CN104044138B - 8‑ups步行加工并联机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种8‑UPS步行加工并联机器人，由载荷平台(11)、支撑基座(1)和联接载荷平台(11)与基座(1)的直线驱动分支组成，其中：四对直线驱动分支在支撑基座(1)和载荷平台(11)之间对称分布，构成基于UPS并联机构本体的步行机器人；所述的载荷平台(11)上安装有末端执行器(12)；所述的基座(1)固接有二个以上的锁紧销(2)，该机器人足端的锁紧环(3)与锁紧销(2)配合，使该机器人可沿锁紧销(2)轨迹行走。本发明提出了面向工业化应用的步行加工机器人概念。该机器人兼具腿式机器人的高机动性和并联机构的高刚度特点，具备六轴加工、操作和稳定步行能力，并且，可通过系统构型和末端执行器的重构，完成切削、装卸、搬运等多样化任务。本发明可望为极大作业空间和广域分布多工位生产线的高效率加工提出可行的移动式加工解决方案。

Description

8-UPS步行加工并联机器人

技术领域

本发明涉及机器人和机械制造领域，特别是涉及一种8-UPS步行加工并联机器人。

背景技术

面对日益激烈的竞争环境和复杂的客户需求，现代工业要求制造系统具有更高的可重构性、柔性和灵敏度，在诸如汽车装备生产线或半导体制造等工业领域，机器人系统已经得到了广泛的应用。但当面临数十米乃至更大尺度的工件加工任务，或者置身于广域分布的多个加工地点时，通常的固定基座机器人或机械手就不管用了。

因而，将传统的串联机械臂安装在移动平台之上的移动式机械手（多为轮式或履带式）就应运而生，目前已应用于类似于焊接、检查、喷漆等多种生产线。然而，已有的移动机械手在执行钻孔或铣削等加工任务时，具有精度和刚度明显不足的缺陷。目前主流的轮式或履带式移动机械手需要对其移动平台进行独立的控制，并且其自由度有限，也缺乏足够的地形适应性和越障能力。另一方面，并联加工装备虽然可提供良好的刚度和动力学性能，但具有工作空间较小的缺陷。

腿式机器人具有与并联机器人相似的机械结构，其最吸引人的优点是相对较好的地形适应能力。尽管国内外对于腿式机器人的研究已使得它们的机动性、动平衡性能和负载能力等等得到了极大的提升，并且很多腿式机器人被用于探测和军事目的，但是由于腿式机器人的控制复杂性、较低的效率和可靠性，它们至今仍很少被应用于工业实践。

众所周知，研发多足机器人时必须要解决足地摩擦、足地冲击和静态或动态平衡问题，而本发明公开的步行加工机器人和支撑基座所具有的独特结构，使得机器人在工作中仅需实现稳定、快速的静态步行，通过更换载荷平台上的末端执行器还可完成不同的加工任务。这样就使得移动加工机床的概念应用于工业化自动化大生产成为可能。

授权公告号：CN100372657C公开了一种三自由度6－UPS三移动并联机器人，其特征是：三对直线驱动分支在上平台和机座之间呈正三角形对称分布；每对直线驱动分支包括两个结构相同的UPS型同步伸缩驱动分支，每个UPS型分支上端有一个球副，中间有一个移动副，下端有一个万向副与机座联接，移动副由一个机械或液压同步伸缩驱动机构构成；每对直线驱动分支的两球副的距离等于两个万向副垂直轴的距离。该发明相对具有自由度少、容易控制、工作空间大、无冗余自运动、结构对称简单和运动精度高等特点，承载能力及刚度相当于6自由度6-UPS并联机器人的。可设计出相应结构的多种空间三移动式并联机器人、并联机床、微动机器人、医疗器械、大型射电望远镜、保健按摩机械手、三维测量仪、传感器元件以及航天航海模拟器等。

发明内容

本发明目的在于：提供一种8-UPS步行加工并联机器人。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种8-UPS步行加工并联机器人，由载荷平台、支撑基座和联接载荷平台与基座的直线驱动分支组成，其中：

