一种机器人腕关节的制作方法

本发明涉及机器人，特别是涉及一种机器人腕关节。

背景技术：

1、机器人腕关节是连接机械臂小臂与末端执行器的关键功能部件，其运动性能直接影响末端执行器的姿态调整能力和操作灵活性。球铰式腕关节又称球面腕关节，其两个摆动轴线汇交于同一点即球心，可实现姿态与位置解耦，运动学逆解具有解析闭式解，控制简单、效率高，因而在工业机器人、协作机器人、人形机器人等领域得到广泛应用。然而，现有球铰式腕关节在工作空间与支撑刚度之间难以兼顾，具体表现在以下几类现有技术方案中。

2、第一，单侧悬臂支撑方案。该方案中，输出法兰仅通过一侧铰链与腕部壳体连接，只有单侧设置支撑臂和传动机构。其向无支撑侧摆动时几乎不受干涉，可达90°以上。但该方案抗倾覆刚度低、承载能力有限，在重载或高速工况下易发生变形和振动；同时，工作空间严重不对称，向支撑侧摆动时受干涉限制角度很小，整体工作空间约为四分之一球面，且向支撑侧的可达角度显著小于无支撑侧，无法满足双侧大角度作业需求。

3、第二，双侧铰接支撑方案。该方案中，输出构件两侧均设置铰链支撑，形成简支受力结构，抗倾覆刚度显著提升。但两侧支撑臂和铰接机构在摆动过程中均会发生干涉，导致两侧摆角均受限，每侧通常仅为几十度，工作空间反而小于单侧悬臂方案，即刚度提升的同时工作空间反而减小，长期制约其工程应用。

4、第三，球面并联机构方案。例如3-rrr、3-rsr等球面并联机构。该类机构理论上具有较高的刚度和精度，但工作空间受连杆干涉和奇异位形严格限制，通常仅半锥角45°至70°，远小于半球范围；且运动副多、结构复杂、体积庞大，难以满足腕关节紧凑化要求。

5、第四，推杆式大角度方案。中国专利申请cn122100229a公开了一种大角度球铰机构。该方案存在以下不足：其一，摆动轴线与回转轴线存在偏置，并非严格球铰，两自由度间存在运动耦合，姿态与位置无法完全解耦，因而不具有解析闭式解，控制复杂度高；其二，受推杆布置限制，实际仅能实现略超半球的单向摆动，工作空间各向均匀性差；其三，推杆传动特性随姿态变化剧烈，力控一致性差；其四，传动关系非线性，压力角严格限制实际有效运动范围，且高速时易产生冲击振动，其动态性能受推杆传动特性限制。

6、第五，对称式双侧支撑方案。该方案中，空腔轮廓通常对称向末端连接组件的中面挖空，以同步增大两侧运动空间。但由于支臂必要结构的留存，即便两轴各自单独摆动可达90°，在单轴处于90°时，另一轴摆动仍被限制在约60°的上限，难以实现半球面无干涉运动。

7、综上所述，现有球铰式腕关节技术中，严格球铰运动特性、双侧铰接支撑刚度与超半球工作空间三者之间难以同时兼顾。在保证球铰运动学优势和双侧支撑刚度的前提下，如何减小结构干涉对工作空间的限制，使双侧摆动范围达到或超过半球且全域无奇异点，是本领域需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

2、本发明实施例提供了一种机器人腕关节，包括末端连接组件、第一摆动轴、第二摆动轴和驱动支撑结构；所述第一摆动轴和所述第二摆动轴的轴线相交于腕关节球铰中心，所述第二摆动轴与所述末端连接组件固定连接；所述驱动支撑结构为所述第一摆动轴的两端提供支撑并驱动所述第一摆动轴，所述第一摆动轴和所述第二摆动轴通过齿轮连接；所述末端连接组件包括法兰和两个支撑件，每个支撑件包括第一弧形段和第二弧形段，每个所述支撑件中，所述第一弧形段围成第一避让空间，所述第二弧形段围成第二避让空间，所述第二避让空间位于所述第一避让空间与所述法兰之间，所述第一避让空间和所述第二避让空间的凹陷方向相反；所述第一摆动轴被所述腕关节球铰中心分为第一轴端和第二轴端，所述第一轴端和所述第二轴端呈非对称布置；所述第一避让空间和所述第二避让空间被配置为在所述末端连接组件摆动过程中包络所述驱动支撑结构的外轮廓。

