CN102133753B - 平行连结机构及多功能五轴机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平行连结机构，具有第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第一轴联轴器、第二轴联轴器、第三轴联轴器及驱动伺服马达。本发明改良了传统机器人增加手臂延展的刚性及范围空间内的执行效率，利用手臂的平行并联方式来减少加工负荷，改善各种动作角度变化的灵活度，增强毛边处理机的功能。本发明的平行连结机构主要运用在多功能5轴加工机器人上，主力制品是以汽车零件压铸部品的机器为主力，近年来则较趋向于机器加工部品的毛刺处理。本发明还公开了一种多功能5轴加工机器人。

Description

平行连结机构及多功能五轴机器人

技术领域

本发明涉及一种平行连结机构；本发明还涉及具有平行连结机构的多轴关节型机器人(泛用机器人)。

背景技术

中国专利CN1579717A于2005年02月16日公开了一种关节机器人，包括：臂部，它包括多个臂，这些臂由多个关节枢轴连接；一开动装置，它用于开动这些臂从而在包括三个轴的直角坐标系中将所述臂部的前端移动到之前教示的目标位置；一手动选择装置，它用于为了教示目标位置而手动地选择直角坐标系的一个轴从而沿着所选的轴移动所述臂部的前端；手动脉冲发生器，它具有手动操作的旋转拨盘，所述手动脉冲发生器产生对应于旋转拨盘的旋转角度的脉冲；第一控制装置，它用于控制所述开动装置以便移动臂和沿所选轴线性地将所述臂部的前端移动一指定距离，该指定距离对应于所述手动脉冲发生器产生的脉冲数量；操作板，它包括选择开关，该选择开关用于沿所选轴移动所述臂部的前端；第二控制装置，它用于在选择开关选择轴并被打开时自动控制所述开动装置从而沿所选轴线性地移动所述臂部的前端；第三控制装置，它用于在手动地将所述臂部的前端移动到目标位置时停止所述开动装置从而自由地移动臂；以及一选择装置，它用于选择所述控制装置从而选择教示活动的类型。

中国专利CN101327587A于2008年12月24日公开了一种多关节型机器人(10)包括：可水平角度移动的第一臂(50)，与第一臂(50)角度移动中心同轴心的扇形支承板(18)，与第一臂(50)平行的辅助臂(58)，和分别连接到第一臂(50)和辅助臂(58)远端上的连接件(52)。弧形轨道(40)安装在支承板(18)上。第一臂(50)、辅助臂(58)和连接件(52)组成并行链接机构。弧形轨道(40)与安装在第一臂(50)顶面上的接合装置(100)接合。第二臂(54)角度可移动地连接到连接件(52)，并且第三臂(56)角度可移动地连接到第二臂(54)的远端。用于吸取工件(W)的远端执行器(59)连接到第三臂(56)的远端。

前述传统机器人的缺点在手臂延展最大时刚性弱，有最小空间限制及动作范围内有死角，加工精度不准确与刚性结构及电力消耗等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是改良传统机器人增加手臂延展的刚性及范围空间内的执行效率，利用手臂的平行并联方式来减少加工负荷，改善各种动作角度变化的灵活度，增强毛边处理机的功能，而提出一种具有5轴的平行连结机构。

