CN103203741A - 一种三自由度并联机器人机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种三自由度并联机器人机构,属于工业机器人技术领域。该机器人机构是一种立体的实现平面二自由度、末端执行器旋转自由度的可连续旋转三自由度的并联机器人机构。本发明所提供的机器人机构包括机架、运动支链、动平台、滚珠丝杠以及末端执行器,本发明由第一驱动支链驱动第一动平台,保证末端执行器位置精度,由第二驱动支链驱动第二动平台,保证末端执行器姿态精度。本发明机器人机构结构简单,可实现末端执行器的空间控制,使机器人的结构更加简化。

Description

一种三自由度并联机器人机构
技术领域
本发明属于工业机器人技术领域,具体涉及一种三自由度并联机器人机构。
背景技术
轻工、医药、食品和电子等行业的自动化生产线中,诸如分拣、包装、封装等作业往往需要末端执行器在空间中进行高速作业的机械手,因此采用多自由度空间并联机械手则显得没必要,或制造成本太高。专利CN1355087A公开了一种实施例机构,该机构包括机架、动平台和两个支链,所述动平台上设有执行器;所述机架的两端和中心位置分别安装伺服电机;所述动平台通过两个分支与机架连接,形成并联闭环结构;所述两个支链各含有两个平行四边形结构,分别作为驱动杆组和从动杆组,各运动件之间完全采用转动铰链连接;所述执行器由机架中心伺服电机通过传动轴带动移动或旋转。然而,在平动并联机器人机构中,采用动平台上的执行器通过传动轴与机架上的电机相连的方法缩小了机构的工作空间范围,限制了末端执行器加速度的提高,使得位置和姿态精度难以保证。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足,提供一种三自由度并联机器人机构,该机器人机构是一种立体的实现平面二自由度、末端执行器旋转自由度的可连续旋转三自由度的并联机器人机构。
本发明所提供的一种三自由度并联机器人机构包括机架10、运动支链、动平台、滚珠丝杠15以及末端执行器7;所述动平台由第一动平台16、第二动平台17组成,所述第二动平台17位于所述第一动平台16的上方,所述第一动平台16、第二动平台17相互平行设置;所述滚珠丝杠15与所述第一动平台16固接的导向套构成回转副,所述滚珠丝杠15与所述第二动平台17固接的滚珠丝杠螺母构成螺旋副;所述滚珠丝杠15的末端固接末端执行器7;所述运动支链由第一驱动支链和第二驱动支链组成;所述第一驱动支链由第一主动臂4、第二主动臂2、连动臂3和第一从动臂5组成;所述第一主动臂4的杆长与所述连动臂3的杆长相等;所述第一主动臂4与第二主动臂2同心设置;所述第一主动臂4与所述第一从动臂5之间采用转动铰链连接,所述第二主动臂2与所述连动臂3之间采用转动铰链连接,所述连动臂3与所述第一从动臂5之间采用转动铰链连接;所述第一从动臂5通过转动铰链与所述第一动平台16连接;所述第一主动臂4、第二主动臂2、连动臂3和第一从动臂5构成平行四边形结构;所述第二驱动支链由第三主动臂12、第二从动臂9、外副主动臂13、内副从动臂8和连杆架11组成;所述第三主动臂12的杆长与所述外副主动臂13的杆长相等,所述第二从动臂9的杆长与所述内副从动臂8的杆长相等;所述外副主动臂13的两端分别通过球铰链与所述机架10以及所述连杆架11的一端连接;所述内副从动臂8的两端分别与所述第二动平台17以及所述连杆架11的另一端通过球铰链连接;所述第三主动臂12、所述第二从动臂9分别通过转动铰链与所述连杆架11连接;所述第二从动臂9通过转动铰链与所述第二动平台17连接;所述第三主动臂12、外副主动臂13、机架10以及连杆架11的一端构成平行四边形结构,所述第二从动臂9、内副从动臂8、第二动平台17以及连杆架11的另一端构成平行四边形结构;所述连杆架11的两端相对于所述连杆架10的中心构成固定角度,所述连杆架11的两端分别通过球铰链与所述外副主动臂13以及所述内副从动臂8连接;所述机架10上设有第一驱动装置1、第二驱动装置6和第三驱动装置14;所述第一驱动支链的第一主动臂4、第二主动臂2分别由所述第一驱动装置1、第二驱动装置6驱动旋转;所述第二驱动支链的第三主动臂12由所述第三驱动装置14驱动旋转。
