CN101687320A - 利用旋转驱动器的机器人操作器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种二自由度装置，该装置包括第一从动构件(20)、第一从动构件(10)、连杆构件(70)、第二从动构件(40)和第二驱动构件(30)，所述第一从动构件(20)可绕第一从动轴线旋转，所述第一从动构件(10)连接至所述第一从动构件，用于使所述第一从动构件绕所述第一从动轴线旋转，所述连杆构件(70)固定地连接至所述第一从动构件，所述第二从动构件(40)可旋转地连接至所述连杆机构，用于绕第二从动轴线旋转，所述第二从动轴线大体与所述第一从动轴线平行，所述第二驱动构件(30)在驱动点连接至所述第二从动构件，用于使所述第二从动构件绕所述第二从动轴旋转，其中，所述驱动点大体上与所述第一从动轴线重合。本发明还提供一种扩展到三自由度的装置。该装置在一个方面是定位和操作装置，在另一个方面是测量装置。

Description

利用旋转驱动器的机器人操作器

相关申请的交叉引用

本申请要求按照35U.S.C.§119于2007年5月10日提交的美国临时申请No.60/917,079的优先权，该优先权申请的所有内容结合到此作为参考。

技术领域

本发明涉及一种二(2)自由度定位和操作装置及其到三(3)自由度的扩展。更具体地，本发明涉及一种由旋转驱动器构建的2和3自由度的操作装置。

背景技术

美国专利No.5429015和No.5553509的全部内容结合到此作为参考，它们描述了由旋转驱动器构建的2和3自由度的操作器，相比于其它的设计，其实现了较小的质量、惯性和关节粗糙度。图1显示了’015专利中所述的2自由度结构。此类结构具有元件少的特点，因为所采用类型的旋转驱动器容易用最少的部件制造。另外，不需要辅助动力传输构件来将动力从固定的马达传送到串联链中的第二连杆。旋转驱动器能很平滑地转动，并且因为运动构件不必承载马达的重量，所以它们能制造成轻的且刚性的。低摩擦、低惯性和平滑的致动使得2自由度的操作器快速、精确并且制造经济。

图2示出了’509专利中所述的具有3自由度的装置。该装置通过垂直于第三旋转驱动器安装2自由度结构而保持了简单和低摩擦、低惯性的优点。驱动马达显然是2自由度操作器中质量最大的元件，其沿着第三驱动器的旋转轴线定位以将它们的惯性阻碍减小到最小。

如在紧密装配或表面修整中所要求的，为了使操作器与其环境之间的环境交互相顺应，操作器以低惯性和低阻力来控制其末端执行器是很重要的。因此，本领域强烈需要能减小摩擦力、惯性和质量等的多自由度操作器。

发明内容

本发明提供了具有2和3自由度的操作器，它能够快速精确地运动并能对施加在末端执行器处的外力作出动态响应，由此解决了上述的缺点。

更具体地，本发明用于减小元件的数量和尺寸、增加结构刚度、减小运动构件的惯性和降低所必需的马达扭矩。

二自由度的机器操作器主要由旋转驱动器构成。该旋转驱动器由连接到较大直径的圆柱形从动构件的、相对小直径的圆柱形驱动构件组成。既然仅需要所述从动构件的部分旋转，所以它可构造为部分的圆扇形，允许第二旋转驱动器通过连杆与第一旋转驱动器平行偏移地安装。所述第二驱动器的驱动构件定位成其旋转轴线与所述第一驱动器的从动构件的旋转轴线重合。

该设置降低了运动构件的质量和惯性，产生了高性能。在竖直的设置中，在所述第二从动构件直接地位于所述第一从动构件之上的情况下，所述第一从动构件用作所述第二从动构件的局部配重，减小了所需的马达扭矩。该操作器更紧凑、结构刚性更大，并具有较小的质量和惯性以比先前的方案具有更高的性能。

通过将2自由度的操作器垂直地安装至附加的旋转从动构件上，该2自由度的操作器能够扩展为3自由度。驱动该2自由度机构的马达安装成使得它们的质心大致沿着垂直的转动轴线。该2自由度机构的质心也定位成靠近该垂直的旋转轴线。该操作器更紧凑、结构刚性更大，并具有较小的质量和惯性来实现更高的性能。

