CN102152301A - 带滚轮装置的六自由度钢带并联机器人机构 - Google Patents

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艾青林
黄伟锋
祖顺江
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带滚轮装置的六自由度钢带并联机器人机构，包括机架，所述机架包括底座，所述底座上安装有三根横杆，所述横杆两端均连接有运动支链，所述运动支链包括连接在横杆上的电机座，所述电机座端盖的内侧安装有伺服电机，所述伺服电机的转子上连接有第一皮带轮，所述电机座上铰接有卷轴，所述卷轴伸出电机座的一端连接有第二皮带轮，所述第一皮带轮和第二皮带轮之间通过皮带连接，所述卷轴上连接有可绕其转动的钢带，所述钢带的下端铰接有复合球铰，所述复合球铰铰接到动平台上；所述钢带的上端上安装有滚轮装置，所述滚轮装置包括连接在电机座上的T型支架，所述T型支架上连接有凸轮和凹轮，所述凸轮和凹轮设在钢带的两侧配合挤压定形所述钢带。

Description

带滚轮装置的六自由度钢带并联机器人机构
技术领域
本发明属于工业机器人领域，尤其涉及一种带滚轮装置的六自由度钢带并联机器人机构。
背景技术
国内外现有的并联机器人按运动链的结构形式分为杆支撑并联机构和绳牵引并联机构两大类。杆支撑并联机构凭借其结构刚性好、承载能力强、累积误差小、运动反解模型简单、部件简单等优势，逐渐在国内外机床行业占领市场，并将成为21世纪高速轻型数控加工的主力装备。但其存在工作空间较小、奇异点上无法达到驱动的目的和正向运动学的计算非常复杂等问题，为工程应用带来了很多困难。绳牵引并联机构具有结构简单、惯性小、平动工作空间大和运动速度快等特点。但由于绳只能承受拉力，不能承受压力，其机构必须采用冗余约束控制方案，其运动学正解分析和奇异性分析的难度比较大，其机构的控制系统是具有过约束牵引的高度耦合的非线性系统，必须对动力学模型进行线性化和解耦处理。绳牵引并联机构在工程应用中还必须解决绳的弹性变形、绳长的精确控制、绳必须保持直线等关键问题。
并联机器人的以上特点限制了该机构在其他工业领域中更进一步的应用，如造船业中的起重机、需精确定位及主动调整位姿的集装箱吊装、复杂地形人员的主动搜救和太空望远镜等。这些应用领域均需要机构有较大的工作空间和较简单的结构形式与控制方式。
发明内容
本发明为了解决现有并联机器人适用范围不广的问题，提供了一种工作空间非常大、控制简单、成本低、重量轻的带滚轮装置的六自由度钢带并联机器人机构。
本发明的技术方案：
带滚轮装置的六自由度钢带并联机器人机构，其特征在于：包括机架，所述机架包括底座，所述底座上安装有三根横杆，所述横杆两端均连接有运动支链，所述运动支链包括连接在横杆上的电机座，所述电机座端盖的内侧安装有伺服电机，所述伺服电机的转子上连接有第一皮带轮，所述电机座上铰接有卷轴，所述卷轴伸出电机座的一端连接有第二皮带轮，所述第一皮带轮和第二皮带轮之间通过皮带连接，所述卷轴上连接有可绕其转动的钢带，所述钢带的下端铰接有复合球铰，所述复合球铰铰接到动平台上；所述钢带的上端上安装有滚轮装置，所述滚轮装置包括连接在电机座上的T型支架，所述T型支架上连接有凸轮和凹轮，所述凸轮和凹轮设在钢带的两侧配合挤压定形所述钢带。
进一步，所述复合球铰包括铰接在一起的第一转轴和第二转轴，所述第一转轴与焊接在钢带下端的固定块铰接，所述第二转轴与动平台连接。
进一步，所述钢带下端是一次性冲压成型成弧度结构。
进一步，所述横杆相互之间的位置夹角成60°。