所述的第一驱动装置、第二驱动装置和第三驱动装置采用伺服电机-减速器结构。
本发明由第一驱动支链驱动第一动平台16,保证末端执行器7位置精度,由第二驱动支链驱动第二动平台17,保证末端执行器7姿态精度。
本发明与现有技术相比,具有以下技术特点:
(1)本发明的末端执行器的两平动一转动自由度分别由不同的驱动支链驱动;
(2)本发明的末端执行器的工作空间范围相对于其他发明的由其机架上的驱动装置通过传动部件带动末端执行器的工作空间范围更大,且灵活性更高;
本发明所提供的机器人机构,分别以不同驱动支链来实现末端执行器7的二平动一转动,有效提高了机构的灵活性,简化了并联机器人机构,同时较好地保持了机构的惯性小,高速度高加速度,高定位精度和重复定位精度的特点。
本发明的有益效果是:第一驱动支链驱动末端执行器平动,第二驱动支链驱动末端执行器旋转,有效解决了平面机构中末端执行器不能旋转的问题。该机器人机构结构简单,可实现末端执行器的空间控制,使机器人的结构更加简化。
附图说明:
图1  是本发明机构的结构示意图;
图2  是本发明机构的俯视结构示意图;
图3  是图1中的Ⅰ部的放大结构示意图;
图4  是本发明机构中第一驱动支链的平行四边形结构示意图;
图5  是本发明机构中第二驱动支链的平行四边形结构示意图。
图中:1:第一驱动装置,2:第二主动臂,3:连动臂,4:第一主动臂,5:第一从动臂,6:第二驱动装置,7: 末端执行器,8:内副从动臂,9:第二从动臂,10:机架,11:连杆架,12:第三主动臂,13:外副主动臂,14:第三驱动装置,15:滚珠丝杠,16:第一动平台,17:第二动平台。
具体实施方式:
下面结合附图对本发明作进一步描述:
如图1、图2、图3、图4、图5所示,一种三自由度并联机器人机构,由机架10、驱动装置、运动支链、动平台和滚珠丝杠15构成。所述动平台包括第一动平台16和第二动平台17,两者相互平行设置,第二动平台17位于第一动平台16上方;所述滚珠丝杠15与所述第一动平台16固接的导向套构成回转副,所述滚珠丝杠15与所述第二动平台17固接的滚珠丝杠螺母构成螺旋副;所述滚珠丝杠15的末端固接末端执行器7;所述动平台通过所述的运动支链、滚珠丝杠15,与机架10形成闭环并联结构;所述运动支链包括第一驱动支链和第二驱动支链;所述第一驱动支链、第二驱动支链分别通过转动铰链连接第一动平台16和第二动平台17;所述第一驱动支链实现末端执行器7二平动自由度,所述第二驱动支链实现末端执行器7旋转自由度。
见图2、图3、图4,所述第一驱动支链由第一驱动装置1、第二驱动装置6、第一主动臂4、第二主动臂2、连动臂3和第一从动臂5构成;所述第一主动臂4的杆长(见图4中的直线D)等于连动臂3的杆长(见图4中的直线C);所述第一主动臂4和第二主动臂2相对于机架10在同一侧,且同心设置;所述第一主动臂4与所述第一从动臂5之间采用转动铰链连接,所述第二主动臂2与所述连动臂3之间采用转动铰链连接,所述连动臂3与所述第一从动臂5之间采用转动铰链连接;所述第一从动臂5通过转动铰链与所述第一动平台16连接;所述第一主动臂4、第二主动臂2、连动臂3和第一从动臂5构成平行四边形结构。
