CN103624768A - 一种新型两自由度并联机械手系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型两自由度并联机械手系统，包括一种新型两自由度并联机械手装置，特别涉及一种新型两自由度并联机械手装置的控制方法。包括两组丝杆、两组导轨、两组滑块机构、四根连杆机构和运动输出机构。丝杆和导轨配套使用，约束滑块机构在导杆轴向运动。四根连杆和位于滑块即运动输出机构上的轴承孔形成两组平行四边形，两组平行四边形结构共同约束运动输出机构运动，通过两组滑块和所述的平行四边形机构控制运动输出机构向目标点运动。

Description

一种新型两自由度并联机械手系统

技术领域

本发明涉及一种机械手系统，尤其是涉及一种新型两自由度并联机械手系统。 

背景技术

传统的搬用工作一般采用人工方式，耗时耗力，在劳动力日益紧缺和成本日益增加的背景下，人工方式必将遭市场淘汰。 

一种简单的解决方案是，采用传统的气缸方式：即水平运动的气缸和垂直运动的气缸相结合，实现搬运动作。此种方式虽然实施难度小，但其运动方式过于机械化，不够灵活，搬运动作有过多等待动作，不利于高速运动，而且运动轨迹不易调整，难以胜任对搬运轨迹有较高要求的场合，并且运动过程中伴随有冲击，运动不够稳定平滑。 

另一种方案是采用凸轮，将搬作转化为电机简单的旋转动作，通过精心设计的凸轮轮廓线，保证左后运动输出端的光滑平稳高速运动。不过此种方式不够方便灵活，凸轮机构件加工完成后，一旦需要更改运动轨迹，就需要重新设计凸轮机构，而且一旦发现设计缺陷又难于更改。 

搬运机械手作为自动化领域的一门新兴技术，在所有涉及搬运工作的场合均有有广泛的应用前景。随着国民经济的发展以及工业自动化水平的提高，搬运机械手以其结构紧凑性、运动灵活性、成本、效率、可编程以及维护等方面的优势使其应用逐渐广泛。目前，搬运机械手已广泛应用于电子、食品以及医药等领域。目前机械手多采用串联结构，承载能力有限，运行速度和精度难以提高，且存在精度偏低的特点。如何提高机械手的速 度、精度，保证运动精度，开发节能环保性的新型机械手系统已成为行业迫切的需求。机器人技术的发展已经成为工业自动化的象征。 

发明内容

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的： 

一种新型两自由度并联机械手系统，其特征在于，包括平行安装的第一丝杆副和第二丝杆副、分别设置在第一丝杆副和第二丝杆副下方的第一导轨和第二导轨、设置在第一导轨上且与第一丝杆副连接并能在第一丝杆副驱动下做往复运动的第一滑块机构、设置在第二导轨上且与第二丝杆副连接并能在第二丝杆副驱动下做往复运动的第二滑块机构、通过连杆组件同时与第一滑块机构和第二滑块机构连接的运动输出机构。 

考虑一般“抓取——搬运——放置”的应用，现在对运动路径作如下规划，保证运动的高速度和高精度。应当指出的是，规划的路径用于更好地说明本发明所述的新型两自由度并联机械手装置的原理，而并非用以限定本发明。 

对新型两自由度并联机械手装置进行机构简化，特别的，设定连杆104、106、107和108等长，并在主视图方向投影，得到简化后的三角形机构。以丝杆轴向为X轴，以垂直方向为Y轴，建立如图2所示的坐标系。 

A-B段运动输出机构垂直运动，B-C-D段运动输出机构按两段椭圆弧轨迹运动，D-E段运动输出机构垂直运动。 

设定连杆长度为L，A-B段高度H₁，D-E段高度H₂，假设F为线段B-D的中点，椭圆弧B-C的长轴W₁，线段C-D的长轴W₂，线段C-F为两段椭圆弧共同的短轴，长为H。 

更近一步地，为保证高速运动时也能稳定流畅的运行，对速度作限制，使得A→B由慢到快，B→C由慢到快，C→D由快到慢，D→E由快到慢，E →D由慢到快，D→C由慢到快，C→B由快到慢，B→A由快到慢。 

