CN100348375C

CN100348375C - 五自由度机器人

Info

Publication number: CN100348375C
Application number: CNB2005100144598A
Authority: CN
Inventors: 黄田; 刘海涛; 李曚
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2005-07-11
Filing date: 2005-07-11
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2025-07-11
Also published as: CN1709657A

Abstract

本发明公开了五自由度机器人，包括固定架、第一、第二、第三长度调节装置、动平台和定位头，固定架的中间部位设置有由内、外同心环构成的第一铰链，第一长度调节装置的上部通过所述第一铰链和其与第一铰链构成的滑移副设置在固定架上，动平台固定安装在第一长度调节装置的末端，定位头安装在所述动平台的底部，所述固定架两侧对称地连接有第二、第三铰链，所述第二、第三长度调节装置一端分别与所述第二、第三铰链相连，其另一端分别通过铰链与构成第一铰链的内环连接。本发明机器人，在结构上具有运动空间放大的特点，即虽然第二、第三长度调节装置的调节行程较小，但是位于第一长度调节装置末端的动平台和定位头可以产生大的空间运动。

Description

五自由度机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，特别是涉及五自由度混联机器人。

背景技术

申请日为2003年9月16日的中国专利CN1524662公开了一种带定位头且具有非对称结构的空间混联机器人，包括三个可沿轴向伸长或缩短的调节装置；其中一个调节装置的一端通过铰链与固定架连接，另一端与动平台固定连接，以限制动平台的某几个自由度；另外两个调节装置的一端通过铰链与固定架连接，使其能相对于固定架绕各个方向转动，另一端通过铰链与动平台连接。这一类机器人由于三个长度调节装置的连接方式采用并联结构，当要求具有较大工作空间时，三个调节装置均需要较长的调节行程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种既具有大工作空间，又使调节装置所需调节行程较小，同时保持一定刚度和精度的可重构模块化的五自由度混联机器人。

五自由度机器人，包括固定架、第一长度调节装置、第二长度调节装置、第三长度调节装置、动平台和定位头，固定架的中间部位设置有第一铰链，该铰链由内、外同心环构成，第一长度调节装置的上部通过所述第一铰链和其与第一铰链构成的滑移副设置在固定架上，动平台固定安装在第一长度调节装置的末端，可提供两转动自由度的定位头安装在所述动平台的底部，所述固定架两侧对称地连接有第二、第三铰链，所述第二、第三长度调节装置一端分别与所述第二、第三铰链相连，其另一端分别通过具有三转动自由度的铰链与构成第一铰链的内环连接。

本发明的五自由度混联机器人，与中国专利CN1524662公开的一种带定位头且具有非对称结构的空间混联机器人相比，将第二、第三长度调节装置的末端分别与构成第一铰链的内环相连构成并联机构，第一长度调节装置与第二、第三长度调节装置构成混联机构，因而在结构上具有运动空间放大的特点，即虽然第二、第三长度调节装置的调节行程较小，但是位于第一长度调节装置末端的动平台和定位头可以产生大的空间运动。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为图1的正面视图；

图3为图1的侧面视图；

图4为本发明的实施例中第一长度调节装置的结构示意图；

图5为本发明的实施例中固定架及与其连接的铰链的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作以详细描述。

如图1～图3所示，本发明的五自由度机器人，包括固定架1、第一长度调节装置2、第二长度调节装置3、第三长度调节装置4、动平台5和定位头6。固定架1的中间部位设置有第一铰链21，该铰链由两同心环22、23构成，固定架上还对称的连接有第二、第三铰链31、41；第一长度调节装置2的上部通过第一铰链21和其与第一铰链构成的滑移副设置在固定架1上，第二、第三长度调节装置3、4的一端分别通过第二、第三铰链31、41连接在固定架1上，它们的另一端分别通过具有三转动自由度的铰链32、42与构成第一铰链的内环22连接，所述的三转动自由度的铰链32、42可以采用球铰链或其它形式的等价结构；动平台5固定安装在第一长度调节装置2的末端，可提供两转动自由度的定位头6安装在动平台5的底部。

第一铰链的内环22上连接的两铰链32、42运动中心的分布，既可以使其重合，亦可不重合。

定位头6为子模块设计，由第一框架61和第二框架62构成，第一框架61与动平台5通过第一转轴相连，并可相对动平台5绕轴线21c旋转，第二框架62与第一框架61通过第二转轴相连，并可相对第一框架61绕轴线6a旋转，轴线6a与轴线21c垂直。本实施例中，定位头6末端安装了一台电主轴。

在此机构中，第一、第二、第三长度调节装置2、3、4均可以沿轴向做伸缩运动，第一、第二、第三铰链21、31、41分别具有至少两个转动自由度，以使各长度调节装置均可相对于固定架1绕各个方向转动；动平台5刚性安装在第一长度调节装置2的末端，使得动平台5在发生空间位移时，其机构的空间姿态也同时发生改变；具有两个转动自由度的定位头6，可在运动过程中随时调整由动平台5位置变化引起的姿态变化，其末端可以安装各种执行器，如刀具、焊枪、夹持装置等。

如图4所示，第一长度调节装置2包括有：背面开有槽孔的管状结构26、位于管状结构26内部的丝杠27、以及与丝杠27构成运动副并与第一铰链21的内环22刚性连接的丝杠螺母28，管状结构26的外部沿轴向对称设置有两根导轨25。在电机驱动下，管状结构26连同电机、丝杠27相对丝杠螺母28沿轴向运动。

