CN104526684B - 一种可实现重力自平衡的高刚度混联机器人 - Google Patents

Abstract

一种可实现重力自平衡的高刚度混联机器人，有能够旋转的连接在动平台一侧的定位头、位于动平台另一侧的固定架、第一支链、第二支链、第三支链、第四支链和第五支链，第一支链能够水平旋转的贯穿固定架中部的贯通孔，末端与位于固定架一侧的动平台固定连接，顶端位于固定架的另一侧，第二支链和第三支链分别能够水平旋转的贯穿位于固定架中部贯通孔两侧的侧贯通孔，且对称的设置在第一支链的左右两侧，末端对称铰接在动平台的左右两侧，顶端位于固定架的另一侧，第四支链和第五支链对称的设置在第一支链上下两侧，末端对称的铰接在动平台的上下两侧，顶端对称的铰接在固定架靠近动平台一侧面的上下两侧。本发明可实现重力自平衡且不产生附加反力。

Description

一种可实现重力自平衡的高刚度混联机器人

技术领域

本发明涉及一种混联机器人。特别是涉及一种可实现重力自平衡的高刚度混联机器人。

背景技术

现有专利CN1212221C所公开的一种四自由度混联机器人，由两自由度平面并联机构、与之串联的两转动自由度转头、以及安装在转头上的末端执行器构成。其中，两自由度并联机构包括固定架、动平台以及在固定架和动平台之间的两可控伸缩杆、中间一条导向杆。所述导向杆与动平台固结，其轴线与两条可控伸缩杆轴线共面。

如果要求该机器人的运动平面为水平时，其不足变显现出来：该四自由度模块在与其运动平面正交方向仅能提供约束刚度，故为了承担末端执行器重量和末端载荷，减小因重力作用引起的末端变形，需采用具有较大抗弯截面模量的导向杆，这势必增加模块重量。此外，此机器人由于动平台与两可控伸缩杆连接的饺链为三自由度饺链，其不足是：机构的整体刚度低，负载能力差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种不产生附加反力且具有四自由度的可实现重力自平衡的高刚度混联机器人。

本发明所采用的技术方案是：一种可实现重力自平衡的高刚度混联机器人，包括动平台，能够旋转的连接在动平台一侧的定位头，以及位于动平台另一侧的固定架，还设置第一支链、第二支链、第三支链、第四支链和第五支链，其中，所述的第一支链能够水平旋转的贯穿所述固定架中部的贯通孔，所述的第一支链的末端与位于固定架一侧的动平台固定连接，所述的第一支链的顶端位于固定架的另一侧，所述第二支链和第三支链分别能够水平旋转的贯穿位于固定架中部贯通孔两侧的侧贯通孔，且对称的设置在所述第一支链的左、右两侧，所述第二支链和第三支链的末端分别对称的铰接在所述动平台的左、右两侧，所述第二支链和第三支链的顶端分别位于固定架的另一侧，所述第四支链和第五支链对称的设置在所述第一支链上、下两侧，所述第四支链和第五支链的末端分别末端对称的铰接在所述动平台的上、下两侧，所述第四支链和第五支链的顶端分别对称的铰接在所述固定架靠近动平台一侧面的上、下两侧。

所述的第一支链，包括套框和能够前后移动的贯穿在套框内的滑杆，所述的套框外侧的上、下两端对称的各设置有一个第一旋转半轴，所述上、下两端的第一旋转半轴分别能够旋转的嵌入在所述固定架中部的贯通孔内的上、下两侧，所述套框内侧的上、下两端沿轴向对称的各形成有一条导轨槽，所述滑杆通过导轨而贯穿的且能够前后移动的嵌入在所述的套框内，所述的导轨分别形成在上下两端且能够对应的嵌入在所述套框内侧的两个导轨槽内，所述滑杆的末端与位于固定架一侧的动平台固定连接，所述的滑杆的另一端位于固定架的另一侧。

所述的第二支链和第三支链结构完全相同，均包括：长度调节装置，能够旋转地连接在长度调节装置末端的T形铰，连接在长度调节装置顶端的驱动装置，所述的长度调节装置上沿径向上、下对称的各设置有一个第二旋转半轴，两个第二旋转半轴分别能够旋转的嵌入在所述固定架的侧贯通孔内的上、下两侧，所述第二支链和第三支链末端的T形铰分别对称的铰接在所述动平台的左、右两侧。

