CN102601795B - 一种可实现五轴联动作业动力头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现五轴联动作业动力头，它包括机架，从动支链位于机架的中央开孔内并通过第一铰链与所述机架滑移相连，在位于所述的从动支链的四周的机架上分别设置有第一至五主动支链，第一至五主动支链分别通过具有两转动自由度的第二至六铰链与机架相连，在机架的下方设置有一个动平台，动平台包括彼此之间转动相连的上平台与下平台，从动支链的下端与上平台通过第七铰链相连，第一至五主动支链分别通过铰链与动平台相连。采用本机构既能实现一平动两转动的定位运动，又能实现绕A/C轴的姿态调整，有效减少定位头质量，实现模块化结构设计。

Description

一种可实现五轴联动作业动力头

技术领域

本发明涉及一种机器人，特别是涉及一种可实现五自由度作业功能的并联机器人。 

背景技术

根据专利US4732525、ZL200510015095.5可知，现有的多坐标机械手，其实现形式一般为少自由度并联机构辅以定位头的混联结构形式。其中，少自由度并联机构通过调节安装在主动支链上的伺服电机实现机构动平台的位置定位，定位头，如A/C双摆头通过调节安装在双摆头上的伺服电机实现末端执行器的姿态定位，从而实现机构的多坐标加工能力。 

此类机械手的不足为：末端执行器安装定位头，重量过大，影响机构的快进能力及动态性能；机构的承载能力较差，不利于追求机构的高刚度/质量比。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种快进能力及动态性能好、刚度/质量比大、定位精度与重复定位精度高的一种可实现五轴联动作业动力头。 

本发明的一种可实现五轴联动作业动力头，它包括机架，从动支链位于机架的中央开孔内并通过第一铰链与所述机架滑移相连，所述的第一铰链为第一导轨滑块结构，在位于所述的从动支链的四周的机架上分别设置有第一主动支链、第二主动支链、第三主动支链、第四主动支链、第五主动支链，所述第一主动支链为第一运动链，第二主动支链、第三主动支链为第二运动链，第四主动支链、第五主动支链为第三运动链，所述第一主动支链、第二主动支链、第三主动支链、第四主动支链、第五主动支链分别通过具有两转动自由度的第二铰链、第三铰链、第四铰链、第五铰链、第六铰链与所述机架相连，所述第二铰链、第三铰链、第 四铰链、第五铰链、第六铰链均包括外圈和内圈，所述外圈通过外圈转轴与机架转动相连，所述内圈通过内圈转轴与所述外圈转动相连，所述外圈转轴与内圈转轴具有夹角，每条所述主动支链均包括壁板，所述的壁板与内圈通过第二导轨滑块相连，所述的壁板在驱动装置的驱动下能够沿自身的轴线方向移动，在所述机架的下方设置有一个动平台，所述的动平台包括彼此之间转动相连的上平台与下平台，所述从动支链的下端与所述上平台通过具有两个转动自由度的第七铰链相连，所述第一主动支链通过具有三个转动自由度的第八铰链与上平台转动连接，所述第二主动支链、第三主动支链的壁板下端分别通过第九铰链、第十铰链与第一十字铰链的一个转轴相连，所述的第四主动支链、第五主动支链的壁板的下端分别通过第十一铰链、第十二铰链与第二十字铰链的一个转轴相连，所述第九铰链、第十铰链、第十一铰链、第十二铰链具有一个转动自由度并分别与对应主动支链壁板转动相连，所述的第一十字铰链和第二十字铰链的另一个转轴分别通过轴承与第一铰链座、第二铰链座相连，所述第一铰链座、第二铰链座底部分别固定连接有第一转轴、第二转轴，所述第一转轴、第二转轴分别通过轴承与上平台转动相连，第一十字铰链的另一个转轴与设置在上平台内的第一主动锥齿轮相连，第二十字铰链的另一个转轴与设置在上平台内的第二主动锥齿轮相连，所述第一主动锥齿轮、第二主动锥齿轮分别与设置在上平台内的第一从动锥齿轮、第二从动锥齿轮相啮合配合，连接所述第一从动锥齿轮的第一转轴下端通过键连接有第一主动带轮，第一主动带轮与安装在第三转轴上的第一从动带轮通过皮带相连，所述第三转轴固定连接在下平台上，连接所述第二从动锥齿轮的第二转轴上通过键连接第二主动带轮，第二主动带轮与安装在第四转轴上的第二从动带轮通过皮带相连，在所述的第四转轴下端连接有第三主动锥齿轮，所述的第三主动锥齿轮与通过轴承架设在下平台的第五转轴上的第三从动锥齿轮相啮合配合，所述的第四转轴转动连接在下平台上，所述的第一转轴、第二转轴、第三转轴、第四转轴轴线相互平行并且与所述的第五转轴彼此垂直设置。 

