CN103112000A - 一种用于高速搬运作业的二自由度平动并联机器人机构 - Google Patents

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杨尹
郭林
周培垄
刘元琦
李良湾
马桂殿
许生炎
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Abstract

一种用于高速搬运作业的二自由度平动并联机器人机构，由机架（1）、动平台（2）和三条支链组成，第一和第二条支链完全相同，由三个轴线平行的转动副组成，其中与机架（1）直接连接的两个转动副设为主动副，安装驱动电机，其特征在于：所述的第三条支链为从动支链，平行四边形机构约束动平台（2）作平动，第一和第二条支链为从动支链，约束动平台的转动自由度。本发明用一条由平行四边形机构组成的支链约束了动平台的转动自由度，使动平台在另外两条支链的约束下仅可作二自由度平动运动。具有结构简单可靠、制造维护成本低、动平台可承受加速度大、易于控制等优点，特别适合用于仅需二自由度平动的高速搬运作业。

Description

一种用于高速搬运作业的二自由度平动并联机器人机构
技术领域
本发明属于工业机器人机构学领域，特别涉及一种用于高速搬运作业的二自由度平动并联机器人机构。
背景技术
在食品、电子、轻工、医药等行业的自动化生产流水线，经常会涉及到一些诸如饼干、树脂镜片等体积小、质量轻产品在两点之间的搬运作业，这种搬运作业一般需要极高的速度，以符合生产流水线的节拍。
目前，工业上应用在此场合较为成熟的工业机器人为瑞士clavel教授发明的delta机器人，delta机器人末端执行器一般具有三平移或三平移、一转动自由度。Delta机器人具有较高的搬运效率，但机构较为复杂，其中含有球铰、胡克铰、移动副等运动副，制造成本和维护成本较高。在点对点高速搬运作业场合，不要求并联机器人末端执行器具有三个或三个以上自由度，一种结构简单、制造成本低的二自由度平动并联机器人机构更为适宜。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单可靠、制造和维护成本低、易于控制、适用于高速搬运作业的二自由度平动并联机器人机构。
一种用于高速搬运作业的二自由度平动并联机器人机构，由机架、动平台和三条支链组成，第一和第二条支链完全相同，由三个轴线平行的转动副组成，其中与机架直接连接的两个转动副设为主动副，安装驱动电机，第一和第二条支链布置于机架两侧，并于机架中心对称；连杆Ⅰ、Ⅲ和连杆Ⅱ、Ⅳ组成连接机架和动平台组成第一和第二条支链；连杆Ⅴ、Ⅵ连接机架和动平台形成平行四边形机构，构成第三条支链，其特征在于：所述的第三条支链为从动支链，平行四边形机构约束动平台作平动，第一和第二条支链为从动支链，约束动平台的转动自由度。
所述的机架和连杆之间、连杆和连杆连接、连杆和动平台之间均用转动铰链连接。
所述的机架和动平台之间还设有第四条支链，安装在机架上的驱动电机通过转轴带动动平台上的末端执行器转动，约束动平台的二自由度平动和一自由度转动。
所述的连杆Ⅴ、Ⅵ、转轴 和机架组成第三条支链的第一个平行四边形机构，连杆Ⅶ，连杆Ⅷ、转轴和动平台组成第三条支链的第二个平行四边形机构，两个平行四边形机构的公共边为转轴，两个平行四边形机构约束动平台作平动。
所述的连杆Ⅴ，Ⅵ，Ⅶ，Ⅷ和机架、动平台形成平行四边机构构成第三条支链，连杆Ⅴ和连杆Ⅶ之间形成移动副，连杆Ⅵ和连杆Ⅷ之间形成移动副,弹性元件可以均匀地伸长或压缩，连接在连杆Ⅴ、Ⅶ和连杆Ⅵ、Ⅷ形成的移动副之间，使连杆Ⅴ、Ⅶ和连杆Ⅵ、Ⅷ移动副位移相等，平行四边形的一边可以变化，扩大动平台的工作空间。