进一步，所述横杆通过螺钉连接在所述底座上。
进一步，所述凸轮通过轴铰接在T型支架上。
本发明的工作原理是通过控制六条运动支链中伺服电机的转动来控制运动支链中钢带长度的变化，从而实现动平台的六个自由度的运动。
本发明所述运动支链中的伺服电机通过第一皮带轮、皮带和第二皮带轮带动卷轴转动，卷轴转动使得绕在卷轴上的钢带长度发生变化，卷轴以外的钢带的长度随之发生变化，形成移动副；钢带可绕卷轴转动，构成第一转动副；卷轴与电机座可绕与横杆平行的轴线转动，构成第二转动副；这两个转动副的转动方向为正交，因而形成虎克铰。
所述的滚轮装置通过凸轮与凹轮的配合挤压作用，将靠近卷筒处的钢带夹住形成一定的弧度，增加了卷筒附近钢带的受压刚度；凸轮通过轴铰接在T型支架上，凹轮直接铰接在T型支架上，T型支架通过轴铰接在电机座上，这样的设计使得两个T型支架、凹轮、凸轮与电机座形成了两个平行四边形机构，通过T型支架将这两个平行机构固定在一起，凸凹轮夹着的钢带与两个平行四边形机构随钢带一起绕卷轴摆动，并保证整根钢带从凹、凸轮挤压钢带处到与卷筒相切处与从凹凸轮挤压钢带处到复合球铰处位于同一直线上。
所述复合球铰是由三个转动副组成；每根钢带端部的内侧均焊接两个固定块，固定块与第一转轴铰接，构成第三转动副；第一转轴与第二转轴铰接，构成第四转动副；第二转轴与动平台铰接，构成第五转动副；这三个转动副的转动方向互为正交，且第一转轴与两根钢带上的固定块铰接，所以形成复合球铰；钢带与复合球铰的连接端经过冲压形成一定的弧度，这样的设计使得钢带在承受侧向力时具有一定的刚度。
本发明具有的有益的效果是：
1.本发明提供的带滚轮装置的六自由度钢带并联机构的工作空间比杆支撑并联机构的要大的多，并且由于不用冗余约束控制，其运动学分析和动力学分析及控制比绳牵引并联机构简单；
2.本发明的并联机器人机构的运动支链采用了片状的钢带结构替代了传统的滚珠丝杠结构，消除了滚珠丝杠运动副之间的运动间隙，提高了运动精度；
3.本发明中的滚轮装置通过凸轮与凹轮的配合挤压作用，将靠近卷筒处的钢带夹住形成一定的弧度，增加了卷筒附近钢带的受压刚度；并且使得该并联机构各运动支链在运动过程中由于平行四边形的运动关系而不发生干涉；
4.消除了传统的并联机构由于各杆件和运动副之间的频繁相对运动产生摩擦造成的热变形，提高运动精度。
5.本发明的并联机构结构简单、布局合理；
6.本发明的并联机器人具有高速、低成本、轻型、控制简单、操作方便的特点。
附图说明
图1为本发明的总体结构示意图。
图2为本发明的三维视图。
图3为本发明的钢带和复合球铰结构放大图。
具体实施方式
参照图1-3，带滚轮装置的六自由度钢带并联机器人机构，包括机架，所述机架包括底座1，所述底座1上安装有三根横杆2，所述横杆2两端均连接有运动支链，所述运动支链包括连接在横杆2上的电机座6，所述电机座6端盖的内侧安装有伺服电机5，所述伺服电机5的转子上连接有第一皮带轮9，所述电机座6上铰接有卷轴10，所述卷轴10伸出电机座6的一端连接有第二皮带轮8，所述第一皮带轮9和第二皮带轮8之间通过皮带7连接，所述卷轴10上连接有可绕其转动的钢带4，所述钢带4的下端铰接有复合球铰15，所述复合球铰15铰接到动平台16上；所述钢带4的上端上安装有滚轮装置，所述滚轮装置包括连接在电机座6上的T型支架11，所述T型支架11上连接有凸轮12和凹轮14，所述凸轮12和凹轮14设在钢带4的两侧配合挤压定形所述钢带4。
所述复合球铰15包括铰接在一起的第一转轴151和第二转轴152，所述第一转轴151与焊接在钢带4下端的固定块17铰接，所述第二转轴152与动平台16连接。
所述钢带4下端是一次性冲压成型成弧度结构。