本发明的一种可实现五轴联动作业动力头有益效果在于：机构既能实现一平动两转动的定位运动，又能实现绕A/C轴的姿态调整，有效减少定位头质量，实现模块化结构设计。运 动链采用双主动支链形式可加大刚度/质量比，使机构动态性能好、具有优势进给方向、定位精度与重复定位精度高。 

附图说明

图1是本发明的一种可实现五轴联动作业动力头的结构示意图； 

图2是图1所示动力头的俯视图； 

图3是图1所示动力头的主动支链的结构示意图； 

图4是图1所示动力头的动平台外观图； 

图5是图4所示动平台剖开后的内部结构示意图； 

图6是图1所示动力头的应用实施例的结构示意图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作以详细描述。 

如附图所示本发明的一种可实现五轴联动作业动力头，由机架1，第一主动支链2、第二主动支链3、第三主动支链4、第四主动支链5、第五主动支链6，从动支链7，动平台8构成。所述从动支链7位于机架的中央开孔内，通过具有一个移动自由度的第一铰链9与所述机架1滑移相连。在位于所述的从动支链的四周的机架上分别设置有第一主动支链、第二主动支链、第三主动支链、第四主动支链、第五主动支链，所述第一主动支链2为第一运动链，第二主动支链3、第三主动支链4为第二运动链，第四主动支链5、第五主动支链6为第三运动链。优选的所述第一运动链、第二运动链、第三运动链相对于从动支链圆周对称放置，相互之间的相位为120°，所述对称结构可提高机构整体刚度。所述第一、第二主动支链、第三主动支链、第四主动支链、第五主动支链通过具有两转动自由度的第二铰链10、第三铰链11、第四铰链12、第五铰链13、第六铰链14与所述机架1相连。所述第二铰链、第三铰链、第四铰链、第五铰链、第六铰链具有相同的结构形式，均包括外圈19和内圈20。所述外圈 19通过外圈转轴21与机架1转动相连，所述内圈20通过内圈转轴22与所述外圈转动相连，所述外圈转轴21与内圈转轴22不共线，具有夹角。所述每条主动支链具有相同的机械结构，均包括壁板18，所述的壁板18与内圈通过导轨滑块相连，所述的壁板在驱动装置的驱动下能够沿自身的轴线方向移动。优选的所述的驱动装置包括固定安装在所述壁板18的一端的电机15，所述的电机的输出轴通过减速器16与滚珠丝杠17相连以将驱动传至滚珠丝杠17。所述内圈固定安装有螺母23，所述螺母23与滚珠丝杠形17形成丝杠螺母副，在驱动装置的驱动作用下，所述每条主动支链壁板可沿自身轴线方向移动。当然所述的驱动装置还可以为气缸、推杆等结构。 