四对直线驱动分支在支撑基座和载荷平台之间对称分布，每对直线驱动分支包括两个结构相同的UPS伸缩驱动分支，形成8条腿，8条腿上安装有8个电机，每个UPS伸缩驱动分支上端通过一个由上横向轴、上纵向轴联接而成的万向副与载荷平台联接，中间由一个机械伸缩驱动机构构成的移动副，下端通过一个由垂直轴、下纵向轴、下横向轴联接而成等效球副经锁紧环与支撑基座联接，构成基于UPS并联机构本体的步行机器人；

所述的载荷平台上安装有末端执行器；

所述的基座固接有二个以上的锁紧销，该机器人足端的锁紧环与锁紧销配合，使该机器人可沿锁紧销轨迹行走。

本发明集并联机构的高刚度、低惯量优势，以及在极大工作空间内的灵活机动能力融为一体，机器人载荷平台上安装有末端执行器，可执行切削加工或抓取操作等任务。

在上述方案基础上，所述8条腿中，每条腿上的机械伸缩驱动机构包括滚珠丝母套、滚珠丝杠，滚珠丝杠上端与滚珠丝母套螺旋联接，下端与下纵向轴转动联接，下纵向轴与下横向轴正交转动联接构成万向副，万向副与垂直轴联接构成等效球面副；垂直轴经锁紧环垂直支撑在基座上。

在8条腿上安装有8个电机，电机和滚珠丝杠之间安装有直齿圆柱齿轮减速器。

在上述方案基础上，所述的机器人载荷平台上安装有末端执行器，通过系统构型和末端执行器的重构，具备六轴加工，用于切削、装卸、搬运。

所述的支撑基座上等距固接有多个锁紧销，所述的支撑基座的轴线相互平行或异面分布。机器人足端安装的锁紧环与支撑基座上固接的锁紧销配合，通过足端锁紧环嵌入基座锁紧销，实现腿的摆起和落下，使所述的机器人在事先铺设好的支撑基座上行走。该机器人可在事先铺设好的支撑基座上行走，即使基座具有不平整表面的也不受影响。机器人足端安装的锁紧环可与支撑基座上固结的锁紧销可靠配合，从而形成可靠的刚性联接。通过足端锁紧环嵌入基座锁紧销，可实现腿的摆起和落下，从而前进一步。

本发明设计的步行加工机器人，其工作模式分为加工模式和步行模式。两种工作模式需要不同的系统拓扑结构。

在上述方案基础上，每条腿上安装有3个电动离合器，共12个离合器，同时每个电机上还安装有制动器。靠近腿末端的离合器使用普通摩擦片，而近载荷平台处离合器使用有润滑作用的凹槽摩擦片。

本发明针对大型工件的切削、装卸、搬运加工任务，或者多个工位分布于较大空间的自动化生产线，本发明提出了可移动加工系统的理念及相应的步行加工机器人设计方法。作为一种可移动的加工系统，步行加工机器人承载能力强、精度高，它将现代机床的六轴加工、可重构功能，并联机构的高刚度、低惯量优势，以及在极大工作空间内的灵活机动能力融为一体，有望成为新一代的可移动加工主流装备。

附图说明

图1是8-UPS并联加工机器人示意图；

图2是UPS支链构型示意图，其中，图2a是5轴加工模式，有N个支撑支链；图2b是步行模式，有N-1个支撑支链和一个分离支链；

图3是系统构型方案示意图，其中，

第一行为加工模式下的可行机器人构型，

第二行为步行模式下的系统构型，

图中箭头代表末端执行器，小点代表摆动腿的末端点，没有小点的支链支撑于基座上，每个周边小圈中的第一位数字代表支链中的驱动器数即支链从其末端到载荷平台的可控自由度数，该周边小圈中第二个数字代表支链的总自由度数，中心小圈中的第一位数字代表控制载荷平台的驱动器数目，第二位数字代表载荷平台和基座间的总自由度数；

