CN104044134A - 一种多自由度可控并联机器人 - Google Patents

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蔡敢为
王麾
张�林
石慧
关卓怀
范雨
王少龙
黄院星
王小纯
王湘
杨旭娟
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Abstract

一种多自由度可控并联机器人,由机架、机身、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆、第七连杆、第八连杆、第九连杆、第十连杆、第十一连杆、第十二连杆和末端执行器连接成并联的四个可控四杆机构闭环执行机构子链和一个串联的执行机构主链,子链控制主链连杆在子链所在平面内运动,第一连杆和机身的运动实现动平台的空间运动。本发明通过四个闭环子链和机身的合成运动实现控制,通过多个连杆与机身的连接实现末端执行器的空间运动,末端执行器运动惯量小,动力学性能好,精度高;电机安装在四杆机构关节上,通过四杆机构上的转动副驱动闭环链运动,从而驱动末端连杆,使末端执行器的活动度和活动空间更大,减小能动力矩。

Description

一种多自由度可控并联机器人
技术领域
[0001] 本发明涉及机器人领域,特别是一种多自由度可控并联机器人。
背景技术
[0002] 机器人技术的发展与应用极大地改变了人类的生产和生活方式。利用机器人不仅 能够迅速而准确地完成枯燥的重复性工作,而且能够在危险、恶劣环境下安全可靠地完成 许多复杂操作,可以大大减轻人们的劳动强度,提高劳动生产率,改善产品质量。作为一种 具有闭链结构的先进机器人,并联机器人在机构学上具有运动惯量低、负载能力强、刚度大 等优点,这恰恰弥补了传统工业机器人在这些方面的不足,使得并联机器人成为一个潜在 的高速度、高精度运动平台。近30年来,研究人员在并联机器人的机构设计、运动学求解与 分析、运动学标定、动力学与控制等方面做了大量的研究工作,并联机器人也逐渐成为机器 人领域的研究与应用热点。传统的串联机器人具有结构简单、工作空间大、操作灵活、正向 运动训求解简便等优点,但是由于所有关节都集中在一条运动链上,串联机器人存在关节 误差累积效应,末端执行器所能达到的位置精度往往有限,而较低的末端执行器刚度和负 载驱动能力进一步限制了串联机器人在实际应用中的性能。
[0003] 并联机器人的基座和末端执行器之间具有环状的闭链约束。与串联机器人相比, 具有运动惯量低、负载能力强、刚度大等优点,驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位 置,这样运动部分重量轻,速度高,动态响应好;但是并联机器人的明显缺点是工作空间小 和结构复杂。而含有对称机构式的闭环子链的并联机器人的性能比一般的并联机构更加优 越,具有工作空间大、刚度高、承载能力强、惯量小和末端执行器精度高等优点,能应用在焊 接、喷涂、搬运、装卸、装配、码垛等复杂作业中,有效的提高劳动效率,在产品质量和稳定性 方面有很大提高。此含并联闭环子链的机器人采用间接驱动方式,还能有效的减小驱动关 节所需要的力矩。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种多自由度可控并联机器人,解决传统串联机器人关于 所需力矩大,刚度低和定位精度差的缺点。
[0005] 本发明通过以下技术方案达到上述目的:一种多自由度可控并联机器人,包括机 架、机身、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆、第七连杆、第八连 杆、第九连杆、第十连杆、第i 连杆、第十二连杆和末端执行器,
[0006] 机身的第一个连接端通过第一转动副连接在机架上,机身的第二个连接端通过第 二转动副与第一连杆一端连接,第一连杆另一端通过第三转动副与第二连杆第一个连接端 连接,第二连杆第二个连接端通过第四转动副与第三连杆一端连接,第三连杆另一端通过 第五转动副与第四连杆一端连接,第四连杆另一端通过第六转动副与第五连杆第三个连接 端连接;第二连杆第三个连接端通过第七转动副与第五连杆第一个连接端连接;机身的第 三个连接端通过第八转动副与第五连杆第二个连接端连接,第五连杆第四个连接端通过第 九转动副与第六连杆第一个连接端连接,第六连杆第二个连接端通过第十转动副与第八连 杆连接,第八连杆另一端通过第十一转动副与第七连杆第二个连接端连接,第六连杆第三 个连接端通过第十二转动副与第九连杆一端连接,第九连杆另一端通过第十三转动副与第 七连杆第三个连接端连接,第七连杆第一个连接端通过第十四转动副与第五连杆第五个连 接端连接,第七连杆第四个连接端与第十连杆一端刚性连接,第十连杆另一端通过第十五 转动副与第十一连杆一端连接,第十一连杆另一端通过第十六转动副与第十二连杆一端连 接,第十二连杆另一端通过第十七转动副与末端执行器连接;