所述的长度调节装置包括外调节杆和通过滑键滑动的嵌入在所述外调节杆内的内调节杆，所述的T形铰能够旋转地连接在内调节杆的末端，所述驱动装置连接在外调节杆的顶端，所述上、下对称的两个第二旋转半轴分别对称的设置在外调节杆的外侧壁上。

所述的T形铰和长度调节装置中的内调节杆之间的转动轴线与T形铰和动平台之间的转动轴线相垂直。

所述的第四支链和第五支链结构完全相同，均包括气压缸、液压缸，所述气压缸、液压缸的活塞杆端部连接有虎克铰，所述气压缸、液压缸的底座连接有球铰链，所述第四支链和第五支链的虎克铰分别与所述动平台的上、下两侧铰接，所述的第四支链和第五支链的球铰链分别铰接所述固定架靠近动平台一侧面的上、下两侧。

所述的球铰链采用能够实现绕自身的三条轴线旋转的轴线垂直相交的三个单自由度转动铰链组合式结构或采用球轴承结构。

所述的虎克铰采用能够实现绕自身轴线旋转的轴线垂直相交的两个单自由度转动铰链组合式结构。

连接第一支链上的第一旋转半轴和固定架的转动轴线、连接第二支链上的第二旋转半轴和固定架6的转动轴线以及连接第三支链上的第二旋转半轴和固定架的转动轴线这三条轴线共面。

所述的定位头是具有两个自由度的串联转头。

本发明的一种可实现重力自平衡的高刚度混联机器人，是一种可实现重力自平衡且不产生附加反力的四自由度高刚度混联机器人。具有如下优点和积极效果：

(1)本机构固定架、动平台等零部件的加工及安装表面均在水平或竖直方向，制造工艺性能好，可降低制造成本。

(2)本机构为过约束机构，具有优良的刚度，而第二支链和第三支链均设有绕自身轴线旋转的自由度，可保障良好的装配工艺性。

(3)工作时第四支链提供拉力、第五支链提供推力，其大小相等，使得其平衡力的合力方向正好与重力方向相反，有效避免对第一支链、第二支链驱动产生附加反力；通过气、液压伺服控制调节拉、推力大小，即可实现机构重力自平衡的目的。

(4)采用气、液压装置来实现重力自平衡，能够增大机构的阻尼，从而抑制机器人工作过程产生的颤振，有效地提高机器人的动态性能。

附图说明

图1是本发明整体结构的示意图；

图2是本发明整体结构的侧俯视图；

图3是本发明第一支链及其末端动平台和定位头的结构示意图；

图4是本发明第二支链、第三支链的结构示意图；

图5是本发明第四支链、第五支链的结构示意图。

图中

1：第一支链 2：第二支链

3：第三支链 4：第四支链

5：第五支链 6：固定架

7：动平台 8：定位头

11：第一旋转半轴 12：套框

13：滑杆 14：导轨

15：导轨槽 21、31：第二旋转半轴

22、32：长度调节装置 23、33：驱动装置

24、34：T形铰 221、321：外调节杆

222、322：内调节杆 223、323：滑键

41、51：球铰链 42、52：气压缸、液压缸

43、53：虎克铰

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种可实现重力自平衡的高刚度混联机器人做出详细说明。

如图1、图2所示，本发明的一种可实现重力自平衡的高刚度混联机器人，包括动平台7，能够旋转的连接在动平台7一侧的定位头8，以及位于动平台7另一侧的固定架6，还设置第一支链1、第二支链2、第三支链3、第四支链4和第五支链5，其中，所述的第一支链1能够水平旋转的贯穿所述固定架6中部的贯通孔，所述的第一支链1的末端与位于固定架6一侧的动平台7固定连接，所述的第一支链1的顶端位于固定架6的另一侧，所述第二支链2和第三支链3分别能够水平旋转的贯穿位于固定架6中部贯通孔两侧的侧贯通孔，且对称的设置在所述第一支链1的左、右两侧，所述第二支链2和第三支链2的末端分别对称的铰接在所述动平台7的左、右两侧，所述第二支链2和第三支链3的顶端分别位于固定架6的另一侧，所述第四支链4和第五支链5对称的设置在所述第一支链1上、下两侧，所述第四支链4和第五支链5的末端分别对称的铰接在所述动平台7的上、下两侧，所述第四支链4和第五支链5的顶端分别对称的铰接在所述固定架6靠近平台7一侧面的上、下两侧。