图4为UPS支链及其等价低副支链示意图，其中，a轴为下横向轴，d轴为下纵向轴，e轴为垂直轴，b轴为上横向轴，c轴为上纵向轴；

图5为足端锁紧环和基座锁紧销结构示意图。

图中标号说明：

1——支撑基座；2——锁紧销；

3——锁紧环；4——垂直轴；

5——下纵向轴；6——下横向轴；

7——滚珠丝杠；8——滚珠丝母套；

9——上横向轴；10——上纵向轴；

11——载荷平台；12——末端执行器（刀具、手爪等）；

13——作业空间；

C——1～N运动链；PP——载荷平台；

SC——辅助运动链；EE——末端执行器；

BE——支链末端；P——移动驱动副；

R——转动副。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，一种8-UPS步行加工并联机器人，由载荷平台11、支撑基座1和联接载荷平台11与基座1的直线驱动分支组成，其中：

四对直线驱动分支在支撑基座1和载荷平台11之间对称分布，每对直线驱动分支包括两个结构相同的UPS伸缩驱动分支，形成8条腿，8条腿上安装有8个电机，其中，每个UPS伸缩驱动分支上端通过一个由上横向轴9、上纵向轴10联接而成的万向副与载荷平台11联接，中间由一个机械伸缩驱动机构构成的移动副，下端通过一个由垂直轴4、下纵向轴5、下横向轴6联接而成等效球副经锁紧环3与支撑基座1联接，构成基于UPS并联机构本体的步行机器人；

所述的载荷平台11上安装有末端执行器12；

所述的基座1上等距固接有多个锁紧销2，该机器人足端的锁紧环3与锁紧销2配合，使该机器人可沿锁紧销2轨迹行走。

本实施例中，每条腿上的机械伸缩驱动机构包括滚珠丝母套8、滚珠丝杠7，滚珠丝杠7上端与滚珠丝母套8螺旋联接，下端与下纵向轴5转动联接，下纵向轴5与下横向轴6正交转动联接构成万向副，万向副与垂直轴4联接构成等效球面副；垂直轴4经锁紧环3垂直支撑在支撑基座1上。

本发明提出的基于并联机构本体的步行加工机器人可在事先铺设好的金属支撑基座上行走，基座上等距固接有多个锁紧销，其轴线可相互平行或异面分布（此时相当于基座具有不平整表面）。每条腿末端装有足端气动锁紧环，通过足端锁紧环嵌入基座锁紧销，形成可靠配合和刚性联接，可实现腿的摆起和落下，从而前进一步。每组腿上安装有3个电动离合器，共有12个离合器，同时每个电机上还安装有制动器以确保安全；因为不同关节所需的锁紧力不同，所以靠近腿末端的离合器使用普通摩擦片，而动平台处离合器使用有润滑作用的凹槽摩擦片。机器人载荷平台上安装有末端执行器，可执行切削加工或抓取操作等任务。

图1为在加工模式中，机器人的所有腿都固接于基座，锁紧环与锁紧销嵌套配合，这时机器人就是传统的并联机床或混联机床。当载荷平台（PP，playload platform）具有5个以上的自由度时，固接于其上的末端执行器(EE, end effector)就能完成5轴加工任务；否则就应在载荷平台和末端执行器之间增加一条辅助运动链（SC，supplement chain）,该运动链具有载荷平台所欠缺的自由度。

在步行模式中，机器人的摆动腿与基座上的支撑点（锁紧销）分离并到达下一个支撑点，与此同时其他支链（腿）保持与基座的联接。在摆动腿摆起之前，其上的被动关节就应被锁定于固定角度，以便控制摆动腿末端点的位姿。因为腿的摆动，载荷平台和支链间的支链数会减少，载荷平台的自由度当然会改变。此时，基座上的支撑支链中的驱动器已不足以完全控制载荷平台的运动，因此支撑支链中的一些被动关节也应当被锁定于一定角度，以减少载荷平台的自由度。

如上所述，不同的加工任务和工作模式要求系统载荷平台、末端执行器、各支链（腿）及支链末端点具有不同的自由度，这就需要进行相应的支链构型及系统总体构型设计。

本发明公开的不同工作模式下系统拓扑结构如图2所示。

本发明公开的基于并联机构本体的步行加工机器人具有两种基本工作模式，在加工模式时实质是一台并联或混联机床/机械手，而步行模式时则成为一台多足机器人。机器人完成加工任务后，需走向新的工位。在此之前，必须提前锁紧一些被动关节、精确调整载荷平台位姿，以确保加工阶段和步行阶段相互稳定转换。