[0007] 所述的机身通过第一转动副驱动,第一转动副通过电机驱动;第一连杆通过第二 转动副驱动,第二转动副通过电机驱动;第i^一连杆通过第十五转动副驱动,第十五转动副 通过电机驱动;第十二连杆通过第十六转动副驱动,第十六转动副通过电机驱动;末端执 行器通过第十七转动副驱动,第十七转动副通过电机驱动;
[0008] 所述第一转动副垂直于机架,第二转动副、第三转动副、第四转动副、第五转动副、 第六转动副、第七转动副、第八转动副、第九转动副、第十转动副、第i^一转动副、第十二转 动副和第十三转动副旋转轴线相互平行。
[0009] 本发明的突出优点在于:
[0010] 1、通过两个并联闭环子链,提高了机器人机构的刚度,并且闭环子链机构式的设 计大大提高机器人的工作空间,能避免机构的死点位置,微调装置能使机器人的作用范围 更大,并且能使机构更好的保持平衡;
[0011] 2、与传统的电机是安装在每个关节处的工业机器人相比,机构通过两个并联闭环 子链连接的机器人的电机是安装在四杆机构关节上,通过四杆机构上的运动副驱动闭环链 运动,从而间接驱动末端连杆,使末端执行器的活动度和活动空间更大,能减小能动力矩;
[0012] 3、机构上的微调装置与传统的带有局部闭链的操作机相比,重心集中在微调装置 上,机构平衡性好,能使机器人机构承受更大的力和力矩,杆件做成轻杆,机构运动惯量小, 动力学性能好,可以应用于焊接、喷涂、搬运、装卸、装配、码垛等复杂作业中。
附图说明
[0013] 图1为本发明所述一种多自由度可控并联机器人的结构示意图。
[0014] 图2为本发明所述一种多自由度可控并联机器人的机身结构示意图。
[0015] 图3为本发明所述一种多自由度可控并联机器人的第五连杆示意图。
[0016] 图4为本发明所述一种多自由度可控并联机器人的第六连杆示意图。
[0017] 图5为本发明所述一种多自由度可控并联机器人的第七连杆示意图。
[0018] 图6为本发明所述一种多自由度可控并联机器人的第十一连杆示意图。
[0019] 图7为本发明所述一种多自由度可控并联机器人的第十二连杆示意图。
[0020] 图8为本发明所述一种多自由度可控并联机器人的第一工作示意图。
[0021] 图9为本发明所述一种多自由度可控并联机器人的第二工作示意图。
[0022] 图10为本发明所述一种多自由度可控并联机器人的第三工作示意图。
具体实施方式
[0023] 下面结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
[0024] 对照图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7, 一种多自由度可控并联机器人,由机身 2、第一连杆20、第二连杆17、第三连杆3、第四连杆5、第五连杆10、第六连杆7、第七连杆 12、第八连杆9、第九连杆14、第十连杆21、第十一连杆22、第十二连杆23、末端执行器24及 机架1连接而成,其结构和连接方式为:
[0025] 机身2第一个连接端通过第一转动副25连接在机架1上,机身2通过第一转动副 25驱动,第一转动副25通过电机驱动,机身2第二个连接端通过第二转动副26与第一连杆 20 -端连接,第一连杆20通过第二转动副26驱动,第二转动副26通过电机驱动,第一连杆 20另一端通过第三转动副19与第二连杆17第一个连接端连接,第二连杆17第二个连接端 通过第四转动副18与第三连杆3 -端连接,第三连杆3另一端通过第五转动副4与第四连 杆5 -端连接,第四连杆5另一端通过第六转动副6与第五连杆10第三个连接端连接,第 二连杆17第三个连接端通过第七转动副15与第五连杆10第一个连接端连接,机身2第三 个连接端通过第八转动副16与第五连杆10第二个连接端连接,第五连杆10第四个连接端 通过第九转动副27与第六连杆7第一个连接端连接,第六连杆7第二个连接端通过第十转 动副8与第八连杆9连接,第八连杆9另一端通过第十一转动副11与第七连杆12第二个 连接端连接,第六连杆7第三个连接端通过第十二转动副29与第九连杆14 一端连接,第九 连杆14另一端通过第十三转动副13与第七连杆12第三个连接端连接,第七连杆12第一 个连接端通过第十四转动副28与第五连杆10第五个连接端连接,第七连杆12第四个连接 端30通过刚性连接与第十连杆21 -端连接,第十连杆21另一端通过第十五转动副31与 第i^一连杆22 -端连接,第i^一连杆22通过第十五转动副31驱动,第十五转动副31通过 电机驱动,第i 连杆22另一端通过第十六转动副32与第十二连杆23 -端连接,第十二 连杆23通过第十六转动副32驱动,第十六转动副32通过电机驱动,第十二连杆23另一端 通过第十七转动副33与末端执行器24连接,末端执行器24通过第十七转动副33驱动,第 十七转动副33通过电机驱动。
[0026] 所述第一转动副25垂直于机架1,第二转动副26、第三转动副19、第四转动副18、 第五转动副4、第六转动副6、第七转动副15、第八转动副16、第九转动副27、第十转动副8、 第十一转动副11、第十二转动副29和第十三转动副13的旋转轴线相互平行。
[0027] 对照图8、图9和图10,机身和并联连杆在所在平面内的运动可实现末端执行器24 的空间运动。