更近一步地，对加速度作限制，使得A→B→C→D和E→D→C→B→A的速度变化连续不间断。 

点O₁和O₂经过时间t后的X轴坐标分别为O_1x和O_2x，记坐标系原点到O_1xO_2x杆确定的直线的距离为d， 

假定一根虚拟轴，以角速度ω恒速旋转，则设定θ为t时间后虚拟轴的转角， 

θ＝ω*t        (1) 

假定t时间后，O运动到图3所示的位置，此时O的坐标为(P_x(t)，P_y(t))，于是 

P_x(t)=W₁*Cos(90-θ)=W₁*Sin(θ)    (CD段) 

P_y(t)＝-1*(H+W₂*Tan(90-θ))＝-1*(H+W₂*Cot(θ)) 

于是， 

O_1x(t)＝P_x(t)-Sqr(L^2-(d-P_y(t))^2)    (3) 

O_2x(t)＝P_x(t)+Sqr(L^2-(d-P_y(t))^2)    (4) 

将式(1)变换如下： 

t＝θ/ω(ω＞0) 

(5) 

将(5)式分别代入公式(3)、(4)得到： 

O_1x(θ)＝P_x(θ)-Sqr(L^2-(d-P_y(θ))^2) 

(6) 

O_2x(θ)＝P_x(θ)+Sqr(L^2-(d-P_y(θ))^2) 

(7) 

由式(6)和式(7)即可得点O₁和O₂的坐标关于虚拟轴转角θ的函数曲线图，如图4所示。 

对式(6)和式(7)对应的函数曲线进行分割。 

设定初始长度l₀，沿函数曲线逐点扫描，l₀即为前一个控制点与曲线上当前点的距离。 

设定步距角为alpha，于是 

l₀＝l₀+Sqrt((P_x(θ)-P_x(θ-alpha))^2+(P_y(θ)-P_y(θ-alpha))^2)    (9) 

取l_Arc为整个曲线总长，另外设定一个变量l， 

l＝k*l_Arc*Cos(θ/(π+arcTan(H₁/W₁)+ArcTan(H₂/W₂))) 

(8) 

式(8)中，k＞0，称为疏密系数，大小与速度成正比。为保证运动精度，通常取(0，0.1) 

比较l₀与l_Arc的大小，如果满足条件(l₀＜l_Arc)，则当前角度θ处对应的点(P_x(θ)，P_y(θ))即为新的控制点，并将l₀清零，θ增加一个步距alpha，继续遍历后续轨迹上的点； 

否则，当前角度θ处对应的点(P_x(θ)，P_y(θ))即不是控制点，θ增加一个步距alpha，即 

θ＝θ+alpha    (10) 

继续按照(9)式计算最后一个控制点与曲线上当前点的距离l₀。 

如此循环，直到整个运动轨迹循环完成。 

在整个运动周期内，步距按照(8)式的三角函数关系变化。以单个圆表示单个控制点，于是各个控制点的位置关系如图4所示。 

对应于图4，需要说明的是，函数O_1x(θ)和O_2x(θ)的波峰、波谷处，即为滑块转向的临界点。而按照本发明提出的控制方法，加速度按照式(8)确定的关系变化，即趋近临界点方向减速运动，离开临界点时加速运动，临界点处得到速度的极小值。这样就避免了滑块的换向冲击，保证高速运动的稳定性。 

遍历完成后，假定控制点总数为N，另假定每段的虚拟轴步距为l_v，于是对应于曲线上的每个控制段，均有一段步距为l_v的虚拟轴控制段与之相对应。 

这样，我们便建立了虚拟轴与滑块102、103之间的运动关系，驱动虚拟轴以ω匀速旋转，于是丝杆上对应的滑块102、103便按照图3所示的曲线运动，最终驱动运动输出机构按照图2所示的曲线实现运动。 

所述第一丝杆副包括第一丝杆以及套设在第一丝杆上的第一丝杆螺母；第一丝杆通过第一轴承和第二轴承水平安装与支架板上；第二丝杆副包括第五丝杆以及套设在第五丝杆上的第二丝杆螺母；第五丝杆通过第三轴承和第四轴承水平安装与支架板上。 