本发明所要解决的另一技术问题是将上述平行连结机构运用在多功能5轴加工机器人，提出一种多功能5轴加工机器人。

为了解决上述技术问题，本发明提供的平行连结机构包括：

具有基端部及前端部的第一轴，在该第一轴的基端部设有第一轴伺服马达与第一轴联轴器，该第一轴的基端部经由第一轴伺服马达与第一轴联轴器串连来带动第一轴滚珠螺杆；

具有基端部及前端部的第二轴，在该第二轴的基端部设有第二轴伺服马达与第二轴联轴器，该第二轴的基端部经由第二轴伺服马达与第二轴联轴器串连来带动第二轴滚珠螺杆；

具有第三轴，该第三轴的前端部带动第三轴滚珠螺杆，该第三轴的基端部经由与第一二轴床台连结第一轴滚珠螺杆、第二轴滚珠螺杆做并列连结机构的运动方式；

第一轴滚珠螺杆，其与所述第一轴联轴器、第一轴连结板及第一轴线性滑轨、马达托座与第一轴伺服马达一起构成第一轴(亦即为X轴)；

第二轴滚珠螺杆，其与所述第二轴联轴器、第二轴连结板及第二轴线性滑轨、马达托座与第二轴伺服马达一起构成第二轴(亦即为Y轴)；

第三轴滚珠螺杆，其与所述第三轴联轴器、第三轴连结板及第三轴线性滑轨、第三轴轴心、第三轴下轴心、马达固定座与第三轴伺服马达一起构成第三轴(亦即为Z轴)；

驱动为使所述第一轴及所述第二轴转动的所述并列连结机构的第一轴伺服马达和第二轴伺服马达，该第一轴伺服马达和第二轴伺服马达分别具有第一轴及第二轴的编码器里的Pulse值回馈到控制器上，促使第一轴、第二轴同动或单独动作。

优选地，本发明上述平行连结机构透过第一轴联轴器串连第一轴伺服马达与第一轴滚珠螺杆来带动第一轴手臂动作；透过第二轴联轴器串连第二轴伺服马达与第二轴滚珠螺杆来带动第二轴手臂动作；透过第三轴联轴器串连第三轴伺服马达与第三轴滚珠螺杆来带动第三轴手臂动作。

优选地，本发明上述平行连结机构中，第一轴滚珠螺杆及第二轴滚珠螺杆配置为并列机构。

优选地，本发明上述平行连结机构中，第一轴伺服马达编码器、第二轴伺服马达编码器连结在由所述第一轴连结板、第二轴连结板构成，第一轴伺服马达和第二轴伺服马达连结于第一轴与第二轴的基端部。

本发明平行连结机构的动作方式与传统机械手臂相同，利用各轴上安装之伺服马达，来控制手臂各轴的移动。

本发明平行连结机构的伺服马达与各活动轴(手臂)连接方式：

第一轴、第二轴和第三轴：透过连轴器，将伺服马达与滚珠螺杆相连接，再由滚珠螺杆带动手臂移动。

第四轴和第五轴：透过减速机，将伺服马达与手臂相连接。

本发明平行连结机构的手臂定位方式：手臂与伺服马达，透过连轴器及减速机，达到同动的功能，再藉由伺服马达内部的编码器，回传伺服马达目前的位置数值给控制器，来确认目前手臂所在位置，并做定位。

本发明平行连结机构的手臂移动控制方式：同第三项之原理，控制器藉由外部电控回路，控制伺服马达转动，当伺服马达内部的编码器回传的数值与目标值相同时，即为到达定点，此时伺服马达外部电控回路停止送电，并启动煞车，将手臂固定在该处。

本发明平行连结为控制并列的运动方式来决定每个定点动作的连结机构，其高精度与高刚性的并列连结机构，克服传统机器人精度不准确的缺点，每个轴转动都有如人类的手臂关节一样轻巧零活，替代工业用机器人来取代人力作业也逐渐普及化。

本发明的平行连结机构主要运用在多功能5轴加工机器人上，主力制品是以汽车零件压铸部品的机器为主力，近年来则较趋向于机器加工部品的毛刺处理。

本发明提供的多功能5轴加工机器人，具有第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第一联轴器、第二联轴器、第三轴联轴器及驱动伺服马达，其中：

第一轴具备基端部及前端部，在第一轴的基端部上设置有第一轴伺服马达与第一联轴器，前端部设有滚珠螺杆与线性滑轨，第一轴的基端部经由第一联轴器来利用第一联伺服马达带动前端部的滚珠螺杆，再以线性滑轨来辅助第一轴的滚珠螺杆；