所述横杆2相互之间的位置夹角成60°。
所述横杆2通过螺钉3连接在所述底座1上。
所述凸轮12通过轴13铰接在T型支架11上。
本发明的工作原理是通过控制六条运动支链中伺服电机5的转动来控制运动支链中钢带4长度的变化，从而实现动平台16的六个自由度的运动。
本发明所述运动支链中的伺服电机5通过第一皮带轮9、皮带7和第二皮带轮8带动卷轴10转动，卷轴10转动使得绕在卷轴10上的钢带4长度发生变化，卷轴10以外的钢带4的长度随之发生变化，形成移动副；钢带4可绕卷轴10转动，构成第一转动副；卷轴10与电机座6可绕与横杆2平行的轴线转动，构成第二转动副；这两个转动副的转动方向为正交，因而形成虎克铰。
所述的滚轮装置通过凸轮12与凹轮14的配合挤压作用，将靠近卷筒10处的钢带4夹住形成一定的弧度，增加了卷筒10附近钢带4的受压刚度；凸轮12通过轴13铰接在T型支架11上，凹轮14直接铰接在T型支架11上，T型支架11通过轴铰接在电机座6上，这样的设计使得两个T型支架11、凹轮14、凸轮12与电机座6形成了两个平行四边形机构，通过T型支架11将这两个平行机构固定在一起，凸凹轮夹着的钢带4与两个平行四边形机构随钢带4一起绕卷轴10摆动，并保证整根钢带4从凹、凸轮挤压钢带4处到与卷筒10相切处与从凹凸轮挤压钢带4处到复合球铰15处位于同一直线上。
所述复合球铰15是由三个转动副组成；每根钢带4端部的内侧均焊接两个固定块17，固定块17与第一转轴151铰接，构成第三转动副；第一转轴151与第二转轴152铰接，构成第四转动副；第二转轴152与动平台16铰接，构成第五转动副；这三个转动副的转动方向互为正交，且第一转轴151与两根钢带4上的固定块17铰接，所以形成复合球铰；钢带4与复合球铰15的连接端经过冲压形成一定的弧度，这样的设计使得钢带4在承受侧向力时具有一定的刚度。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (6)

1.带滚轮装置的六自由度钢带并联机器人机构，其特征在于：包括机架，所述机架包括底座，所述底座上安装有三根横杆，所述横杆两端均连接有运动支链，所述运动支链包括连接在横杆上的电机座，所述电机座端盖的内侧安装有伺服电机，所述伺服电机的转子上连接有第一皮带轮，所述电机座上铰接有卷轴，所述卷轴伸出电机座的一端连接有第二皮带轮，所述第一皮带轮和第二皮带轮之间通过皮带连接，所述卷轴上连接有可绕其转动的钢带，所述钢带的下端铰接有复合球铰，所述复合球铰铰接到动平台上；所述钢带的上端上安装有滚轮装置，所述滚轮装置包括连接在电机座上的T型支架，所述T型支架上连接有凸轮和凹轮，所述凸轮和凹轮设在钢带的两侧配合挤压定形所述钢带。
2.根据权利要求1所述的带滚轮装置的六自由度钢带并联机器人机构，其特征在于：所述复合球铰包括铰接在一起的第一转轴和第二转轴，所述第一转轴与焊接在钢带下端的固定块铰接，所述第二转轴与动平台连接。
3.根据权利要求1或2所述的带滚轮装置的六自由度钢带并联机器人机构，其特征在于：所述钢带下端是一次性冲压成型成弧度结构。
4.根据权利要求3所述的带滚轮装置的六自由度钢带并联机器人机构，其特征在于：所述横杆相互之间的位置夹角成60°。
5.根据权利要求4所述的带滚轮装置的六自由度钢带并联机器人机构，其特征在于：所述横杆通过螺钉连接在所述底座上。
6.根据权利要求5所述的带滚轮装置的六自由度钢带并联机器人机构，其特征在于：所述凸轮通过轴铰接在T型支架上。
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