在上述的一种新型两自由度并联机械手系统，第一滑块机构和第二滑 块机构分别包括第一滑块和第二滑块；所述第一滑块与第一丝杆螺母固连；所述第二滑块第二丝杆螺母固连；所述第一导轨设有用以作第一滑块的机械限位的第三弹性挡块和第四弹性挡块；所述第二滑块也对应设有用作机械限位的第一弹性挡块和第二弹性挡块。 

在上述的一种新型两自由度并联机械手系统，所述的连杆组件包括第一连杆、第二连杆、第三连杆以及第四连杆；所述运动输出机构包括一个夹具座；所述夹具座与第一滑块通过第一连杆、第二连杆连接；夹具座与第二滑块通过第三连杆、第四连杆连接；连杆两端连接处均采用连杆主销钉和副销钉配合主轴承和副轴承连接；主销钉和主轴承之间的相对位置依靠主垫块定位；副销钉和副轴承之间的相对位置依靠副垫块定位；最后，依靠主挡块、副挡块和主紧定螺母和副紧定螺母固定，使得连杆两端的连接处只能转动； 

在上述的一种新型两自由度并联机械手系统，第一连杆、第二连杆、第三连杆以及第四连杆等长；第一滑块上两轴承孔的间距与夹具座上对应的轴承孔间距均相等，第二滑块上两轴承孔的间距与夹具座上对应的轴承孔间距均相等；而第一滑块上两轴承孔的间距与第二滑块上两轴承孔的间距不相等。 

因此，本发明具有如下优点：1.存在这样两组虚拟平行四边形，对于每组平行四边形，均有如下特征：一对顶点在滑块上，另外一对顶点在运动输出机构之上。两根等长连杆分别连接滑块和运动输出机构上的顶点，滑块上两顶点确定的线段、运动输出机构上两顶点确定的线段和两根等长连杆共同确定所述的两组平行四边形；2.根据特征一所述的平行四边形对边平行的特性可知，两组平行四边形共同约束滑块使其在运动平面内不发生旋转，即不具有旋转自由度，而只有导轨轴向和垂直方向的自由度。3. 特别需要提出的是，本发明的新型两自由度并联机械手涉及的一种稳定的三角形机构。已知丝杆上两滑块的绝对坐标的前提下，根据平行四边形对边平行且相等的特性，容易得出，所述的O_1x、O_2x、O形成三角形机构，运动期间保持O_1xO、O_2xO长度不变，为连杆长度；利用三角形机构的稳定性，控制系统通过改变O₁、O₂相对距离和绝对距离的变化，从而驱动O向目标位置运动。4.图1所示仅是本发明所述的新型两自由度并联机械手装置的形式之一。更近一步地，图1中丝杆100所示的同轴安装方式还可以变换为图5中丝杆3和丝杆28所示的并排安装方式，即：图5中的两根丝杆3和28分别安装于隔板14两侧，依靠轴承1、7和25、30固定。更近一步地，滑块5上两组轴承孔的轴心距和滑块27上两组轴承孔的轴心距可以不相等，但要求构成所述的两个平行四边形的轴承孔中，滑块5上的轴承孔距与夹具座10上对应的轴承孔距相等，滑块27上的轴承孔距与夹具座10上对应的轴承孔距相等，连杆8和连杆9的长相等，连杆11和连杆12的长相等，而不要求图5所示的滑块5中两个轴承孔的孔距和滑块27中两个轴承孔的孔距相等，显然的，当滑块5中两个轴承孔的孔距和滑块27中两个轴承孔的孔距不相等时，连杆8的长度当然与连杆11、12的长不相等，并且连杆9的长度当然与连杆11、12的长也不相等，但连杆8、9、11和12构成两组平行四边形的特性保持不变。5.运动轨迹采用直线+1/4椭圆+1/4椭圆+直线的方式。直线段的设计从抓取动作的稳定性考虑，在抓取初期避免尚未抓取稳定的时候就发生平移运动，特地保留出一段垂直运动；圆弧段的设计从运动的效率分析，光滑的运动轨迹更有利于高速运动的稳定性，减少冲击；各个区间段均实现参数化设计，可以综合考虑速度和稳定性来调整各个区间段的参数值；需要指出的是，直线+1/4椭圆+1/4椭圆+直线的方式只是为了便于说明本发明特性而提出的一种较为稳定高效的 运动方式，但并不能用以限制本发明，凡是利用本发明提出的新型两自由度并联机械手装置实现的运动轨迹均属于本发明的内容。6.通过按照式(8)和式(9)的大小关系确定控制点，图4所示的曲线中，使控制点在滑块102、103的波峰及波谷处密集，其他位置处稀疏，疏密变化按照式(8)和式(9)的关系变化。而疏密的变化直接反应速度和加速的的变化。最终使得运动在抓取和放置阶段低速，移载阶段高速，并低速和高速的转换按照三角函数的关系变化，保证运动周期速度连续，避免冲击。7.采用滚珠丝杆和线性导轨，每个滑块由一组滚组丝杆和导轨配合使用。滚组丝杆100安装在运动输出机构105的远端，线性导轨安装在运动输出机构105的近端，滚组丝杆100和线性导轨101的安装位置关系以及滚组丝杆100和线性导轨101的高精度和零间隙特点保证了机构的高精度。 

