CN102699899A - 过约束高刚度多坐标混联机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种过约束高刚度多坐标混联机器人，包括：固定架、动平台、连接在所述动平台末端的两自由度的定位头、设置在固定架与动平台之间第一支链、第二支链、第三支链和第四支链。第一支链包括第一铰链和第一伸缩杆；所述第一铰链设置在固定架中间部位，所述第一伸缩杆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，所述第二、第三和第四支链空间面对称布置在固定架周围，所述第一、第二、第三支链运动平面为同一平面，且第二、第三支链可通过仅具有一个自由度的转动副与动平台连接。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

过约束高刚度多坐标混联机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人。特别是涉及一种过约束高刚度多坐标混联机器人。

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，提供一种具有良好的制造和装配工艺性的过约束高刚度多坐标混联机器人。

本发明所采用的技术方案是：一种过约束高刚度多坐标混联机器人，包括：固定架、动平台、连接在所述动平台末端的两自由度的定位头、设置在固定架与动平台之间第一支链、第二支链、第三支链和第四支链；

所述的第一支链贯穿的设置在固定架的中心位置，第二支链和第三支链分别设置在第一支链的左右两侧，且所述第一支链、第二支链和第三支链的运动平面为同一平面，所述第四支链设置在第一支链的下方；

所述的第一支链包括：由外圈和内圈构成的具有两个转动自由度的铰链、固定在所述内圈内周面上的滑块、伸缩杆以及固定在所述伸缩杆上的导轨，所述的外圈通过具有一个转动自由度的铰链连接在固定架的中心位置，所述内圈通过具有一个转动自由度的铰链与外圈相连，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，固定在所述伸缩杆上的导轨与固定在所述内圈内周面上的滑块滑移的连接，使所述伸缩杆与所述内圈构成移动副，所述伸缩杆的末端与动平台固接；

所述的第二支链和第三支链结构完全相同，均包括有转动叉、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、固定连接在长度调节装置一端的驱动装置以及固定连接在长度调节装置另一端的T形铰，所述T形铰通过具有一个转动自由度的铰链与所述动平台相连，所述的转动叉通过具有一个转动自由度的铰链与固定架相连，连接所述转动叉和固定架的转动轴线与连接所述长度调节装置与转动叉的转动轴线垂直相交；

所述的第四支链包括有第四转动叉、通过具有一个转动自由度的铰链连接在第四转动叉的凹槽内的第四长度调节装置、固定连接在第四长度调节装置一端的第四驱动装置以及固定连接在第四长度调节装置另一端的第四球铰，所述第四球铰为具有三个转动自由度的铰链，且三个转动轴线不共线但相交于一点，所述第四长度调节装置通过第四球铰与动平台相连，所述的第四转动叉通过具有一个转动自由度的铰链与固定架相连，连接所述第四转动叉和固定架的转动轴线与连接所述第四长度调节装置与第四转动叉的转动轴线垂直相交。

连接所述外圈和固定架的转动轴线、连接第二支链中的转动叉和固定架的转动轴线以及连接第三支链中的转动叉22和固定架的转动轴线三条轴线共线；连接内圈和外圈的转动轴线、连接第二支链中的长度调节装置和转动叉的转动轴线、连接第二支链中的T形铰和动平台的转动轴线、连接第三支链中的长度调节装置和转动叉的转动轴线以及连接第三支链中的T形铰和动平台的转动轴线共五条轴线相互平行。

一种过约束高刚度多坐标混联机器人，包括：固定架、动平台、两自由度的定位头、以及设置在固定架与动平台之间第一支链、第二支链、第三支链和第四支链；

所述的第一支链贯穿的设置在固定架的中心位置，第二支链和第三支链分别设置在第一支链的左右两侧，且所述第一支链、第二支链和第三支链的运动平面为同一平面，所述第四支链设置在第一支链的下方；

