CN102672709A - 五自由度混联机器人 - Google Patents

Abstract

一种五自由度混联机器人，有固定架、动平台、连接在动平台末端的定位头，以及三条结构相同的第一支链、第二支链和第三支链，每条支链都包括第一铰链、第二铰链、连接杆和设置在连接杆一端的驱动装置，第一支链和第二支链均通过自身的第一铰链对称的连接在固定架上端的两侧，第三支链贯穿固定架，且位于第一支链和第二支链的下面，并通过自身的第一铰链连接在固定架内侧中部，第一支链、第二支链和第三支链的连接杆远离驱动装置的那一端分别通过对应的第二铰链与动平台相连，第一支链和第二支链的运动平面处于同一平面或为相互平行的两个平面，且第一支链和第二支链的运动平面与第三支链的运动平面相垂直。本发明便于实时控制，可有效提高机构的刚度，减少悬臂尺寸。

Description

五自由度混联机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人。特别是涉及一种多坐标混联的五自由度混联机器人。

背景技术

现有专利SE0402824（或WO2006054935）所公开的一种带定位头的多坐标混联机器人，包括固定架、动平台、定位头及连接固定架与动平台的三个可沿纵向伸长或缩短的长度调节装置。其中，两个长度调节装置具有相同结构，并相对于第三个长度调节装置在空间呈面对称布置。各长度调节装置一端通过铰链紧固于固定架上，另一端通过仅具有一个转动自由度的铰链与动平台连接。其不足是，由于两个结构相同的长度调节装置与固定架分别采用具有两个转动自由度的铰链连接，其中两个铰链的近架转轴轴线必须严格保持共线，各铰链的远架转轴轴线必须与连接各长度调节装置与动平台的铰链的转动轴线严格保持平行，否则无法装配，因此对制造与装配的精度要求较高。

现有专利CN101049692所公开的带定位头的五自由度混联机器人，包括固定架、动平台、定位头以及在固定架与动平台之间的三个可沿纵向伸长或缩短的长度调节装置。各长度调节装置一端通过铰链连接于固定架上，另一端则转动连接于动平台，三个长度调节装置在空间呈轴对称布置，其不足是，该布置使得机构运动学逆解无解析解，不便于进行实时控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有较高刚度、精度和负载能力、运动学逆解具有解析解、便于实时控制且容易制造与装配的五自由度混联机器人。

本发明所采用的技术方案是：一种五自由度混联机器人，包括固定架、动平台、连接在所述动平台末端的定位头，以及三条结构相同的第一支链、第二支链和第三支链，每条支链都包括第一铰链、第二铰链、连接杆和设置在所述连接杆一端的驱动装置，所述的第一支链和第二支链均通过自身的第一铰链对称的连接在所述固定架上端的两侧，所述的第三支链贯穿固定架，且位于第一支链和第二支链的下面，并通过自身的第一铰链连接在所述固定架内侧中部，所述的第一支链、第二支链和第三支链的连接杆远离驱动装置的那一端分别通过对应的第二铰链与动平台相连，所述的第二铰链包括销轴以及与该销轴构成转动副的轴承，所述的连接杆远离驱动装置的那一端与所述的销轴固定连接，其中，所述的第一支链、第二支链和第三支链呈空间面对称设置，所述的第一支链上的第二铰链的销轴的轴线和第二支链上第二铰链的销轴的轴线相平行，所述的该两销轴的轴线与所述的第三支链上的第二铰链的销轴的轴线相垂直，所述的第一支链和第二支链的运动平面处于同一平面或为相互平行的两个平面，且所述的第一支链和第二支链的运动平面与第三支链的运动平面相垂直。

所述的第一铰链为具有三个回转自由度的球铰链，包括与固定架固接的法兰、通过具有一个转动自由度的铰链与所述法兰相连的转动叉，通过具有一个转动自由度的铰链与转动叉相连的转轴、以及通过具有一个转动自由度的铰链与所述转轴相连的拖板，其中，连接所述转动叉和法兰所形成的第一转动轴线与连接所述转轴和转动叉所形成的第二转动轴线不共线，连接所述转动叉和法兰所形成的第一转动轴线、连接所述转轴和转动叉所形成的第二转动轴线以及连接所述转轴和拖板所形成的第三转动轴线共三条轴线相交于一点，所述的第三转动轴线平行于所述连接杆所在的直线，所述的拖板上固定连接有丝杆螺母座，所述的丝杆螺母座上固定设置有丝杆螺母。