附图说明

图1为本发明的新型两自由度并联机械手装置机构简图。 

图2为本发明的新型两自由度并联机械手装置的等效运动学模型运动到O点时的位置关系图。 

图3为本发明的新型两自由度并联机械手装置的两个滑块中心的位置关系曲线图。 

图4为本发明的新型两自由度并联机械手装置的控制点分布示意图。 

图5为本发明的新型两自由度并联机械手装置的一实施的主视结构示意图。 

图6为图5的俯视结构示意图。 

图7为为图5的左视结构示意图。 

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。 

实施例： 

如图5所示，第一丝杆3通过轴承2和轴承6水平安装在支架板14上，第五丝杆28通过第三轴承25和第三轴承30水平安装在支架板14上，第一丝杆3和第五丝杆28一个在外侧，一个在内侧，按照并排式结构安装。第三弹性挡块2和第四弹性挡块6用以作第一滑块5的机械限位，第一弹性挡块26和29用以作第二滑块27的机械限位。第一轴承1、第二轴承7、第三轴承25、第四轴承30固定安装于支架板14上，第三弹性挡块2、第四弹性挡块6、第一弹性挡块26、第二弹性挡块29固定安装于支架板14上。 

第一滑块5通过第一丝杆螺母4与第一丝杆3连接，第一丝杆3与导轨13共同约束第一滑块5的旋转自由度及垂直方向的自由度，第五丝杆28与相应导轨共同与约束第二滑块27的旋转自由度及垂直方向的自由度，使其只能沿导轨13的轴向平移。夹具座10与第一滑块5通过第一连杆8、第二连杆9连接，夹具座23与第二滑块27通过第三连杆11、第四连杆12连接，以第二连杆9为例，第二连杆9与第一滑块5及夹具座10的具体链接方式为：第二连杆9与第一滑块5以主销钉17连接，主销钉17依靠主紧定螺母15、主垫块16、主轴承18和主挡块19按照图7所示的安装关系定位；第二连杆9与滑块10以副销钉22连接，副销钉22依靠副紧定螺母20、副垫块21、副挡板23和副轴承24按照图7所示的安装关系定位。同样的，第一连杆8、第三连杆11、第四连杆12也按照类似的安装方式安装，使得所述连杆两端的连接处只能转动。连杆与第一滑块5、27的链接以及连杆与夹具座10的链接处据包含两对轴承副，保证了连接的可靠性和精度。 

本实施中，第一连杆8、第二连杆9、第三连杆11、第四连杆12长度等长，第一滑块5上两轴承孔的间距与第二滑块27上两轴承孔的间距及夹具座10上对应的轴承孔间距均相等。于是，夹具座10上对应的轴承孔两两同轴。如图5所示。 

