CN104476050A - 一种具有多自由度的机构式移动焊接机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有多自由度的机构式移动焊接机器人，包括多个并联机构闭环执行机构子链、一个串联的执行机构主链和一个可移动平台。所述的机构闭环子链可控制主链连杆在四杆机构闭环子链所在平面内运动，多个并联连杆子链、机身和可移动平台的运动可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、机身和可移动平台的连接，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，可靠性高，机构具有结构紧凑，控制简单，同时移动和操作的优点，杆件能做成轻杆，并且机构的工作空间大，能作用于更多的场合。

Description

一种具有多自由度的机构式移动焊接机器人

【技术领域】

本发明涉及机器人领域，尤指一种具有多自由度的机构式移动焊接机器人。

【背景技术】

移动机器人的研究始于60年代末期。斯坦福研究院(SRI)的Nils Nilssen和CharlesRosen等人，在1966年至1972年中研发出了取名Shakey的自主移动机器人[1]。目的是研究应用人工智能技术，在复杂环境下机器人系统的自主推理、规划和控制。

根据移动方式来分，可分为：轮式移动机器人、步行移动机器人(单腿式、双腿式和多腿式)、履带式移动机器人、爬行机器人、蠕动式机器人和游动式机器人等类型；按工作环境来分，可分为：室内移动机器人和室外移动机器人；按控制体系结构来分，可分为:功能式(水平式)结构机器人、行为式(垂直式)结构机器人和混合式机器人；按功能和用途来分，可分为:医疗机器人、军用机器人、助残机器人、清洁机器人等。

传统的串联机器人具有结构简单、成本低、工作空间大等优点，相对而言串联机器人刚度低，不能应用于高速，大承载的场合。

并联机器人和串联机器人相比较，具有无累积误差、精度较高、结构紧凑、承载能力大、刚度高且末端执行器惯性小等特点，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，工程上现有的带有局部闭链的操作机如MOTOMAN-K10并没有解决工业机器人存在的问题。

本技术方案的机器人设有对称结构的闭环子链故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，有效的的提高劳动效率，在产品质量和稳定性方面有很大提高；采用圆柱坐标型和关节坐标型的机械手能有效而快捷的对末端机构进行控制，并且这种机构结构刚度好、机械传动精度高、工作空间大、机械传动损耗小、无累积误差能输出较大的动力，具有有良好的控制功能；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】

针对背景技术所述面临的种种问题，本发明的目的在于提供一种具有多自由度的机构式移动焊接机器人。

为达到上述目的，本发明一种具有多自由度的机构式移动焊接机器人所采用的技术方案是：一种具有多自由度的机构式移动焊接机器人，包括移动平台、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、末端执行器；第六连杆沿长度方向设置有第一连接部、第二连接部、以及位于第一连接部下方的第三连接部；机身下端通过第一转动副连接在移动平台上，机身上端的立杆通过第二转动副与第六连杆的第三连接部相连，且立杆设有贯穿相对侧面的纵向长槽；第一连杆中部通过第三转动副连接在机身立杆的纵向长槽内，且第一连杆的两端在纵向长槽的两侧外，第一连杆一端通过第四转动副与第二连杆下端相连，第一连杆另一端通过第五转动副与第三连杆下端相连；第四连杆中部通过第六转动副连接在第六连杆的第一连接部，第五连杆中部通过第七转动副连接在第六连杆的第二连接部；第七连杆在第六连杆一侧其一端通过第八转动副与第四连杆一端和第二连杆上端相连，第七连杆另一端通过第九转动副与第五连杆一端相连，第八连杆在第六连杆相对第七连杆另一侧其一端通过第十转动副与第四连杆另一端和第三连杆上端相连，第八连杆另一端通过第十一转动副与第五连杆另一端相连；第五连杆中部侧向延伸设置有连接部，该连接部与第九连杆一端形成刚性连接；第十连杆一端通过第十二转动副与第九连杆另一端相连，第十连杆另一端通过第十三转动副与第十一连杆一端相连接，第十一连杆另一端通过第十四转动副与末端执行器相连；所述第一转动副垂直于可移动平台，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、第十转动副和第十一转动副旋转轴线相互平行。

进一步地，第一转动副、第三转动副、第十二转动副、第十三转动副、第十四转动副上分别安装有驱动电机。

进一步地，第一连杆两端在第三转动副处相交形成大于90度的夹角；第四连杆两端在第六转动副处相交形成大于90度的夹角；第五连杆两端在第七转动副处相交形成大于90度的夹角。

进一步地，所述第六连杆的第三连接部位于纵向长槽内。

进一步地，所述第九连杆为中空圆柱体，并套设在第五连杆的连接部及第十连杆外。

进一步地，移动平台通过安装在其底部的车轮移动。

进一步地，由第四连杆至第八连杆构成的两个并联闭环子链中，将这些连杆制成厚度较薄的轻杆。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明通过设置移动平台，使机器人拥有几乎无限大的工作空间和高度的运动冗余性，并同时具有移动和操作功能，在代替人从事危险、恶劣环境下作业和人所不及的环境作业方面，有更大的机动性、灵活性，能作用于更多的场合；