由于运动构件的低摩擦和小惯性，该装置能被手动地定位以使末端执行器接触所需的测量点。然后，通过检查关节的位置而计算该测量点的位置。这类装置公知为坐标测量机(CMM)，并且其功能可通过安放角测量传感器替换马达而实现。

根据本发明的一个方面，提供了一种二自由度定位和操作装置。该装置包括第一从动构件、第一驱动构件和连杆构件，所述第一从动构件可绕第一从动轴线旋转，所述第一驱动构件连接至所述第一从动构件，用于使所述第一从动构件绕所述第一从动轴线旋转，所述连杆构件固定地连接至所述第一从动构件。该装置还包括第二从动构件和第二驱动构件，所述第二从动构件可旋转地连接至所述连杆构件，用于绕第二从动轴线旋转，该第二从动轴线大体与所述第一从动轴线平行，所述第二驱动构件在驱动点连接至所述第二从动构件，用于使第二从动构件绕所述第二从动轴线旋转。所述驱动点大体与所述第一从动轴线重合。

根据另一个方面，所述第一从动构件大体为扇形柱体，所述第二从动构件包括大体的圆柱体或扇形柱体。

根据另一个方面，所述第一从动轴线和所述第二从动轴线彼此偏移开并大体上平行。

根据另一个方面，所述第一驱动构件和所述第二驱动构件每个都从各自的机械旋转动力源接收各自的旋转输入。

仍然根据另一个方面，该装置包括固定基准框架，所述第一机械旋转动力源固定地安装到该固定基准框架。

仍然根据另一个方面，所述第二机械旋转动力源相对于所述第一从动构件的旋转而被固定地安装。

仍然根据另一个方面，所述第二机械旋转动力源的旋转元件相对于所述第一从动构件的旋转而被可旋转地安装至所述固定基准框架。

根据另一个方面，该装置包括固定地安装至所述第二从动构件的臂。

根据另一个方面，所述第一驱动构件通过第一缆索装置连接至所述第一从动构件，并且所述第二驱动构件通过第二缆索装置连接至所述第二从动构件。

根据另一个方面，所述第一驱动构件和所述第二驱动构件每个都从各自的机械旋转动力源接收各自的旋转输入。

根据另一个方面，该装置包括固定基准框架，并且其中，各机械旋转动力源的旋转元件相对于所述第一从动构件的旋转而被可旋转地安装至所述固定基准框架。

根据另一方面，提供了一种二自由度测量装置。该装置包括第一旋转驱动器，所述第一旋转驱动器具有大体圆柱形的第一从动构件和大体为扇形柱体的第一驱动构件，该第一驱动构件可绕第一驱动轴线旋转并连接至所述第一从动构件，从而所述第一驱动构件的旋转使所述第一从动构件绕第一从动轴线旋转，所述第一驱动轴线和所述第一从动轴线大体上平行。该装置还包括第二旋转驱动器，所述第二旋转驱动器具有大体圆柱形的第二从动构件和大体成形为圆柱形或扇形柱体的第二驱动构件，该第二驱动构件可绕第二驱动轴线旋转并连接至所述第二从动构件，从而所述第二驱动构件的旋转使所述第二从动构件绕第二从动轴线旋转，所述第二驱动轴线和所述第二从动轴线大体上平行。所述第二驱动构件可旋转地安装至固定于所述第一驱动构件的连杆，用以绕所述第二驱动轴线旋转，所述第一驱动轴线和所述第二驱动轴线彼此偏移并大体上平行，所述第二从动轴线大体上与所述第一驱动轴线重合。该装置还包括连接至所述第一从动构件的第一测量装置和连接至所述第二从动构件的第二测量装置。

根据另一个方面，一种三自由度定位和操作装置包括第三从动构件、第三驱动构件和前述的二自由度定位和操作装置，所述第三从动构件可绕第三从动轴线旋转，所述第三驱动构件连接至所述第三从动构件，用于使所述第三从动构件绕所述第三从动轴线旋转，该前述的二自由度定位和操作装置安装至所述第三从动构件。所述第一从动轴线和所述第二从动轴线的旋转轴线大体垂直于所述第三从动构件的旋转轴线。

根据另一个方面，所述第三从动构件包括大体的圆柱体或扇形柱体。

根据另一个方面，所述第三驱动构件通过缆索装置连接至所述第三从动构件。

仍然根据另一个方面，所述第一驱动轴线、所述第二驱动轴线和所述第三驱动轴线从各自的机械旋转动力源接收旋转输入，并且所述第三从动轴线穿过所述第二驱动轴线和所述第三驱动轴线的所述机械旋转动力源的主体。