下面，对新型两自由度并联机械手装置进行运动学分析。 

本实例中， 

第一连杆8、9、11、12长度均为L＝100.000cm 

A-B段高度H₁＝16.000cm 

D-E段高度H₂＝15.000cm 

B-F的长轴W₁＝44.850cm 

D-F的长轴W₂＝40.850cm 

C-F的长为H＝31.000cm。 

丝杆中心轴与坐标系原点垂直高度d＝35.000cm 

对图5所示的新型两自由度并联机械手装置的机构简化，对应于图2的运动学模型，则第一滑块5、第二滑块27上轴承副的中点分别为O_1x、O_2x，夹具座10上两对轴承副的中点在主视图上的中点即为O点，得到对应于图2的运动学模型。 

针对搬运机械手“抓取——搬运——放下——回到原点”的机械动作动作，采用图2所示的运动轨迹，即，A-B段运动输出机构垂直运动，B-C-D段运动输出机构按类椭圆弧轨迹运动，D-E段运动输出机构垂直运动。 

P_y(t)＝-1*(H+W₂*Tan(90-θ))＝-1*(H+W₂*Cot(θ)) 

于是， 

O_1x(t)＝P_x(t)-Sqr(100^2-(35-P_y(t))^2)(13) 

O_2x(t)＝P_x(t)+Sqr(100^2-(35-P_y(t))^2)(14) 

将式(1)变换如下： 

t＝θ/ω(ω＞0) 

(15) 

将(15)式分别代入公式(13)、(14)得到： 

O_1x(θ)＝P_x(θ)-Sqr(100^2-(35-P_y(θ))^2) 

(16) 

O_2x(θ)＝Px(θ)+Sqr(100^2-(35-P_y(θ))^2) 

(17) 

由式(16)和式(17)即可得点O₁和O₂的坐标关于虚拟轴转角θ的函数曲线图，如图4所示。 

对式(16)和式(17)对应的函数曲线进行分割。 

l₀初始化为0，预先设定的参数及椭圆周长公式，容易得出 

l_Arc＝3.14159*(W₁+W₂)/2+W₁+W₂-2*H+H₁+H₂＝152.090cm， 

l＝k*l_Arc*Cos(θ/(π+arcTan(H₁/W₁)+ArcTan(H₂/W₂)))＝4.5627*Cos(θ/0.81697) 

以步距为0.005改变θ，计算沿着运动轨迹方向经过的轨迹的弧长，并将其赋给l₀，即 

l₀＝l₀+Sqrt((P_x(θ)-P_x(θ-0.005))^2+(P_y(θ)-P_y(θ-0.005))^2) 

然后将l₀与当前θ对应的l比较大小： 

如果满足条件(l₀＞l)则当前点即为新的分割点，并将l₀清零，然后θ增加步距0.005计算新的分割点； 

否则，θ增加步距0.005，计算上一点(θ-0.005)与当前点(θ)的直线距离并将该距离与l₀相加，所得结果赋给l₀，考虑到步距角较小，可以以直线代替实际曲线计算实际运动过的周长l₀。 

然后重新比较当前θ对应的l与沿着运动轨迹方向计算经过的轨迹的实际弧长l₀的大小。 

如此循环，直到遍历完整个运动轨迹，在整个运动周期内，分割步距按照(8)式的三角函数关系变化。分割后的效果详见图4所示。 

如前边所述，对应于图4，函数O_1x(θ)和O_2x(θ)的波峰、波谷处，即为滑块转向的临界点。而按照本例中的分割方法，即趋近临界点方向减速运动，离开临界点时加速运动，临界点处得到速度的极小值。这样就避免了滑块的换向冲击，保证高速运动的稳定性。 

遍历完成后，得出N＝192，于是对应于曲线上的每个控制点，均有一段步距为l_v控制段与之相对应。这样，我们便建立了虚拟轴与第一滑块5、第二滑块27之间的运动关系，驱动虚拟轴匀速旋转，虚拟轴转满N＝192个分割段后，对应的θ也变化一个周期，而对应的第一滑块5和第二滑块27也执行完单个周期的运动，最终驱动夹10具座执行一个周期的运动。即丝杆上对应的滑块便按照图4所示的曲线运动，最终驱动运动输出机构按照图3所示的曲线实现运动。 

