CN103252771B - 一种非对称五自由度混联机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非对称五自由度混联机器人，包括固定架、动平台、圆形导轨、定位头、第一支链、第二支链和第三支链；第一、二、三支链可以沿轴向做伸缩运动，并且第一、二、三支链分别至少具有两个转动自由度，以使支链可以相对于固定架绕各个方向转动；动平台与第一支链下端刚性连接，使得动平台发生空间位移时，机构的空间姿态也同时发生变化；安装在动平台下方的定位头，具有两个转动自由度，可在运动过程中随时调整末端姿态，从而构成非对称五自由度混联机器人。本发明结构简单，成本低，具有较高的刚度和具有较高的精度。

Description

一种非对称五自由度混联机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，尤其是一种非对称五自由度混联机器人。

背景技术

由现有专利文献CN102120205A和CN102133560A可知，现有一类带定位头的混联机器人，包括三自由度并联机构、一对横向平行直线机构和一对纵向平行直线机构，这类机器人具有工作空间与机构体积之比小、刚度低和精度低的缺点。

由现有专利文献GB2173472(或EP0200369、US4790718)、SE8502327(或US4732525)、CN1524662、CN1709657A和CN1439492A可知，现有一类带定位头的空间混联机器人结构，包括几个可沿轴向伸长或缩短的调节装置；所述调节装置的一端通过虎克铰连接在固定架上，所述调节装置的另一端通过三转动自由度铰链与动平台相连；有的专利中还附加了被动支链与动平台刚性连接，并通过虎克铰与固定架相连接，以限制定位头的某几个自由度。在这类机器人的结构中，存在以下几点不足：调节装置末端连接的铰链为三转动自由度铰链，导致机构的整体刚度较低，负载能力较差；被动支链不仅使机构变得复杂，而且运动构件数量多，使其在运动过程中容易发生干涉，减小了工作空间。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种非对称五自由度混联机器人，该机器人具有较高整机刚度、精度以及负载能力。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种非对称五自由度混联机器人，包括固定架、动平台、圆形导轨、定位头、第一支链、第二支链和第三支链；所述第一支链包括一支链虎克铰、一支链托架和一支链直线驱动装置，所述一支链托架通过所述一支链虎克铰与所述固定架相连接，所述一支链托架的下端与所述动平台刚性连接，所述一支链直线驱动装置的输出端与所述一支链托架连接；所述第二支链和所述第三支链设置在所述第一支链的两侧；所述第二支链包括二支链虎克铰、二支链托架、二支链直线驱动装置和二支链圆弧滑块，所述二支链托架通过所述二支链虎克铰与所述固定架相连接，所述二支链托架的下端与所述二支链圆弧滑块通过二支链铰链连接；所述第三支链包括三支链虎克铰、三支链托架、三支链直线驱动装置和三支链铰链座，所述三支链托架通过所述三支链虎克铰与所述固定架相连接，所述三支链托架的下端与所述三支链铰链座通过三支链铰链连接；所述二支链圆弧滑块通过滑动副连接在所述圆形导轨上，所述三支链铰链座固接在所述圆形导轨上，所述圆形导轨固定在所述动平台的周围，所述圆形导轨的几何中心线与所述二支链铰链和所述三支链铰链的转动轴线空间垂直；所述一支链虎克铰设置在所述固定架的中部，所述一支链虎克铰和所述三支链虎克铰的外环旋转轴线共线；

所述定位头具有两个转动自由度，两个转动自由度的旋转轴线相互垂直。

所述一支链直线驱动装置包括伺服电机、丝杠、螺母、螺母支座、轴承座和直线导轨；所述伺服电机固定在所述一支链虎克铰的内环上；所述螺母通过螺纹连接在所述丝杠上，所述螺母固接在所述螺母支座上；所述螺母支座固接在所述一支链托架上；所述直线导轨沿所述第一支链的轴向固定在所述一支链托架上；所述丝杠通过所述螺母支座和所述轴承座支撑在所述一支链托架上，由所述伺服电机驱动，所述轴承座滑动连接在所述直线导轨上。