根据另一个方面，一种三自由度的测量装置包括第一旋转驱动器，该第一旋转驱动器具有大体圆柱形的或为扇形柱体的第一驱动构件和大体圆柱形的第一从动构件。所述第一驱动构件可绕第一驱动轴线旋转并连接至所述第一从动构件，从而第一驱动构件的旋转使所述第一从动构件绕第一从动轴旋转，所述第一驱动轴线和所述第一从动轴线大体上平行。该装置还包括前述的2自由度测量装置，该2自由度测量装置固定地连接至驱动构件，从而所述驱动构件的旋转轴线大体上垂直于所述2自由度测量装置中的旋转驱动构件的旋转轴线。测量装置连接至所述第一从动构件。

为了实现前述的和相关的目标，本发明于是包括了在下文完整进行说明并在权利要求书中特别指出的特征。以下的说明书和附图详细地阐明了本发明特定的示例性实施方式。然而，这些实施方式是象征性的，也可使用符合本发明原理的多个实施方式。本发明的其它目的、优点和新颖的特征，根据下面对于本发明结合附图的详细描述会变得显而易见。

附图说明

图1显示了现有技术中的高性能2自由度操作器；

图2显示了现有技术中的高性能3自由度操作器的立体图；

图3显示了根据本发明的2自由度操作器的立体图；

图4显示了根据本发明的图3中的2自由度操作器的俯视图；

图5显示了根据本发明的图4中的2自由度操作器的剖视图；

图6显示了根据本发明的3自由度操作器的立体图；

图7显示了臂处于变换姿态的、图6中的3自由度操作器立体图；

图8显示了根据本发明的图6中的3自由度操作器的侧视图；

图9显示了根据本发明的图8中的3自由度操作器的剖视图。

具体实施方式

如图1中所示的两自由度操作器的结构及益处已经在相关专利#5,429,015中作了描述。由于其元件少且简单，该2自由度机构提供了高的性能和经济的构造。马达不相对于从动鼓的运动而移动，因而对于使用大功率马达以获得大的加速度而言，没有性能损失。不需要带、链或联动装置来将马达扭矩传送至运动构件。不需要附加的传动减速机构。与相竞争的设计相比，从马达至受控输出点的短机械距离允许了更大的加速度、更精确的定位和更精确的力和扭矩。该设计非常适合于需要快速且精确的平面运动的应用，比如用在SCARA(选择顺应性关节机器手臂)工业机器人中。

图3-5显示了本发明示例性实施方式中的选择顺应性关节机器手臂(SCARA)。驱动马达50安装至固定架构件5。它转动圆柱形的驱动绞盘10。绞盘10通过缆索22连接至从动鼓20。鼓20超出绞盘10较大的相对直径产生了马达50的机械效益。该旋转驱动器通过SagebrushTechnology Inc.的商标名称为ROTO-LOK的装置已经公知。不同于图1中现有技术的从动鼓，鼓20是不完整的圆形，而仅呈现为扇形，优选地是小于整圆的二分之一(1/2)的扇形。弧长只需要足以满足机器人关节可达到的或必需的转动范围的大小即可。将鼓20制造成仅具有所需弧长减少了它的质量和惯性。这还可以在与第二连杆的安装相关的方面获得改进。

继续参照图3-5，鼓20固定至毂65。绞盘30安装在毂65的内部轴承上并与毂65同心。绞盘30由马达60驱动并通过缆索67连接至鼓40。毂65中切割有槽，以为鼓40提供间隙并允许缆索67穿过而到达内部安装的绞盘30。毂65具有支撑鼓20和绞盘30以及最小化元件个数和质量的双重用途。

在图1所示的现有技术的结构中，远侧安装的鼓40从近侧的鼓20径向和轴向地偏移。如图3-5中示例的，通过将鼓20制造成根据本发明的部分圆柱体，鼓40能安装成仅从鼓20径向偏移。这缩短了从固定架5至鼓40的距离，增加了支撑结构的刚性并减小了它们的质量。

鼓40通过轴45可转动地安装至连杆构件70。连杆70固定至马达60。马达60安装至固定结构框架构件5并作为旋转的轴颈。毂65同心地固定至马达60。因而，鼓20、绞盘30和马达60都享有共同的旋转轴线。