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。 

尽管本文较多地使用了第一轴承1、弹性挡块2、第一丝杆3、第一丝杆螺母4、第一滑块5、弹性挡块6、第二轴承7、第一连杆8、第二连杆9、夹具座10、第三连杆11、第四连杆12、导轨13、支架板14、主紧定螺母15、主垫块16、主销钉17、主轴承18、主挡块19、副紧定螺母20、副垫块21、副销钉22、副挡块23、副轴承24、第三轴承25、第一弹性挡块26、第二滑块27、第五丝杆28、第二弹性挡块29、第三轴承30、第一丝杆副100、第一导轨101、第一滑块102、第二滑块103、第一连杆组件104、运动输出机构105、第二连杆组件106、第三连杆组件107、第四连杆组件108、第二丝杆副109、第二导轨110等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。 

Claims (5)

1.一种新型两自由度并联机械手系统，其特征在于，包括平行安装的第一丝杆副(100)和第二丝杆副(109)、分别设置在第一丝杆副(100)和第二丝杆副(109)下方的第一导轨(101)和第二导轨(110)、设置在第一导轨(101)上且与第一丝杆副(100)连接并能在第一丝杆副(100)驱动下做往复运动的第一滑块机构(102)、设置在第二导轨(110)上且与第二丝杆副(109)连接并能在第二丝杆副(109)驱动下做往复运动的第二滑块机构(103)、通过连杆组件同时与第一滑块机构(102)和第二滑块机构(103)连接的运动输出机构(105)。 

2.根据权利要求1所述的一种新型两自由度并联机械手系统，其特征在于，所述第一丝杆副(100)包括第一丝杆(3)以及套设在第一丝杆(3)上的第一丝杆螺母(4)；第一丝杆(3)通过第一轴承(1)和第二轴承(7)水平安装与支架板(14)上；第二丝杆副(110)包括第二第五丝杆(28)以及套设在第二第五丝杆(28)上的第二丝杆螺母；第二第五丝杆(28)通过第三轴承(25)和第四轴承(30)水平安装与支架板(14)上。 

3.根据权利要求2所述的一种新型两自由度并联机械手系统，其特征在于，第一滑块机构(102)和第二滑块机构(103)分别包括第一滑块(5)和第二滑块(27)；所述第一滑块(5)与第一丝杆螺母(4)固连；所述第二滑块(27)与第二丝杆螺母固连；所述第一导轨(101)设有用以作第一滑块(5)的机械限位的第三弹性挡块(2)和第四弹性挡块(6)；所述第二滑块(27)也对应设有用作机械限位的第一弹性挡块(26)和第二弹性挡块(29)。 

4.根据权利要求3所述的一种新型两自由度并联机械手系统，其特征在于，所述的连杆组件包括第一连杆(8)、第二连杆(9)、第三连杆(11)以及第四连杆(12)；所述运动输出机构(105)包括一个夹具座(10)；所述夹具座(10)与第一滑块(5)通过第一连杆(8)、第二连杆(9)连接；夹具座(10)与第二滑块(27)通过第三连杆(11)、第四连杆(12)连接；连杆两端连接处均采用连杆主销钉(17)和副销钉(22)配合主轴承(18)和副轴承(24)连接；主销钉(17)和主轴承(18)之间的相对位置依靠主垫块(16)定位；副销钉(22)和副轴承(24)之间的相对位置依靠副垫块(21)定位；最后，依靠主挡块(19)、副挡块(23)和主紧定螺母(15)和副紧定螺母(20)固定，使得连杆两端的连接处只能转动。 

5.根据权利要求4所述的一种新型两自由度并联机械手系统，其特征在于，第一连杆(8)、第二连杆(9)、第三连杆(11)以及第四连杆(12)等长；第一滑块(5)上两轴承孔的间距与夹具座(10)上对应的轴承孔间距均相等，第二滑块(27)上两轴承孔的间距与夹具座(10)上对应的轴承孔间距均相等；而第一滑块(5)上两轴承孔的间距与第二滑块(27)上两轴承孔的间距不相等。 

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