类似申请号202423323853.7专利名称“仿真按摩装置及康复理疗机器人”等技术方案，在实际应用中存在诸多局限，其纯刚性结构缺少作业柔顺性，易对人体造成冲击损伤，难以兼顾末端灵活性与承载能力，更无法实现突发冲击下的被动柔顺防护。具体而言，现有的人机接触交互机器人主要面临以下四大核心技术瓶颈：

3、（1）调姿范围受限与奇异位形问题突出，难以适配高曲率表面。传统机器人的姿态调节运动范围有限，难以适配人体高曲率体表的大角度贴合需求。在进行大角度调姿时，极易陷入奇异位形，导致控制失稳、调姿精度与效率偏低；且因调姿能力不足导致设备需要频繁重复定位，严重影响了作业的连续性与整体工作效率；

4、（2）运动冗余匮乏与力控模式单一，缺乏拟人化操作特性。现有力控方式无法匹配人体软组织复杂的力学特性，且系统自由度配置不足、缺少运动冗余，难以模拟人体腕关节的灵活运动特征。现有设备往往缺乏主/被动模式的有效切换机制，既难以实现平稳的恒力跟踪，也无法满足复杂主动交互的需求，不仅存在人体组织受压受损的安全隐患，也大幅增加了实际操作难度与误操作风险；

5、（3）结构刚度与运动自重难以协调，陷入轻量化设计困境。设备为保证运行稳定性和承载力，通常需具备高刚度，这使得运动部件重量偏大、惯性与能耗较高。这与人体接触交互端所要求的轻量化、低惯性使用原则相悖，导致现有设备陷入“高刚度必高自重”的设计困境，难以适配高速、高频次的交互作业场景；

6、（4）交互刚度固定且缺乏柔顺防护，环境自适应与安全性能不足。传统刚性机器人交互刚度不可调，无法依据实际作业场景（如不同部位的组织硬度、不同理疗手法需求）灵活调整交互刚度。由于缺乏可调柔顺驱动结构与被动柔顺防护机制，设备的环境自适应能力差，在人机交互过程中的使用安全性难以得到根本保障。

7、如何在满足人机接触交互场景对大角度灵巧调姿的同时，还能同时满足高冗余拟人操作、轻量高刚以及安全柔顺的综合需求，是本发明主要解决的问题。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的在于解决现有技术中的一部分问题，或至少缓解这些问题。

2、面向人机接触交互的高灵巧九自由度混联机器人，包括：

3、主并联机构，包括安装托架、动平台和主并联支链组；

4、所述安装托架包括底板和固设于所述底板上的结构相同的三组旋转驱动器，每组旋转驱动器包括同轴布置的两个旋转驱动器；其中，第一组旋转驱动器与第二组驱动器对称布置在所述底板的左右两边，第三组旋转驱动器布置在所述底板的中间位置；

5、所述动平台包括平台a、平台b、连接件a、连接件b和连接件c；所述平台a与平台b通过移动副连接，所述平台b通过转动副与所述连接件c相连；所述平台a和平台b之间设有齿轮齿条组件，用以将两平台的相对移动转化为转动；所述连接件a和连接件b的第一端通过转动副分别与所述平台a的左右两边相连，第二端的两侧通过转动副分别与万向轴a、万向轴b的一端相连；

6、所述主并联支链组包括三组结构相同的支链，与所述三组旋转驱动器相适配；每组支链包括带轮a、带轮b、带轮c、带轮d、连杆i和分别构成两组平行四边形的第一连杆组和第二连杆组；所述连杆i的第一端分别通过转动副与所述第一连杆组和第二连杆组的第一端相连；三组支链的连杆i的第二端分别通过转动副和所述万向轴a、万向轴b和连接件c相连；所述带轮a和带轮c固定在所述安装托架的每组旋转驱动器的旋转轴上，并分别与所述带轮b和带轮d通过同步带连接；所述带轮b固接在所述第一连杆组的第二端，所述带轮d通过连杆b和转动副与所述第二连杆组的第二端相连；

7、子并联调整模块，包括旋转框架、子并联支链组和末端平台；所述旋转框架顶端固设有四个旋转驱动器；所述旋转框架的一侧通过转动副与所述平台a相连，其中部还固设有四条电磁集成滑块导轨；所述子并联支链组包括四组结构相同的支链，对称布置在所述旋转框架的外侧，每组支链包括电磁切换模块和弧形连杆；所述电磁切换模块的上端通过螺杆和所述电磁集成滑块导轨与所述旋转框架的其中一个旋转驱动器相连，下端通过转动副与所述弧形连杆的第一端连接；所述弧形连杆的第二端通过转动副连接在位于所述末端平台上端的末端连接件上；所述末端平台的下端安装有末端探头。

8、面向人机接触交互的高灵巧九自由度混联机器人，还包括变刚度模块；所述变刚度模块包括与所述安装托架的三组旋转驱动器相适配的三组模块；每组模块包括对心滑块曲柄机构组、变刚度滑块和变刚度电机；所述变刚度电机固设在所述底板上；所述安装托架的每组旋转驱动器后均有同向布置的两条导轨，且所述导轨固设在所述底板上；所述变刚度滑块与所述底板通过移动副连接，并通过螺杆连接在所述变刚度电机的旋转轴上；所述对心滑块曲柄机构组包括对称设置的第一组对心滑块曲柄机构和第二组滑块曲柄机构，均由两组对称布置的对心滑块曲柄机构组成；所述对心滑块曲柄机构组的滑块端通过移动副与所述导轨连接，并通过弹簧与所述变刚度滑块连接；所述第一组对心滑块曲柄机构的连杆端通过转动副与所述带轮a连接，所述第二组对心滑块曲柄机构的连杆端通过转动副与所述带轮c连接；所述电磁切换模块能通过通断电实现主/被动模式的有效切换。