本发明，三条支链中有两条完全相同，对称布置于机架两侧，用一条由平行四边形机构组成的支链约束了动平台的转动自由度，使动平台在另外两条支链的约束下仅可作二自由度平动运动。机构中只含转动铰链，不含球铰、胡克铰等其它运动副，具有结构简单可靠、制造维护成本低、动平台可承受加速度大、易于控制等优点，特别适合用于仅需二自由度平动的高速搬运作业。
附图说明
图1是本发明并联机器人机构的基本构型。
图2是本发明并联机器人机构的延伸构型一。
图3是本发明并联机器人机构的延伸构型二。
图4是本发明并联机器人机构的延伸构型三。
图中：1机架， 2动平台，3连杆Ⅰ、4连杆Ⅱ，5连杆Ⅲ，6连杆Ⅳ，7连杆Ⅴ，8连杆Ⅵ，9转轴，9-1弹性元件，10连杆Ⅶ，11连杆Ⅷ。
具体实施方式
一种用于高速搬运作业的二自由度平动并联机器人机构，由机架1、动平台2和三条支链组成，第一和第二条支链完全相同，由三个轴线平行的转动副组成，其中与机架直接连接的两个转动副设为主动副，安装驱动电机，第一和第二条支链布置于机架两侧，并于机架中心对称；连杆Ⅰ3、连杆Ⅲ5和连杆Ⅱ4、连杆Ⅳ6组成连接机架和动平台2组成第一和第二条支链；连杆Ⅴ7、连杆Ⅵ8连接机架1和动平台2形平行四边形机构，构成第三条支链，第三条支链为从动支链，平行四边形机构约束动平台2作平动，第一和第二条支链为从动支链，约束动平台2的转动自由度。
实施例1：
如图1所示，是本发明并联机器人机构的基本构型。机架1保持不动，动平台2，可作二自由度平动。连杆Ⅰ3、连杆Ⅲ5和连杆Ⅱ4、连杆Ⅳ6组成连接机架和动平台2组成第一和第二条支链。连杆Ⅴ7，连杆Ⅵ8连接机架1和动平台2形平行四边形机构，构成第三条支链。第三条支链为从动支链，平行四边形机构约束动平台2作平动。
实施例2：
如图2示，是本发明并联机器人机构的延伸构型一。机架1保持不动，动平台2可作二自由度平动。连杆Ⅰ3、连杆Ⅲ5和连杆Ⅱ4、连杆Ⅳ6组成连接机架和动平台2组成第一和第二条支链。连杆Ⅴ7、连杆Ⅵ8连接机架1和动平台2形成平行四边形机构，构成第三条支链。第三条支链为从动支链，平行四边形机构约束动平台2作平动。
在此基础上，引入第四条支链，安装在机架上的驱动电机通过转轴9带动动平台2上的末端执行器10转动。该机构能实现二自由度平动和一自由度转动。
实施例3：
如图3示，是本发明并联机器人机构的延伸构型二。机架1保持不动，动平台2可作二自由度平动。连杆Ⅰ3、Ⅲ5和连杆Ⅱ4、Ⅳ6组成连接机架1和动平台2组成第一和第二条支链。连杆Ⅴ7、连杆Ⅵ8、连杆Ⅶ10，连杆Ⅷ11和机架1组成第三条支链的第一个平行四边形机构，连杆Ⅴ7、连杆Ⅵ8、连杆Ⅶ10，连杆Ⅷ11和动平台2组成第三条支链的第二个平行四边形机构，两个平行四边形机构的公共边为转轴9。两个平行四边形机构约束动平台2作平动。
实施例4：
如图4示，是本发明并联机器人机构的延伸构型三。1为机架，保持不动，2为动平台，可作二自由度平动。连杆Ⅰ3、Ⅲ5和连杆Ⅱ4、Ⅳ6组成连接机架1和动平台2组成第一和第二条支链。连杆Ⅴ7、连杆Ⅵ8、连杆Ⅶ10，连杆Ⅷ11和机架1和动平台2形成平行四边机构构成第三条支链。连杆Ⅴ7和连杆Ⅶ10之间形成移动副，连杆Ⅵ8和连杆Ⅷ11之间形成移动副。为弹性元件9-1，可以均匀地伸长或压缩，连接在连杆Ⅴ7、连杆Ⅵ8、连杆Ⅶ10、连杆Ⅷ11形成的移动副之间，以保证。连杆Ⅴ7、连杆Ⅵ8、连杆Ⅶ10，连杆Ⅷ11移动副位移相等，维持平行四边形机构。第三条支链在维持平行四边形机构的基础上，平行四边形的一边允许变化，这样可以扩大动平台的工作空间。
由于驱动电机安装在机架上，且对称布置于机架两侧，该机构在结构上具有良好的对称性，机构在运动过程中，驱动电机的惯量对动力学性能影响小，连杆质量小，动平台可以承受较大的加速度，有助于高速搬运作业。
该机构只含转动副，不含球副、胡克铰、移动副等制造和维护成本较高的运动副，该机构只需两个驱动电机就可驱动机构运动，由该机构制造的高速搬运并联机器人成本低，结构简单可靠，易于控制。