第二轴具备基端部及前端部，在第二轴的基端部上设置有第二轴伺服马达与第二联轴器，前端部设有滚珠螺杆与线性滑轨，第二轴的基端部经由第二联轴器来利用第二轴伺服马达带动前端部的滚珠螺杆，再以线性滑轨来辅助第二轴的滚珠螺杆，形成第一轴、第二轴平行前后移动；

第三轴具备上端部与下端部，上端部设置有第三轴伺服马达与第三联轴器、轴心、轴承固定座与轴承，第三轴的下端部设置有滚珠螺杆与连结板及轴心杆，轴承固定座连结第一轴、第二轴的线性滑轨来带动滚珠螺杆，驱动第三轴伺服马达是为了连结滚珠螺杆来带动第一轴、第二轴、第三轴手臂移动，并利用编码器做移动位置的定位与计算；

第四轴具有上端部与下端部，上端部设置有马达与马达固定座，下端部设置有手臂；

第五轴具有上端部与下端部，上端部设置有手臂与第五轴伺服马达，下端部设置有固定板装有浮动装置及过负载保护器；第四轴马达固定座连结第四轴手臂进而连结第五轴手臂，透过减速机来连接第五轴伺服马达与手臂做圆弧运动。

应用本发明的工业机器与泛用机器人相较之下、空间只占1/3、刚性双倍、因为箱体构造的关系完全没有灰尘乱飞或噪音的问题。它的耐久性与防尘性功能，及高加工能力与节省能源装置、省空间的密闭构造是泛用机器人所没有具备的。

相对于现有技术，本发明的平行连结机构具有5倍的切削能力；利用手臂的振动方式来减少加工负荷，主轴寿命延长4倍。机器人位置的改变刚性不变的原理可确保质量的稳定性；电力消耗量只有多关节机器人的1/2(可动部位重量轻、各种姿势变化的动作轻巧零活)；只有一般机器人占用空间的1/3，无粉尘飞扬问题。本体构造的移动摆放容易；原点校正精度准确，原点复归后不需要调整(对于交叉孔的原点会合，多关节机器人多以目测来做判断)。

附图说明

图1是本发明平行连结机构的上视图。

图2是本发明第三轴手臂构造图。

图3是本发明第四、五轴减速机与马达的结合示意图。

图3a是第四、五轴减速机与马达的结合剖视图。

图3b是第四、五轴减速机与马达的组合图。

图3c是伺服马达剖面图。

图3d是减速机剖面图。

图4是本发明第四、五轴的旋转姿势(亦即为角度变换)图。

图4a是第四、五轴的正常姿势图。

图4b是在第四轴180度、第五轴180度时的旋转姿势图。

图5是本发明第三轴的角度变换图。

图6是本发明第三轴移动方式(亦即为动作方式)图。

图7是本发明第三轴做水平及前后移动示意图。

图8是本发明第三轴最大旋转角度上视图。

图9是本发明第四、五轴手臂构造图。

其中：

100为第一轴；101为第一轴伺服马达；105为第一轴滚珠螺杆；

200为第二轴；201为第二轴伺服马达；202为第二轴联轴器；203为第二轴连结板；204为第二轴线性滑轨；205为第二轴滚珠螺杆；

300为第三轴；301为第三轴伺服马达；302为第三轴联轴器；303为第三轴连结板；304为第三轴线性滑轨；305为第三轴滚珠螺杆；306为轴心；307为轴承；310为第三轴手臂；

400为第四轴；401为第四轴伺服马达；410为第四轴手臂；420为减速机；430为第四轴连结板；

500为第五轴；501为第五轴伺服马达；510为第五轴手臂；520为减速机；530为第五轴连结板；540为过载保护器；550为浮动装置；560为浮动装置固定板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

如图1-2、5-9所示，本发明优选实施例提供的平行连结机构包括：

具有基端部及前端部的第一轴100，在该第一轴100的基端部设有第一轴伺服马达101与第一轴联轴器(图中未标示)，该第一轴的基端部经由第一轴伺服马达101与第一轴联轴器串连来带动第一轴滚珠螺杆105(如图6所示)；