见图2、图3、图5,所述第二驱动支链由第三驱动装置14、第三主动臂12、第二从动臂9、外副主动臂13、内副从动臂8和连杆架11构成;所述第三主动臂12的杆长(见图5中的直线G)等于所述外副主动臂13的杆长(见图5中的直线H),所述第二从动臂9的杆长(见图5中的直线N)等于内副从动臂8的杆长(见图5中的直线M);所述外副主动臂13的两端分别通过球铰链与所述机架10以及所述连杆架11的一端连接;所述内副从动臂8的两端分别和第二动平台17、连杆架11的另一端通过球铰链连接;所述第三主动臂12、所述第二从动臂9分别通过转动铰链与所述连杆架11连接;所述第二从动臂9通过转动铰链与第二动平台17连接;所述第三主动臂12、外副主动臂13、机架10和连杆架11的一端构成平行四边形结构,所述第二从动臂9、内副从动臂8、第二动平台17和连杆架11的另一端构成平行四边形结构;所述连杆架11的两端相对于所述连杆架11的中心构成固定角度,所述连杆架11的两端分别通过球铰链与所述外副主动臂13以及所述内副从动臂8连接。
所述机架10上设有第一驱动装置1、第二驱动装置6和第三驱动装置14;所述第一驱动支链的第一主动臂4、第二主动臂2分别由第一驱动装置1、第二驱动装置6驱动旋转,从而实现第一动平台16的二平动自由度,实现滚珠丝杠15上的末端执行器7的二平动自由度;所述第二驱动支链的第三主动臂12由第三驱动装置14驱动旋转,从而使得滚珠丝杠15在第二动平台17上固接的滚珠丝杠螺母作用下连续旋转,进而实现滚珠丝杠15上的末端执行器7的旋转自由度;所述驱动装置采用了伺服电机-减速器的结构形式,为与其连接的主动臂提供一个转动自由度,为了达到同样目的,还可以采用扭矩电机驱动,为与其连接的主动臂提供一个转动自由度。在某种应用状况下,也可以采用直线电机的驱动方式,为与其连接的主动臂提供一个移动自由度。当然,在具体实施时,采用其它任意一种可实现相同运动功能的结构形式作为驱动方式都是可以的。
见图4、图5,所述第一驱动支链的平行四边形中,所述第二主动臂2为直线A,所述连动臂3为直线C,所述连动臂3上连接所述第一从动臂5的轴中心线和所述第一主动臂4上连接所述第一从动臂5的轴中心线的之间的连线为直线B,所述第一主动臂4为直线D,直线A等于直线B,直线C等于直线D。由平行四边形定理和性质,直线B和直线A转动的角度始终相等,可得第二驱动装置6设置在直线A、直线D交点处对末端执行器7的动力作用等价于驱动装置6设置在直线B、直线D交点处对末端执行器7的动力作用。所述第二驱动支链的平行四边形中,所述第三驱动装置14输出端上连接所述第三主动臂12的轴中心和机架10上连接所述外副主动臂13的轴中心的之间的连线为直线E,所述外副主动臂13为直线H,所述连杆架11上连接所述第三主动臂12的轴中心和外副主动臂13的轴中心的之间的连线为直线F,所述第三主动臂12为直线G,所述连杆架11上连接所述第二从动臂9的轴中心和内副从动臂8的轴中心的之间的连线为直线K,所述内副从动臂8为直线M,所述第二动平台17上连接所述第二从动臂9的轴中心和内副从动臂8的轴中心的之间的连线为直线段L,所述第二从动臂9为直线段N,直线段E等于直线段F,直线段G等于直线H,直线K等于直线L,直线M等于直线N。由平行四边形定理和性质,直线F和直线K始终成固定角度,直线E相对于机架10底面的位置和角度固定不变,直线L平行于直线K,可得直线L相对于机架10底面成固定角度。由于直线L固定在第二动平台17上,直线L相对于第二动平台17底面的角度等于直线L相对于机架10底面构成的固定角度,可得第二动平台17相对于机架10进行平动。由于所述第一驱动支链连接的第一动平台16与所述滚珠丝杠15构成回转副,所述滚珠丝杠15与第二动平台17构成螺旋副,可得第一动平台16也可相对于机架10进行平动,使得动平台始终平动于机架,进而使得末端执行器7实现两平动一转动。