所述定位头8为具有两个自由度的串联转头，此实施例中采用A、C轴的结构形式，使所述多坐标混联机器人为4自由度混联机器人。

如图3所示，所述的第一支链1，包括套框12和能够前后移动的贯穿在套框12内的滑杆13，即所述套框12与所述导轨14构成移动副。所述的套框12外侧的上、下两端对称的各设置有一个第一旋转半轴11，所述上、下两端的第一旋转半轴11分别能够旋转的嵌入在所述固定架6中部的贯通孔内的上、下两侧，所述套框12内侧的上、下两端沿轴向对称的各形成有一条导轨槽15，所述滑杆13通过导轨14而贯穿的且能够前后移动的嵌入在所述的套框12内，所述的导轨14分别形成在上下两端且能够对应的嵌入在所述套框12内侧的两个导轨槽15内，所述滑杆13的末端与位于固定架6一侧的动平台7固定连接，所述的滑杆13的另一端位于固定架6的另一侧。

如图4所示，所述的第二支链2和第三支链3结构完全相同，均为4自由度支链，均包括：长度调节装置22、32，能够旋转地连接在长度调节装置22、32末端的T形铰24、34，连接在长度调节装置22、32顶端的驱动装置23、33，所述的驱动装置23、33为电机，使所述长度调节装置22、32成为主动移动副，T形铰24、34和长度调节装置22、32的旋转轴线2b平行于所述主动移动副的移动方向，2c为T形铰24、34的旋转轴线。所述的长度调节装置22、32上沿径向上、下对称的各设置有一个第二旋转半轴21、31，两个第二旋转半轴21、31分别能够旋转的嵌入在所述固定架6的侧贯通孔内的上、下两侧，所述第二支链2和第三支链3末端的T形铰24、34分别对称的铰接在所述动平台7的左、右两侧。所述T形铰24、34和长度调节装置22、32中的内调节杆222、322之间的转动轴线2b与T形铰24、34和动平台7之间的转动轴线2c相垂直。

所述的长度调节装置22、32包括外调节杆221、321和通过滑键223、323滑动的嵌入在所述外调节杆221、321内的内调节杆222、322，所述的T形铰24、34能够旋转地连接在内调节杆222、322的末端，所述驱动装置23、33连接在外调节杆221、321的顶端，所述上、下对称的两个第二旋转半轴21、31分别对称的设置在外调节杆221、321的外侧壁上。

如图5所示，所述的第四支链4和第五支链5结构完全相同，均包括气压缸、液压缸42、52，所述气压缸、液压缸42、52的活塞杆端部连接有虎克铰43、53，所述气压缸、液压缸42、52的底座连接有球铰链41、51，所述第四支链4和第五支链5的虎克铰43、53分别与所述动平台7的上、下两侧铰接，所述的第四支链4和第五支链5的球铰链41、51分别铰接所述固定架6靠近平台7一侧面的上、下两侧。

所述的球铰链41/51采用能够实现绕自身的三条轴线4a、4b、4c旋转的轴线垂直相交的三个单自由度转动铰链组合式结构或采用球轴承结构。所述的虎克铰43、53采用能够实现绕自身轴线4d、4e旋转的轴线垂直相交的两个单自由度转动铰链组合式结构。

连接第一支链1上的第一旋转半轴11和固定架6的转动轴线、连接第二支链2上的第二旋转半轴21和固定架6的转动轴线以及连接第三支链3上的第二旋转半轴31和固定架6的转动轴线这三条轴线共面。

Claims (7)

1.一种可实现重力自平衡的高刚度混联机器人，包括动平台(7)，能够旋转的连接在动平台(7)一侧的定位头(8)，以及位于动平台(7)另一侧的固定架(6)，其特征在于，还设置第一支链(1)、第二支链(2)、第三支链(3)、第四支链(4)和第五支链(5)，其中，所述的第一支链(1)能够水平旋转的贯穿所述固定架(6)中部的贯通孔，所述的第一支链(1)的末端与位于固定架(6)一侧的动平台(7)固定连接，所述的第一支链(1)的顶端位于固定架(6)的另一侧，所述第二支链(2)的末端和第三支链(3)的末端分别能够水平旋转的贯穿位于固定架(6)中部贯通孔两侧的侧贯通孔，且对称的设置在所述第一支链(1)的左、右两侧，所述第二支链(2)和第三支链(3)的末端分别对称的铰接在所述动平台(7)的左、右两侧，所述第二支链(2)的顶端和第三支链(3)的顶端分别位于固定架(6)的另一侧，所述第四支链(4)和第五支链(5)对称的设置在所述第一支链(1)上、下两侧，所述第四支链(4)的末端和第五支链(5)的末端分别对称的铰接在所述动平台(7)的上、下两侧，所述第四支链(4)的顶端和第五支链(5)的顶端分别对称的铰接在所述固定架(6)靠近动平台(7)一侧面的上、下两侧；

