CN102615643A

CN102615643A - 一种具有四自由度的并联机械手

Info

Publication number: CN102615643A
Application number: CN2012100880549A
Authority: CN
Inventors: 孙涛; 宋轶民; 连宾宾; 董罡
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2032-03-29
Also published as: CN102615643B

Abstract

本发明公开了一种具有四自由度的并联机械手，它包括固定架和动平台，动平台包括壳体，从动支链位于固定架中央开孔内，第一至四主动支链放置在固定架上，每一主动支链均包括与固定架外壁固定连接的拖板，在拖板上设置有第一导轨，连接块上固定安装有第一滑块，连接块通过第一铰链与主动杆一端相连，固定架中央开孔通过第三铰链与从动支链沿固定架轴线方向滑动相连，从动支链的下端通过第四铰链与壳体顶壁转动连接，第一至四主动支链的主动杆下端分别通过第二铰链与第三至六滑块相连，第三至六滑块在对应主动支链的驱动下与安装在壳体外壁上的第三导轨滑动相连。采用本机构可有效减小动平台的质量，提高机构的动态性能及快进能力。

Description

一种具有四自由度的并联机械手

技术领域

本发明涉及一种机器人，特别是涉及一种可实现空间三维转动和一维平动作业功能的四自由度并联机械手。

背景技术

根据专利US6431802、ZL200610013608.3可知，现有的四自由度并联机械手中，具有三转动一平动自由度的机械手一般采用并联机构辅以主动摆头的结构形式。其中，并联机构具有两转动一平动自由度，在空间内呈轴对称分布，包括固定架、动平台和三条结构相同的主动支链。主动支链通过不同形式的铰链连接固定架与动平台，调节安装在主动支链上的伺服电机可使动平台相对固定架实现二维转动和一维平动；主动摆头一般为电主轴结构，包括伺服电机，减速器等。主动摆头固定安装于动平台的末端执行器上，通过调节伺服电机使其产生绕自身轴线的转动，从而机械手具有四自由度，可实现多坐标加工能力。

此类机器人，由于伺服电机和减速器等安装在主动摆头中，其不足是：动平台的重量过大，影响机构的快进能力及动态性能，机构整体刚度较差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种动平台质量小、快进能力及动态性能好，刚度/质量比大的一种具有四自由度的并联机械手。

本发明的一种具有四自由度的并联机械手，它包括固定架和设置在所述的固定架下方的动平台，所述的动平台包括壳体，在所述的固定架中间设置有中央开孔，从动支链位于固定架中央开孔内，第一、第二、第三、第四主动支链关于固定架中心轴线空间对称放置在所述固定架上，每一所述主动支链均包括与固定架外壁固定连接的拖板，在所述的拖板上设置有第一导轨，连接块上固定安装有第一滑块，所述的第一滑块能够在驱动装置的驱动下沿拖板的轴线方向与第一导轨滑动相连，所述的连接块通过具有两转动自由度的第一铰链与主动杆一端相连，所述固定架中央开孔通过第三铰链与从动支链沿固定架轴线方向滑动相连，所述第三铰链为第二导轨滑块结构，所述从动支链的下端通过具有两个回转自由度的第四铰链与壳体顶壁转动连接，所述第四铰链的两转动轴线相互垂直，所述第一、第二、第三、第四主动支链的主动杆下端分别通过与之对应设置的具有三转动自由度的第二铰链与第三、第四、第五、第六滑块相连，所述第三、第四、第五、第六滑块在对应主动支链的驱动下与安装在壳体外壁上的第三导轨滑动相连，所述第三导轨沿固定架的轴线方向设置，在所述第三、第四、第五、第六滑块上分别固定连接第二、第三、第四、第五螺母，所述第二、第三、第四、第五螺母分别与第二、第三、第四、第五滚珠丝杠的一端相螺纹连接并且所述第二、第三、第四、第五滚珠丝杠另一端均安装于设置在壳体内的轴承内，所述第二、第三、第四、第五滚珠丝杠沿固定架的轴线方向设置，第二、第四滚珠丝杠相对布置，第三、第五滚珠丝杠相对布置，所述第二、第四滚珠丝杠螺纹方向一致，所述第三、第五滚珠丝杠螺纹方向一致，所述第二、第四滚珠丝杠与第三、第五滚珠丝杠的螺纹方向相反，在所述第二、第三、第四、第五滚珠丝杠下端分别通过键连接第一、第二、第三、第四齿轮，在壳体中央设置一个与所述四个齿轮均可啮合的中心齿轮，所述中心齿轮的齿轮轴安装于设置在壳体上的轴承内，在所述齿轮轴的下方固定连接有一末端执行器。