如图5所示，设置在第一长度调节装置2与固定架1之间的第一铰链21，由内外两个同心环22、23组成。第一长度调节装置2的管状结构26的外径略小于内环22的内径，内环22的内壁上开有两个滑槽与第一长度调节装置2的外径上设置的两根导轨25构成滑移副，使得第一长度调节装置2可以相对于内环22沿轴向滑动；内环22通过前后两个共线转轴与外环23连接，使得第一长度调节装置2和内环22可以同时相对外环23绕轴线21b旋转；外环23通过左右两个共线转轴与固定架1连接，使得第一长度调节装置2和内、外两环22、23可以同时相对固定架1绕轴线21a旋转。故此，第一长度调节装置2可以相对固定架1绕各个方向转动，并沿轴向滑动，实现长度调节。

固定架1上对称设置有第二铰链31、第三铰链41，均为U形结构；第二长度调节装置3和第三长度调节装置4分别通过转轴与第二铰链31、第三铰链41连接，使第二长度调节装置3和第三长度调节装置4可以分别相对第二铰链31、第三铰链41绕水平轴线旋转；第二铰链31、第三铰链41通过转轴与固定架1连接，从而使第二长度调节装置3和第三长度调节装置4又可以与第二铰链31、第三铰链41同时相对固定架1绕竖直轴线旋转。故此，第二长度调节装置3和第三长度调节装置4可以相对固定架1绕各个方向转动。

本实施例中，第一长度调节装置2采用了电机-螺母-滚珠丝杠驱动结构，第二、第三长度调节装置3、4采用了电机-带螺纹花键轴的驱动结构。在运动过程中，第二、第三长度调节装置3、4中的丝杠螺母在电机的驱动下做旋转运动，使带螺纹花键轴沿轴向做伸缩运动，从而带动第一铰链内环22绕轴线21a或21b转动，由于第一长度调节装置2通过滑移副与第一铰链内环22相连接，上述运动亦实现了第一长度调节装置2绕轴线21a或21b的转动。在某种情况下，也可以采用液压结构或气动结构中的任一种作为其驱动方式。

综上所述，本发明的五自由度机器人为模块化设计，包括有固定架、三个长度调节装置、动平台和定位头。其中，固定架的中间部位设置有第一铰链，该铰链由两同心环构成，固定架上还对称设置有第二、第三铰链；第一长度调节装置2的上部通过第一铰链21和其与第一铰链构成的滑移副设置在的固定架1上，第二、第三长度调节装置的上部分别通过两自由度的铰链31、41与固定架1连接，它们的末端分别与构成第一铰链的内环通过三自由度的铰链连接；动平台固定安装在第一长度调节装置的末端；可提供两转动自由度的定位头安装在动平台的底部。这种设置方式，使第一长度调节装置2可以相对于固定架1绕各个方向转动，并沿轴向做伸缩运动；同时还使第二长度调节装置3和第三长度调节装置4相对于固定架1实现绕各个方向的转动，并沿轴向做伸缩运动。由于动平台5上安装了具有两个转动自由度的定位头6，所以末端执行器可实现五自由度运动。

由于本发明为模块化设计，可以通过固定架1上的机械接口与固定龙门结构、大距离或大角度进给机构以及活动机架连接使用，还可将若干台本发明机器人安装在同一个固定结构上联合作业。

以上对本发明及其实施方式的描述是示意性的，没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用其它固定架布局、长度调节装置、铰链以及定位头的结构方式所做出的实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.五自由度机器人，包括固定架、第一长度调节装置、第二长度调节装置、第三长度调节装置、动平台和定位头，固定架的中间部位设置有第一铰链，该铰链由内、外同心环构成，第一长度调节装置的上部通过所述第一铰链和其与第一铰链构成的滑移副设置在固定架上，动平台固定安装在第一长度调节装置的末端，可提供两转动自由度的定位头安装在所述动平台的底部，所述固定架两侧对称地连接有第二、第三铰链，所述第二、第三长度调节装置一端分别与所述第二、第三铰链相连，其特征在于：所述第二、第三长度调节装置另一端分别通过具有三转动自由度的铰链与构成第一铰链的内环连接。

2.根据权利要求1所述的五自由度机器人，其特征在于：所述第一长度调节装置包括有沿轴向开有槽孔的管状结构、设置在管状结构内部的丝杠以及与丝杠形成运动副的丝杠螺母，所述管状结构的外周面沿轴向设置有两根导轨。

3.根据权利要求1所述的五自由度机器人，其特征在于：所述第二、三长度调节装置分别由管结构、位于所述管结构内部的带有螺纹的花键轴以及与所述的花键轴形成运动副的丝杠螺母构成。

4.根据权利要求1所述的五自由度机器人，其特征在于：所述第一铰链的外环通过左右两个共线转轴与固定架相连接，内环与外环通过其前后两个共线转轴相连接，所述内环的内壁上开有两个滑槽并与所述第一长度调节装置中管状结构外部的两根导轨构成滑移副。

5.根据权利要求1所述的五自由度机器人，其特征在于：所述的第二、第三铰链为“U”型结构。

6.根据权利要求1所述的五自由度机器人，其特征在于：所述的定位头由第一框架和第二框架构成，第一框架与动平台通过第一转轴相连，第二框架与第一框架通过第二转轴相连，所述第一转轴和第二转轴的轴线相互垂直。

7.根据权利要求1所述的五自由度机器人，其特征在于：第二、三长度调节装置连接在所述第一铰链内环上的两铰链运动中心的分布为重合或不重合。