如图1所示，机器人每组腿由两个支链（2条腿）组成，每条支链仅有一个主动移动关节P，其余皆为被动关节，每条腿上均有3个被动关节安装有可锁紧/松开的离合器。这是因为，当腿摆起时，其足端约束消失，载荷平台处于欠驱动状态（支撑腿数量减少，支撑腿中的驱动器总数会少于载荷平台自由度）。因此必须在腿摆起前就提前锁紧一些被动关节，以确保摆动腿的足端位姿完全受控，即确保足的落点（落点的拓扑形状定义为支撑模式）准确，落下时足端锁紧环能够与基座锁紧销准确嵌合。这样就可在不改变系统构型（支链或驱动器配置）的情况下，使得摆动腿的自由度仍与支撑腿相同。出于稳定性考虑，在步行加工机器人工作的任一阶段，最多仅允许有一条腿可从基座分离。

确定机器人系统自由度所必须的要素为：机构支链数、各支链自由度和各支链主动自由度（驱动器）数。考虑可靠性，静态稳定步行至少需要4足。因为当一条退摆起时，至少还需要三条腿触地，以形成一个包含系统质心在内的支撑多边形。反之，若机器人与支撑物形成可靠的刚性联接，则腿数目可以少于四个。为完成预期的加工或操作任务，系统拓扑构型应满足如下约束：

1)当所有支链都联接到基座上时，载荷平台的自由度必须大于0。如果计算结果小于5，那么需要附加一个运动链到载荷平台和末端执行器之间。若平台自由度为负，则机构无法运动或成为过约束机构。对于后者，需要在各支链间形成特定的布局方式。

2)实现五轴加工任务至少需要5个驱动器。当所有的腿都在地面上时，足式机器人为了实现五轴加工至少需要5个驱动器。五轴加工运动可以分解为载荷平台的运动或者一个附加运动链（位于载荷平台和末端执行器之间）的运动。因为附加运动链不会影响摆动腿末端的运动，所以各支链上总的驱动器数目应该要大于5。

3)驱动冗余自由度必须小于4。本项目定义了移动加工机器人中存在的运动冗余和驱动冗余现象。根据文献检索，机床的驱动冗余自由度一般小于3。虽然驱动冗余现象可能会增加系统的灵活性，但由于体统复杂性和成本原因应避免驱动冗余现象。基于这个原因，驱动冗余度大于4的方案将被排除。

本发明从满足上述运动约束的可能运动链配置中，筛选出来的3种配置如图3所示。

图3列出了系统的三种构型方案，第一行列出了加工模式下的可行机器人构型，第二行列出了步行模式下的系统构型。箭头代表末端执行器（如加工刀具），小点代表摆动腿的末端点，没有小点的支链支撑于基座上。每个周边小圈中的第一位数字代表支链中的驱动器数即支链从其末端到载荷平台的可控自由度数，白圈中第二个数字代表支链的总自由度数。中心小圈中的第一位数字代表控制载荷平台的驱动器数目，中心小圈中的第二位数字代表载荷平台和基座间的总自由度数。

无约束主动支链末端的运动空间即为载荷平台所在位形空间，约束空间为零空间，因此其仅提供驱动，而不提供约束。载荷平台的完整自由度为6，需要的无约束主动支链自由度也为6。常用的无约束主动支链有RUS、PUS和UPS三种。RUS支链制造成本低，但需直接驱动或减速器，且刚度低、安装机架小；PUS制造成本高、刚度高、机架大；UPS制造成本较高，但刚度高、安装机架小。因此本发明选用UPS支链构成并联机构。

在步行模式期间，摆动腿和基座不再形成闭合运动链，故其上的被动关节失去了原有的约束。为了控制摆动腿的末端点，摆动腿上的被动关节应当被锁住以保持该支链的自由度不变。同理，当驱动器数大于载荷平台的自由度数时就存在驱动冗余现象。如果驱动器数目小于载荷平台自由度数，则一些关节应被锁住以增加约束。例如图3中的方案1，构型中具有三个支链，每个支链具有两个驱动器，在加工模式下存在驱动冗余现象，此时机器人的载荷平台有三个自由度但被三个支撑腿上的六个驱动器所控制。一个两自由度末端执行器联接于载荷平台上，在步行模式下带有红点的支链从基座脱离，该支链上的三个自由度应当被锁住。此时，载荷平台具有四个自由度，被两个支撑腿中的四个驱动器所控制。