具有基端部及前端部的第二轴200，在该第二轴的基端部设有第二轴伺服马达201与第二轴联轴器202，该第二轴200的基端部经由第二轴伺服马达201与第二轴联轴器202串连来带动第二轴滚珠螺杆205(如图6所示)；

具有第三轴300，该第三轴300的前端部带动第三轴滚珠螺杆305，该第三轴的基端部经由与第一二轴床台1(如图6所示)连结第一轴滚珠螺杆、第二轴滚珠螺杆105、205做并列连结机构的运动方式；

第一轴滚珠螺杆105，其与所述第一轴联轴器、第一轴连结板及第一轴线性滑轨(图中未标示)、第一轴马达托座(图中未标示)与第一轴伺服马达101一起构成第一轴(亦即为X轴)；

第二轴滚珠螺杆205，其与所述第二轴联轴器202、第二轴连结板203及所述第二轴线性滑轨204、第二轴马达托座(图中未标示)与第二轴伺服马达201一起构成第二轴(亦即为Y轴)；

第三轴滚珠螺杆305，其与所述第三轴联轴器302、第三轴连结板303及第三轴线性滑轨304、第三轴轴心306、第三轴下轴心(图中未标示)、马达固定座与第三轴伺服马达301一起构成第三轴(亦即为Z轴)；

驱动为使所述第一轴100及所述第二轴200转动的所述并列连结机构的第一轴伺服马达101、第二轴伺服马达201，该第一轴伺服马达101、第二轴伺服马达201分别具有第一轴及第二轴的编码器里的Pulse值回馈到控制器上，促使第一轴、第二轴100、200同动或单独动作。

本实施例中，平行连结机构透过第一轴联轴器串连第一轴伺服马达与第一轴滚珠螺杆来带动手臂动作；透过第二轴联轴器串连第二轴伺服马达与第二轴滚珠螺杆来带动第二轴手臂动作；透过第三轴联轴器串连第三轴伺服马达与第三轴滚珠螺杆来带动第三轴手臂动作。

本实施例中，第一轴100、第二轴200和第三轴300均具有连结板(第一轴连结板图中未标示；第二轴连结板203；第三轴连结板303)。

本实施例中，第一轴100、第二轴200及第三轴300分别具有第一轴伺服马达101、第二轴伺服马达201、第三轴伺服马达301。

本实施例中，第一轴滚珠螺杆105及第二轴滚珠螺杆205配置为并列机构。

本实施例中，第一轴伺服马达101编码器和第二轴伺服马达201编码器连结在由所述第一轴连结板和第二轴连结板203构成，第一轴伺服马达101和第二轴伺服马达201连结于第一轴100与第二轴200的基端部。

如图1-9所示，本发明一优选实施例提供的多功能5轴加工机器人，具有第一轴100、第二轴200、第三轴300、第四轴400、第五轴500、第一联轴器、第二联轴器、第三轴联轴器302及驱动伺服马达，其中：

第一轴100具备基端部及前端部，在第一轴的基端部上设置有第一轴伺服马达101与第一联轴器，前端部设有滚珠螺杆105与线性滑轨，第一轴的基端部经由第一联轴器来利用第一轴伺服马达101带动前端部的滚珠螺杆105，再以线性滑轨来辅助第一轴的滚珠螺杆105；

第二轴200具备基端部及前端部，在第二轴的基端部上设置有第二轴伺服马达201与第二联轴器，前端部设有滚珠螺杆205与线性滑轨，第二轴的基端部经由第二联轴器来利用第二轴伺服马达带动前端部的滚珠螺杆205，再以线性滑轨来辅助第二轴的滚珠螺杆，形成第一轴100、第二轴200平行前后移动；

