CN101049692A - 五自由度混联机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种五自由度混联机器人，其构成包括固定架、动平台、定位头以及空间轴对称均布设置在固定架与动平台之间的三条结构相同支链；所述支链的构成包括第一铰链、第二铰链、连接杆、直线导轨和驱动装置；连接杆的一端通过第一铰链和与该铰链构成的移动副设置在固定架上，连接杆的另一端通过第二铰链与动平台连接，直线导轨固定设置在连接杆上，驱动装置固定设置在连接杆的一端；在驱动装置中，一端连接电机轴且其另一端与连接杆的另一端连接的丝杠穿过第一铰链中的拖板并通过固定设置在第一铰链中铰轴上的丝杠螺母与第一铰链连接，所述的拖板与直线导轨构成移动副。本发明的优点是：整机刚度、精度好，负载能力强，便于制造和装配。

Description

五自由度混联机器人
技术领域
本发明涉及一种机器人，特别是涉及一种带定位头的多坐标混联机器人。
背景技术
现有专利GB2173472(或EP0200369、US4790718)、SE8502327(或US4732525)、EP0674969(或US6336375)、CN1524662(或WO2005025816)所公开的带定位头的多坐标混联机器人，包括至少三个可沿纵向伸长或缩短的长度调节装置。其中一个从动或主动的调节装置的一端与一可动定位头固接并通过铰链与固定架连接，以限制定位头的某几个自由度。而其它各调节装置则是一端通过铰链紧固于固定架上，以使其能相对于固定架绕各个方向转动，另一端通过铰链与所述的从动或主动调节装置的另一端连接。此类机器人，由于与固接定位头的从动或主动长度调节装置连接的铰链为三转动自由度铰链，其不足是：机构的整体刚度较低，负载能力较差，因而不适于高速重载的加工应用场合。
现有专利SE0402824(或WO2006054935)所公开的另一种带定位头的多坐标混联机器人，包括固定架、动平台、定位头及连接固定架与动平台的三个可沿纵向伸长或缩短的长度调节装置。其中，两个长度调节装置具有相同结构，并相对于第三个长度调节装置在空间呈面对称布置。各长度调节装置一端通过铰链紧固于固定架上，另一端通过仅具有一个转动自由度的铰链与动平台连接。此类机器人，由于与所述动平台连接的铰链仅具有一个转动自由度，因而使得系统的整体刚度较高，其不足是：由于三个长度调节装置呈空间面对称布置，其运动学及动力学性能随位形差异较大且不具备轴对称的特性。此外，由于两个结构相同的长度调节装置与固定架分别采用具有两个转动自由度的铰链连接，其中两个铰链的近架转轴轴线必须严格保持共线，各铰链的远架转轴轴线必须与连接各长度调节装置与动平台的铰链的转动轴线严格保持平行，否则无法装配，因此对制造与装配的精度要求较高。
发明内容
本发明所要解决的问题，就是克服以上现有技术的不足与缺陷，并提供一种由三条支链空间轴对称布置、具有较高的整机刚度、精度和负载能力、且便于制造和装配的五自由度混联机器人。
本发明的五自由度混联机器人，包括固定架、动平台、连接在所述动平台底部的定位头以及空间轴对称均布设置在所述固定架与动平台之间的三条支链；所述的三条支链结构相同，其构成包括第一铰链、第二铰链、连接杆、直线导轨和设置在所述连接杆一端的驱动装置；
所述的第一铰链包括：通过具有一个转动自由度的铰链连接所述固定架的外圈、通过具有一个转动自由度的铰链连接所述外圈的铰轴、以及通过具有一个转动自由度连接所述铰轴的拖板；连接所述外圈与固定架的铰链的转动轴线与连接所述铰轴与外圈的铰链的转动轴线不共线且与连接所述拖板与铰轴的铰链的转动轴线交于一点，连接所述拖板与铰轴的铰链的转动轴线平行于所述的直线导轨所在的直线；
所述第二铰链为销轴与轴承构成的具有一个转动自由度的转动副；