以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述,该描述没有限制性,附图中所示的也只是本发明的实施方式之一,实际的结构并不局限于此。所以,如果本领域的普通技术人员受其启示,在不脱离本发明创造宗旨的情况下,不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施实例,均应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种三自由度并联机器人机构,其特征在于该机器人机构包括机架(10)、运动支链、动平台、滚珠丝杠(15)以及末端执行器(7);所述动平台由第一动平台(16)、第二动平台(17)组成,所述第二动平台(17)位于所述第一动平台(16)的上方,所述第一动平台(16)、第二动平台(17)相互平行设置;所述滚珠丝杠(15)与所述第一动平台(16)固接的导向套构成回转副,所述滚珠丝杠(15)与所述第二动平台(17)固接的滚珠丝杠螺母构成螺旋副,所述滚珠丝杠(15)的末端固接末端执行器(7);所述运动支链由第一驱动支链和第二驱动支链组成;所述第一驱动支链由第一主动臂(4)、第二主动臂(2)、连动臂(3)和第一从动臂(5)组成;所述第一主动臂(4)的杆长与所述连动臂(3)的杆长相等;所述第一主动臂(4)与第二主动臂(2)同心设置;所述第一主动臂(4)与所述第一从动臂(5)之间采用转动铰链连接,所述第二主动臂(2)与所述连动臂(3)之间采用转动铰链连接,所述连动臂(3)与所述第一从动臂(5)之间采用转动铰链连接;所述第一从动臂(5)通过转动铰链与所述第一动平台(16)连接;所述第一主动臂(4)、第二主动臂(2)、连动臂(3)和第一从动臂(5)构成平行四边形结构;所述第二驱动支链由第三主动臂(12)、第二从动臂(9)、外副主动臂(13)、内副从动臂(8)和连杆架(11)组成;所述第三主动臂(12)的杆长与所述外副主动臂(13)的杆长相等,所述第二从动臂(9)的杆长与所述内副从动臂(8)的杆长相等;所述外副主动臂(13)的两端分别通过球铰链与所述机架(10)以及所述连杆架(11)的一端连接;所述内副从动臂(8)的两端分别与所述第二动平台(17)以及所述连杆架(11)的另一端通过球铰链连接;所述第三主动臂(12)、所述第二从动臂(9)分别通过转动铰链与所述连杆架(11)连接;所述第二从动臂(9)通过转动铰链与所述第二动平台(17)连接;所述第三主动臂(12)、外副主动臂(13)、机架(10)以及连杆架(11)的一端构成平行四边形结构,所述第二从动臂(9)、内副从动臂(8)、第二动平台(17)以及连杆架(11)的另一端构成平行四边形结构;所述连杆架(11)的两端相对于所述连杆架(11)的中心构成固定角度,所述连杆架(11)的两端分别通过球铰链与所述外副主动臂(13)以及所述内副从动臂(8)连接;所述机架(10)上设有第一驱动装置(1)、第二驱动装置(6)和第三驱动装置(14);所述第一驱动支链的第一主动臂(4)、第二主动臂(2)分别由所述第一驱动装置(1)、第二驱动装置(6)驱动旋转;所述第二驱动支链的第三主动臂(12)由所述第三驱动装置(14)驱动旋转。
2.根据权利要求1所述的一种三自由度并联机器人机构,其特征在于所述的第一驱动装置(1)、第二驱动装置(6)和第三驱动装置(14)采用伺服电机-减速器结构。
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