所述的第一支链包括：由外圈和内圈构成的具有两个转动自由度的铰链、固定在所述内圈内周面上的滑块、第一伸缩杆、第二伸缩杆以及固定在所述第一伸缩杆上的导轨，所述的外圈通过具有一个转动自由度的铰链连接在固定架的中心位置，所述内圈通过具有一个转动自由度的铰链与外圈相连，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，所述固定在所述第一伸缩杆上的导轨与固定在所述内圈内周面上的滑块滑移的连接，使所述第一伸缩杆和所述内圈构成移动副，所述第一伸缩杆的末端与动平台固接，所述第一伸缩杆的内部套有第二伸缩杆，所述第二伸缩杆贯穿所述动平台，所述动平台上固定设置有导向键，所述第二伸缩杆上与所述的导向键相对应的开有导向槽，所述导向键与所述导向槽滑移的连接，所述的第二伸缩杆的顶端固定设置有丝杆螺母，所述第一伸缩杆的顶端固定设置有驱动装置，所述驱动装置中的输出轴上连接有丝杆，所述丝杆与所述丝杆螺母构成丝杆螺旋副，所述第二伸缩杆的末端与定位头固接。

所述的第二支链和第三支链结构完全相同，均包括有转动叉、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、固定连接在长度调节装置一端的驱动装置，以及固定连接在长度调节装置另一端的T形铰，所述T形铰通过具有一个转动自由度的铰链与所述动平台相连，所述的转动叉通过具有一个转动自由度的铰链与固定架相连，连接所述转动叉和固定架的转动轴线与连接所述长度调节装置与转动叉的转动轴线垂直相交；

所述的第四支链包括有第四转动叉、通过具有一个转动自由度的铰链连接在第四转动叉的凹槽内的第四长度调节装置、固定连接在第四长度调节装置一端的第四驱动装置以及固定连接在第四长度调节装置另一端的第四球铰，所述第四球铰为具有三个转动自由度的铰链，且三个转动轴线不共线但相交于一点，所述第四长度调节装置通过第四球铰与动平台相连，所述的第四转动叉通过具有一个转动自由度的铰链与固定架相连，连接所述第四转动叉和固定架的转动轴线与连接所述第四长度调节装置与第四转动叉的转动轴线垂直相交。

连接所述外圈和固定架的转动轴线、连接第二支链中的转动叉和固定架的转动轴线以及连接第三支链中的转动叉22和固定架的转动轴线三条轴线共线；连接内圈和外圈的转动轴线、连接第二支链中的长度调节装置和转动叉的转动轴线、连接第二支链中的T形铰和动平台的转动轴线、连接第三支链中的长度调节装置和转动叉的转动轴线以及连接第三支链中的T形铰和动平台的转动轴线共五条轴线相互平行。

本发明的过约束高刚度多坐标混联机器人，具有的优点和积极效果是：该机构为面对称机构，固定架的加工及安装表面均在水平或竖直方向，因而具有良好的制造和装配工艺性，并且第二支链和第三支链可采用仅具有一个转动自由度的铰链与动平台相连，与现有技术相比减少了4个转动铰链，因而有利于降低制造成本。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图之一；

图2是本发明实施例1中的T形铰的结构示意图；

图3是本发明实施例1中第一支链及其末端动平台和定位头的结构示意图；

图4是本发明实施例1的结构示意图之二；

图5是本发明实施例2的结构示意图；

图6是本发明实施例2中第一支链及其末端动平台和定位头的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的过约束高刚度多坐标混联机器人做出详细说明。

如图1、图4所示，过约束高刚度多坐标混联机器人，包括：固定架5、动平台6、连接在所述动平台6末端的两自由度的定位头7、设置在固定架5与动平台6之间第一支链1、第二支链2、第三支链3和第四支链4；

所述的第一支链1贯穿的设置在固定架5的中心位置，第二支链2和第三支链3分别设置在第一支链1的左右两侧，且所述第一支链1、第二支链2和第三支链3的运动平面为同一平面，所述第四支链4设置在第一支链1的下方；