所述连接杆的一端通过第一铰链和与该铰链构成的移动副设置在所述的固定架上，所述连接杆的另一端通过第二铰链与所述的动平台连接，所述的直线导轨固定设置在所述的连接杆上；在固定设置在连接杆一端的所述驱动装置中，一端连接电机轴且其另一端与所述连接杆的另一端连接的丝杠穿过所述第一铰链中的拖板并通过固定设置在所述第一铰链中铰轴上的丝杠螺母与所述的第一铰链连接，所述的拖板与所述的直线导轨构成移动副。
所述连接固定架与外圈的具有一个转动自由度的铰链为销轴与轴承构成的转动副；
所述连接外圈与铰轴的具有一个转动自由度的铰链为销轴与轴承构成的转动副；
所述连接铰轴与拖板的具有一个转动自由度的铰链为轴套与轴承构成的转动副；
所述三条支链中第二铰链的转动轴线共面且两两相交互成60°角；
所述的驱动装置采用伺服电机——滚珠丝杠的结构形式，也可以采用直线电机的驱动方式。
本发明五自由度混联机器人与现有技术相比，其有益效果在于三点：
(1)由于与动平台连接的铰链均具有一个转动自由度，因而使整机具有较高的刚度；
(2)由于三条支链呈空间轴对称方式布置，因而有利于在其工作空间内获得轴对称的运动学及动力学性能；
(3)由于对三个连接各条支链与固定架的第一铰链中近固定架轴线之间的几何位置关系无特殊要求，因而便于制造与装配。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的中一条支链的结构示意图。
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2所示，本发明的五自由度混联机器人，包括固定架1、动平台2、连接在所述动平台2底部的定位头3、以及空间轴对称均布设置在所述固定架1与动平台2之间的三条结构相同的支链。
所述支链的构成包括第一铰链4、第二铰链6、连接杆5，直线导轨7以及设置在所述连接杆5一端的驱动装置8。
所述的第一铰链4具有三个转动自由度，它由外圈41、铰轴42和拖板43构成；所述的外圈41通过具有一个转动自由度的铰链连接所述的固定架1，此处所述具有一个转动自由度的铰链与所述固定架1的连接可采用将所述外圈41通过由销轴与轴承构成的转动副连接在固定安装于所述固定架1上的轴承座411和412上的形式使之实现，也可采用其它形式的等价结构使之实现；所述的铰轴42通过具有一个转动自由度的铰链连接所述的外圈41，此处所述具有一个转动自由度的铰链可采用销轴与轴承构成的转动副或其它形式的等价结构；所述的拖板43通过具有一个转动自由度的铰链连接所述的铰轴42，此处所述具有一个转动自由度的铰链可采用轴套与轴承构成的转动副或其它形式的等价结构；所述连接外圈41与固定架1的铰链其转动轴线4a与所述连接铰轴42与外圈41的铰链的转动轴线4b不共线且与所述连接拖板43与铰轴42的铰链的转动轴线4c交于一点，所述连接拖板43与铰轴42的铰链其转动轴线4c平行于所述直线导轨7所在直线；所述第二铰链6具有一个转动自由度，其结构形式可采用销轴与轴承构成的转动副，也可采用其它形式的等价结构；所述三条支链中的第二铰链6的转动轴线6a共面且两两相交互成60°角。
所述连接杆5的一端通过所述的第一铰链4和与该铰链构成的移动副设置在所述的固定架1上，所述连接杆5的另一端通过所述的第二铰链6与动平台2连接，所述的直线导轨7固定设置在所述的连接杆5上，所述的驱动装置8固定设置在所述连接杆5的一端，在所述驱动装置8中，一端连接电机轴且其另一端连接所述连接杆5另一端的丝杠81穿过所述第一铰链4中的拖板43并通过固定设置在所述第一铰链4中铰轴42上的丝杠螺母421与所述第一铰链4连接，所述的拖板43与所述的直线导轨7构成移动副。
在本发明的技术方案中：由于所述的第一铰链4具有三个转动自由度，所以可使各支链中所述连接杆5相对于所述的固定架1绕各个方向转动并且可使各支链中所述连接杆5绕其轴线转动；由于所述拖板43与所述连接杆5之间具有一个移动自由度，所以，可使各支链中所述连接杆5沿其轴向做伸缩运动；由于所述连接杆5与所述动平台2之间仅具有一个转动自由度，所以可使各支链中所述连接杆5相对于动平台2转动。