第三轴具备上端部与下端部，上端部设置有第三轴伺服马达301与第三联轴器302、轴心306、轴承固定座与轴承307，第三轴的下端部设置有滚珠螺杆305与连结板303及轴心杆，轴承固定座连结第一轴、第二轴的线性滑轨来带动滚珠螺杆305，驱动第三轴伺服马达301是为了连结滚珠螺杆305来带动第一轴、第二轴、第三轴手臂移动，并利用编码器做移动位置的定位与计算；

第四轴400具有上端部与下端部，上端部设置有马达401与马达固定座，下端部设置有手臂；

第五轴500具有上端部与下端部，上端部设置有手臂501与第五轴伺服马达，下端部设置有固定板560装有浮动装置550及过负载保护器540；第四轴马达固定座连结第四轴手臂410进而连结第五轴手臂510，透过减速机520来连接第二轴伺服马达501与手臂501做圆弧运动。

下面结合附图和实施例具体说明本发明的动作过程。

伺服马达与各活动轴螺杆手臂的连接方式：

1-3轴：透过联轴器，将伺服马达与滚珠螺杆相连接，再由滚珠螺杆带动手臂移动。一二轴沿水平方向移动，第三轴可沿垂直方向移动，1，2，3轴移动方式为附图2，第三轴联轴器如附图6。并利用编码器做移动位置的定位与计算。

4，5轴：伺服马达与减速机构做结合形成马达。如附图3.。第四轴的上半部为第三轴手臂与马达由减速机串联下半部的第四轴手臂。第五轴手臂的上半部为第四轴手臂与马达由减速机串联下半部的第五轴手臂。

1，2轴结合之下形成X，Y轴，利用1，2轴螺杆同动(同正转或同逆转)，如附图1的移动方式，移动如附图6，Z轴之机构，带动第三轴手臂做水平，前后移动如附图7

第三轴的角度变换：

第一轴为X轴，第二轴为Y轴，假设第一轴为旋转轴，第二轴为滑动轴，如图5所示，第1，2轴在相反的旋转方向，旋转速度变化的同时只有X轴会动作，假设第一轴为滑动轴，第二轴为旋转轴时，第1，2轴在相同的旋转方向与速度时，只有Y轴会动作，第1，2轴在相反的旋转方向，同样的旋转速度时，控制点成圆弧动作，反向思考第1，2轴在正逆转之时，1，2轴共同形成正转且1次旋转之下会往左边+Y方向移动20mm，1，2轴在相反的旋转方向共有6.301转时，第三轴最大的旋转角度左右各为35°。请见附图8。

第四五轴的角度变换：

可绕着X轴与Y轴做旋转，与手臂相结合，利用马达带动手臂，进行圆周运动，如附图4，四五轴做180°旋转第三轴前后移动。

此机构为轴关节式运动，并可做直角坐标系的移动。以1、2轴平行连结的构造方式产生X、Y动作，然后串联3、4、5轴进而间接达到3维运动方式。

Claims (6)

1.一种平行连结机构，其特征在于，该机构包括：

具有基端部及前端部的第一轴(100)，在该第一轴(100)的基端部设有第一轴伺服马达(101)与第一轴联轴器(102)，该第一轴的基端部经由第一轴伺服马达(101)与第一轴联轴器(102)串连来带动第一轴滚珠螺杆(105)；

具有基端部及前端部的第二轴(200)，在该第二轴的基端部设有第二轴伺服马达(201)与第二轴联轴器(202)，该第二轴的基端部经由第二轴伺服马达(201)与第二轴联轴器(202)串连来带动第二轴滚珠螺杆(205)；

具有第三轴(300)，该第三轴(300)具有第三轴联轴器(302)，该第三轴(300)的前端部带动第三轴滚珠螺杆(305)，该第三轴的基端部经由第一二轴床台连结第一轴滚珠螺杆(105)和第二轴滚珠螺杆(205)做并列连结机构的运动方式；

