CN102699901B - 过约束五自由度混联机器人 - Google Patents
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Abstract
一种过约束五自由度混联机器人，包括固定架、动平台、连接于动平台末端的两自由度定位头以及设置在固定架与动平台之间的第一支链、第二支链和第三支链。第三支链包括由第一外圈和第一内圈组成的第一铰链设置在固定架中间部位，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；第一、第二支链的转动叉关于第一铰链对称布置在固定架的左右两侧，且第一、第二支链均通过各自的转动叉转动连接于固定架，通过各自的转动圈转动连接于第一内圈。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
技术领域
本发明涉及一种机器人，特别是涉及一种过约束五自由度混联机器人。
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，提供一种方便实时控制的过约束五自由度混联机器人。
本发明所采用的技术方案是：一种过约束五自由度混联机器人，包括：包括固定架、动平台、连接于动平台末端的两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。
所述第三支链贯穿的设置在固定架的中心部位，包括：由外圈和内圈构成的具有两个转动自由度的第一铰链、固定在所述内圈内周面上的滑块、第三长度调节装置以及与所述滑块相对应且固定设置在第三长度调节装置上的导轨，所述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部位，所述内圈的前端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，使所述第三长度调节装置与所述内圈构成移动副，所述的第三长度调节装置由中间两侧开有槽孔的圆管、固接在圆管顶端的电机、设置在圆管内部且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组成。所述圆管的末端与动平台固接。
所述的第一支链和第二支链结构相同，均包括转动叉、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顶端的驱动装置以及固接在长度调节装置末端的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，所述的第一支链中的T形铰通过具有一个转动自由度的铰链与第一转动圈相连，所述的第二支链中的T形铰通过具有一个转动自由度的铰链与第二转动圈相连，所述第一转动圈和第二转动圈均通过具有一个转动自由度的铰链与内圈相连；
连接所述第一支链中的长度调节装置与转动叉的转动轴线与连接所述第一支链中的T形铰和第一转动圈的转动轴线相互平行；连接所述第二支链中的长度调节装置与转动叉的转动轴线与连接所述第二支链中的T形铰与第二转动圈的转动轴线相互平行。
所述第一支链中的转动叉和第二支链中的转动叉对称的设置在所述固定架的左右两侧，且连接所述第一支链中的转动叉和固定架的转动轴线、连接所述第二支链中的转动叉和固定架的转动轴线相交于第一交点；且所述该第一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。
连接所述第一转动圈和内圈的转动轴线与连接所述第二转动圈和内圈的转动轴线共线，且该共线轴线通过所述第一交点。
当连接第一支链中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内圈固定连接。
本发明的过约束五自由度混联机器人，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第一交点做定点转动，有利于机构做成位置测量装置。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图之一；
图2是本发明实施例1中T形铰的结构示意图；
图3是本发明实施例1的结构示意图之二；
图4是本发明实施例1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是本发明实施例2的结构示意图之一；
图6是本发明实施例2的结构示意图之二。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的过约束五自由度混联机器人做出详细说明。
如图1所示，本发明的过约束五自由度混联机器人，包括：包括固定架4、动平台5、连接于动平台5末端的两自由度定位头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。
如图1、图3、图4所示，所述第三支链3贯穿的设置在固定架4的中心部位，包括：由外圈36和内圈35构成的具有两个转动自由度的第一铰链、固定在所述内圈35内周面上的滑块37、第三长度调节装置以及与所述滑块37相对应且固定设置在第三长度调节装置上的导轨38，所述外圈36通过具有一个转动自由度的铰链连接在固定架4的中心部位，所述内圈35的前端通过具有一个转动自由度的铰链与外圈36相连，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，所述的导轨38与固定在所述内圈35内周面上的滑块37滑移的连接，使所述第三长度调节装置与所述内圈35构成移动副，所述的第三长度调节装置由中间两侧开有槽孔的圆管32、固接在圆管32顶端的电机31、设置在圆管32内部且与电机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组成。所述圆管32的末端与动平台5固接。