当马达50使鼓20转动时，连杆70、鼓40、马达60和绞盘30都将绕着所述共同的轴线转动。马达60因此能独立于鼓20的姿态而驱动鼓40。连杆构件80固定至鼓40的外围，用于安装末端执行器或工具。

这些对于现有技术的改进产生了具有更小质量、更少元件以及元件中的弯曲更少的2自由度的操作器。它保留了现有技术的优点，即通过将质量较大的马达安装至固定结构构件来使惯性最小化，同时避免了与使用辅助动力传输元件来将扭矩传送到末端连杆相关的质量、摩擦和粗糙度。运动构件能制造成质量很轻、但具有足够的刚度以保证快速的运动和精确的定位。

通过将其安装到第三旋转驱动器，该结构能扩展至3自由度，如图6-9所示。在此装置中，2自由度机构中的未端连杆不需要像SCARA中那样多的转动自由度，所以它被制成部分的圆扇形以降低质量和惯性。

对于图6-9中所示的3自由度的操作器，元件10、20、22、30、40、45、50、60、65、67、70和80起到与所述的图3-5的2自由度结构中它们相应的元件相同的作用。

基本差异在于这些组装的元件通过支架72和75安装至正交的轴95(图9)，而不是安装到固定结构框架构件5。轴95被安装至固定支撑构件5并作为旋转的轴颈。鼓90也固定至轴95。鼓90成形为类似于鼓20的部分扇形柱体，并由马达55驱动。更具体地，绞盘85由马达55驱动，并以与前述的其它关节相同的方式通过缆索87连接至鼓90。当鼓90被驱动时，其使轴95和2自由度机构绕着轴95的轴线旋转。

用于2自由度机构的马达50、60直接沿着轴95的旋转轴线定位，以使它们的惯性最小化。还应注意的是，当轴95的旋转轴线如图6和图7所示竖直地定向时，鼓20用作末端连杆的局部配重。这减小了马达50抵消重力所需的扭矩。这使得更多的扭矩可用于操作器的生产性方面，或允许为了较小的惯性和增强的动态响应而使用较小的马达。

对比于图2中的现有技术，该3自由度减小了运动元件的质量，并使它们定位得更接近于垂直转动轴线以进一步地减小惯性。支撑构件的长度被缩短，增加了结构和扭矩上的刚度。从机器人的末端执行器到固定支撑件的机械路径被缩短，增加了机器人的刚性和精确度。马达所需要的扭矩较小。

在保持了现有技术优点的同时还作了以下改进：每个关节的3自由度具有短的、直接驱动类型的致动，同时保持了传输装置减少的优点。它以经济的包装，实现了具有最小惯性和平滑的、低摩擦运动的、实用水平的力输出。

图3-5中的2自由度装置和图6-9中的3自由度装置，均可通过将马达50、60和3自由度装置中的马达55替换为角度测量传感器，而被实现为坐标测量机。精确的探针应固定在构件80的端部，并且操作员可手动地将该探针引导至所需的测量点。从关节的角度中计算出测量点的坐标。

虽然已经关于特定的实施方式对本发明进行了显示及说明，但是明显地是，本领域的其它技术人员在阅读和理解该说明书的基础上可想到其等同和修改。本发明包括所有这样的等同和修改，并仅由下述的权利要求书的保护范围所限定。

Claims (17)

1、一种二自由度的定位和操作装置，所述装置包括：

第一从动构件，所述第一从动构件能够绕第一从动轴线旋转；

第一驱动构件，所述第一驱动构件连接至第一从动构件，用于使得所述第一从动构件绕所述第一从动轴线旋转；

连杆构件，所述连杆构件固定地连接至所述第一从动构件；

第二从动构件，所述第二从动构件可旋转地安装至所述连杆构件，用于绕第二从动轴线旋转，所述第二从动轴线大体上与所述第一从动轴线平行；以及

第二驱动构件，所述第二驱动构件在驱动点连接至所述第二从动构件，用于使所述第二从动构件绕所述第二从动轴线旋转，

其中，所述驱动点大体上与所述第一从动轴线重合。

2、根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一从动构件是大体的扇形柱体；以及

所述第二从动构件包括大体的圆柱体或扇形柱体。

3、根据权利要求2所述的装置，其中，所述第一从动轴线和所述第二从动轴线彼此偏移并大体平行。

4、根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一驱动构件和所述第二驱动构件每个都从各自的机械旋转动力源接收各自的旋转输入。