所述的连接杆上固定设置有直线导轨，所述的拖板上固定设置有滑块，所述的直线导轨与滑块滑动的连接，使所述的连接杆与第一铰链中的拖板构成移动副。

所述的驱动装置包括有驱动电机、一端与所述驱动电机的驱动轴相连的丝杆和通过丝杆螺母座与拖板固接的丝杆螺母，所述的丝杆的另一端贯穿第一铰链的拖板、丝杆螺母和转轴并转动连接在连接杆远离驱动电机的那一端，所述的丝杆与所述的丝杆螺母构成丝杆螺旋副。

所述的固定架上分别用于连接第一支链、第二支链和第三支链的三个接触面为具有一定锥度的斜面。

本发明的五自由度混联机器人，具有的优点和积极效果主要有以下四点：

（1）所述第一支链的运动平面与第二支链的运动平面重合或相互平行的两个，且与第三支链的运动平面相垂直，使得运动学逆解具有解析解，便于实时控制；

（2）不同支链间第一铰链中的第一转动轴线的几何位置没有特殊要求，便于制造和装配；

（3）固定架上分别用于连接第一支链、第二支链和第三支链的三个接触面设计为具有一定锥度的斜面，使得第一铰链中心点离该斜面的距离可设计地更小，减少悬臂尺寸，可有效提高机构的刚度；

（4）第一铰链与固定架的连接方式有利于减小固定架的外形尺寸，实现轻量化设计。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是单条支链的结构示意图；

图3是支链中局部放大示意图。

图中，

1：固定架                    2：第一铰链

3：连接杆                    4：动平台

5：第二铰链                  6：定位头

7：侧面                      8：第一支链

9：第二支链                  10：第三支链

11：法兰                     21：转动叉

22：转轴                     23：拖板

231：丝杆螺母座              31：驱动电机

32：丝杆                     33：直线导轨

34：滑块                     35：丝杆螺母

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的五自由度混联机器人做出详细说明。

如图1所示，本发明的五自由度混联机器人，包括固定架1、动平台4、连接在所述动平台4末端的两自由度定位头6，以及三条结构相同的第一支链8、第二支链9和第三支链10，每条支链都包括第一铰链2、第二铰链5、连接杆3和设置在所述连接杆3一端的驱动装置，所述的第一支链8和第二支链9均通过自身的第一铰链2对称的连接在所述固定架1上端的两侧，所述的第三支链10贯穿固定架1，且位于第一支链8和第二支链9的下面，并通过自身的第一铰链2连接在所述固定架1内侧中部，所述的第一支链8、第二支链9和第三支链10的连接杆3远离驱动装置的那一端分别通过对应的第二铰链5与动平台4相连，所述的第二铰链5包括销轴以及与该销轴构成转动副的轴承，所述的连接杆3远离驱动装置的那一端与所述的销轴固定连接，其中，所述的第一支链8、第二支链9和第三支链10呈空间面对称设置，所述的第一支链8上的第二铰链5的销轴的轴线和第二支链9上第二铰链5的销轴的轴线相平行，所述的该两销轴的轴线与所述的第三支链10上的第二铰链5的销轴的轴线相垂直，所述的第一支链8和第二支链9的运动平面处于同一平面或为相互平行的两个平面，且所述的第一支链8和第二支链9的运动平面与第三支链10的运动平面相垂直。

所述的固定架1上分别用于连接第一支链8、第二支链9和第三支链10的三个接触面7为具有一定锥度的斜面。

如图2、图3所示，所述的第一铰链2为具有三个回转自由度的球铰链，包括有与固定架1固接的法兰11、通过具有一个转动自由度的铰链与所述法兰11相连的转动叉21，通过具有一个转动自由度的铰链与转动叉21相连的转轴22、以及通过具有一个转动自由度的铰链与所述转轴22相连的拖板23，其中，连接所述转动叉21和法兰所形成的第一转动轴线2a与连接所述转轴22和转动叉21所形成的第二转动轴线2b不共线，连接所述转动叉21和法兰11所形成的第一转动轴线2a、连接所述转轴22和转动叉21所形成的第二转动轴线2b以及连接所述转轴22和拖板23所形成的第三转动轴线2c共三条轴线相交于一点，所述的第三转动轴线2c平行于所述连接杆3所在的直线，所述的拖板23上固定连接有丝杆螺母座231，所述的丝杆螺母座231上固定设置有丝杆螺母35。