图3中，系统构型方案2中的支链具有6个自由度，2个驱动器。移动关节适于承受大的负载，因而本发明中支链采用两个主动移动关节。

图4(a) 显示了UPS串联支链，出于步行机构运动是可能需要锁紧一些被动关节的考虑，本发明实际应用的是UPS串联支链的低副等价支链，具体结构为将一个两自由度平面运动链搭接于三个平行轴a、b、c之间，形成并联机器人的支链,其恰好等价于一个UPS，如图4(b)所示。

Claims (6)

1.一种8-UPS步行加工并联机器人，由载荷平台(11)、支撑基座(1)和联接载荷平台(11)与支撑基座(1)的直线驱动分支组成，其特征在于：

四对直线驱动分支在支撑基座(1)和载荷平台(11)之间对称分布，每对直线驱动分支包括两个结构相同的UPS伸缩驱动分支，形成8条腿，每条腿上安装有电机，其中，每个UPS伸缩驱动分支上端通过一个由上横向轴（9）、上纵向轴（10）联接而成的万向副与载荷平台(11)联接，中间由一个机械伸缩驱动机构构成的移动副，下端通过一个由垂直轴（4）、下纵向轴（5）、下横向轴（6）联接而成等效球副经锁紧环(3)与支撑基座(1)联接，构成基于UPS并联机构本体的步行机器人；

所述的载荷平台(11)上安装有末端执行器(12)；

所述的支撑基座(1)固接有二个以上的锁紧销(2)，该机器人足端的锁紧环(3)与锁紧销(2)配合，使该机器人可沿锁紧销(2)轨迹行走；

其中，所述8条腿中，每条腿上的机械伸缩驱动机构包括滚珠丝母套(8)、滚珠丝杠（7），滚珠丝杠(7)上端与滚珠丝母套(8)螺旋联接，下端与下纵向轴(5)转动联接，下纵向轴(5)与下横向轴(6)正交转动联接构成万向副，万向副与垂直轴（4）联接构成等效球面副；垂直轴（4）经锁紧环(3)垂直支撑在基座(1)上；

机器人载荷平台(11)上安装有末端执行器(12)，通过系统构型和末端执行器的重构，具备六轴加工，用于切削、装卸、搬运。

2.根据权利要求1所述的8-UPS步行加工并联机器人，其特征是：在每条腿上安装有一个电机，电机和滚珠丝杠（7）之间安装有直齿圆柱齿轮减速器。

3.根据权利要求l所述的8-UPS步行加工并联机器人，其特征是：在加工模式中，所有腿都固接于支撑基座上，锁紧环与锁紧销嵌套配合，这时机器人作为传统的并联机床或混联机床，当载荷平台具有5个以上的自由度时，固接于其上的末端执行器就能完成5轴加工任务；否则在所述的载荷平台和末端执行器之间增加一条辅助运动链，该运动链具有载荷平台所欠缺的自由度。

4.根据权利要求l所述的8-UPS步行加工并联机器人，其特征是：所述的支撑基座上等距固接有多个锁紧销(2)，所述的支撑基座的轴线相互平行或异面分布；机器人足端安装的锁紧环(3)与支撑基座上（1）固接的锁紧销(2)配合，通过足端锁紧环(3)嵌入基座锁紧销(2)，实现腿的摆起和落下，使所述的机器人在事先铺设好的支撑基座(1)上行走。

5.根据权利要求4所述的8-UPS步行加工并联机器人，其特征是：在步行模式中，锁紧销作为支撑点，机器人的摆动腿与支撑基座上的锁紧销分离并沿锁紧销排布到达下一支撑点，与此同时，其他腿保持与支撑基座的联接，在摆动腿摆起之前，其上的被动关节应被锁定于固定角度，以控制摆动腿末端点的位姿。

6.根据权利要求2 所述的8-UPS步行加工并联机器人，其特征是：每条腿上安装有3个电动离合器，共12个离合器，同时每个电机上还安装有制动器；靠近腿末端的离合器使用普通摩擦片，而载荷平台处离合器使用有润滑作用的凹槽摩擦片。