CN102554936B - 含有复铰的三自由度串并联混合重载机械臂 - Google Patents

Abstract

一种含有复铰的三自由度串并联混合重载机械臂，其大臂一端铰接在机架上，该大臂另一端与小臂中部铰接，该小臂一端与末端执行器铰接，上述小臂另一端部与小臂油缸的活塞杆端部铰接，该小臂油缸的缸套与机架铰接；上述大臂与大臂油缸的活塞杆端部铰接，该大臂油缸的缸套端部与机架铰接；上述大臂的一侧与一个末端执行器油缸的活塞杆端部和一个连杆端部通过铰链连接而构成一个复合铰链，大臂的另一侧也通过上述的连接方式形成一个复合铰链，上述末端执行器油缸的缸套端部与末端执行器铰接；上述连杆另一端与一对连架杆一端部铰接，该连架杆另一端部分别与机架铰接。本发明具有更好的刚度、工作空间大，适于重载工作，易于实时控制等优点。

Description

含有复铰的三自由度串并联混合重载机械臂

技术领域本发明涉及一种机械臂，特别是串并联混合重载机械臂。

背景技术机构是机器装备的核心，机构的创新一直是机器装备创新的关键，开发相应的具有自主知识产权的机构对提高我国机械装备的科技水平核心竞争力非常重要。实现挖掘、抓取、搬运等功能工作装置，应用连杆机构较为普遍。常用的串联机械手，工作空间大，但承载能力低，只能抓取、搬运一些较轻的物体。相反，并联机械手工作空间小，但承载能力高。由于串联和并联机械手的优势有互补性，如果能有效的结合两者的优点来设计出混联机械手，或者说是多环耦合机构，那么这种机械手的性能会更优越。中国专利CN03105161.8涉及一种四自由度混联机器人，它由两平动自由度并联机构、与之串联的两转动自由度转头结构、以及安装在所述转头结构上的末端执行器构成。中国专利CN200610015114.9公开了一种可实现整周回转的四自由度混联抓放式机器人机构，该机构的执行装置能实现整周回转，三个驱动轴采用同轴布置，能减少运动部件的质量。然而，现有专利中的混联机械手不是基于重载来设计的，不适用于重载物体的搬运工作。

发明内容本发明的目的在于提供一种工作空间大、易于实时控制、适用于重载的含有复合铰链的三自由度串并联混合重载机械臂。机架上有平行对称的四对基座，其中中部一对基座通过铰链与大臂的一端连接，该大臂的另一端通过铰链与小臂中部连接，该小臂的一端通过铰链与末端执行器的一部位连接，该执行器可以是多种结构，如：铲斗、抓手装卡等。上述小臂的另一端通过铰链分别与一对小臂油缸的活塞杆端部连接，该一对小臂油缸的缸套端部通过铰链分别与机架上一端的一对基座连接，上述一对小臂油缸可以采用一个大规格的油缸，上述大臂中部的一部位通过铰链分别与一对大臂油缸的活塞杆端部连接，该一对大臂油缸的缸套端部通过铰链分别与机架上另一端的一对基座连接，上述一对大臂油缸可以采用一个大规格的油缸。上述大臂的一侧与一个末端执行器油缸的活塞杆端部和一个连杆端部通过铰链连接而构成一个复合铰链，大臂的另一侧也通过上述的连接方式形成一个复合铰链，上述两个复合铰链在大臂的两侧呈对称布置。上述一对末端执行器油缸的缸套端部通过铰链分别与上述末端执行器另一部位连接；上述一对连杆另一端部通过铰链分别与一对连架杆端部相连，该连架杆的另一端通过铰链分别与机架上的一对基座连接。上述大臂、连杆、连架杆、基座分别构成两个平行对称的平面四杆机构。

本发明也可以是大臂的一侧与一个末端执行器油缸的活塞杆端部和一个大臂油缸的活塞杆端部通过铰链连接而构成一个复合铰链，大臂的另一侧也通过上述的连接方式形成一个复合铰链，上述两个复合铰链在大臂的两侧呈对称布置，一个连杆的一端通过铰链与上述大臂连接，其另一端通过铰链与一个连架杆端部连接，该连架杆的另一端通过铰链与机架上的基座连接。上述各油缸的缸套和活塞杆可互换位置。

在具体应用该机构时，通过设计不同的末端执行器，该机械手可以用于重物抓放和挖掘等功能。从机架到末端执行器是由两个对称的平面机构组成，在每个平面机构中，在保证杆件数目和杆件之间连接关系不变的情况下，各杆的尺寸和形状可以根据实际情况合理设计。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)承载能力高，克服了传统串联式机械手承载能力低，一般只能抓放一些较轻物体的缺点。