所述机架1的下方设置有一个动平台8，包括上平台24与下平台25，所述上平台24与所述下平台25转动相连。所述从动支链7的下端与所述上平台24通过具有两个转动自由度的第七铰链26相连。所述第二主动支链3、第三主动支链4的壁板下端分别通过第九铰链27、第十铰链28与第一十字铰链29的一个转轴相连，所述的第四主动支链5、第五主动支链6的的壁板下端分别通过第十一铰链30、第十二铰链31与第二十字铰链32的一个转轴相连，所述的第一十字铰链29和第二十字铰链32的另一个转轴分别通过轴承与第一铰链座33、第二铰链座34相连，所述第九铰链27、第十铰链28、第十一铰链30、第十二铰链31具有一个转动自由度并分别与对应主动支链壁板转动相连，可绕各自主动支链轴线转动。所述第一主动支链2通过第八铰链35与上平台24转动连接，所述第八铰链35具有三个转动自由度，可采用虎克铰辅以自转轴、球铰链等形式。所述第一铰链座33、第二铰链座34底部分别固定连接有第一转轴36、第二转轴37，所述第一转轴36、第二转轴37通过轴承与上平台24转动相连。第一十字铰链29的另一个转轴与设置在上平台24内的第一主动锥齿轮38相连，第二十字铰链32的另一个转轴与设置在上平台24内的第二主动锥齿轮39相连。所述第一主动锥齿轮38、第二主动锥齿轮39分别与设置在上平台24内的第一从动锥齿轮40、第二从动锥齿轮41相啮合配合。连接所述第一从动锥齿轮40的第一转轴36下端通过键连接有第一主动带轮42，第一主动带轮42与安装在第三转轴43上的第一从动带轮44通过皮带相连，所述第三转轴43固定连接在下平台25上。连接所述第二从动锥齿轮41的第二转轴37上通过键连接第二主动带轮45，第二主动带轮45与安装在第四转轴46上的第二从动带轮47通过 皮带相连，在所述的第四转轴46下端连接有第三主动锥齿轮48，所述的第三主动锥齿轮48与通过轴承架设在下平台的第五转轴49上的第三从动锥齿轮50相啮合配合。所述的第四转轴转动连接在下平台25上。所述的第一转轴36、第二转轴37、第三转轴43、第四转轴46轴线相互平行并且与所述的第五转轴49彼此垂直设置。 

下面结合每一幅图对本发明进一步说明： 

如图1和图2所示，所述第一主动支链2为第一运动链，第二主动支链3与第三主动支链4组成第二运动链，第四主动支链5与第五主动支链6组成第三运动链。从动支链7位于机架1的中央，优选的第一运动链、第二运动链、第三运动链关于从动支链7圆周对称放置，相互之间相位为120°。所述从动支链7通过第一铰链9与所述机架1相连，所述第一铰链9具有一个移动自由度，可采用导轨滑块结构或其他具有相同功能的结构形式。所述第一主动支链2、第二主动支链3、第三主动支链4、第四主动支链5、第五主动支链6与所述机架1分别通过第二铰链10、第三铰链11、第四铰链12、第五铰链13、第六铰链14相连。所述每一主动支链具有相同结构形式，所述第二铰链10、第三铰链11、第四铰链12、第五铰链13、第六铰链14均为两转动自由度铰链。 

如图3所示，所述每一主动支链均包括壁板18，所述的壁板18与内圈通过导轨滑块相连，所述的壁板在驱动装置的驱动下能够沿自身的轴线方向移动。优选的所述的驱动装置包括固定安装在所述壁板18的一端的电机15，通过减速器16将驱动传至滚珠丝杠17。所述第二铰链、第三铰链、第四铰链、第五铰链、第六铰链均包括外圈19和内圈20。所述外圈19通过外圈转轴21与机架1转动相连，所述内圈20通过内圈转轴22与所述外圈转动相连，所述外圈转轴21与内圈转轴22不共线。所述内圈固定安装有螺母23，所述螺母23与滚珠丝杠形17形成丝杠螺母副，在电机15的驱动作用下，所述每条主动支链可沿自身轴线方向移动。所述驱动装置也可采用液压、气动等结构作为驱动方式。 