当各支链在所述驱动装置8的驱动下独立运动时，所述的动平台2发生空间位移，且机构的空间姿态也同时发生改变，安装在所述动平台2底部的所述定位头3可在运动过程中随时调整由于动平台2的位置变化而引起的姿态变化，从而构成五自由度混联机器人。
本实施例中的驱动装置8采用了伺服电机——滚珠丝杠的结构形式，其中丝杠螺母421固定设置在铰轴42上，为连接杆5与拖板43之间提供一个移动自由度。为了达到同样目的，还可以采用直线电机的驱动方式，为连接杆5与拖板43之间提供一个移动自由度。当然，在具体实施时，采用其它任意一种可实现相同运动功能的结构形式作为驱动方式都是可以的。
本实施例中的定位头3为具有两个主动转动自由度的子模块设计，安装在其末端的执行器可以是电主轴、焊枪、夹持装置等。
本发明的五自由度混联机器人，与现有技术的带定位头的多坐标混联机器人相比，其不同点在于：
(1)与所述动平台2连接的第二铰链6为具有一个转动自由度的铰链；
(2)连接所述固定架1与动平台2的三条支链具有相同的结构，且在空间呈轴对称方式布置。
本发明的五自由度混联机器人可为模块化设计，该模块化设计可使本发明的五自由度混联机器人通过固定架1上的机械接口连接固定龙门结构、大距离或大角度进给机构以及活动机架等，还可将若干台本发明的五自由度混联机器人安装在同一个机械结构上进行大规模或较大规模的流水作业。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，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，采用其它形式(包括形状和布局)的固定架、驱动装置以及铰链连接方式不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种五自由度混联机器人，包括固定架、动平台、连接在所述动平台底部的定位头以及空间轴对称均布设置在所述固定架与动平台之间的三条支链，其特征是，所述的三条支链结构相同，其构成包括第一铰链、第二铰链、连接杆、直线导轨和设置在所述连接杆一端的驱动装置；所述第一铰链的构成包括通过具有一个转动自由度的铰链连接所述固定架的外圈、通过具有一个转动自由度的铰链连接所述外圈的铰轴、以及通过具有一个转动自由度连接所述铰轴的拖板，所述连接外圈与固定架的铰链的转动轴线与所述连接铰轴与外圈的铰链的转动轴线不共线且与连接所述拖板与铰轴的铰链的转动轴线交于一点，连接所述拖板与铰轴的铰链其转动轴线平行于所述直线导轨所在直线；所述第二铰链的构成包括销轴以及与所述销轴构成转动副的轴承；所述连接杆的一端通过第一铰链和与该铰链构成的移动副设置在所述的固定架上，所述连接杆的另一端通过第二铰链与所述的动平台连接，所述的直线导轨固定设置在所述的连接杆上；在固定设置在连接杆一端的所述驱动装置中，一端连接电机轴且其另一端与所述连接杆的另一端连接的丝杠穿过所述第一铰链中的拖板并通过固定设置在所述第一铰链中铰轴上的丝杠螺母与所述的第一铰链连接，所述的拖板与所述的直线导轨构成移动副。
2.根据权利要求1所述的五自由度混联机器人，其特征是，所述连接固定架与外圈的具有一个转动自由度的铰链为销轴与轴承构成的转动副。
3.根据权利要求1所述的五自由度混联机器人，其特征是，所述连接外圈与铰轴的具有一个转动自由度的铰链为销轴与轴承构成的转动副。
4.根据权利要求1所述的五自由度混联机器人，其特征是，所述连接铰轴与拖板的具有一个转动自由度的铰链为轴套与轴承构成的转动副。
5.根据权利要求1所述的五自由度混联机器人，其特征是，所述三条支链中第二铰链的转动轴线共面且两两相交互成60°角。
6.根据权利要求1所述的五自由度混联机器人，其特征是，所述的驱动装置采用伺服电机——滚珠丝杠的结构形式。
7.根据权利要求1所述的五自由度混联机器人，其特征是，所述的驱动装置采用直线电机的驱动方式。
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