CN101698300A - 大工作空间并联机器人机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大工作空间并联机器人机构，其包括基座、支链、动平台和驱动装置，驱动装置与支链相连；支链的两端分别转动连接于基座和动平台，并且，该多个转动连接的转动轴心线为同向设置；支链与基座之间的转动连接为转动副连接；支链与动平台之间的转动轴心线两两之间相互平行；本发明的支链包括第一支链、第二支链和第三支链，该三支链相互避让设置。有益效果是：克服并联机构工作空间小的缺陷，具有极大的环形工作空间，动平台的分层设计使得末端执行器能灵活地实现整周的连续回转；支链的主动臂紧凑设置，简化了基座的设计，减少了安装所需空间；驱动装置安装在基座上，有利于减轻运动部件的质量，提高机构的整体性能。

Description

大工作空间并联机器人机构

【技术领域】

本发明涉及工业机器人技术领域，特别是大工作空间并联机器人机构。

【背景技术】

少自由度并联机器人是指自由度数为2、3、4或5的并联机器人，其适用于自由度的要求少于6个的工业场合。相较于6自由度并联机器人，少自由度并联机器人具有结构简单、成本低廉、运动学及动力学计算复杂度低和控制容易等特点，因此其具有良好的应用前景，也是当前国际上的研究热点。

通常情况下，在轻工、食品、药品的包装以及电子封装行业里，要完成在空间内的抓放操作(Pick-and-Place)需要4个自由度，即三个平动自由度和一个转动自由度。但在大量应用场合，仅仅需要在平面内的二维平动，实现平面内一点至另一点的高速抓放，这就要求一种能实现二维平动的高速操作手。这类装置通常要求动平台能在一个运动平面中以较高速度做二自由度移动而不改变动平台的姿态。

US5000653和US6212968均涉及了一种名为SCARA(Selective Compliance AssemblyRobot Arm)的串联机器人100，如图1所示。该串联机器人100的连杆11一端经转动副与基座12连接，其连杆11的另一端经转动副和驱动装置与连杆13连接，两转动副的轴心线相互平行，从而使连杆11与连杆13构成两自由度的平面关节串联机器人机构；连杆13经圆柱副及两个驱动装置与末端执行器相连，此处圆柱副的轴线与连杆11和连杆13的转动副轴线平行，使末端执行器获得一个轴线垂直于连杆11和连杆13组成的平面的转动自由度和一个平动自由度。若不考虑垂直于连杆11和连杆13组成的平面的平动自由度，此类机器人可实现三自由度的平面大范围的移动，并且整个机械臂、尤其是末端执行器可以实现整周的连续回转，但是，由于SCARA机器人采用串联结构，驱动装置直接安装于连杆11和连杆13上，导致运动部件的质量、惯量大，使得速度、刚度和精度都受到一定的限制。

相比于串联机器人，并联机器人具有刚度大、承载能力强、运动部件惯量小、速度高和误差不累计的特点，受到了许多学者和研究机构的高度重视。其中，一种3-RPR并联机构200可以实现两平动一转动的运动(R表示转动副，P表示移动副，加下划线表示是驱动关节)，如图2所示。该3RPR并联机构200的基座21上对称的分布着三个支点22，通过三条支链23与形似等边三角形的动平台24相连，支链23的一端通过转动副与基座21的一个支点22相连，另一端通过转动副与等边三角形动平台24的一角相连，支链23的长度通过移动副的运动来改变。通过驱动三个移动副，就可以使等边三角形动平台24实现两平动一转动的平面运动。由于采用并联构型，使得整个装置具有较高的刚度、速度和精度；但是，由于定平台、动平台布置在一个平面，致使动平台的工作空间小，而且动平台不能实现整周的回转，极大的限制了该类并联机器人的应用。

【发明内容】

为了解决现有的技术问题，本发明提供一种大工作空间并联机器人机构，其采用并联的相互平行的多个支链，大大增加了工作空间，能够实现整周回转，并提高了机构的精度、刚度和速度。

本发明解决现有的技术问题，提供一种大工作空间并联机器人机构，其包括基座、支链、动平台和驱动装置，所述驱动装置与所述支链相连；所述支链的两端分别转动连接于所述基座和所述动平台，并且，该多个转动连接的转动轴心线为同向设置；所述支链与所述基座之间的转动连接为转动副连接；所述支链与所述动平台之间的转动轴心线两两之间相互平行；本大工作空间并联机器人机构的所述支链包括第一支链、第二支链和第三支链，该三支链相互避让设置，且其三活动面均垂直于所述支链与所述基座之间的转动轴心线。