如图4和图5所示，动平台8包括上平台24和下平台25两个部分，所述上平台24与所述下平台25通过轴承转动相连。所述从动支链7的下端与所述上平台24通过第七铰链26相连，所述第七铰链26具有两个转动自由度，可采用虎克铰或其他能实现相同运动功能的结构形式。所述第一主动支链2通过第八铰链35与上平台24连接，所述第八铰链35具有三个转 动自由度，可采用虎克铰辅以自转轴、球铰链等形式。 

所述第二主动支链3、第三主动支链4的下端分别通过具有一个回转自由度的第九铰链27、第十铰链28与第一十字铰链29的一个转轴相连，第一十字铰链29的另一个转轴与第一铰链座33转动相连并在第一十字铰链29的另一个转轴上连接有设置在上平台24内的第一主动锥齿轮38。所述第一铰链座33的下端固定连接第一转轴36，第一转轴36与上平台24通过轴承转动相连，所述第一转轴36通过键连接有第一从动锥齿轮40和第一主动带轮42。第一主动带轮42与第一从动带轮44通过皮带连接，所述第一从动带轮44通过键连接在第三转轴43上，而第三转轴43固定连接于下平台25。则第二运动链，即第二主动支链3、第三主动支链4具有不同输入值的驱动时，第一十字铰链29产生转动，带动第一主动锥齿轮38转动，通过齿轮啮合作用将转动传至第一从动锥齿轮40，进而通过第一转轴36传至第一主动带轮42，从而第一从动带轮44在皮带的作用下发生转动，带动第三转轴43与下平台25产生绕C轴的转动。 

所述第四主动支链5、第五主动支链6的下端通过具有一个回转自由度的第十铰链30、第十一铰链31与第二十字铰链32的一个转轴相连，第二十字铰链32的另一个转轴通过轴承与第二铰链座34转动相连并且在另一转轴上通过键与设置在上平台24内的第二主动锥齿轮39相连。所述第二铰链座34的下端固定连接第二转轴37，第二转轴37与上平台24通过轴承转动连接，所述第二转轴37通过键连接第二从动锥齿轮41和第二主动带轮45。第二主动带轮45与第二从动带轮47通过皮带连接，所述第二从动带轮47通过键连接在第四转轴46上。第四转轴46的下端连接第三主动锥齿轮48，所述的第三主动锥齿轮48与通过轴承架设在下平台的第五转轴49上的第三从动锥齿轮50相啮合配合。则第三运动链，即第四主动支链5、第五主动支链6具有不同输入值的驱动时，第二十字铰链32产生转动，带动第二主动锥齿轮39转动，第二主动锥齿轮39与第二从动锥齿轮41啮合，使转动传至第二转轴37，第二转轴37带动第二主动带轮45转动，通过皮带传至第二从动带轮47，从而带动第四转轴46发生转动，进而将转动传至第三主动锥齿轮48，齿轮啮合作用导致第三从动锥齿轮50转动，则第五转轴可实现绕A轴的转动。 

本发明的一种可实现五轴联动作业动力头可实现五自由度的运动。由于第一运动链、第 二运动链、第三运动链通过具有两转动自由度铰链与固定架相连，所述第一运动链、第二运动链、第三运动链通过丝杠螺母可实现轴向移动，所述第一运动链、第二运动链、第三运动链与动平台的连接具有三个回转自由度；从动支链7通过具有一个移动自由度的第一铰链9与固定架相连，下端通过具有两转动自由度的第七铰链26与动平台相连，故动平台可在运动链伺服电机的驱动下实现一平动两转动的运动，即机构可到达给定工作空间内的任一位置，实现定位功能。当第二运动链中第二主动支链3与第三主动支链4的伺服电机具有不同输入值时，可将两支链末端产生的转动通过锥齿轮、同步带传至下平台25，实现下平台25绕C轴的转动。当第三运动链中第四主动支链5与第五主动支链6的驱动装置具有不同输入值时，可将两支链末端产生的转动通过锥齿轮、同步带、锥齿轮传至第五转轴49，实现第五转轴绕A轴的转动，故机构可实现五自由度运动。 