9、进一步的，所述第一组对心滑块曲柄机构包括滑块a、滑块b、l形连杆j和连杆jⅱ，所述第二组对心滑块曲柄机构包括滑块c、滑块d、l形连杆k和连杆kⅱ；所述滑块a、滑块b、滑块c与滑块d分别通过移动副与所述导轨连接，并分别通过弹簧与所述变刚度滑块连接；所述l形连杆j和连杆jⅱ的一端分别通过转动副与所述滑块a和滑块b连接，另一端通过转动副与所述带轮a连接；所述l形连杆k和连杆kⅱ的一端分别通过转动副与所述滑块c和滑块d连接，另一端通过转动副与所述带轮c连接。

10、进一步的，所述动平台的齿轮齿条组件包括啮合的齿轮和齿条；所述平台a通过转动副与所述齿轮连接，所述平台b与所述齿条固接；所述连接件a上的转动副轴线相互垂直；所述连接件b上的转动副轴线相互垂直；所述旋转框架的一侧固接在所述齿轮上。

11、进一步的，所述第一连杆组包括通过轴线相互平行的转动副连接的连杆a、连杆c、连杆d和连杆e，并构成第一组平行四边形的关系；所述带轮b固接在所述连杆a上；所述连杆a通过转动副与所述底板连接；所述第二连杆组包括依次通过轴线平行的转动副连接的连杆f、连杆g和连杆h，并构成第二组平行四边形的关系；所述带轮d与所述连杆b固接，并一起通过转动副连接到所述连杆a上；所述连杆b通过转动副与所述连杆f连接；所述连杆i分别通过转动副与连杆e和连杆h连接。

12、进一步的，所述第一组平行四边形和第二组平行四边形上的转动副轴线均垂直于所述连杆a与所述底板之间的转动副轴线；所述连杆b与连杆f的转动副，及所述连杆i与连杆e、连杆h的转动副，均平行于所述连杆a与所述底板之间的转动副轴线。

13、进一步的，所述电磁切换模块包括电磁集成滑块和推杆；所述电磁集成滑块通过移动副与所述电磁集成滑块导轨相连，并通过所述螺杆连接到所述旋转框架的旋转驱动器的旋转轴上；所述推杆通过移动副与所述电磁集成滑块连接，两者之间设有弹簧；所述推杆的下端固设有磁块，并通过转动副与所述弧形连杆的第一端连接；所述电磁集成滑块的外侧绕有线圈。

14、进一步的，所述子并联支链组中以所述末端平台的中心轴对称布置的两组支链，其推杆与弧形连杆连接的转动副轴线，在初始位置时互相重合，在运动后也始终保持平行关系；所述弧形连杆的第二端与所述末端连接件的一端通过转动副连接。

15、进一步的，所述末端平台包括末端平台a和末端平台b；所述末端平台a通过转动副与所述末端平台b相连；所述子并联支链组以所述末端平台的中心轴对称布置的两组支链，其末端连接件的另一端通过转动副分别与所述末端平台a或末端平台b的两侧相连，且转动副轴线相互重合；所述末端探头安装在所述末端平台a上。

16、进一步的，所述子并联支链组的四组支链的末端连接件与所述末端平台a或末端平台b的两侧连接的转动副轴线，以及所述末端平台a和末端平台b连接的转动副轴线，相交于一点。

17、本发明具有如下有益效果：

18、（1）灵巧调姿范围广阔。采用并并混联结构，整机具备超大角度全向调姿能力，可紧密贴合人体各类高曲率部位，减少设备重复定位，有效提升作业连续性与整体工作效率。

19、（2）运动冗余充足且操作拟人化。整机集成多自由度形成高冗余运动体系，搭配模式切换功能搭配变多个弹簧，可实现恒力跟踪与主动交互多种作业形式，运动形式贴合人体腕关节特征，子并联调整模块具有电磁切换功能，可进行主/被动模式的变化，使得整个系统既可以利用被动模式进行恒力跟踪，又可以通过主动调姿变刚度，操作贴合人体运动直觉，实用性更强。

20、（3）实现轻量化与高刚度统一。驱动及功能单元后置布置，运动部件采用轻质结构，有效缩减运动质量、降低惯性与能耗；依托并联结构力学特性，整机在轻量化基础上依旧保有优良刚度，适配高速、高频次作业场景。

21、（4）兼具变刚度特性与自适应安全性能。搭载可调柔顺驱动结构，能够依据实际作业场景与使用需求灵活调整交互刚度，具备良好环境自适应能力，大幅提升人机交互过程中的使用安全性。

22、通过上述改进的协同作用，使得本发明在满足人机接触交互场景对大角度灵巧调姿的同时，还能同时满足高冗余拟人操作、轻量高刚以及安全柔顺的综合需求，从而能在物理接触交互、表面探伤及康复理疗等人机接触交互场景中高效运用。