(2)有较大的工作空间，克服了传统并联机械手工作空间小的缺点。

(3)本机械手大臂上含有一个复铰，并且运动链完全解耦，这不仅减少了整个机构所占空间，让其结构更加紧凑，而且运动动力求解容易，易于实现实时控制。

附图说明

图1是本发明的立体示意简图。

图2是本发明的挖掘使用状态立体示意简图。

图3是本发明的抓取使用状态立体示意简图。

图4是本发明实施例2的立体示意简图。

图5是本发明实施例3的立体示意简图。

附图中，1-机架，2-大臂，3-小臂，4-末端执行器，5-连杆，6-连架杆，7-小臂油缸，8-大臂油缸，9-末端执行器油缸。

具体实施方式

实施例1

在图1所示的含有复铰的三自由度串并联混合重载机械臂的立体示意简图中，机架1上设有平行对称的四对基座，其中中部一对基座通过铰链R8与大臂2下端连接，该大臂的上端通过铰链R11与小臂3连接，该小臂前端通过铰链R3与末端执行器4连接，上述小臂的另一端通过铰链R2与一对小臂油缸7的活塞杆端部连接，该小臂油缸7的缸套端部通过铰链R1分别与机架上一端的一对基座连接；上述大臂通过铰链R6分别与一对大臂油缸8的活塞杆端部连接，该一对大臂油缸的缸套端部通过铰链R7分别与机架上另一端的一对基座连接；上述大臂2两侧与一对末端执行器油缸9的活塞杆和一对连杆5的一端在大臂中部通过铰链R5连接分别构成复合铰接；上述一对末端执行器油缸9的缸套端部通过铰链R4分别与上述末端执行器4相连；上述一对连杆5另一端部通过铰链R10分别与一对连架杆6的一端相连，该一对连架杆6另一端通过铰链R9分别与机架上的另一对基座连接。

在图2所示的本发明第一种构型挖掘使用状态立体示意简图中，末端执行器为铲斗结构，其它杆件间的连接关系与图1相同。

在图3所示的本发明第一种构型抓取使用状态立体示意简图中，末端执行器为抓手装卡结构，其它杆件间的连接关系与图1相同。

实施例2

在图4所示的含有复铰的三自由度串并联混合重载机械臂实施例2的立体示意简图中，上述一对大臂油缸由一个大规格的大臂油缸替代，该油缸的缸套通过铰链与一端的基座连接，该大臂油缸的活塞杆通过铰链与大臂中部连接，其它杆件间的连接关系与图1相同。

实施例3

在图5所示的含有复铰的三自由度串并联混合重载机械臂实施例2的立体示意简图中，上述大臂2与末端执行器油缸9的活塞杆和大臂油缸8的活塞杆在大臂上通过铰链连接分别构成复合铰链；一个连杆5的一端通过铰链与大臂连接，其另一端通过铰链与一个连架杆6一端连接，该连架杆的另一端通过铰链与机架上的一个基座相连，该基座设置在上述与小臂油缸连接的一对基座的中间。

Claims (3)

1.一种含有复铰的三自由度串并联混合重载机械臂，其特征在于：机架(1)上有平行对称的四对基座，其中位于中部的一对基座通过铰链与大臂(2)的一端连接，该大臂(2)的另一端通过铰链与小臂(3)中部连接，该小臂(3)的一端通过铰链与末端执行器(4)的一部位连接，上述小臂(3)的另一端通过铰链分别与一对小臂油缸(7)的活塞杆端部连接，该一对小臂油缸(7)的缸套端部通过铰链分别与机架(1)一端的一对基座连接，上述大臂(2)中部的一部位通过铰链分别与一对大臂油缸(8)的活塞杆端部连接，该一对大臂油缸(8)的缸套端部通过铰链分别与机架(1)另一端的一对基座连接，上述大臂(2)的一侧与一个末端执行器油缸(9)的活塞杆端部和一个连杆(5)的端部通过铰链连接而构成一个复铰，大臂的另一侧也通过上述的连接方式形成一个复铰，上述两个复铰在大臂的两侧呈对称布置，上述一对末端执行器油缸(9)的缸套端部通过铰链分别与末端执行器(4)另一部位相连，上述一对连杆(5)另一端部通过铰链分别与一对连架杆(6)端部相连，该一对连架杆(6)另一端部通过铰链分别与机架(1)中部的另一对基座连接。

2.一种含有复铰的三自由度串并联混合重载机械臂，其特征在于：机架(1)上设有基座，所述基座包括平行对称的三对基座和单独设置的一个基座，其中位于中部的一对基座通过铰链与大臂(2)的一端连接，该大臂(2)的另一端通过铰链与小臂(3)中部连接，该小臂(3)的一端通过铰链与末端执行器(4)的一部位连接；上述小臂(3)的另一端通过铰链分别与一对小臂油缸(7)的活塞杆端部连接，该一对小臂油缸(7)的缸套端部通过铰链分别与机架(1)一端的一对基座连接；上述大臂(2)的一侧与一个末端执行器油缸(9)的活塞杆端部和一个大臂油缸(8)的活塞杆端部通过铰链连接而构成一个复铰，大臂(2)的另一侧也通过上述的连接方式形成一个复铰，上述两个复铰在大臂的两侧呈对称布置；上述一对末端执行器油缸(9)的缸套端部通过铰链分别与末端执行器(4)的另一部位连接；上述一对大臂油缸(8)的缸套端部通过铰链分别与机架(1)另一端的一对基座连接；一个连杆(5)的一端通过铰链与大臂(2)中部的一部位连接，连杆(5)的另一端通过铰链与一个连架杆(6)的一端连接；上述连架杆(6)的另一端与机架上所述的单独一个基座连接，所述的单独一个基座设置在与上述小臂油缸连接的一对基座的中间。

3.根据权利要求1或2所述的一种含有复铰的三自由度串并联混合重载机械臂，其特征在于：上述各油缸的缸套和活塞杆互换位置。