5、根据权利要求4所述的装置，所述装置还包括固定基准框架，并且其中，所述第一机械旋转动力源固定地安装到所述固定基准框架。

6、根据权利要求5所述的装置，其中，所述第二机械旋转动力源相对于所述第一从动构件的旋转而被固定地安装。

7、根据权利要求5所述的装置，其中，所述第二机械旋转动力源的旋转元件相对于所述第一从动构件的旋转而被可旋转地安装至所述固定基准框架。

8、根据权利要求4所述的装置，所述装置还包括固定地安装到所述第二从动构件的臂。

9、根据权利要求2所述的装置，其中，所述第一驱动构件通过第一缆索装置连接至所述第一从动构件，并且所述第二驱动构件通过第二缆索装置连接至所述第二从动构件。

10、根据权利要求9所述的装置，其中，所述第一驱动构件和所述第二驱动构件每个都从各自的机械旋转动力源接收各自的旋转输入。

11、根据权利要求10所述的装置，所述装置还包括固定基准框架，并且其中，各机械旋转动力源的旋转元件相对于所述第一从动构件的旋转而被可旋转地安装至所述固定基准框架。

12、一种二自由度的测量装置，所述装置包括：

第一旋转驱动器，所述第一旋转驱动器包括大体圆柱形的第一从动构件和大体为扇形柱体的第一驱动构件，所述第一驱动构件可绕第一驱动轴线旋转并连接至所述第一从动构件，从而所述第一驱动构件的旋转使所述第一从动构件绕第一从动轴线旋转，所述第一驱动轴线和所述第一从动轴线大体上平行；以及

第二旋转驱动器，所述第二旋转驱动器包括大体圆柱形的第二从动构件和大体成形为圆柱形或扇形柱体的第二驱动构件，所述第二驱动构件可绕第二驱动轴线旋转并连接至所述第二从动构件，从而所述第二驱动构件的旋转使所述第二从动构件绕第二从动轴线旋转，所述第二驱动轴线和所述第二从动轴线大体上平行，

其中，所述第二驱动构件可旋转地安装至固定于所述第一驱动构件的连杆，以绕所述第二驱动轴线旋转，所述第一驱动轴线和所述第二驱动轴线彼此偏移并大致平行，并且所述第二从动轴线与所述第一驱动轴线基本上重合；

第一测量装置，所述第一测量装置连接至所述第一从动构件；以及

第二测量装置，所述第二测量装置连接至所述第二从动构件。

13、一种三自由度的定位和操作装置，所述装置包括：

第三从动构件，所述第三从动构件能够绕第三从动轴线旋转；

第三驱动构件，所述第三驱动构件连接至所述第三从动构件，用于使所述第三从动构件绕所述第三从动轴线旋转；

权利要求1所述的装置，该权利要求1所述的装置安装到所述第三驱动构件；其中

所述第一从动轴线和所述第二从动轴线的旋转轴线大体上垂直于所述第三从动构件的旋转轴线。

14、根据权利要求16所述的装置，所述第三从动构件包括大体的圆柱体或扇形柱体。

15、根据权利要求17所述的装置，其中，所述第三驱动构件通过缆索装置连接至所述第三从动构件。

16、根据权利要求16所述的装置，其中，所述的第一驱动轴线、所述第二驱动轴线和所述第三驱动轴线从各自的机械旋转动力源接收旋转输入，并且所述第三从动轴线穿过用于所述第二驱动轴线和所述第三驱动轴线的所述机械旋转动力源的主体。

17、一种三自由度的测量装置，所述装置包括：

第一旋转驱动器；

所述第一旋转驱动器包括大体为圆柱形或扇形柱体的第一驱动构件和大体圆柱形的第一从动构件，所述第一驱动构件可绕第一驱动轴线旋转并连接至所述第一从动构件，从而所述第一驱动构件的旋转使所述第一从动构件绕第一从动轴线旋转，所述第一驱动轴线和所述第一从动轴线大体上平行；

如权利要求13所述的2自由度测量装置，

其中，所述的2自由度测量装置固定地连接至所述驱动构件；从而所述驱动构件的旋转轴线大体上垂直于所述的2自由度测量装置中的旋转驱动构件的旋转轴线；

测量装置，所述测量装置连接至所述第一从动构件。

Images