CN102699898B - 五自由度过约束混联机器人 - Google Patents

Abstract

一种五自由度过约束混联机器人，包括：固定架、动平台、连接在所述动平台末端的自由度定位头，以及设置在所述固定架与动平台之间的第一支链、第二支链和第三支链。第三支链包括第一铰链和第三长度调节装置；所述第一铰链设置在固定架中间部位，所述第三长度调节装置通过第一铰链并与其构成移动副设置在固定架上，其末端与动平台固接，第一、第二支链均包括转动叉、长度调节装置、T形铰和转动圈；所述第一、第二支链的转动叉关于第一铰链对称布置在所述固定架的左右两侧，且第一、第二支链均通过转动叉转动连接于固定架、通过转动圈与动平台转动连接。本发明结构紧凑，设计巧妙，为过约束机构，整机刚度好、精度高，运动学求解简单，便于控制，具有大的工作空间机架体积比。

Description

五自由度过约束混联机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人。特别是涉及一种五自由度过约束混联机器人。

背景技术

现有专利GB2173472(或EP0200369、US4790718)、SE8502327(或US4732525)、EP0674969(或US6336375)、CN1524662(或WO2005025816)所公开的带定位头的多坐标混联机器人，包括至少三个可沿纵向伸长或缩短的长度调节装置。其中一个从动或主动的调节装置的一端与一可动定位头固接并通过铰链与固定架连接，以限制定位头的某几个自由度。而其他各调节装置则是一端通过铰链紧固与固定架上，以使其能相对于固定架绕各个方向的转动，另一端通过铰链与所述的从动或主动调节装置的另一端连接。此类机器人，由于与固接定位头的从动或主动长度调节装置连接的铰链为三自由度铰链，其不足是：机构的整体刚度低，负载能力差，因而不适于高速重载的加工应用场合。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有较高的结构刚度的五自由度过约束混联机器人。

本发明所采用的技术方案是：一种五自由度过约束混联机器人，包括：固定架、动平台、连接在所述动平台末端的自由度定位头，以及设置在所述固定架与动平台之间的第一支链、第二支链和第三支链。

所述的第一支链和第二支链结构相同，其中任一个都包括有转动叉，通过具有一个转动自由度的铰链连接在转动叉的凹槽内的长度调节装置，固接在长度调节装置一端的驱动装置，固接在长度调节装置另一端的T形铰；所述的转动叉的底端通过具有一个转动自由度的铰链与所述的固定架相连，连接转动叉和固定架的转动轴线与连接长度调节装置和转动叉的转动轴线垂直相交；所述第一支链上的T形铰通过具有一个转动自由度的铰链连接第一转动圈，连接第一支链上的长度调节装置和转动叉的转动轴线与连接第一支链上的T形铰和第一转动圈的转动轴线相平行；所述第二支链上的T形铰通过具有一个转动自由度的铰链连接第二转动圈，连接第二支链上的长度调节装置和转动叉的转动轴线与连接第二支链上的T形铰和第二转动圈的转动轴线相平行；

所述的第一转动圈和第二转动圈各自分别通过一个具有一个转动自由度的铰链与动平台相连，连接所述第一转动圈与动平台的转动轴线与连接所述第二转动圈与动平台的转动轴线共线。

所述的第三支链贯穿的设置在固定架的中间部位，包括有通过具有一个转动自由度的铰链与固定架相连的外圈、通过具有一个转动自由度的铰链与外圈相连的内圈、固定设置在所述内圈内周面上的滑块以及第三长度调节装置，连接所述外圈和固定架的转动轴线与连接所述内圈和外圈的转动轴线垂直相交，所述的第三长度调节装置是由中间两侧开有槽孔的圆管、固定在圆管上并与所述的滑块对应设置的导轨、固接在圆管顶部的电机、与电机输出轴连接的丝杆以及与内圈固接且与所述丝杆形成丝杆螺旋副的丝杆螺母构成，其中，所述的导轨与内圈内周面上的滑块滑移的连接，使所述第三长度调节转置与所述内圈构成移动副，所述圆管的末端与动平台固接。

所述的第一支链上的转动叉和第二支链上的转动叉对称的设置在所述固定架的左右两侧，且连接第一支链上的转动叉和固定架的转动轴线与连接第二支链上的转动叉和固定架的转动轴线相交于一点，所述的该相交点与：连接所述外圈和固定架的转动轴线与连接所述内圈和外圈的转动轴线相交的交点重合。

所述的连接第一转动圈与动平台的转动轴线与连接第二转动圈与动平台的转动轴线均通过所述的连接第一支链上的转动叉和固定架的转动轴线与连接第二支链上的转动叉和固定架的转动轴线相交的那一点。