所述的第四支链(4)和第五支链(5)结构完全相同，均包括气压缸或液压缸(42/52)，所述气压缸或液压缸(42/52)的活塞杆端部连接有虎克铰(43/53)，所述气压缸或液压缸(42、52)的底座连接有球铰链(41、51)，所述第四支链(4)的虎克铰和第五支链(5)的虎克铰(43、53)分别与所述动平台(7)的上下两侧铰接，所述的第四支链(4)球铰链和第五支链(5)的球铰链(41、51)分别铰接所述固定架(6)靠近动平台(7)一侧面的上下两侧；

所述的球铰链(41/51)采用能够实现绕自身的三条轴线(4a、4b、4c)旋转的轴线垂直相交的三个单自由度转动铰链组合式结构或采用球轴承结构；

所述的虎克铰(43/53)采用能够实现绕自身轴线(4d、4e)旋转的轴线垂直相交的两个单自由度转动铰链组合式结构。

2.根据权利要求1所述的一种可实现重力自平衡的高刚度混联机器人，其特征在于，所述的第一支链(1)包括套框(12)和能够前后移动的贯穿在套框(12)内的滑杆(13)，所述的套框(12)外侧的上下两端对称的各设置有一个第一旋转半轴(11)，所述上下两端的第一旋转半轴(11)分别能够旋转的嵌入在所述固定架(6)中部的贯通孔内的上下两侧，所述套框(12)内侧的上下两端沿轴向对称的各形成有一条导轨槽(15)，所述滑杆(13)通过导轨(14)而贯穿的且能够前后移动的嵌入在所述的套框(12)内，所述的导轨(14)分别形成在上下两端且能够对应的嵌入在所述套框(12)内侧的两个导轨槽(15)内，所述滑杆(13)的末端与位于固定架(6)一侧的动平台(7)固定连接，所述的滑杆(13)的另一端位于固定架(6)的另一侧。

3.根据权利要求2所述的一种可实现重力自平衡的高刚度混联机器人，其特征在于，所述的第二支链(2)和第三支链(3)结构完全相同，均包括：长度调节装置(22、32)，能够旋转地连接在长度调节装置(22、32)末端的T形铰(24、34)，连接在长度调节装置(22、32)顶端的驱动装置(23、33)，所述的长度调节装置(22、32)上沿径向上下对称的各设置有一个第二旋转半轴(21、31)，两个第二旋转半轴(21、31)分别能够旋转的嵌入在所述固定架(6)的侧贯通孔内的上下两侧，所述第二支链(2)和第三支链(3)末端的T形铰(24/34)分别对称的铰接在所述动平台(7)的左右两侧。

4.根据权利要求3所述的一种可实现重力自平衡的高刚度混联机器人，其特征在于，所述的长度调节装置(22、32)包括有外调节杆(221、321)和通过滑键(223、323)滑动的嵌入在所述外调节杆(221、321)内的内调节杆(222、322)，所述的T形铰(24、34)能够旋转地连接在内调节杆(222、322)的末端，所述驱动装置(23、33)连接在外调节杆(221、321)的顶端，所述上下对称的两个第二旋转半轴(21、31)分别对称的设置在外调节杆(221、321)的外侧壁上。

5.根据权利要求4所述的一种可实现重力自平衡的高刚度混联机器人，其特征在于，所述的T形铰(24、34)和长度调节装置(22、32)中的内调节杆(222、322)之间的转动轴线(2b)与T形铰(24、34)和动平台(7)之间的转动轴线(2c)相垂直。

6.根据权利要求3所述的一种可实现重力自平衡的高刚度混联机器人，其特征在于，连接第一支链(1)上的第一旋转半轴(11)和固定架(6)的转动轴线、连接第二支链(2)上的第二旋转半轴(21)和固定架(6)的转动轴线以及连接第三支链(3)上的第二旋转半轴(31)和固定架(6)的转动轴线这三条轴线共面。

7.根据权利要求1所述的一种可实现重力自平衡的高刚度混联机器人，其特征在于，所述的定位头(8)是具有两个自由度的串联转头。