本发明的一种具有四自由度的并联机械手的有益效果是：四条主动支链可带动动平台实现空间两转动一平动的运动，动平台采用丝杠螺母及四个齿轮与中心齿轮啮合的结构形式，满足条件时可带动末端执行器实现绕自身轴线转动，则机构的位置定位与末端执行器的姿态调整互不影响。同时，采用这种结构形式可有效减小动平台的质量，提高机构的动态性能及快进能力，加大机构刚度质量比。

附图说明

图1是本发明的一种具有四自由度的并联机械手的结构示意图；

图2是图1所示机械手的主动支链结构示意图；

图3是图1所示机械手的动平台剖开后的内部结构图；

图4是图3所示的动平台内齿轮啮合示意图。

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。

本发明的一种具有四自由度的并联机械手，包括固定架1，设置在所述的固定架下方的动平台2，连接所述固定架1与动平台2的四条结构相同的主动支链3和一条从动支链4。所述四条主动支链关于固定架中心轴线空间对称放置在所述固定架上，每一所述主动支链均包括与固定架外壁固定连接的拖板6，在所述的拖板上设置有第一导轨10，连接块7上固定安装有第一滑块，所述的第一滑块能够在驱动装置的驱动下沿拖板的轴线方向与第一导轨滑动相连，所述的连接块通过具有两转动自由度的第一铰链与主动杆8一端相连，所述第一铰链11采用虎克铰等可实现两转动的铰链结构。所述固定架中央开孔通过第三铰链与从动支链沿固定架轴线方向滑动相连，所述第三铰链为第二导轨滑块结构，即所述从动支链4沿轴线方向固定安装第二导轨13，与固定连接于所述固定架上1的第二滑块14滑动连接形成第三铰链，所述第三铰链具有一个移动自由度，除导轨滑块副之外，可采用其他具有相同功能的结构形式。所述从动支链的下端通过具有两个回转自由度的第四铰链与壳体16顶壁转动连接，所述第四铰链15的两转动轴线相互垂直。优选的所述的驱动装置包括固定安装在所述拖板6的一端的所述伺服电机5，所述的伺服电机5的输出轴通过联轴器与第一丝杠9相连，与所述第一丝杠9螺纹连接形成丝杠螺母结构的第一螺母固定安装在连接块7上。所述第一导轨10与所述第一滑块形成导轨滑块结构，在所述伺服电机5的驱动下，所述连接块7可沿第一导轨10直线移动。所述驱动装置除了用伺服电机-滚珠丝杠作为驱动方式外，还可采用液压推杆、气动等其他任意一种可实现相同运动功能的结构形式。

在所述固定架1下方设置一动平台2，所述动平台2包括壳体16，第一、第二、第三、第四齿轮17、18、19、20，中心齿轮21与齿轮轴22。所述从动支链4的下端与所述壳体16顶壁通过具有两个回转自由度的第四铰链15连接。所述四条主动支链的主动杆8下端分别通过与之对应设置的具有三转动自由度的第二铰链12与第三、第四、第五、第六滑块23、24、25、26相连。所述第三、第四、第五、第六滑块23、24、25、26可在对应主动支链3的驱动下与安装在壳体16外壁的第三导轨27滑动相连，所述第三导轨27沿固定架的轴线方向设置。所述第三、第四、第五、第六滑块23、24、25、26分别固定连接第二、第三、第四、第五螺母28、29、30、31，所述第二、第三、第四、第五螺母28、29、30、31分别与第二、第三、第四、第五丝杠32、33、34、35的一端相螺纹连接，形成丝杠螺母结构。所述第二、第三、第四、第五丝杠32、33、34、35另一端均安装于设置在壳体16上的轴承内，沿固定架的轴线方向设置。所述第二、第四丝杠32、34螺纹方向一致，所述第三、第五丝杠33、35螺纹方向一致，所述第二、第四丝杠32、34与第三、第五丝杠33、35的螺纹方向相反。在所述第二、第三、第四、第五滚珠丝杠32、33、34、35下端分别通过键连接第一、第二、第三、第四齿轮17、18、19、20，在壳体16的中央设置一个与所述四个齿轮均可啮合的中心齿轮21，所述中心齿轮21的齿轮轴22安装于设置在壳体16上的轴承内，在所述齿轮轴22的下方可固定连接一末端执行器，如刀具、手爪等。

