CN101977737A - 两自由度并行操纵器 - Google Patents

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CN101977737A CN2008801282173A CN200880128217A CN101977737A CN 101977737 A CN101977737 A CN 101977737A CN 2008801282173 A CN2008801282173 A CN 2008801282173A CN 200880128217 A CN200880128217 A CN 200880128217A CN 101977737 A CN101977737 A CN 101977737A
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S·克鲁
O·孔帕尼
V·纳巴
C·巴拉达
A·J·萨恩斯费尔南德斯
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Abstract

本发明涉及一种两自由度并行操纵器，其包括框架(1)、四个框架臂(3，3′，4，4′)、四个平台臂(5，5′，5″，5″′)、平台(6)和末端执行器，各框架和平台臂(3，3′，4，4′，5，5′，5″，5″′)具有第一端和第二端，各框架臂(3，3′，4，4′)的第一端联接到框架(1)并且各框架臂(3，3′，4，4′)的第二端联接到平台臂(5，5′，5″，5″′)的第一端，各平台臂(5，5′，5″，5″′)的第二端联接到平台(6)，并且平台(6)联接到末端执行器。在所述操纵器中，第一框架臂(3)和第二框架臂(3′)被分别独立地驱动，并且第三框架臂(4)和第四框架臂(4′)用转动关节(8)联接到框架(1)，第三和第四框架臂(4，4′)的旋转是被连结的。所述第一和第二框架臂(3，3′)以及第三和第四框架臂(4，4′)被包含在两个不同平面内，所述平面是正交的。

Description

两自由度并行操纵器
【技术领域】
本发明涉及一种两自由度并行操纵器(manipulator)，其主要用于物体的操纵，也被命名为“拾放(pick-and-place)”。所述自由度是指根据垂直和水平轴的两种平移。
【背景技术】
用于拾取作业的具有两自由度的机器人被设计为具有两种平移。机器人的移动平台主要取决于应用而保持或不保持该定向。
在工业中非常广泛地使用进行两种平移并使平台定向保持恒定的两自由度机器人。使得平台定向保持恒定的限制是通过仅允许在固体之间环形平移的平面平行四边形实现的。这种组成的接合被称为∏关节(HervéJ.M.，“Analyse structurelle des mécanismes par groupes de déplacements”，机构与机械原理，13卷，437-450页，1978)。这样，由
Figure BPA00001229527300011
提出(
Figure BPA00001229527300012
T.，专利No.US 6,301,988B1，“用于两元件的相对移动的装置”，2001)并在图1中示出的机构，一种位于棱柱状驱动器(prismatic drive)和末端执行器之间的∏联接保证了这种末端执行器的定向。
图1A和1B示出了用于该∏联接的两种不同的可能表示。图1A示出了完整的表示：在封闭链中的四个柱状关节。图1B示出了该联接的简化表示。
如图2中所示，还可以使用旋转驱动器代替棱柱状驱动器产生这些机构。
在图2中的关节表示示出这些结构的运动控制是通过联结到旋转驱动器中之一的∏联接实现的。然而，如图2中的机构所示，有可能改变平面平行四边形的位置，以增加工作容积并避开∏关节的异常位置。
对图2中所表示机构的其他可能性将使用“拉姆达(lambda)”布置来进行设计。在这种情况下，联接两固体的接合(articulation)的特定位置被限定。实际上，关节未被放置在末端部分，而是沿着支腿放置。一个利用这种构造的熟知实例是Stewart平台(Stewart D.，“具有6自由度的平台”，在英国机械工程师学会志，371-386页，180卷，(部分1，15)，1965)。
“拉姆达”构造的优点是为了更改驱动器的种类(图3A)，或者为了缩小平台的尺寸(图3B)。
这种结构比高速运动更适于操纵重负载。