所述二支链直线驱动装置的结构和所述三支链直线驱动装置的结构均与所述一支链直线驱动装置的结构相同。

所述一支链直线驱动装置、所述二支链直线驱动装置和所述三支链直线驱动装置为直线电机、液压缸和气缸中的任意一种。

本发明具有的优点和积极效果是：

一)由于只有三条主动支链，减少了被动支链，因而减少了运动构件数量，降低了机构的复杂程度，降低了成本；

二)由于与动平台连接的铰链自由度数非常少，因而使整机具有较高的刚度；

三)以最少的铰链数实现了五自由度混联机器人，因而有利于提高整机精度；

四)由于第一支链与动平台刚性连接，可以实现直接测量，因而使整机具有高精度的特点；

五)具有高刚度、高精度、五自由度的特点，可以实现五轴联动数控加工；

六)模块化设计，可实现即插即用，即可单台单独使用，又可以多台联合作业，形成生产线。

附图说明

图1是本发明的机构拓扑结构图；

图2是本发明的整体结构示意图；

图3是本发明的固定架上虎克铰分布图；

图4是本发明中第一支链结构示意图；

图5是本发明中第二支链和第三支链结构示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1，图1是本发明的机构拓扑结构图，有三条支链，第一条支链有一个虎克铰U1和一个移动副P1；第二条支链有一个虎克铰U2、一个移动副P2和两个转动副R2、R1；第三条支链有一个虎克铰U3、一个移动副P3和一个转动副R3。其中，虎克铰U2、U3分布在虎克铰U1两侧，虎克铰U1、U3接地端的铰链旋转轴线共线；再在第一支链末端串联一个两旋转自由度的机构，其转动副为R4、R5，它们的旋转轴相互垂直；由三自由度并联机构和两自由度串联机构形成五自由度机构。

请参阅图2～图5，本发明一种非对称五自由度混联机器人包括固定架1、动平台5、圆形导轨29、定位头6、第一支链2、第二支链3和第三支链4。

所述第一支链包括一支链虎克铰11、一支链托架28和一支链直线驱动装置，所述一支链托架28通过所述一支链虎克铰11与所述固定架1相连接，所述一支链托架28的下端与所述动平台5刚性连接，所述一支链直线驱动装置的输出端与所述一支链托架28连接。

所述第二支链3和所述第三支链4设置在所述第一支链2的两侧；所述第二支链3包括二支链虎克铰12、二支链托架、二支链直线驱动装置和二支链圆弧滑块30，所述二支链托架通过所述二支链虎克铰12与所述固定架1相连接，所述二支链托架的下端与所述二支链圆弧滑块30通过二支链铰链连接，二支链圆弧滑块30通过滑动副连接在所述圆形导轨29上。与所述第二支链3相同，所述第三支链4包括三支链虎克铰13、三支链托架和三支链直线驱动装置，所述三支链托架通过所述三支链虎克铰13与所述固定架1相连接。与所述第二支链3不同的是：所述三支链托架的下端与三支链铰链座31通过三支链铰链连接，三支链铰链座31固接在所述圆形导轨29上。所述圆形导轨29固定在所述动平台5的周围，所述圆形导轨29的几何中心线与所述二支链铰链和所述三支链铰链的转动轴线空间垂直。所述二支链圆弧滑块30绕动平台5做圆周运动。采用橡胶轴承代替圆弧滑块和圆形导轨也可实现上述圆周运动。

上述三个虎克铰均是由外环11a、12a、13a和内环11b、12b、13b组成的，其中外环绕aa轴旋转，内环绕bb轴旋转，所述一支链虎克铰11设置在所述固定架1的中部，二支链虎克铰12和三支链虎克铰13设置在一支链虎克铰11的两侧，且一支链虎克铰11和三支链虎克铰13的外环的旋转轴线共线。所述固定架1通常是左右对称的，所述二支链虎克铰和所述三支链虎克铰对称布置在所述固定架的对称面的两侧。

在本实施例中，上述所有铰链均是由销轴和轴承形成的。

所述定位头6具有两个转动自由度，两个转动自由度的旋转轴线相互垂直。

上述一支链直线驱动装置包括伺服电机21、丝杠25、螺母24、螺母支座23、轴承座27和直线导轨26；所述伺服电机21通过法兰盘22固定在所述一支链虎克铰内环11b上；所述螺母24通过螺纹连接在所述丝杠25上，所述螺母24固接在所述螺母支座23上；所述螺母支座23固接在所述一支链托架28上；所述直线导轨26沿所述第一支链2的轴向固定在所述一支链托架28上；所述丝杠25通过所述螺母支座23和所述轴承座27支撑在所述一支链托架28上，由所述伺服电机21驱动，所述轴承座27滑动连接在所述直线导轨26上。所述伺服电机21带动所述丝杠25转动，从而驱动所述螺母24和所述螺母支座23移动，实现所述一支链托架28进行伸缩运动。