下面再结合每一幅图对本发明进一步说明：

如图1所示的本发明一种具有四自由度的并联机械手，由固定架1，动平台2，位于固定架1和动平台2之间具有相同结构的四条主动支链3和从动支链4构成。所述从动支链4通过具有一个移动自由度的第三铰链与所述固定架1相连，所述第三铰链可为导轨滑块结构，即所述从动支链4沿轴线方向固定安装第二导轨13，与固定连接于所述固定架上1的第二滑块14滑动连接，所述第三铰链也可采用其他具有相同运动功能的结构形式。

如图2所示，具有相同结构的四条主动支链3包括与固定架1固定连接的拖板6，所述拖板6的一端固定安装有伺服电机5，所述伺服电机5通过减速器与第一丝杠9相连，与所述第一丝杠9螺纹连接形成丝杠螺母结构的第一螺母固定安装在连接块7上，所述拖板6上设置第一导轨10，所述连接块7上固定连接第一滑块，所述第一导轨10与所述第一滑块形成导轨滑块结构，在所述伺服电机5的驱动下，所述连接块7可沿第一导轨10直线移动。所述连接块7通过具有两个回转自由度的第一铰链11与主动杆8的一端相连。所述第一铰链11采用虎克铰等可实现两转动的铰链结构。

如图1和图3所示，所述动平台2包括壳体16，导轨滑块结构，丝杠螺母结构，第一、第二、第三、第四齿轮17、18、19、20，中心齿轮21与齿轮轴22。所述从动支链4的下端与所述壳体16通过具有两个回转自由度的第四铰链15连接，所述第四铰链可采用虎克铰等结构形式。所述四条主动支链3主动杆下端分别通过具有三回转自由度的第二铰链12与第三、第四、第五、第六滑块23、24、25、26相连。所述第二铰链12可采用虎克铰辅以自转轴、球铰链或其他具有相同运动功能的结构形式。所述壳体16外壁沿C轴方向固定安装有第三导轨27，与所述第三、第四、第五、第六滑块23、24、25、26形成导轨滑块结构，则所述第三、第四、第五、第六滑块23、24、25、26可在对应主动支链3的驱动下在壳体16上沿C轴方向移动。

如图3所示，所述壳体16在沿C轴方向通过轴承连接第二、第三、第四、第五丝杠32、33、34、35。其中，第二、第四滚珠32、34相对布置，第三、第五滚珠丝杠33、35相对布置。固定安装于所述第三、第四、第五、第六滑块23、24、25、26上的第二、第三、第四、第五螺母28、29、30、31分别与所述第二、第三、第四、第五丝杠32、33、34、35螺纹连接，形成丝杠螺母结构。所述第二、第三、第四、第五丝杠32、33、34、35的下端分别固定连接结构相同的第一、第二、第三、第四齿轮17、18、19、20。则所述每一滑块沿C轴移动带动所述每一螺母移动，从而通过丝杠螺母结构的作用带动所述每一丝杠绕C轴转动，进而第一、第二、第三、第四齿轮17、18、19、20产生绕C轴的转动。

在本发明的技术方案中：所述每一主动支链3相对固定架1具有一个移动自由度，所述每一主动支链内连接块7与主动杆8通过具有两转动自由度的第一铰链11相连，主动杆8下端通过具有三转动自由度的第二铰链12与所述动平台2相连；所述从动支链4通过具有一个移动自由度的第三铰链与固定架1相连，通过具有两个回转自由度的第四铰链15与所述动平台2相连，故动平台2可实现两转动一平动自由度，即绕A轴、B轴的转动和沿C轴的平动。加上末端执行器的绕C轴的转动，本发明的一种具有四自由度的并联机械手具有三转动和一平动四个自由度。