如图3所示所述的第一支链1包括：由外圈11和内圈12构成的具有两个转动自由度的铰链、固定在所述内圈12内周面上的滑块13、伸缩杆15以及固定在所述伸缩杆15上的导轨14，所述的外圈11通过具有一个转动自由度的铰链连接在固定架5的中心位置，所述内圈12通过具有一个转动自由度的铰链与外圈11相连，连接所述外圈11和固定架5的转动轴线与连接所述内圈12和外圈11的转动轴线垂直相交，固定在所述伸缩杆15上的导轨14与固定在所述内圈12内周面上的滑块12滑移的连接，使所述伸缩杆15与所述内圈12构成移动副，所述伸缩杆15的末端与动平台6固接；

如图1、图4所示，所述的第二支链2和第三支链3结构完全相同，均包括有转动叉22、通过具有一个转动自由度的铰链连接在转动叉22的凹槽内的长度调节装置23、固定连接在长度调节装置23一端的驱动装置21以及固定连接在长度调节装置23另一端的T形铰24，所述驱动装置21使所述长度调节装置23成为主动移动副，所述T形铰24通过具有一个转动自由度的铰链与所述动平台6相连，所述的转动叉22通过具有一个转动自由度的铰链与固定架5相连，连接所述转动叉22和固定架5的转动轴线与连接所述长度调节装置23与转动叉22的转动轴线垂直相交；

如图2所示，所述T形铰24包括有主体241，所述主体241的一侧与长度调节装置23固定连接，所述主体241远离长度调节装置23的那一侧的两端分别延长的形成有用于与动平台6连接的纵铰轴242。

所述的第四支链4包括有第四转动叉42、通过具有一个转动自由度的铰链连接在第四转动叉42的凹槽内的第四长度调节装置43、固定连接在第四长度调节装置43一端的第四驱动装置41以及固定连接在第四长度调节装置43另一端的第四球铰44，所述驱动装置41使所述长度调节装置23成为主动移动副，所述第四球铰44为具有三个转动自由度的铰链，且三个转动轴线不共线但相交于一点，所述第四长度调节装置43通过第四球铰44与动平台6相连，所述的第四转动叉42通过具有一个转动自由度的铰链与固定架5相连，连接所述第四转动叉42和固定架5的转动轴线与连接所述第四长度调节装置43与第四转动叉42的转动轴线垂直相交。

连接所述外圈11和固定架5的转动轴线、连接第二支链2中的转动叉22和固定架5的转动轴线以及连接第三支链3中的转动叉22和固定架5的转动轴线三条轴线共线；连接内圈12和外圈11的转动轴线、连接第二支链2中的长度调节装置23和转动叉22的转动轴线、连接第二支链2中的T形铰24和动平台6的转动轴线、连接第三支链3中的长度调节装置23和转动叉22的转动轴线以及连接第三支链3中的T形铰24和动平台6的转动轴线共五条轴线相互平行。

如图5所示，本发明的过约束高刚度多坐标混联机器人，还可以是包括：固定架5、动平台6、两自由度的定位头7、以及设置在固定架5与动平台6之间第一支链1、第二支链2、第三支链3和第四支链4；

所述的第一支链1贯穿的设置在固定架5的中心位置，第二支链2和第三支链3分别设置在第一支链1的左右两侧，且所述第一支链1、第二支链2和第三支链3的运动平面为同一平面，所述第四支链4设置在第一支链1的下方；