本发明更进一步的改进是：

所述第一支链、所述第二支链和所述第三支链与所述基座之间的所述三转动轴心线相互平行或共线设置。

所述动平台为一弯杆机构。

所述第一支链包括第一主动臂和第一从动臂，所述第一主动臂与所述第一从动臂经转动副相连，所述第一从动臂经转动副与所述动平台相连；所述驱动装置包括第一驱动装置，所述第一驱动装置与所述第一主动臂相连，控制其转动状态；所述第二支链包括第二主动臂和第二从动臂，所述第二主动臂与所述第二从动臂经转动副相连，所述第二从动臂经转动副与所述动平台相连；所述驱动装置包括第二驱动装置，所述第二驱动装置与所述第二主动臂相连，控制其转动状态；所述第三支链包括第三主动臂和第三从动臂，所述第三主动臂与所述第三从动臂经转动副相连，所述第三从动臂经转动副与所述动平台相连；所述驱动装置包括第三驱动装置，所述第三驱动装置与所述第三主动臂相连，控制其转动状态。

在所述动平台上设置一平动支链，所述平动支链的活动方向平行于所述支链与所述基座相连的转动心线。

在所述平动支链的尾端设置手抓或吸盘。

本大工作空间并联机器人机构包括第四支链；所述第一支链包括第一主动臂和第一从动臂，所述第一主动臂与所述第一从动臂经转动副相连，所述第一从动臂经圆柱副与所述动平台相连；所述驱动装置包括第一驱动装置，所述第一驱动装置与所述第一主动臂相连，控制其转动状态；所述第二支链包括第二主动臂和第二从动臂，所述第二主动臂与所述第二从动臂经转动副相连，所述第二从动臂经圆柱副与所述动平台相连；所述驱动装置包括第二驱动装置，所述第二驱动装置与所述第二主动臂相连，控制其转动状态；所述第三支链包括第三主动臂和第三从动臂，所述第三主动臂与所述第三从动臂经转动副相连，所述第三从动臂经圆柱副与所述动平台相连；所述驱动装置包括第三驱动装置，所述第三驱动装置与所述第三主动臂相连，控制其转动状态；所述第四支链包括从动臂一和从动臂二，所述基座与所述从动臂一经圆柱副相连，所述从动臂一与所述从动臂二经转动副相连，所述从动臂二与所述动平台经转动副相连；所述驱动装置包括第四驱动装置，所述第四驱动装置与所述从动臂一相连，控制其线性移动状态。

在所述动平台上设置手抓或吸盘。

相较于现有技术，本发明的有益效果是：

本发明的机构具有极大的环形工作空间，同时，弯杆机构的动平台其分层设计使得末端执行器能灵活的实现整周回转。

支链的主动臂同转动轴心线分布设置，简化了基座的设计，降低了安装所需空间；

驱动装置安装在基座上，有利于减轻运动部件的质量，提高机构的整体性能，具有更好的精度、刚度和更快的速度；

【附图说明】

图1为现有技术串联机器人的结构示意图；

图2为现有技术3-RPR并联机构的结构示意图；

图3为本发明大工作空间并联机器人机构的结构示意图；

图4为图3所示大工作空间并联机器人机构的正面示意图；

图5为所述动平台的机构示意图；

图6为本发明大工作空间并联机器人机构另一结构示意图；

图7为本发明大工作空间并联机器人机构又一结构示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

如图3至图7所示，一种大工作空间并联机器人机构300，其包括基座31、支链32、动平台33和驱动装置34。基座31是本发明关联机器人机构300的安装基础，其支撑各个支链32、动平台33及末端执行机构的重量。驱动装置34包括直线驱装置和转动驱动装置，根据实际的支链32运动需要而设置。所述驱动装置34与所述支链32相连，控制支链32的活动状态，即线性移动状态或转动状态，从而进一步根据支链32的几何连接关系改变动平台33的几何位置。所述支链32的两端分别转动连接于所述基座31和所述动平台33，在这里，该多个转动连接的转动轴心线为同向设置，该转动连接包括转动副连接和圆柱副连接两种；在所述支链32与所述基座31之间的转动连接设置为转动副连接；所述支链32与所述动平台33之间的转动轴心线两两之间相互平行，即其转动轴心线任意两者之间不共线；本大工作空间并联机器人机构300的所述支链32包括第一支链321、第二支链322和第三支链323；该三支支链相互避让设置，即第一支链321、第二支链322和第三支链323移动时，不会发生碰撞、干涉，且其三活动面均垂直于所述支链与所述基座之间的转动轴心线。