末端执行器绕C轴的转动见图3与图4。第二、第四丝杠32、34为右旋螺纹，第三、第五丝杠33、35为左旋螺纹。当第三、第五滑块23、25以相同的速度同时向上运动，第四、第六滑块24、26以同样的速度同时向下运动时，第一、第二、第三、第四齿轮17、18、19、20均产生逆时针的转动，中心齿轮21同时与所述四个齿轮啮合，则所述四个齿轮产生同样的逆时针转动时，中心齿轮21可再啮合作用下产生逆时针转动，从而带动末端执行器产生绕C轴的逆时针转动。类似地，当第三、第五滑块23、25以相同的速度同时向下运动，第四、第六滑块24、26以同样的速度同时向上运动时，中心齿轮21产生顺时针转动，从而带动末端执行器产生绕C轴顺时针转动。第三、第五滑块23、25与第四、第六滑块24、26的运动速度等大反向，可保证动平台的位姿不发生变化，仅有末端执行器的转动。

只有第三、第五滑块23、25与第四、第六滑块24、26的运动速度等大反向，四个齿轮转动的转向一致时，才能使中心齿轮21发生转动。第三、第五滑块23、25与第四、第六滑块24、26的运动速度不是等大反向的情况下，四个齿轮转向不一致，中心齿轮21的转动被约束。

本发明与现有的技术相比，其优点是：动平台采用丝杠螺母结构与四个相同齿轮与一个中心齿轮啮合的结构形式。丝杠螺母结构可变移动为转动，为齿轮提供动力。四个小齿轮只有转向一致才能使中心齿轮发生转动，从而主动支链位置定位与末端执行器位姿定位互不影响。动平台不需安置伺服电机和减速器，可有效减小质量，有利于机械手提升快进能力和动态性能。

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

1.一种具有四自由度的并联机械手，其特征在于：它包括固定架和设置在所述的固定架下方的动平台，所述的动平台包括壳体，在所述的固定架中间设置有中央开孔，从动支链位于固定架中央开孔内，第一、第二、第三、第四主动支链关于固定架中心轴线空间对称放置在所述固定架上，每一所述主动支链均包括与固定架外壁固定连接的拖板，在所述的拖板上设置有第一导轨，连接块上固定安装有第一滑块，所述的第一滑块能够在驱动装置的驱动下沿拖板的轴线方向与第一导轨滑动相连，所述的连接块通过具有两转动自由度的第一铰链与主动杆一端相连，所述固定架中央开孔通过第三铰链与从动支链沿固定架轴线方向滑动相连，所述第三铰链为第二导轨滑块结构，所述从动支链的下端通过具有两个回转自由度的第四铰链与壳体顶壁转动连接，所述第四铰链的两转动轴线相互垂直，所述第一、第二、第三、第四主动支链的主动杆下端分别通过与之对应设置的具有三转动自由度的第二铰链与第三、第四、第五、第六滑块相连，所述第三、第四、第五、第六滑块在对应主动支链的驱动下与安装在壳体外壁上的第三导轨滑动相连，所述第三导轨沿固定架的轴线方向设置，在所述第三、第四、第五、第六滑块上分别固定连接第二、第三、第四、第五螺母，所述第二、第三、第四、第五螺母分别与第二、第三、第四、第五滚珠丝杠的一端相螺纹连接并且所述第二、第三、第四、第五滚珠丝杠另一端均安装于设置在壳体内的轴承内，所述第二、第三、第四、第五滚珠丝杠沿固定架的轴线方向设置，第二、第四滚珠丝杠相对布置，第三、第五滚珠丝杠相对布置，所述第二、第四滚珠丝杠螺纹方向一致，所述第三、第五滚珠丝杠螺纹方向一致，所述第二、第四滚珠丝杠与第三、第五滚珠丝杠的螺纹方向相反，在所述第二、第三、第四、第五滚珠丝杠下端分别通过键连接第一、第二、第三、第四齿轮，在壳体中央设置一个与所述四个齿轮均可啮合的中心齿轮，所述中心齿轮的齿轮轴安装于设置在壳体上的轴承内，在所述齿轮轴的下方固定连接有一末端执行器。

2.根据权利要求1所述的具有四自由度的并联机械手，其特征在于：所述的驱动装置包括固定安装在所述拖板的一端的所述伺服电机，所述的伺服电机的输出轴通过联轴器与第一丝杠相连，与所述第一丝杠螺纹连接形成丝杠螺母结构的第一螺母固定安装在连接块上。