第一轴滚珠螺杆(105)，其与所述第一轴联轴器、第一轴连结板及第一轴线性滑轨、马达托座与第一轴伺服马达(101)一起构成第一轴；

第二轴滚珠螺杆(205)，其与所述第二轴联轴器、第二轴连结板及第二轴线性滑轨(204)、马达托座与第二轴伺服马达(201)一起构成第二轴；

第三轴滚珠螺杆(305)，其与所述第三轴联轴器(302)、第三轴连结板及第三轴线性滑轨(304)、第三轴轴心(306)、第三轴下轴心、马达固定座与第三轴伺服马达(301)一起构成第三轴；

驱动为使所述第一轴(100)及所述第二轴(200)转动的所述并列连结机构的第一轴伺服马达(101)和第二轴伺服马达(201)，第一轴伺服马达(101)和第二轴伺服马达(201)分别将各自伺服马达编码器里的Pulse值回馈到控制器上，促使第一轴、第二轴同动或单独动作。

2.根据权利要求1所述的平行连结机构，其特征在于，其透过第一联轴器串连第一轴伺服马达与第一轴滚珠螺杆来带动第一轴手臂动作；其透过第二轴联轴器串连第二轴伺服马达与第二轴滚珠螺杆来带动第二轴手臂动作；其透过第三轴联轴器串连第三轴伺服马达与第三轴滚珠螺杆来带动第三轴手臂动作。

3.根据权利要求1所述的平行连结机构，其特征在于，第一轴滚珠螺杆及第二轴滚珠螺杆配置为并列机构。

4.根据权利要求3所述的平行连结机构，其特征在于，第一轴伺服马达(101)编码器、第二轴伺服马达(201)编码器连结在第一轴连结板、第二轴连结板上，第一轴伺服马达(101)和第二轴伺服马达(201)连结于第一轴与第二轴的基端部。

5.一种多功能五轴机器人，其特征在于，具备：

第一轴具备基端部及前端部，在第一轴的基端部上设置有第一轴伺服马达(101)与第一联轴器，前端部设有滚珠螺杆与线性滑轨，第一轴的基端部经由第一联轴器来利用第一轴伺服马达(101)带动前端部的滚珠螺杆，再以线性滑轨来辅助第一轴的滚珠螺杆；

第二轴具备基端部及前端部，在第二轴的基端部上设置有第二轴伺服马达(201)与第二联轴器，前端部设有滚珠螺杆与线性滑轨，第二轴的基端部经由第二联轴器来利用第二轴伺服马达(201)带动前端部的滚珠螺杆，再以线性滑轨来辅助第二轴的滚珠螺杆，形成第一轴、第二轴平行前后移动；

第三轴具备上端部与下端部，上端部设置有第三轴伺服马达(301)与第三联轴器、轴心、轴承固定座与轴承，第三轴的下端部设置有滚珠螺杆与连结板及轴心杆，轴承固定座连结第一轴、第二轴的线性滑轨来带动第三轴滚珠螺杆(305)，驱动第三轴伺服马达(301)是为了连结第三轴滚珠螺杆(305)来带动第一轴、第二轴、第三轴手臂移动，并利用编码器做移动位置的定位与计算；

第四轴具有上端部与下端部，上端部设置有第四轴伺服马达(401)与马达固定座，下端部设置有手臂；第四轴的上端部为第三轴手臂与第四轴伺服马达(401)，由减速机串联第四轴下端部的手臂；

第五轴具有上端部与下端部，上端部设置有手臂与第五轴伺服马达(501)，下端部设置有固定板装有浮动装置及过负载保护器；第四轴马达固定座连结第四轴手臂进而连结第五轴手臂，透过减速机来连接第五轴伺服马达(501)与手臂做圆弧运动。

6.根据权利要求5所述的多功能五轴机器人，其特征在于，所述第一轴的基端部、所述第二轴的基端部、所述第一轴滚珠螺杆与所述第二轴滚珠螺杆平行并列在同一个机构本体上。

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