如图6所示，所述的第一支链1包括：由外圈11和内圈12构成的具有两个转动自由度的铰链、固定在所述内圈12内周面上的滑块13、第一伸缩杆20、第二伸缩杆19以及固定在所述第一伸缩杆20上的导轨14，所述的外圈11通过具有一个转动自由度的铰链连接在固定架5的中心位置，所述内圈12通过具有一个转动自由度的铰链与外圈11相连，连接所述外圈11和固定架5的转动轴线与连接所述内圈12和外圈11的转动轴线垂直相交，所述第一伸缩杆20上的导轨14与固定在所述内圈12内周面上的滑块12滑移的连接，使所述第一伸缩杆和所述内圈构成移动副，所述第一伸缩杆20的末端与动平台6固接，所述第一伸缩杆20的内部套有第二伸缩杆19，所述第二伸缩杆19贯穿所述动平台6，所述动平台6上固定设置有导向键61，所述第二伸缩杆19上与所述的导向键61相对应的开有导向槽191，所述导向键61与所述导向槽191滑移的连接，使所述第二伸缩杆与所述的第一伸缩杆及动平台构成移动副，所述的第二伸缩杆19的顶端固定设置有丝杆螺母18，所述第一伸缩杆20的顶端固定设置有驱动装置16，所述驱动装置中的输出轴上连接有丝杆17，所述丝杆17与所述丝杆螺母18构成丝杆螺旋副，所述第二伸缩杆的末端19与定位头7固接。

如图5所示，所述的第二支链2和第三支链3结构完全相同，均包括有转动叉22、通过具有一个转动自由度的铰链连接在转动叉22的凹槽内的长度调节装置23、固定连接在长度调节装置23一端的驱动装置21，以及固定连接在长度调节装置23另一端的T形铰24，所述驱动装置21使所述长度调节装置23成为主动移动副，所述T形铰24通过具有一个转动自由度的铰链与所述动平台6相连，所述的转动叉22通过具有一个转动自由度的铰链与固定架5相连，连接所述转动叉22和固定架5的转动轴线与连接所述长度调节装置23与转动叉22的转动轴线垂直相交；

所述的第四支链4包括有第四转动叉42、通过具有一个转动自由度的铰链连接在第四转动叉42的凹槽内的第四长度调节装置43、固定连接在第四长度调节装置43一端的第四驱动装置41以及固定连接在第四长度调节装置43另一端的第四球铰44，所述驱动装置41使所述长度调节装置23成为主动移动副，所述第四球铰44为具有三个转动自由度的铰链，且三个转动轴线不共线但相交于一点，所述第四长度调节装置43通过第四球铰44与动平台6相连，所述的第四转动叉42通过具有一个转动自由度的铰链与固定架5相连，连接所述第四转动叉42和固定架5的转动轴线与连接所述第四长度调节装置43与第四转动叉42的转动轴线垂直相交。

连接所述外圈11和固定架5的转动轴线、连接第二支链2中的转动叉22和固定架5的转动轴线以及连接第三支链3中的转动叉22和固定架5的转动轴线三条轴线共线；连接内圈12和外圈11的转动轴线、连接第二支链2中的长度调节装置23和转动叉22的转动轴线、连接第二支链2中的T形铰24和动平台6的转动轴线、连接第三支链3中的长度调节装置23和转动叉22的转动轴线以及连接第三支链3中的T形铰24和动平台6的转动轴线共五条轴线相互平行。

第一实施例与第二实施例相比，通过第二伸缩杆19与第一伸缩杆20及动平台6构成的移动副，为机器人末端定位头提供了一个冗余自由度，对机器人的运动空间具有放大的作用。

本发明与现有技术相比，其不同点在于：

（1）具有可重构布局形式，便于不同工况的选择。

（2）该机构为面对称机构，固定架的加工及安装表面均在水平或竖直方向，因而具有良好的制造和装配工艺性，并且第二支链和第三支链可采用仅具有一个转动自由度的铰链与动平台相连，与现有技术相比减少了4个转动铰链，因而有利于降低制造成本。

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 (4)

1.一种过约束高刚度多坐标混联机器人，包括：固定架（5）、动平台（6）、连接在所述动平台（6）末端的两自由度的定位头（7）、设置在固定架（5）与动平台（6）之间第一支链（1）、第二支链（2）、第三支链（3）和第四支链（4）；其特征在于：

