CN102069496A - 线性驱动四自由度混联机械手 - Google Patents

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宋轶民
孙涛
董罡
刘聪
连宾宾
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Tianjin University
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Tianjin University
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J5/00Manipulators mounted on wheels or on carriages
    • B25J5/02Manipulators mounted on wheels or on carriages travelling along a guideway
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/106Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements with articulated links

Abstract

本发明公开了线性驱动四自由度混联机械手,它包括机架,在机架的两侧对称的固定有直线电机的直线电机导轨,每一个直线电机导轨上的直线电机滑块通过连接在其上的第一铰链与一个主动杆的一端转动相连,两个主动杆的另一端分别通过设置在动平台上的第二铰链彼此对称的转动连接在动平台的两端,套筒通过其外壁上的共轴销转动连接在机架中间,在套筒内套装有导向杆,导向杆的底部与动平台固定相连,在动平台下部设置有转头结构,在转头结构上通过转轴连接有支撑架,在支撑架上连接有末端执行器,采用本机械手可有效地产生优势进给方向或扩大作业范围,实现速度大、定位精度和重复定位精度高的运动。

Description

线性驱动四自由度混联机械手
技术领域
[0001] 本发明涉及一种工业机器人,特别是涉及一种线性驱动四自由度混联机械手。 背景技术
[0002] 现有的少自由度混联机械手,就其并联部分而言,通常存在工作空间/机构体积 比小、不具有优势进给方向、速度小,定位精度与重复定位精度低的缺点;就其串联部分而 言,又通常存在末端执行器只绕自身轴线旋转的不足,致使其必须依靠并联部分的运动实 现限定空间的位置和姿态。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种工作空间/机构体积比大、具 有优势进给方向、运动平稳、速度加速度大、定位精度与重复定位精度高的线性驱动四自由 度混联机械手。
[0004] 本发明的线性驱动四自由度混联机械手,它包括机架,在所述的机架的两侧对称 的固定有直线电机的直线电机导轨,每一个直线电机导轨上的直线电机滑块通过连接在其 上的第一铰链与一个主动杆的一端转动相连,两个主动杆的另一端分别通过设置在动平台 上的第二铰链彼此对称的转动连接在动平台的两端,套筒通过其外壁上的共轴销转动连接 在所述的机架中间,在所述的套筒内套装有导向杆,所述的导向杆与所述的套筒之间通过 键沿导向杆的轴向滑动连接,所述的导向杆的底部与所述的动平台固定相连,所述的导向 杆位于两条主动杆中间并且其轴线与两条主动杆轴线共面,在所述的动平台下部设置有转 头结构,在转头结构上通过转轴连接有支撑架,所述的转轴的轴线与导向杆轴线彼此垂直 并且共面设置,在所述的支撑架上连接有末端执行器,所述的转头结构通过驱动装置的驱 动能够绕所述的导向杆的轴线以及所述的转轴的轴线旋转,在所述导向杆和套筒上设置有 线位移传感器,在共轴销上设置有角编码器。
[0005] 本发明的突出优点是:模块化结构设计,具有优势进给方向,可与各种平动自由度 机构或转动自由度机构串接,有效地产生优势进给方向或扩大作业范围,实现速度大、定位 精度和重复定位精度高的运动。
附图说明
[0006] 图1 (a)是本发明的线性驱动四自由度混联机械手的主视结构示意图;
[0007] 图1 (b)是图1 (a)所示的机械手的侧视图;
[0008] 图2是图1 (b)的A-A截面的放大视图;
[0009] 图3是实施例1的结构示意图;
[0010] 图4是实施例2的结构示意图;
[0011] 图5是实施例3的结构示意图。
[0012] 附图标记:机架1导向杆2共轴销3主动杆4动平台5转头结构6末端执行器7平面铰链8键9套筒10平面铰链11直线电机12轴线13轴线14 具体实施方式
[0013] 下面结合具体的实施例,并参照附图,对本发明做进一步的说明:
[0014] 如附图所示的线性驱动四自由度混联机械手,它包括机架1,在所述的机架1的两 侧对称的固定有直线电机12的直线电机导轨,每一个直线电机导轨上的直线电机滑块通 过连接在其上的第一铰链11与一个主动杆4的一端转动相连,两个主动杆的另一端分别 通过设置在动平台5上的第二铰链8彼此对称的转动连接在动平台5的两端,套筒通过其 外壁上的共轴销3转动连接在所述的机架中间,在所述的套筒内套装有导向杆2,所述的导 向杆2与所述的套筒之间通过键沿导向杆的轴向2滑动连接,所述的导向杆的底部与所述 的动平台5固定相连,所述的导向杆位于两条主动杆中间并且其轴线与两条主动杆轴线共 面,在所述的动平台下部设置有转头结构6,在转头结构6上通过转轴连接有支撑架,所述 的转轴的轴线与导向杆轴线彼此垂直并且共面设置,在所述的支撑架上连接有末端执行器 7,所述的转头结构通过驱动装置的驱动能够绕所述的导向杆的轴线以及所述的转轴的轴 线旋转,所述导向杆和套筒上设置有线位移传感器,在共轴销上设置有角编码器。所述的驱 动装置可以包括一台置于导向杆顶端的第一电机和连接在转头结构上的第二电机,所述的 第一电机的输出轴通过导向杆内部与转头结构的顶部相连,所述的第二电机的输出轴与转 轴相连。当然也可以采用其它的现有驱动装置的结构形式进行驱动。