最后，由Liu提出的过约束机构(Liu X.J.，Kim J.，“具有小于六自由度的两新型并行机构及其应用”，在研讨会会刊中关于并行机构和操纵器基本问题和未来研究方向，加拿大，魁北克省，魁北克市，10月，172-177页，2002)使用将平台与位于垂直位置的两个移动促动器联结的∏联接，见图4A和图4B。这种构造还被用来构建具有在移动工作台上的第三轴的混合铣床(图4B)。在图4C中绘示出其对应的关节和环路图示。
这种机器人的主要应用是需要短周期时间的物体操纵。然而，所有提出的机构都是被构建在一个平面中。由于此原因，这些机构经过横轴的刚性是由机器人的支腿来保证的，其沿着该轴必须是刚性的以将振动和偏斜降到最低。它导致不利于机器人动力学的笨重零件。这个重大的缺陷造成实现高加速度以及进而实现短周期时间的困难。这个缺陷的另一个后果是由平面结构引起的振动，其造成缺少精确度。
【发明内容】
本发明涉及一种两自由度并行操纵器，其包括框架、第一框架臂、第二框架臂、第一平台臂、第二平台臂、平台和末端执行器。各平台臂具有第一端和第二端。类似地，各框架臂具有第一端和第二端。所述操纵器的连接是第一和第二框架臂的第一端联接到框架。第一框架臂的第二端联接到第一平台臂的第一端。类似地，第二框架臂的第二端联接到第二平台臂的第一端。一种可能的联接部件是球形关节。可以将框架臂和平台臂的联合理解为以它们的对应端联接到平台和框架的运动链。将末端执行器联接到平台。分别独立地驱动第一框架臂和第二框架臂。所述框架臂可以例如由电动机驱动。各框架臂可以具有电动机，该电动机可产生与另一个框架臂的运动不同的运动。
根据本发明，两自由度并行操纵器进一步包括具有它们的对应平台臂(即第三平台臂和第四平台臂)的第三框架臂和第四框架臂。第三框架臂和第四框架臂到它们的对应平台臂的连接相当于第一和第二框架臂上形成的连接。本发明增加相当于前面所述的两个附加的运动链。然而，所述第三和第四框架臂联接到具有转动关节的框架。第三框架臂和第四框架臂的旋转是被连结的，以便第三框架臂旋转在量级上等于第四框架臂旋转并具有与第四框架臂旋转相反的方向。这意味着例如当第三框架臂顺时针旋转30°时，第四框架臂逆时针旋转30°。备选地，第三框架臂顺时针1弧度/秒的转速对应于第四框架臂逆时针1弧度/秒的转速。
所述第一和第二框架臂以及所述第三和第四框架臂的构造是：第一框架臂和第二框架臂被包含在第一平面内，而第三框架臂和第四框架臂被包含在第二平面内，第一平面和第二平面是正交的。
第三和第四框架臂的连结牵涉(involve)第一和第二平台臂以及平台被包含在第一平面内(在前面段落中定义)。
现有的两自由度并行操纵器被构建在一个平面内。由于此原因，这些机构经过横轴的刚性是由机器人的支腿来保证的，其沿着该轴必须是刚性的以将振动和偏斜降到最低并增加定位精确度。它导致不利于机器人动力学的笨重零件。
操纵器的这种特定构造将操纵器的自由度限制为两个。本发明的机构使用保证结构经过横轴的高刚性的附加运动链。
结果是提出一种比现有的机器人硬十倍、具有轻五倍的结构的机器人。
这种结果显示了机器人能够达到更高的动力学，即更短的周期时间，具有更轻的结构。
在一个优选实施例中，平台可以是刚性的。平台的刚性意指平台不能弯曲且组成平台的元件或零件不能改变其相对位置。
本发明提出了不同的替代方案以进行对第三框架臂和第四框架臂的旋转连结。所述连结可以用转动关节实现，所述转动关节包括两个半径比等于1的齿轮，各齿轮连接到第三框架臂和第四框架臂。第二种选择在于转动关节，所述转动关节包括四个具有相等半径的滑轮和两条被固定在滑轮上交叉带，各滑轮连接到第三框架臂和第四框架臂。这种滑轮-带构造中的一个将被用来折叠第三和第四框架臂，而第二滑轮-带构造将被用来打开所述第三和第四框架臂。第三种选择是使用两条支腿，其由第一支腿和第二支腿组成，各支腿具有第一端和第二端。所述第一支腿通过第一端上的转动关节联接到第三框架臂并通过第二端上的移动关节(prismatic joint)联接到框架，并且所述第二支腿通过第一端上的转动关节联接到第四框架臂并通过第二端上的移动关节联接到框架。第一支腿和第二支腿二者都具有相同的长度并在它们的第二端上共用相同的移动关节，也就是说，两个第二端都被连结在一起并且联接在所述移动关节上。
【附图说明】
为补充正在进行的描述，并且为了帮助根据本发明的优选的实际实施例更好地理解其描述和特征的目的，附加一组附图作为所述描述的主要部分，所述附图说明性且非限制性地示出以下内容。