2.本发明通过设置两个并联闭环子链，提高了机器人机构的刚度，并且并联闭环子链的设计大大提高了机器人的工作空间，可以避免机器人的死点位置，并且可以使机器材人更好的保持平衡，可以使机器人机构承受更大的力和力矩；

3.与传统机器人将电机安装在每个连杆与连杆之间的关节处相比，本发明的电机安装在第一转动副、第三转动副、第十二转动副、第十三转动副、第十四转动副上，从而降低了整个机构的重心，还可以安装功率较大的电机在机器人上，使末端执行器可以适应在焊接、喷涂、搬运、装卸、装配、码垛等复杂作业中；

4.本发明的机器人在机身与末端执行器之间利用一个带铰链的连杆来连接末端执行器，从而可以使末端执行器灵活度更高，工作空间增大了，可以使末端执行器在小范围内转动360度周角，使机构能适用于更多场合；

5.本发明通过电机驱动闭环子链运动，从而间接驱动第九连杆，使末端执行器的活动度和活动空间更大，能减小能动力矩；

6.本发明的两个并联闭环子链中，这些连杆制成厚度较薄的轻杆，从而使得机器人运动惯量小，动力学性能好。

为便于贵审查委员能对本发明的目的、形状、构造、特征及其功效皆能有进一步的认识与了解，并结合实施例作详细说明。

【附图说明】

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明移动平台的结构示意图；

图3为本发明机身的结构示意图；

图4为本发明第一连杆的结构示意图；

图5为本发明第四连杆的结构示意图；

图6为本发明第五连杆的结构示意图；

图7为本发明第六连杆的结构示意图；

图8为本发明第十连杆的结构示意图；

图9为本发明第十一连杆的结构示意图；

图10为本发明的工作示意图。

具体实施方式的附图标号说明：

移动平台1         机身2            第一连杆3

第二连杆5         第三连杆15       第四连杆7

第五连杆11        第六连杆14       第七连杆9

第八连杆13        第九连杆18       第十连杆18

第十一连杆21      末端执行器23     第一转动副24

第二转动副16      第三转动副25     第四转动副4

连接部28          第五转动副17     第六转动副26

第七转动副27      第八转动副6      第九转动副10

第十转动副8       第十一转动副12   第十二转动副29

第十三转动副20    第十四转动副22

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施例对本发明一种具有多自由度的机构式移动焊接机器人作进一步说明。

请参阅图1至图10，为本发明一种具有多自由度的机构式移动焊接机器人，其包括移动平台1、机身2、第一连杆3、第二连杆5、第三连杆15、第四连杆7、第五连杆11、第六连杆14、第七连杆9、第八连杆13、第九连杆18、第十连杆19、第十一连杆21、末端执行器23；

移动平台1通过安装在其底部的车轮移动；

第六连杆14沿长度方向设置有第一连接部、第二连接部、以及位于第一连接部下方的第三连接部；

机身2下端通过第一转动副24连接在移动平台1上，机身2上端的立杆通过第二转动副16与第六连杆14的第三连接部相连，且立杆设有贯穿相对侧面的纵向长槽，所述第六连杆14的第三连接部位于纵向长槽内；

第一连杆3中部通过第三转动副25连接在机身2立杆的纵向长槽内，且第一连杆3的两端在纵向长槽的两侧外，第一连杆3一端通过第四转动副4与第二连杆5下端相连，第一连杆3另一端通过第五转动副17与第三连杆15下端相连；

第四连杆7中部通过第六转动副26连接在第六连杆14的第一连接部，第五连杆11中部通过第七转动副27连接在第六连杆14的第二连接部；

第七连杆9在第六连杆14一侧其一端通过第八转动副6与第四连杆7一端和第二连杆5上端相连，第七连杆9另一端通过第九转动副10与第五连杆11一端相连，第八连杆13在第六连杆14相对第七连杆9另一侧其一端通过第十转动副8与第四连杆7另一端和第三连杆15上端相连，第八连杆13另一端通过第十一转动副12与第五连杆11另一端相连；

第五连杆11中部侧向延伸设置有连接部28，该连接部28与第九连杆18一端形成刚性连接；

第十连杆19一端通过第十二转动副29与第九连杆18另一端相连，第十连杆19另一端通过第十三转动副20与第十一连杆21一端相连接，第十一连杆21另一端通过第十四转动副22与末端执行器23相连；

所述第九连杆18为中空圆柱体，并套设在第五连杆11的连接部及第十连杆19外；

由第四连杆7至第八连杆13构成的两个并联闭环子链中，将这些连杆制成厚度较薄的轻杆。

其中，第一连杆3两端在第三转动副25处相交形成大于90度的夹角；第四连杆7两端在第六转动副26处相交形成大于90度的夹角；第五连杆11两端在第七转动副27处相交形成大于90度的夹角，第一转动副24、第三转动副25、第十二转动副29、第十三转动副20、第十四转动副22上分别安装有驱动电机，所述第一转动副24垂直于可移动平台1，第二转动副16、第三转动副25、第四转动副4、第五转动副17、第六转动副26、第七转动副27、第八转动副6、第九转动副10、第十转动副8和第十一转动副12旋转轴线相互平行。