在本发明中，所述三支链优选分设于相互平行的三个活动区域，即第一活动区域3214、第二活动区域3224和第三活动区域3234，且该三活动区域相互平行。

在本发明中，所述第一支链321、所述第二支链322和所述第三支链323与所述基座31之间的所述三转动轴心线相互平行或共线设置。优选将三转动轴心线采用共线设置，同时三支链采用相似传动臂，这样简化了基座31的结构，且简化整体控制。

在本发明中，所述动平台33经所述三活动区域分隔成至少包括第一主体、第二主体的活动体，所述第一主体为第一活动区域3214与第二活动区域3224之间的动平台，该第一主体为一连续体；同理，所述第二主体为第二活动区域3224与第三活动区域3234之间的动平台，该第二主体亦为一连续体，采用该种机构，各支链32在设置活动区域内自由移动，且各支链之间不会发生碰撞、干涉，同时，保证各支链32亦不会与动平台33发生碰撞、干涉。在本发明中，优选将所述动平台设置成一分层的弯杆机构，支链32转动连接在弯杆机构的各处上，以实现动平台的有序运动。

如图5所示，所述第一支链321包括第一主动臂3211和第一从动臂3212，所述第一主动臂3211与所述第一从动臂3212经转动副相连；所述驱动装置包括第一驱动装置3213，所述第一驱动装置3213与所述第一主动臂3211相连，控制其转动状态。所述第二支链322包括第二主动臂3221和第二从动臂3222，所述第二主动臂3221与所述第二从动臂3222经转动副相连；所述驱动装置包括第二驱动装置3223，所述第二驱动装置3223与所述第二主动臂3221相连，控制其转动状态。所述第三支链323包括第三主动臂3231和第三从动臂3232，所述第三主动臂3231与所述第三从动臂3232经转动副相连；所述驱动装置包括第三驱动装置3233，所述第三驱动装置3233与所述第三主动臂3231相连，控制其转动状态。末端执行机构直接安装于动平台33上，由动平台33经第一支链321、第二支链322和第三支链323带动，最后实现末端执行机构的两平动一转动运动。

如图6所示，更进一步，在图5所示的动平台33上设置一平动支链324。所述平动支链324的活动方向平行于所述转动轴心线。在所述平动支链324的尾端设置手抓或吸盘35等末端执行机构，从而实现三平动一转动的运动。

如图7所示，本大工作空间并联机器人机构300包括第四支链324；所述第一支链321包括第一主动臂3211和第一从动臂3212，所述第一主动臂3211与所述第一从动臂3212经转动副相连，所述第一从动臂3212经圆柱副与所述动平台33相连；所述驱动装置包括第一驱动装置3213，所述第一驱动装置3213与所述第一主动臂3211相连，控制其转动状态；所述第二支链322包括第二主动臂3221和第二从动臂3222，所述第二主动臂3221与所述第二从动臂3222经转动副相连，所述第二从动臂3222经圆柱副与所述动平台33相连；所述驱动装置包括第二驱动装置3223，所述第二驱动装置3223与所述第二主动臂3221相连，控制其转动状态；所述第三支链323包括第三主动臂3231和第三从动臂3232，所述第三主动臂3231与所述第三从动臂3232经转动副相连，所述第三从动臂3232经圆柱副与所述动平台33相连；所述驱动装置包括第三驱动装置3233，所述第三驱动装置3233与所述第三主动臂3231相连，控制其转动状态；所述第四支链包括从动臂一3241和从动臂二3242，所述基座31与所述从动臂一3241经圆柱副相连，所述从动臂一3241与所述从动臂二3242经转动副相连，所述从动臂二3242与所述动平台33经转动副相连；所述驱动装置包括第四驱动装置3243，所述第四驱动装置3243与所述从动臂一3241相连，控制其移动状态，所述第四驱动装置3243带动从动臂一3241线性移动，经过从动臂二3242后动平台33亦作相应线性移动。由于第一支链321、第二支链322和第三支链323实现动平台33的两平动一转动，再加上第四支链324的控制增加了动平台一自由度，实现了动平台的三平动一转动。在所述动平台33上设置手抓或吸盘。