所述的第一支链（1）贯穿的设置在固定架（5）的中心位置，第二支链（2）和第三支链（3）分别设置在第一支链（1）的左右两侧，且所述第一支链（1）、第二支链（2）和第三支链（3）的运动平面为同一平面，所述第四支链（4）设置在第一支链（1）的下方；

所述的第一支链（1）包括：由外圈（11）和内圈（12）构成的具有两个转动自由度的铰链、固定在所述内圈（12）内周面上的滑块（13）、伸缩杆（15）以及固定在所述伸缩杆（15）上的导轨（14），所述的外圈（11）通过具有一个转动自由度的铰链连接在固定架（5）的中心位置，所述内圈（12）通过具有一个转动自由度的铰链与外圈（11）相连，连接所述外圈（11）和固定架（5）的转动轴线与连接所述内圈（12）和外圈（11）的转动轴线垂直相交，固定在所述伸缩杆（15）上的导轨（14）与固定在所述内圈（12）内周面上的滑块（12）滑移的连接，使所述伸缩杆（15）与所述内圈（12）构成移动副，所述伸缩杆（15）的末端与动平台（6）固接；

所述的第二支链（2）和第三支链（3）结构完全相同，均包括有转动叉（22）、通过具有一个转动自由度的铰链连接在转动叉（22）的凹槽内的长度调节装置（23）、固定连接在长度调节装置（23）一端的驱动装置（21）以及固定连接在长度调节装置（23）另一端的T形铰（24），所述T形铰（24）通过具有一个转动自由度的铰链与所述动平台（6）相连，所述的转动叉（22）通过具有一个转动自由度的铰链与固定架（5）相连，连接所述转动叉（22）和固定架（5）的转动轴线与连接所述长度调节装置（23）与转动叉（22）的转动轴线垂直相交；

所述的第四支链（4）包括有第四转动叉（42）、通过具有一个转动自由度的铰链连接在第四转动叉（42）的凹槽内的第四长度调节装置（43）、固定连接在第四长度调节装置（43）一端的第四驱动装置（41）以及固定连接在第四长度调节装置（43）另一端的第四球铰（44），所述第四球铰（44）为具有三个转动自由度的铰链，且三个转动轴线不共线但相交于一点，所述第四长度调节装置（43）通过第四球铰（44）与动平台（6）相连，所述的第四转动叉（42）通过具有一个转动自由度的铰链与固定架（5）相连，连接所述第四转动叉（42）和固定架（5）的转动轴线与连接所述第四长度调节装置（43）与第四转动叉（42）的转动轴线垂直相交。

2.根据权利要求1所述的过约束高刚度多坐标混联机器人，其特征在于，连接所述外圈（11）和固定架（5）的转动轴线、连接第二支链（2）中的转动叉（22）和固定架（5）的转动轴线以及连接第三支链（3）中的转动叉22和固定架（5）的转动轴线三条轴线共线；连接内圈（12）和外圈（11）的转动轴线、连接第二支链（2）中的长度调节装置（23）和转动叉（22）的转动轴线、连接第二支链（2）中的T形铰（24）和动平台（6）的转动轴线、连接第三支链（3）中的长度调节装置（23）和转动叉（22）的转动轴线以及连接第三支链（3）中的T形铰（24）和动平台（6）的转动轴线共五条轴线相互平行。

3.一种过约束高刚度多坐标混联机器人，包括：固定架（5）、动平台（6）、两自由度的定位头（7）、以及设置在固定架（5）与动平台（6）之间第一支链（1）、第二支链（2）、第三支链（3）和第四支链（4）；其特征在于：

所述的第一支链（1）贯穿的设置在固定架（5）的中心位置，第二支链（2）和第三支链（3）分别设置在第一支链（1）的左右两侧，且所述第一支链（1）、第二支链（2）和第三支链（3）的运动平面为同一平面，所述第四支链（4）设置在第一支链（1）的下方；