工作时，机身2通过第一转动副24驱动，第一连杆3通过第三转动副25驱动，第十连杆19通过第十二转动副29驱动，第十一连杆21通过第十三连杆驱动，末端执行器23通过第十四转动副22驱动。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1.本发明通过设置移动平台，使机器人拥有几乎无限大的工作空间和高度的运动冗余性，并同时具有移动和操作功能，在代替人从事危险、恶劣环境下作业和人所不及的环境作业方面，有更大的机动性、灵活性，能作用于更多的场合；

2.本发明通过设置两个并联闭环子链，提高了机器人机构的刚度，并且并联闭环子链的设计大大提高了机器人的工作空间，可以避免机器人的死点位置，并且可以使机器材人更好的保持平衡，可以使机器人机构承受更大的力和力矩；

3.与传统机器人将电机安装在每个连杆与连杆之间的关节处相比，本发明的电机安装在第一转动副、第三转动副、第十二转动副、第十三转动副、第十四转动副上，从而降低了整个机构的重心，还可以安装功率较大的电机在机器人上，使末端执行器可以适应在焊接、喷涂、搬运、装卸、装配、码垛等复杂作业中；

4.本发明的机器人在机身与末端执行器之间利用一个带铰链的连杆来连接末端执行器，从而可以使末端执行器灵活度更高，工作空间增大了，可以使末端执行器在小范围内转动360度周角，使机构能适用于更多场合；

5.本发明通过电机驱动闭环子链运动，从而间接驱动第九连杆，使末端执行器的活动度和活动空间更大，能减小能动力矩；

6.本发明的两个并联闭环子链中，这些连杆制成厚度较薄的轻杆，从而使得机器人运动惯量小，动力学性能好。

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (7)

1.一种具有多自由度的机构式移动焊接机器人，其特征在于：包括移动平台、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、末端执行器；

第六连杆沿长度方向设置有第一连接部、第二连接部、以及位于第一连接部下方的第三连接部；

机身下端通过第一转动副连接在移动平台上，机身上端的立杆通过第二转动副与第六连杆的第三连接部相连，且立杆设有贯穿相对侧面的纵向长槽；

第一连杆中部通过第三转动副连接在机身立杆的纵向长槽内，且第一连杆的两端在纵向长槽的两侧外，第一连杆一端通过第四转动副与第二连杆下端相连，第一连杆另一端通过第五转动副与第三连杆下端相连；

第四连杆中部通过第六转动副连接在第六连杆的第一连接部，第五连杆中部通过第七转动副连接在第六连杆的第二连接部；

第七连杆在第六连杆一侧其一端通过第八转动副与第四连杆一端和第二连杆上端相连，第七连杆另一端通过第九转动副与第五连杆一端相连，第八连杆在第六连杆相对第七连杆另一侧其一端通过第十转动副与第四连杆另一端和第三连杆上端相连，第八连杆另一端通过第十一转动副与第五连杆另一端相连；

第五连杆中部侧向延伸设置有连接部，该连接部与第九连杆一端形成刚性连接；

第十连杆一端通过第十二转动副与第九连杆另一端相连，第十连杆另一端通过第十三转动副与第十一连杆一端相连接，第十一连杆另一端通过第十四转动副与末端执行器相连；

所述第一转动副垂直于可移动平台，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、第十转动副和第十一转动副旋转轴线相互平行。

2.如权利要求1所述的一种具有多自由度的机构式移动焊接机器人，其特征在于：第一转动副、第三转动副、第十二转动副、第十三转动副、第十四转动副上分别安装有驱动电机。

3.如权利要求1所述的一种具有多自由度的机构式移动焊接机器人，其特征在于：第一连杆两端在第三转动副处相交形成大于90度的夹角；第四连杆两端在第六转动副处相交形成大于90度的夹角；第五连杆两端在第七转动副处相交形成大于90度的夹角。

4.如权利要求1所述的一种具有多自由度的机构式移动焊接机器人，其特征在于：所述第六连杆的第三连接部位于纵向长槽内。

5.如权利要求1所述的一种具有多自由度的机构式移动焊接机器人，其特征在于：所述第九连杆为中空圆柱体，并套设在第五连杆的连接部及第十连杆外。

6.如权利要求1所述的一种具有多自由度的机构式移动焊接机器人，其特征在于：移动平台通过安装在其底部的车轮移动。

7.如权利要求1所述的一种具有多自由度的机构式移动焊接机器人，其特征在于：由第四连杆至第八连杆构成的两个并联闭环子链中，将这些连杆制成厚度较薄的轻杆。