本发明大工作空间并联机器人机构特别是能实现大工作空间和整周回转的三自由度并联机器人，可广泛应用于轻工、食品和药品的包装以及电子产品的封装，用于实现平面内两自由度平动以及绕平面法线方向的旋转。

本发明的目的在于提供一种可实现大工作空间和整周回转的三自由度平面大工作空间并联机器人机构。该机构在运动平面内能实现大范围的移动，并且在垂直于运动平面的方向能实现整周回转，驱动机构同轴分布便于安装实现。

本发明的驱动装置安装在基座上，有利于减轻运动部件的质量，提高机构的整体性能，具有更好的精度、刚度和更快的速度；支链的主动臂同转动轴心线分布设置，简化了基座的设计，降低了安装所需空间；本发明的机构具有极大的环形工作空间，同时，弯杆机构的动平台其分层设计使得末端执行器能灵活的实现整周回转。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种大工作空间并联机器人机构，其包括基座、支链、动平台和驱动装置，所述驱动装置与所述支链相连；其特征在于：

所述支链的两端分别转动连接于所述基座和所述动平台，并且，该多个转动连接的转动轴心线为同向设置；

所述支链与所述基座之间的转动连接为转动副连接；

所述支链与所述动平台之间的转动轴心线两两之间相互平行；

本大工作空间并联机器人机构的所述支链包括第一支链、第二支链和第三支链，该三支链相互避让设置，且其三活动面均垂直于所述支链与所述基座之间的转动轴心线。

2.根据权利要求1所述的大工作空间并联机器人机构，其特征在于：所述第一支链、所述第二支链和所述第三支链与所述基座之间的所述三转动轴心线相互平行或共线设置。

3.根据权利要求2所述的大工作空间并联机器人机构，其特征在于：所述动平台为一弯杆机构。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的大工作空间并联机器人机构，其特征在于：

所述第一支链包括第一主动臂和第一从动臂，所述第一主动臂与所述第一从动臂经转动副相连，所述第一从动臂经转动副与所述动平台相连；所述驱动装置包括第一驱动装置，所述第一驱动装置与所述第一主动臂相连，控制其转动状态；

所述第二支链包括第二主动臂和第二从动臂，所述第二主动臂与所述第二从动臂经转动副相连，所述第二从动臂经转动副与所述动平台相连；所述驱动装置包括第二驱动装置，所述第二驱动装置与所述第二主动臂相连，控制其转动状态；

所述第三支链包括第三主动臂和第三从动臂，所述第三主动臂与所述第三从动臂经转动副相连，所述第三从动臂经转动副与所述动平台相连；所述驱动装置包括第三驱动装置，所述第三驱动装置与所述第三主动臂相连，控制其转动状态。

5.根据权利要求4所述的大工作空间并联机器人机构，其特征在于：在所述动平台上设置一平动支链，所述平动支链的活动方向平行于所述支链与所述基座相连的转动心线。

6.根据权利要求5所述的大工作空间并联机器人机构，其特征在于：在所述平动支链的尾端设置手抓或吸盘。

7.根据权利要求1至3任意一项所述的大工作空间并联机器人机构，其特征在于：

本大工作空间并联机器人机构包括第四支链；

所述第一支链包括第一主动臂和第一从动臂，所述第一主动臂与所述第一从动臂经转动副相连，所述第一从动臂经圆柱副与所述动平台相连；所述驱动装置包括第一驱动装置，所述第一驱动装置与所述第一主动臂相连，控制其转动状态；

所述第二支链包括第二主动臂和第二从动臂，所述第二主动臂与所述第二从动臂经转动副相连，所述第二从动臂经圆柱副与所述动平台相连；所述驱动装置包括第二驱动装置，所述第二驱动装置与所述第二主动臂相连，控制其转动状态；

所述第三支链包括第三主动臂和第三从动臂，所述第三主动臂与所述第三从动臂经转动副相连，所述第三从动臂经圆柱副与所述动平台相连；所述驱动装置包括第三驱动装置，所述第三驱动装置与所述第三主动臂相连，控制其转动状态；

所述第四支链包括从动臂一和从动臂二，所述基座与所述从动臂一经圆柱副相连，所述从动臂一与所述从动臂二经转动副相连，所述从动臂二与所述动平台经转动副相连；所述驱动装置包括第四驱动装置，所述第四驱动装置与所述从动臂一相连，控制其线性移动状态。

8.根据权利要求7所述的大工作空间并联机器人机构，其特征在于：在所述动平台上设置手抓或吸盘。

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