Claims (1)

1. 一种多自由度可控并联机器人,其特征在于,包括机架、机身、第一连杆、第二连杆、 第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆、第七连杆、第八连杆、第九连杆、第十连杆、第 i 连杆、第十二连杆和末端执行器, 机身的第一个连接端通过第一转动副连接在机架上,机身的第二个连接端通过第二 转动副与第一连杆一端连接,第一连杆另一端通过第三转动副与第二连杆第一个连接端连 接,第二连杆第二个连接端通过第四转动副与第三连杆一端连接,第三连杆另一端通过第 五转动副与第四连杆一端连接,第四连杆另一端通过第六转动副与第五连杆第三个连接 端连接;第二连杆第三个连接端通过第七转动副与第五连杆第一个连接端连接;机身的第 三个连接端通过第八转动副与第五连杆第二个连接端连接,第五连杆第四个连接端通过第 九转动副与第六连杆第一个连接端连接,第六连杆第二个连接端通过第十转动副与第八连 杆连接,第八连杆另一端通过第十一转动副与第七连杆第二个连接端连接,第六连杆第三 个连接端通过第十二转动副与第九连杆一端连接,第九连杆另一端通过第十三转动副与第 七连杆第三个连接端连接,第七连杆第一个连接端通过第十四转动副与第五连杆第五个连 接端连接,第七连杆第四个连接端与第十连杆一端刚性连接,第十连杆另一端通过第十五 转动副与第十一连杆一端连接,第十一连杆另一端通过第十六转动副与第十二连杆一端连 接,第十二连杆另一端通过第十七转动副与末端执行器连接; 所述的机身通过第一转动副驱动,第一转动副通过电机驱动;第一连杆通过第二转动 副驱动,第二转动副通过电机驱动;第十一连杆通过第十五转动副驱动,第十五转动副通过 电机驱动;第十二连杆通过第十六转动副驱动,第十六转动副通过电机驱动;末端执行器 通过第十七转动副驱动,第十七转动副通过电机驱动; 所述第一转动副垂直于机架,第二转动副、第三转动副、第四转动副、第五转动副、第六 转动副、第七转动副、第八转动副、第九转动副、第十转动副、第i^一转动副、第十二转动副 和第十三转动副旋转轴线相互平行。
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