3、本发明通过第一避让空间和第二避让空间的凹陷方向相反且与法兰距离不同的设置、第一摆动轴两侧的非对称布置以及避让空间包络驱动支撑结构外轮廓的配合，在保持驱动支撑结构为第一摆动轴两端提供支撑的同时，减小了结构干涉对第二摆动轴摆动范围的限制，使第二摆动轴的摆动范围能够达到或超过90°，且在第一摆动轴处于±90°时第二摆动轴在-90°到90°范围内无干涉，从而实现双侧摆动范围达到或超过半球且全域无奇异点，兼顾了严格球铰运动特性、双侧支撑刚度和超半球大工作空间。应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

1.一种机器人腕关节，包括末端连接组件、第一摆动轴、第二摆动轴和驱动支撑结构；所述第一摆动轴和所述第二摆动轴的轴线相交于腕关节球铰中心，所述第二摆动轴与所述末端连接组件固定连接；所述驱动支撑结构为所述第一摆动轴的两端提供支撑并驱动所述第一摆动轴，所述第一摆动轴和所述第二摆动轴通过齿轮连接；其特征在于，所述末端连接组件包括法兰和两个支撑件，每个支撑件包括第一弧形段和第二弧形段，每个所述支撑件中，所述第一弧形段围成第一避让空间，所述第二弧形段围成第二避让空间，所述第二避让空间位于所述第一避让空间与所述法兰之间，所述第一避让空间和所述第二避让空间的凹陷方向相反；所述第一摆动轴被所述腕关节球铰中心分为第一轴端和第二轴端，所述第一轴端和所述第二轴端呈非对称布置；所述第一避让空间和所述第二避让空间被配置为在所述末端连接组件摆动过程中包络所述驱动支撑结构的外轮廓。

2.根据权利要求1所述的机器人腕关节，其特征在于，所述第一轴端与所述第二轴端的长度不同。

3.根据权利要求1所述的机器人腕关节，其特征在于，所述法兰的工具安装面到所述腕关节球铰中心在平行于所述第一摆动轴的方向上的距离，大于所述腕关节球铰中心到所述驱动支撑结构在平行于所述第一摆动轴的方向上的最外端之间的距离。

4.根据权利要求1所述的机器人腕关节，其特征在于，所述第一弧形段和所述第二弧形段的轮廓由以所述腕关节球铰中心为圆心的四个参考圆约束，所述四个参考圆分别对应所述第一轴端和所述第二轴端在摆动范围内的最大覆盖距离和最小覆盖距离。

5.根据权利要求4所述的机器人腕关节，其特征在于，所述第一避让空间的轮廓起点处的半径小于对应最小覆盖距离的参考圆的半径，所述第一避让空间的轮廓终点处的半径大于对应最大覆盖距离的参考圆的半径；所述第二避让空间的轮廓起点处的半径小于对应最小覆盖距离的参考圆的半径，所述第二避让空间的轮廓终点处的半径大于对应最大覆盖距离的参考圆的半径。

6.根据权利要求1所述的机器人腕关节，其特征在于，所述第一摆动轴的最大直径小于所述末端连接组件的两个支撑件之间的空隙。

7.根据权利要求1所述的机器人腕关节，其特征在于，所述驱动支撑结构包括基端、侧板、驱动机构和柔性传动机构，所述基端与机器人小臂连接，所述驱动机构设置在所述基端上，所述柔性传动机构分别与所述驱动机构和所述第一摆动轴连接，所述侧板设置在所述驱动机构两侧并支撑所述第一摆动轴，在所述末端连接组件的摆动过程中，所述侧板与所述第一避让空间和所述第二避让空间不发生干涉。

8.根据权利要求7所述的机器人腕关节，其特征在于，所述基端的中轴线穿过所述腕关节球铰中心，且所述腕关节球铰中心相对于所述驱动支撑结构偏心布置。

9.根据权利要求7所述的机器人腕关节，其特征在于，所述驱动机构包括壳体以及上下设置在所述壳体内的第一驱动部和第二驱动部；所述柔性传动机构包括第一传动部和第二传动部，所述第一传动部分别与所述第一驱动部和所述第一摆动轴的第一轴端连接，所述第二传动部分别与所述第二驱动部和所述第一摆动轴的第二轴端连接。

10.根据权利要求7所述的机器人腕关节，其特征在于，所述柔性传动机构为同步带机构或绳驱动结构。