所述的第一支链（1）包括：由外圈（11）和内圈（12）构成的具有两个转动自由度的铰链、固定在所述内圈（12）内周面上的滑块（13）、第一伸缩杆（20）、第二伸缩杆（19）以及固定在所述第一伸缩杆（20）上的导轨（14），所述的外圈（11）通过具有一个转动自由度的铰链连接在固定架（5）的中心位置，所述内圈（12）通过具有一个转动自由度的铰链与外圈（11）相连，连接所述外圈（11）和固定架（5）的转动轴线与连接所述内圈（12）和外圈（11）的转动轴线垂直相交，所述固定在所述第一伸缩杆（20）上的导轨（14）与固定在所述内圈（12）内周面上的滑块（12）滑移的连接，使所述第一伸缩杆和所述内圈构成移动副，所述第一伸缩杆（20）的末端与动平台（6）固接，所述第一伸缩杆（20）的内部套有第二伸缩杆（19），所述第二伸缩杆（19）贯穿所述动平台（6），所述动平台（6）上固定设置有导向键（61），所述第二伸缩杆（19）上与所述的导向键（61）相对应的开有导向槽（191），所述导向键（61）与所述导向槽（191）滑移的连接，所述的第二伸缩杆（19）的顶端固定设置有丝杆螺母（18），所述第一伸缩杆（20）的顶端固定设置有驱动装置（16），所述驱动装置中的输出轴上连接有丝杆（17），所述丝杆（17）与所述丝杆螺母（18）构成丝杆螺旋副，所述第二伸缩杆的末端（19）与定位头（7）固接。

所述的第二支链（2）和第三支链（3）结构完全相同，均包括有转动叉（22）、通过具有一个转动自由度的铰链连接在转动叉（22）的凹槽内的长度调节装置（23）、固定连接在长度调节装置（23）一端的驱动装置（21），以及固定连接在长度调节装置（23）另一端的T形铰（24），所述T形铰（24）通过具有一个转动自由度的铰链与所述动平台（6）相连，所述的转动叉（22）通过具有一个转动自由度的铰链与固定架（5）相连，连接所述转动叉（22）和固定架（5）的转动轴线与连接所述长度调节装置（23）与转动叉（22）的转动轴线垂直相交；

所述的第四支链（4）包括有第四转动叉（42）、通过具有一个转动自由度的铰链连接在第四转动叉（42）的凹槽内的第四长度调节装置（43）、固定连接在第四长度调节装置（43）一端的第四驱动装置（41）以及固定连接在第四长度调节装置（43）另一端的第四球铰（44），所述第四球铰（44）为具有三个转动自由度的铰链，且三个转动轴线不共线但相交于一点，所述第四长度调节装置（43）通过第四球铰（44）与动平台（6）相连，所述的第四转动叉（42）通过具有一个转动自由度的铰链与固定架（5）相连，连接所述第四转动叉（42）和固定架（5）的转动轴线与连接所述第四长度调节装置（43）与第四转动叉（42）的转动轴线垂直相交。

4.根据权利要求3所述的过约束高刚度多坐标混联机器人，其特征在于，连接所述外圈（11）和固定架（5）的转动轴线、连接第二支链（2）中的转动叉（22）和固定架（5）的转动轴线以及连接第三支链（3）中的转动叉22和固定架（5）的转动轴线三条轴线共线；连接内圈（12）和外圈（11）的转动轴线、连接第二支链（2）中的长度调节装置（23）和转动叉（22）的转动轴线、连接第二支链（2）中的T形铰（24）和动平台（6）的转动轴线、连接第三支链（3）中的长度调节装置（23）和转动叉（22）的转动轴线以及连接第三支链（3）中的T形铰（24）和动平台（6）的转动轴线共五条轴线相互平行。

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