所述二支链直线驱动装置的结构和所述三支链直线驱动装置的结构均与所述一支链直线驱动装置的结构相同。所述一支链直线驱动装置、所述二支链直线驱动装置和所述三支链直线驱动装置为直线电机、液压缸和气缸中的任意一种。

在该机器人中，第一支链2、第二支链3和第三支链4可以沿轴向做伸缩运动，并且第一支链2、第二支链3和第三支链4分别至少具有两个转动自由度，以使支链可以相对于固定架1绕各个方向转动；动平台5与第一支链2下端刚性连接，使得动平台5发生空间位移时，机构的空间姿态也同时发生变化；安装在动平台5下方的定位头6，具有两个转动自由度，可在运动过程中随时调整末端姿态，从而构成非对称五自由度混联机器人。定位头6末端可安装各种执行器，比如，夹持装置、焊枪、刀具等。

本发明采用模块化设计，可以通过固定架1上的机械接口与机架、龙门结构以及进给机构连接使用，还可以将多台本发明的机器人组网放在生产线上联合作业，以提高生产效率。

以上对本发明及其实施方式的描述是示意性的，不是限制性的，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际结构并不局限于此。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，采用其他形式的固定架、直线驱动装置、铰链连接以及定位头，不经过创造性设计所做出的与该技术方案相似的结构方式及实施方式，均应属于本发明的保护范围。

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)

1.一种非对称五自由度混联机器人，其特征在于，包括固定架、动平台、圆形导轨、定位头、第一支链、第二支链和第三支链；

所述第一支链包括一支链虎克铰、一支链托架和一支链直线驱动装置，所述一支链托架通过所述一支链虎克铰与所述固定架相连接，所述一支链托架的下端与所述动平台刚性连接，所述一支链直线驱动装置的输出端与所述一支链托架连接；

所述第二支链和所述第三支链设置在所述第一支链的两侧；

所述第二支链包括二支链虎克铰、二支链托架、二支链直线驱动装置和二支链圆弧滑块，所述二支链托架通过所述二支链虎克铰与所述固定架相连接，所述二支链托架的下端与所述二支链圆弧滑块通过二支链铰链连接；

所述第三支链包括三支链虎克铰、三支链托架、三支链直线驱动装置和三支链铰链座，所述三支链托架通过所述三支链虎克铰与所述固定架相连接，所述三支链托架的下端与所述三支链铰链座通过三支链铰链连接；

所述二支链圆弧滑块通过滑动副连接在所述圆形导轨上，所述三支链铰链座固接在所述圆形导轨上，所述圆形导轨固定在所述动平台的周围，所述圆形导轨的几何中心线与所述二支链铰链和所述三支链铰链的转动轴线空间垂直；

所述一支链虎克铰设置在所述固定架的中部，所述一支链虎克铰和所述三支链虎克铰的外环旋转轴线共线；

所述定位头具有两个转动自由度，两个转动自由度的旋转轴线相互垂直。

2.根据权利要求1所述的非对称五自由度混联机器人，其特征在于，所述一支链直线驱动装置包括伺服电机、丝杠、螺母、螺母支座、轴承座和直线导轨；

所述伺服电机固定在所述一支链虎克铰的内环上；

所述螺母通过螺纹连接在所述丝杠上，所述螺母固接在所述螺母支座上；所述螺母支座固接在所述一支链托架上；

所述直线导轨沿所述第一支链的轴向固定在所述一支链托架上；所述丝杠通过所述螺母支座和所述轴承座支撑在所述一支链托架上，由所述伺服电机驱动，所述轴承座滑动连接在所述直线导轨上。

3.根据权利要求1或2所述的非对称五自由度混联机器人，其特征在于，所述二支链直线驱动装置的结构和所述三支链直线驱动装置的结构均与所述一支链直线驱动装置的结构相同。

4.根据权利要求1所述的非对称五自由度混联机器人，其特征在于，所述一支链直线驱动装置、所述二支链直线驱动装置和所述三支链直线驱动装置为直线电机、液压缸和气缸中的任意一种。