当连接第一支链上的转动叉与固定架的转动轴线与连接外圈与固定架的转动轴线共线时，所述的第一转动圈与动平台固定连接。

本发明的五自由度过约束混联机器人，具有的优点和积极效果是：

(1)运动学逆解求解具有解析解，方便实时控制；

(2)机构为过约束机构，具有较高的结构刚度；

(3)末端动平台轴线可绕一定点做定点转动，有利于机构做成位置测量装置。

附图说明

图1是本发明第一实施例的结构示意图之一；

图2是本发明第一实施例中T形铰的结构示意图；

图3是本发明第一实施例的结构示意图之二；

图4是本发明第一实施例中的第三支链及其末端的动平台和定位头的结构示意图；

图5是本发明第二实施例的结构示意图之一；

图6是本发明第二实施例的结构示意图之二。

图中

1：第一支链                        2：第二支链

3：第三支链                        4：固定架

5：动平台                          6：定位头

7：转动叉                          8：长度调节装置

9：T形铰                            10：驱动装置

11：第一转动圈                      12：第二转动圈

31：电机                            32：圆管

33：丝杆                            34：丝杆螺母

35：内圈                            36：外圈

37：滑块                            38：导轨

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过约束混联机器人做出详细说明。

如图1所示，本发明的五自由度过约束混联机器人，包括：固定架4、动平台5、连接在所述动平台5末端的2自由度定位头6，以及设置在所述固定架4与动平台5之间的第一支链1、第二支链2和第三支链3。

所述的第一支链1和第二支链2结构相同，其中任一个都包括有转动叉7，通过具有一个转动自由度的铰链连接在转动叉7的凹槽内的长度调节装置8，固接在长度调节装置8一端的驱动装置10，固接在长度调节装置8另一端的T形铰9；所述的转动叉7的底端通过具有一个转动自由度的铰链与所述的固定架4相连，连接转动叉7和固定架4的转动轴线与连接长度调节装置8和转动叉7的转动轴线垂直相交；所述第一支链1上的T形铰9通过具有一个转动自由度的铰链连接第一转动圈11，连接第一支链1上的长度调节装置8和转动叉7的转动轴线与连接第一支链1上的T形铰9和第一转动圈11的转动轴线相平行；所述第二支链2上的T形铰9通过具有一个转动自由度的铰链连接第二转动圈12，连接第二支链2上的长度调节装置8和转动叉7的转动轴线与连接第二支链2上的T形铰9和第二转动圈12的转动轴线相平行。

所述的第一转动圈11和第二转动圈12各自分别通过一个具有一个转动自由度的铰链与动平台5相连，连接所述第一转动圈11与动平台5的转动轴线与连接所述第二转动圈12与动平台5的转动轴线共线。

如图2所示，所述T形铰9包括有主体91，所述主体91的一侧与长度调节装置8固定连接，所述主体91远离长度调节装置8的那一侧的两端分别延长的形成有用于与第一转动圈11/第二转动圈12连接的纵铰轴92。

如图3、图4所示，所述的第三支链3贯穿的设置在固定架4的中间部位，包括有通过具有一个转动自由度的铰链与固定架4相连的外圈36、通过具有一个转动自由度的铰链与外圈36相连的内圈35、固定设置在所述内圈35内周面上的滑块37以及第三长度调节装置，连接所述外圈36和固定架4的转动轴线与连接所述内圈35和外圈36的转动轴线垂直相交，所述的第三长度调节装置是由中间两侧开有槽孔的圆管32、固定在圆管32上并与所述的滑块37对应设置的导轨38、固接在圆管32顶部的电机31、与电机31输出轴连接的丝杆33以及与内圈35固接且与所述丝杆33形成丝杆螺旋副的丝杆螺母34构成，所述的导轨38与内圈35内周面上的滑块37滑移的连接，使所述第三长度调节转置与所述内圈35构成移动副，所述圆管32的末端与动平台5固接。

所述的第一支链1上的转动叉7和第二支链2上的转动叉7对称的设置在所述固定架4的左右两侧，且连接第一支链1上的转动叉7和固定架4的转动轴线与连接第二支链2上的转动叉7和固定架4的转动轴线相交于一点，所述的该相交点与：连接所述外圈36和固定架4的转动轴线与连接所述内圈35和外圈36的转动轴线相交的交点重合。

所述的连接第一转动圈11与动平台5的转动轴线与连接第二转动圈12与动平台5的转动轴线均通过所述的连接第一支链1上的转动叉7和固定架4的转动轴线与连接第二支链2上的转动叉7和固定架4的转动轴线相交的那一点。

如图5和图6所示，当连接第一支链上1的转动叉7与固定架4的转动轴线与连接外圈36与固定架4的转动轴线共线时，所述的第一转动圈11与动平台5可以固接。此时的机器人的并联部分的第一支链可以减少一个转动关节，即第一支链的关节自由度数变为4，再加上第二支链的5个关节以及第三支链的3个关节，该机器人的并联部分加起来一起共有12个关节。