如图2、图3所示，所述的连接杆3上固定设置有直线导轨33，所述的拖板23上固定的设置有滑块34，所述的直线导轨33与滑块34滑动的连接，使所述的连接杆3与第一铰链2中的拖板23构成移动副。

所述的驱动装置包括有驱动电机31、一端与所述驱动电机31的驱动轴相连的丝杆32和通过丝杆螺母座231与拖板23固接的丝杆螺母35，所述的丝杆32的另一端贯穿第一铰链2的拖板23、丝杆螺母35和转轴22并转动连接在连接杆3远离驱动电机的那一端，所述的丝杆32与所述的丝杆螺母35构成丝杆螺旋副。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种五自由度混联机器人，包括固定架（1）、动平台（4）、连接在所述动平台（4）末端的定位头（6），以及三条结构相同的第一支链（8）、第二支链（9）和第三支链（10），每条支链都包括第一铰链（2）、第二铰链（5）、连接杆（3）和设置在所述连接杆（3）一端的驱动装置，其特征在于，所述的第一支链（8）和第二支链（9）均通过自身的第一铰链（2）对称的连接在所述固定架（1）上端的两侧，所述的第三支链（10）贯穿固定架（1），且位于第一支链（8）和第二支链（9）的下面，并通过自身的第一铰链（2）连接在所述固定架（1）内侧中部，所述的第一支链（8）、第二支链（9）和第三支链（10）的连接杆（3）远离驱动装置的那一端分别通过对应的第二铰链（5）与动平台（4）相连，所述的第二铰链（5）包括销轴以及与该销轴构成转动副的轴承，所述的连接杆（3）远离驱动装置的那一端与所述的销轴固定连接，其中，所述的第一支链（8）、第二支链（9）和第三支链（10）呈空间面对称设置，所述的第一支链（8）上的第二铰链（5）的销轴的轴线和第二支链（9）上第二铰链（5）的销轴的轴线相平行，所述的该两销轴的轴线与所述的第三支链（10）上的第二铰链（5）的销轴的轴线相垂直，所述的第一支链（8）和第二支链（9）的运动平面处于同一平面或为相互平行的两个平面，且所述的第一支链（8）和第二支链（9）的运动平面与第三支链（10）的运动平面相垂直。

2.根据权利要求1所述的五自由度混联机器人，其特征在于，所述的第一铰链（2）为具有三个回转自由度的球铰链，包括与固定架固接的法兰（11）、通过具有一个转动自由度的铰链与所述法兰（11）相连的转动叉（21），通过具有一个转动自由度的铰链与转动叉（21）相连的转轴（22）、以及通过具有一个转动自由度的铰链与所述转轴（22）相连的拖板（23），其中，连接所述转动叉（21）和法兰所形成的第一转动轴线（2a）与连接所述转轴（22）和转动叉（21）所形成的第二转动轴线（2b）不共线，连接所述转动叉（21）和法兰（11）所形成的第一转动轴线（2a）、连接所述转轴（22）和转动叉（21）所形成的第二转动轴线（2b）以及连接所述转轴（22）和拖板（23）所形成的第三转动轴线（2c）共三条轴线相交于一点，所述的第三转动轴线（2c）平行于所述连接杆（3）所在的直线，所述的拖板（23）上固定连接有丝杆螺母座（231），所述的丝杆螺母座（231）上固定设置有丝杆螺母（35）。

3.根据权利要求2所述的五自由度混联机器人，其特征在于，所述的连接杆（3）上固定设置有直线导轨（33），所述的拖板(23)上固定设置有滑块(34)，所述的直线导轨(33)与滑块(34)滑动的连接，使所述的连接杆（3）与第一铰链（2）中的拖板（23）构成移动副。

4.根据权利要求1所述的五自由度混联机器人，其特征在于，所述的驱动装置包括有驱动电机（31）、一端与所述驱动电机（31）的驱动轴相连的丝杆（32）和通过丝杆螺母座（231）与拖板（23）固接的丝杆螺母（35），所述的丝杆（32）的另一端贯穿第一铰链（2）的拖板（23）、丝杆螺母（35）和转轴（22）并转动连接在连接杆（3）远离驱动电机（31）的那一端，所述的丝杆（32）与所述的丝杆螺母（35）构成丝杆螺旋副。

5.根据权利要求1所述的五自由度混联机器人，其特征在于，所述的固定架（1）上分别用于连接第一支链（8）、第二支链（9）和第三支链（10）的三个接触面（7）为具有一定锥度的斜面。

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