如图1、图3所示，所述的第一支链1和第二支链2结构相同，均包括转动叉12、通过具有一个转动自由度的铰链连接在转动叉12的凹槽内的长度调节装置13、固接在长度调节装置13顶端的驱动装置11以及固接在长度调节装置13末端的T形铰14，所述的转动叉12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，连接所述转动叉12和固定架4的转动轴线与连接所述长度调节装置13与转动叉12的转动轴线垂直相交，所述的第一支链1中的T形铰14通过具有一个转动自由度的铰链与第一转动圈15相连，所述的第二支链2中的T形铰14通过具有一个转动自由度的铰链与第二转动圈25相连，所述第一转动圈15和第二转动圈25均通过具有一个转动自由度的铰链与内圈35相连；
如图2所示，所述T形铰14包括有主体141，所述主体141的一侧与长度调节装置13固定连接，所述主体141远离长度调节装置13的那一侧的两端分别延长的形成有用于与第一转动圈15/第二转动圈25连接的纵铰轴142。
连接所述第一支链1中的长度调节装置13与转动叉12的转动轴线与连接所述第一支链1中的T形铰14和第一转动圈15的转动轴线相互平行；连接所述第二支链2中的长度调节装置13与转动叉12的转动轴线与连接所述第二支链2中的T形铰14与第二转动圈25的转动轴线相互平行。
所述第一支链1中的转动叉12和第二支链2中的转动叉12对称的设置在所述固定架4的左右两侧，且连接所述第一支链1中的转动叉12和固定架4的转动轴线、连接所述第二支链2中的转动叉12和固定架4的转动轴线相交于第一交点；且所述该第一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。
连接所述第一转动圈15和内圈35的转动轴线与连接所述第二转动圈25和内圈35的转动轴线共线，且该共线轴线通过所述第一交点。
如图5、图6所示，当连接第一支链1中的转动叉12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15与内圈35可以固定连接。其余结构与实施例1相同；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)本发明的实施例1中，第一和第二支链均为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，实例例2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)
1.一种过约束五自由度混联机器人，包括：包括固定架(4)、动平台(5)、连接于动平台(5)末端的两自由度定位头(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：
所述第三支链(3)贯穿的设置在固定架(4)的中心部位，包括：由外圈(36)和内圈(35)构成的具有两个转动自由度的第一铰链、固定在所述内圈(35)内周面上的滑块(37)、第三长度调节装置以及与所述滑块(37)相对应且固定设置在第三长度调节装置上的导轨(38)，所述外圈(36)通过具有一个转动自由度的铰链连接在固定架(4)的中心部位，所述内圈(35)的前端通过具有一个转动自由度的铰链与外圈(36)相连，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，所述的导轨(38)与固定在所述内圈(35)内周面上的滑块(37)滑移的连接，使所述第三长度调节装置与所述内圈(35)构成移动副，所述的第三长度调节装置由中间两侧开有槽孔的圆管(32)、固接在圆管(32)顶端的电机(31)、设置在圆管(32)内部且与电机(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)组成；所述圆管(32)的末端与动平台(5)固接；
所述的第一支链(1)和第二支链(2)结构相同，均包括转动叉(12)、通过具有一个转动自由度的铰链连接在转动叉(12)的凹槽内的长度调节装置(13)、固接在长度调节装置(13)顶端的驱动装置(11)以及固接在长度调节装置(13)末端的T形铰(14)，所述的转动叉(12)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，连接所述转动叉(12)和固定架(4)的转动轴线与连接所述长度调节装置(13)与转动叉(12)的转动轴线垂直相交，所述的第一支链(1)中的T形铰(14)通过具有一个转动自由度的铰链与第一转动圈(15)相连，所述的第二支链(2)中的T形铰(14)通过具有一个转动自由度的铰链与第二转动圈(25)相连，所述第一转动圈(15)和第二转动圈(25)均通过具有一个转动自由度的铰链与内圈(35)相连，连接所述第一转动圈(15)和内圈(35)的转动轴线与连接所述第二转动圈(25)和内圈(35)的转动轴线共线，且该共线轴线通过第一交点；
连接所述第一支链(1)中的长度调节装置(13)与转动叉(12)的转动轴线与连接所述第一支链(1)中的T形铰(14)和第一转动圈(15)的转动轴线相互平行；连接所述第二支链(2)中的长度调节装置(13)与转动叉(12)的转动轴线与连接所述第二支链(2)中的T形铰(14)与第二转动圈(25)的转动轴线相互平行，所述第一支链(1)中的转动叉(12)和第二支链(2)中的转动叉(12)对称的设置在所述固定架(4)的左右两侧，且连接所述第一支链(1)中的转动叉(12)和固定架(4)的转动轴线、连接所述第二支链(2)中的转动叉(12)和固定架(4)的转动轴线相交于第一交点；且所述第一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。
2.根据权利要求1所述的过约束五自由度混联机器人，其特征在于，当连接第一支链(1)中的转动叉(12)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(15)与内圈(35)固定连接。
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