[0015] 下面结合每一附图对本机械手的运动方式加以说明:
[0016] 如图1所示,本发明的线性驱动四自由度混联机械手,由机架1、两个直线电机12、 两条主动杆4、导向杆2、套筒10、动平台5构成的两平动自由度并联机构,串联一个两自由 度转头结构6,并在转头结构6上安装末端执行器7构成。所述的转头结构6通过动平台5 与两平动自由度并联机构串接;所述的套筒10通过其外壁上的共轴销3与所述的机架1连 接;所述的导向杆2通过套筒10安装在所述的机架1上,且其下部与所述的动平台5固定 连接,并位于两条主动杆4之间,其轴线13与两条主动杆4的轴线共面。
[0017] 所述套筒10的内径略大于所述导向杆2的外径,且其内壁设置有键9 ;所述导向 杆2的上半部轴向设置有键槽,可使其与内壁设置有键9的所述套筒10构成滑移副;所述 主动杆4通过平面铰链8和平面铰链11分别连接直线电机12和动平台5 (当考虑到机械 手的零部件加工或装配过程中可能产生的误差累计,平面铰链11可用球铰链替代);所述 直线电机12的导轨与机架1固定连接,当直线电机12驱动其内部传动机构时,可使主动杆 4产生沿直线电机12导轨的滑移;而主动杆4与直线电机12和动平台5的铰接方式,又可 使其相对于机架1和动平台5实现转动;所述导向杆2在机械手构型中的安装位置与安装 方式(位于两条主动杆之间,且其轴线13与两条主动杆4的轴线共面,并与通过共轴销3 与机架1连接的套筒10构成移动副),使之既可相对于套筒10沿轴向移动,又可随套筒10 相对于机架1转动;动平台5与导向杆2固连,两者不发生相对运动;转头结构6与动平台 5串接,并由两台电机驱动绕两垂直轴线13或14旋转,其中一台电机可置于导向杆2顶端, 通过导向杆2内部的传动机构驱动转头结构6绕轴线13作360°旋转,亦可置于导向杆2 底端内部,直接带动转头结构6绕轴线13作360°旋转,另一电机置于转头结构6的内部, 带动末端执行器7绕轴线14旋转;所述的转头结构6分为上下两部分,以使其上的末端执行器7在所述电机驱动下旋转时不与之发生干涉。导向杆2与动平台5的固连方式,可使 动平台5的空间位置与姿态变化,通过导向杆2相对套筒10的轴向位移和导向杆2相对机 架1的转角以极坐标形式加以描述。为此,可在导向杆2和套筒10上安装光栅线位移传感 器以及在共轴销上安装角编码器,并通过光栅线位移传感器和角编码器实现对机器人的全 闭环反馈控制。
[0018] 以下是本发明的线性驱动四自由度混联机械手与平动自由度机构和转动自由度 机构配合使用的情况概述:
[0019] 实施例1 :如图3所示,将本发明的线性驱动四自由度混联机械手作为一个模块, 通过螺纹连接结构置于丝杠结构之上,使其做水平方向移动。
[0020] 实施例2 :如图4所示,借用传统摇臂钻床原理,将本发明的线性驱动四自由度混 联机械手固定于立柱上,使其可绕立柱轴线转动。
[0021] 实施例3 :如图5所示,借用立式机床原理,将本发明的线性驱动四自由度混联机 械手作为一个模块置于丝杠结构之上,使其做竖直方向移动。
[0022] 本发明的线性驱动四自由度混联机械手,采用直线电机驱动,可实现速度大、定位 精度和重复定位精度高的运动;在与各平动自由度并联机构或转动自由度并联机构串接 时,有效地产生优势进给方向或扩大作业范围,并克服一般并联或串联机械手工作空间小 以及姿态受限的缺点。
[0023] 以上对本发明的描述仅仅是示意性的,而不是限制性的,所以,本发明的实施方式 并不局限于上述的具体实施方式。如果本领域的普通技术人员受其启示,在不脱离本发明 宗旨和权利要求所保护范围的情况下,做出其他变化或变型,均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.线性驱动四自由度混联机械手,其特征在于:它包括机架,在所述的机架的两侧对 称的固定有直线电机的直线电机导轨,每一个直线电机导轨上的直线电机滑块通过连接在 其上的第一铰链与一个主动杆的一端转动相连,两个主动杆的另一端分别通过设置在动平 台上的第二铰链彼此对称的转动连接在动平台的两端,套筒通过其外壁上的共轴销转动连 接在所述的机架中间,在所述的套筒内套装有导向杆,所述的导向杆与所述的套筒之间通 过键沿导向杆的轴向滑动连接,所述的导向杆的底部与所述的动平台固定相连,所述的导 向杆位于两条主动杆中间并且其轴线与两条主动杆轴线共面,在所述的动平台下部设置有 转头结构,在转头结构上通过转轴连接有支撑架,所述的转轴的轴线与导向杆轴线彼此垂 直并且共面设置,在所述的支撑架上连接有末端执行器,所述的转头结构通过驱动装置的 驱动能够绕所述的导向杆的轴线以及所述的转轴的轴线旋转,在所述导向杆和套筒上设置 有线位移传感器,在共轴销上设置有角编码器。
2.根据权利要求1所述的线性驱动四自由度混联机械手,其特征在于:所述的驱动装 置包括一台置于导向杆顶端的第一电机和连接在转头结构上的第二电机,所述的第一电机 的输出轴通过导向杆内部与转头结构的顶部相连,所述的第二电机的输出轴与转轴相连。
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