Claims (5)

1.一种用于高速搬运作业的二自由度平动并联机器人机构，由机架（1）、动平台（2）和三条支链组成，第一和第二条支链完全相同，由三个轴线平行的转动副组成，其中与机架（1）直接连接的两个转动副设为主动副，安装驱动电机，第一和第二条支链布置于机架两侧，并于机架中心对称；连杆Ⅰ、Ⅲ（3、5）和连杆Ⅱ、Ⅳ（4、6）组成连接机架和动平台（2）组成第一和第二条支链；连杆Ⅴ、Ⅵ（7、8）连接机架（1）和动平台（2）形成平行四边形机构，构成第三条支链，其特征在于：所述的第三条支链为从动支链，平行四边形机构约束动平台（2）作平动，第一和第二条支链为从动支链，约束动平台的转动自由度。
2.根据权利要求1所述的一种用于高速搬运作业的二自由度平动并联机器人机构，其特征在于：所述的机架（1）和连杆之间、连杆和连杆连接、连杆和动平台之间均用转动铰链连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于高速搬运作业的二自由度平动并联机器人机构，其特征在于：所述的机架（1）和动平台（2）之间还设有第四条支链，安装在机架上的驱动电机通过转轴（9）带动动平台（2）上的末端执行器（10）转动，约束动平台的二自由度平动和一自由度转动。
4.根据权利要求1所述的一种用于高速搬运作业的二自由度平动并联机器人机构，其特征在于：所述的连杆Ⅴ、Ⅵ（7、8）、转轴 (9)和机架（1）组成第三条支链的第一个平行四边形机构，连杆Ⅶ、Ⅷ（10、 11）、转轴 (9)和动平台(2)组成第三条支链的第二个平行四边形机构，两个平行四边形机构的公共边为转轴 (9)，两个平行四边形机构约束动平台 (2)作平动。
5.根据权利要求1所述的一种用于高速搬运作业的二自由度平动并联机器人机构，其特征在于：所述的连杆Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ（7、8、10、11）和机架（1）、动平台（2）形成平行四边机构构成第三条支链，连杆Ⅴ（7）和连杆Ⅶ（10）之间形成移动副，连杆Ⅵ (8)和连杆Ⅷ (11)之间形成移动副,弹性元件(9-1)可以均匀地伸长或压缩，连接在连杆Ⅴ、Ⅶ（7、10）和连杆Ⅵ、Ⅷ（8、11）形成的移动副之间，使连杆Ⅴ、Ⅶ（7、10）和连杆Ⅵ、Ⅷ（8、11）移动副位移相等，平行四边形的一边可以变化，扩大动平台的工作空间。
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