本发明与现有技术相比，其不同点在于：

(1)运动学逆解求解具有解析解，方便实时控制；

(2)机构为过约束机构，具有较高的结构刚度；

(3)末端动平台轴线可绕第一交点做定点转动，有利于机构做成位置测量装置；

(4)本发明的第一实施例中，第一支链和第二支链均为5自由度支链，较现有技术，可减少2个转动铰链，有利于降低制造成本，第二实例中，第一支链可进一步减为4自由度支链，即进一步减少了一个转动铰链。

本发明的多自由度混联机器人可视为一个模块，该模块可通过固定架上的机械接口连接于长行程导轨、大角度回转机构等，以便大幅度提高其工作范围，也可将本发明的多自由度度机器人安装在同一机械结构上进行大规模或较大规模的流水作业。

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 (2)

1.一种五自由度过约束混联机器人，包括：固定架（4）、动平台（5）、连接在所述动平台（5）末端的2自由度定位头（6），以及设置在所述固定架（4）与动平台（5）之间的第一支链（1）、第二支链（2）和第三支链（3），其特征在于：

所述的第一支链（1）和第二支链（2）结构相同，其中任一个都包括有转动叉（7），通过具有一个转动自由度的铰链连接在转动叉（7）的凹槽内的长度调节装置（8），固接在长度调节装置（8）一端的驱动装置（10），固接在长度调节装置（8）另一端的T形铰（9）；所述的转动叉（7）的底端通过具有一个转动自由度的铰链与所述的固定架（4）相连，连接转动叉（7）和固定架（4）的转动轴线与连接长度调节装置（8）和转动叉（7）的转动轴线垂直相交；所述第一支链（1）上的T形铰（9）通过具有一个转动自由度的铰链连接第一转动圈（11），连接第一支链（1）上的长度调节装置（8）和转动叉（7）的转动轴线与连接第一支链（1）上的T形铰（9）和第一转动圈（12）的转动轴线相平行；所述第二支链（2）上的T形铰（9）通过具有一个转动自由度的铰链连接第二转动圈（12），连接第二支链（2）上的长度调节装置（8）和转动叉（7）的转动轴线与连接第二支链（2）上的T形铰（9）和第二转动圈（12）的转动轴线相平行；

所述的第一转动圈（11）和第二转动圈（12）各自分别通过一个具有一个转动自由度的铰链与动平台（5）相连，连接所述第一转动圈（11）与动平台（5）的转动轴线与连接所述第二转动圈（12）与动平台（5）的转动轴线共线；

所述的第三支链（3）贯穿的设置在固定架（4）的中间部位，包括有通过具有一个转动自由度的铰链与固定架（4）相连的外圈（36）、通过具有一个转动自由度的铰链与外圈（36）相连的内圈（35）、固定设置在所述内圈（35）内周面上的滑块（37）以及第三长度调节装置，连接所述外圈（36）和固定架（4）的转动轴线与连接所述内圈（35）和外圈（36）的转动轴线垂直相交，所述的第三长度调节装置是由中间两侧开有槽孔的圆管（32）、固定在圆管（32）上并与所述的滑块（37）对应设置的导轨（38）、固接在圆管（32）顶部的电机（31）、与电机（31）输出轴连接的丝杆（33）以及与内圈（35）固接且与所述丝杆（33）形成丝杆螺旋副的丝杆螺母（34）构成，其中，所述的导轨（38）与内圈（35）内周面上的滑块（37）滑移的连接，使所述第三长度调节转置与所述内圈（35）构成移动副，所述圆管（32）的末端与动平台（5）固接；

所述的第一支链（1）上的转动叉（7）和第二支链（2）上的转动叉（7）对称的设置在所述固定架（4）的左右两侧，且连接第一支链（1）上的转动叉（7）和固定架（4）的转动轴线与连接第二支链（2）上的转动叉（7）和固定架（4）的转动轴线相交于一点，所述的该相交点与：连接所述外圈（36）和固定架（4）的转动轴线与连接所述内圈（35）和外圈（36）的转动轴线相交的交点重合；

所述的连接第一转动圈（11）与动平台（5）的转动轴线与连接第二转动圈（12）与动平台（5）的转动轴线均通过所述的连接第一支链（1）上的转动叉（7）和固定架（4）的转动轴线与连接第二支链（2）上的转动叉（7）和固定架（4）的转动轴线相交的那一点。

2.根据权利要求1所述的五自由度过约束混联机器人，其特征在于，当连接第一支链（1）上的转动叉（7）与固定架（4）的转动轴线与连接外圈（36）与固定架（4）的转动轴线共线时，所述的第一转动圈（11）与动平台（5）固定连接。