图1示出了具有恒定定向平台和棱柱状驱动器的两自由度机构的表示。
图1A示出了图1的机构的关节和环路图。
图1B示出了图1的机构的使用∏关节表示的关节和环路图。
图2示出了具有恒定定向平台和旋转驱动器的两自由度机器人，其表示及其环路图使用∏关节表示。
图3A示出了机构的表示以及拉姆达构造的机械链。
图3B示出了具有棱柱状驱动器的拉姆达构造的关节和环路图。
图4A示出了具有垂直棱柱状驱动器的过约束机构的表示。
图4B示出了图4A的机构的特定机床应用。
图4C示出了图4A的机构的关节和环路图。
图5示出了根据本发明的两自由度并行操纵器的透视图。
图6示出了操纵器的第一实施例，其中连结第三和第四框架臂的转动关节是齿轮。
图7示出了操纵器的第二实施例，其中一组滑轮(交叉带固定在所述滑轮上)被固定在转动关节上。
图8示出了操纵器的第三实施例，其中在第三和第四框架臂之间的连结通过由于棱柱状关节联接到框架的两条附加的支腿来完成。
【具体实施方式】
由于所讨论的附图，公开了根据本发明的两自由度并行操纵器的一个可能的实施例。
图5示出了根据本发明的操纵器的总视图。所述操纵器包括框架1、四个框架臂3，3′，4，4′、四个平台臂5，5′，5″，5″′、刚性平台6和末端执行器。末端执行器可以保持物体，而操纵器将进行“拾放”作业。
框架臂和平台臂二者都具有第一端和第二端。四个框架臂3，3′，4，4′通过它们的第一端联接到刚性框架。各框架臂通过其具有球形关节7的第二端联接到平台臂的第一端，也就是说，球形关节7联接第一框架臂3和第一平台臂5，类似地，球形关节7联接第二框架臂3′和第二平台臂5′、第三框架臂4和第三平台臂5″以及第四框架臂4′和第四平台臂5″′。最后，平台臂5，5′，5″，5″′通过它们的第二端联接到平台6，而末端执行器联接到所述平台6。在平台臂5，5′，5″，5″′和平台6之间的连接也可以用球形关节7来完成。
在此实施例中，平台臂5，5′，5″，5″′是由两条通过球形关节7联接的支腿组成的。备选地，仅对于联接到第一对框架臂的那些平台臂5，5′，5″，5″′而言，所述平台臂5，5′，5″，5″′可以用固体臂进行制造并通过转动关节进行联接。
四个框架臂3，3′，4，4′是第一框架臂3、第二框架臂3′、第三框架臂4和第四框架臂4′。第一框架臂3和第二框架臂3′二者都通过电动机2驱动。每一个电动机2移动一个框架臂3、3′，因而第一框架臂3和第二框架臂3′能被独立地移动。在另一方面，第三框架臂4和第四框架臂4′将在它们旋转时被连结。所述第三框架臂4和第四框架臂4′通过转动关节8联接到框架1。在第三框架臂4和第四框架臂4′旋转时的连结意味着第三框架臂4或第四框架臂4′的顺时针旋转对应于第四框架臂4′或第三框架臂4的相同逆时针旋转。
图6示出了第三框架臂4和第四框架臂4′的旋转连接的第一实施例。此实施例是基于被固定在转动关节8上的两个齿轮9。所述齿轮9具有等于1的半径比。因此，每当第三框架臂4或第四框架臂4′旋转，第四框架臂4′或第三框架臂4就旋转，但在相反方向上。假定半径比等于1，尽管方向相反，但是第三框架臂4和第四框架臂4′的旋转在量级上是相等的。
图7示出了第三框架臂4和第四框架臂4′的旋转连接的第二实施例。在这种情况下，连接是通过四个滑轮11和两条固定在滑轮11上的交叉带10进行的。在这种情况下，两个滑轮11的直径必须相等，这种限制相当于齿轮半径比等于1。带体10将被固定在滑轮11上，以便两个滑轮11都在相反方向上旋转。
图8绘示出了第三框架臂4和第四框架臂4′的旋转连接的第三实施例。此类连接是基于将第三框架臂4和第四框架臂4′的旋转联接到两条不同支腿12，12′的线性移动，所述两条不同支腿联接到所述第三框架臂4和第四框架臂4′以及联接到框架1。第一联接是通过转动关节13实现的，而第二联接是通过棱柱状关节14实现的。为了连结旋转，第三框架臂4和第四框架臂4′必须保持对称，也就是说，转动关节13必须处在根据对称平面的相同位置，而棱柱状关节14必须被包含在所述对称平面上。此外，两条支腿12，12′的两个第二端必须被一起连接在棱柱状关节14上以良好运转。
如果第一和第二平台臂5，5′是由一条或两条杆构成，于是在框架臂3，3′和平台臂5，5′之间的关节、以及在平台臂5，5′和平台6之间的关节可以是球形关节、U关节或转动关节。
如果第三和第四平台臂5″，5″′是由一条杆构成，于是在框架臂4，4′和平台臂5″，5″′之间的关节、以及在平台臂5″，5″′和平台6之间的关节是U关节。