本发明的一种可实现五轴联动作业动力头，第二、第三运动链采用双主动支链的结构形式，既能驱动机构实现一平动两转动的运动，又能驱动机构实现绕A/C轴的转动，从而有效减轻定位头质量，增大机构整体刚性，提高定位头定位精度和重复定位精度，实现机构快进能力及动态性能提升。 

本发明的一种可实现五轴联动作业动力头使用情况概述：如图6实施例1所示，将本发明的五自由度并联机器人作为一个模块，与三个方向的长行程导轨单元集成，实现更大工作空间内的加工能力。 

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)

1.一种可实现五轴联动作业动力头，其特征在于：它包括机架，从动支链位于机架的中央开孔内并通过第一铰链与所述机架滑移相连，所述的第一铰链为第一导轨滑块结构，在位于所述的从动支链的四周的机架上分别设置有第一主动支链、第二主动支链、第三主动支链、第四主动支链、第五主动支链，所述第一主动支链为第一运动链，第二主动支链和第三主动支链为第二运动链，第四主动支链、第五主动支链为第三运动链，所述第一主动支链、第二主动支链、第三主动支链、第四主动支链、第五主动支链分别通过具有两转动自由度的第二铰链、第三铰链、第四铰链、第五铰链、第六铰链与所述机架相连，所述第二铰链、第三铰链、第四铰链、第五铰链、第六铰链均包括外圈和内圈，所述外圈通过外圈转轴与机架转动相连，所述内圈通过内圈转轴与所述外圈转动相连，所述外圈转轴与内圈转轴具有夹角，每条所述主动支链均包括壁板，所述的壁板与内圈通过第二导轨滑块相连，所述的壁板在驱动装置的驱动下能够沿自身的轴线方向移动，在所述机架的下方设置有一个动平台，所述的动平台包括彼此之间转动相连的上平台与下平台，所述从动支链的下端与所述上平台通过具有两个转动自由度的第七铰链相连，所述第一主动支链通过具有三个转动自由度的第八铰链与上平台转动连接，所述第二主动支链、第三主动支链的壁板下端分别通过第九铰链、第十铰链与第一十字铰链的一个转轴相连，所述的第四主动支链、第五主动支链的壁板的下端分别通过第十一铰链、第十二铰链与第二十字铰链的一个转轴相连，所述第九铰链、第十铰链、第十一铰链、第十二铰链具有一个转动自由度并分别与对应主动支链壁板转动相连，所述的第一铰链和第二十字铰链的另一个转轴分别通过轴承与第一铰链座、第二铰链座相连，所述第一铰链座、第二铰链座底部分别固定连接有第一转轴、第二转轴，所述第一转轴、第二转轴分别通过轴承与上平台转动相连，第一十字铰链的另一个转轴与设置在上平台内的第一主动锥齿轮相连，第二十字铰链的另一个转轴与设置在上平台内的第二主动锥齿轮相连，所述第一主动锥齿轮、第二主动锥齿轮分别与设置在上平台内的第一从动锥齿轮、第二从动锥齿轮相啮合配合，连接所述第一从动锥齿轮的第一转轴下端通过键连接有第一主动带轮，第一主动带轮与安装在第三转轴上的第一从动带轮通过皮带相连，所述第三转轴固定连接在下平台上，连接所述第二从动锥齿轮的第二转轴上通过键连接第二主动带轮，第二主动带轮与安装在第四转轴上的第二从动带轮通过皮带相连，在所述的第四转轴下端连接有第三主动锥齿轮，所述的第三主动锥齿轮与通过轴承架设在下平台的第五转轴上的第三从动锥齿轮相啮合配合，所述的第四转轴转动连接在下平台上，所述的第一转轴、第二转轴、第三转轴、第四转轴轴线相互平行并且与所述的第五转轴彼此垂直设置。

2.根据权利要求1所述的可实现五轴联动作业动力头，其特征在于：所述的驱动装置包括固定安装在所述壁板的一端的电机，所述的电机的输出轴通过减速器与滚珠丝杠相连,在所述内圈上固定安装有螺母，所述螺母与滚珠丝杠形形成丝杠螺母副。

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