如果第三和第四平台臂5″，5″′是由两条杆构成，于是在框架臂4，4′和平台臂5″，5″′之间的关节、以及在平台臂5″，5″′和平台6之间的关节可以是球形关节或U关节。
鉴于本描述和该组附图，本领域的普通技术人员将理解在本发明的目的之内能够以许多方式结合已描述的本发明的实施例。本发明已根据其若干优选实施例得以描述，但是对本领域的普通技术人员显而易见的是，在不超出权利要求书所要求的发明范围的情况下，能够将许多变型引入所述优选实施例中。

Claims (7)

1.一种两自由度并行操纵器，其包括框架(1)、第一框架臂(3)、第二框架臂(3′)、第一平台臂(5)、第二平台臂(5′)、平台(6)和末端执行器，各框架臂(3，3′)被分别独立地驱动，各框架臂(3，3′)具有第一端和第二端，各平台臂(5，5′)具有第一端和第二端，所述第一框架臂(3)的第一端和所述第二框架臂(3′)的第一端联接到所述框架(1)，并且所述第一框架臂(3)的第二端联接到所述第一平台臂(5)的第一端且所述第二框架臂(3′)的第二端联接到所述第二平台臂(5′)的第一端，所述第一平台臂(5)的第二端和所述第二平台臂(5′)的第二端联接到所述平台(6)，并且所述平台(6)联接到所述末端执行器，其特征在于，
所述两自由度并行操纵器进一步包括第三框架臂(4)和第四框架臂(4′)、以及第三平台臂(5″)和第四平台臂(5″′)，各框架臂(4，4′)具有第一端和第二端，各平台臂(5″，5″′)具有第一端和第二端，所述第三框架臂(4)的第一端和所述第四框架臂(4′)的第一端用转动关节(8)联接到所述框架(1)，所述第三框架臂(4)的第二端联接到所述第三平台臂(5″)的第一端，所述第四框架臂(4′)的第二端联接到所述第四平台臂(5″)的第一端，并且所述第三平台臂(5″)的第二端和所述第四平台臂(5″′)的第二端联接到所述平台(6)，所述第三框架臂(4)和所述第四框架臂(4′)的旋转是被连结的，以便所述第三框架臂(4)的旋转在量级上等于所述第四框架臂(4′)的旋转并具有与所述第四框架臂(4′)的旋转相反的方向，所述第一框架臂(3)和第二框架臂(3′)被包含在第一平面内，而所述第三框架臂(4)和第四框架臂(4′)被包含在第二平面内，所述第一平面和所述第二平面是正交的，所述第三和第四框架臂的连结牵涉所述第一和第二平台臂以及所述平台被包含在所述第一平面内。
2.根据权利要求1所述的两自由度并行操纵器，其特征在于，所述平台(6)是刚性的。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的两自由度并行操纵器，其特征在于，各转动关节(8)包括齿轮(9)，所述第三框架臂(4)和第四框架臂(4′)的齿轮(9)具有等于1的半径比。
4.根据权利要求1-2中任一项所述的两自由度并行操纵器，其特征在于，各转动关节(8)包括两个滑轮(11)以及被固定在所述两个滑轮(11)上的至少一个交叉带(10)，所述第三框架臂(4)和第四框架臂(4′)的滑轮(11)具有相等直径。
5.根据权利要求1-2中任一项所述的两自由度并行操纵器，其特征在于，所述两自由度并行操纵器包括两条支腿(12，12′)，其由第一支腿(12)和第二支腿(12′)组成，各支腿(12，12′)具有第一端和第二端，所述第一支腿(12)通过所述第一端上的转动关节(13)联接到所述第三框架臂(4)并通过所述第二端上的棱柱状关节(14)联接到所述第四框架臂(4′)，所述第一支腿(12)和第二支腿(12′)具有相同长度并且所述第一支腿(12)的第二端和所述第二支腿(12′)的第二端一起联接在所述棱柱状关节(14)上。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的两自由度并行操纵器，其特征在于，球形关节(7)联接所述第一框架臂(3)和所述第一平台臂(5)、所述第二框架臂(3′)和所述第二平台臂(5′)、所述第三框架臂(4)和所述第三平台臂(5″)、以及所述第四框架臂(4′)和所述第四平台臂(5″′)。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的两自由度并行操纵器，其特征在于，球形关节(7)联接所述平台臂(5，5′，5″，5″′)和所述平台(6)。
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