CN104526690A - 一种具有多自由度的机构式移动机械手 - Google Patents

Abstract

一种具有多自由度的机构式移动机械手，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机械手

技术领域

本发明涉及机器人领域，特别是一种具有多自由度的机构式移动机械手。

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Charles Rosen等人，在1966年至1972年中研发出了取名Shakey的自主移动机器人。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。

并联机器人具有无累积误差、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，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

本发明的目的在于提供一种具有多自由度的机构式移动机械手，解决传统串联机器人关于所需力矩大，刚度低和工作空间小的缺点。

本发明通过以下技术方案达到上述目的：

一种具有多自由度的机构式移动机械手，包括可移动平台、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、第十二连杆、第十三连杆、第十四连杆及末端执行器；

所述第六连杆为“L”形，第二连接端位于“L”形的拐角处，第三连接端与第一连接端分别位于“L”形的竖直上端和水平右端；

机身下端通过第一转动副连接在可移动平台上，机身上端通过第五转动副与第六连杆的第一连接端连接；

第十三连杆一端固定连接在第七转动副的转轴一端，第七转动副位于第六连杆第二连接端，第十三连杆另一端通过第八转动副与第八连杆一端连接，第八连杆另一端通过第九转动副与第五连杆一端连接，第五连杆另一端固定连接在第十转动副的转轴一端，第十转动副位于第六连杆第三连接端；

第四连杆一端固定连接在第七转动副的转轴另一端，第四连杆另一端通过第四转动副与第七连杆一端连接，第七连杆另一端通过第十一转动副与第十四连杆一端连接，第十四连杆另一端固定连接在第十转动副的转轴另一端；

第一连杆一端连接在第二转动副的转轴一端，第二转动副位于第五转动副与第一转动副之间的机身上，第一连杆另一端通过第三转动副与第二连杆一端连接，第二连杆另一端在第四转动副上；

第十二连杆一端连接在第二转动副的转轴另一端，第十二连杆另一端通过第六转动副与第三连杆一端连接，第三连杆另一端在第四转动副上；

第九连杆一端刚性连接在第十转动副的转轴侧面上，第九连杆另一端通过第十二转动副与第十连杆一端连接，第十连杆另一端通过第十三转动副与第十一连杆一端连接，第十一连杆另一端通过第十四转动副与末端执行器连接。

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、第十一转动副、第十二连杆、第十三连杆与第十四连杆旋转轴线相互平行。

本发明的突出优点在于：

1、机器人安装在移动平台上，这种结构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，这是它优于移动机器人和传统的机器人；

2、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；

3、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；

4、电机安装在连杆的后面，降低了整个机构的重心，而且可以安装功率较大的电机在机构上，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；

5、机构式机构与末端执行之间用一个带铰链的连杆和末端执行器连接，使执行器灵活度更高，工作空间比以往的机器人更大，而且带铰链的连杆做成轻杆，可以使整个机构动力性能更好且易于控制，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；

7、在两个并联闭环子链上，杆件做成轻杆，机构运动惯量小，动力学性能好。

附图说明

图1为本发明所述具有多自由度的机构式移动机械手的结构示意图。

图2为本发明所述具有多自由度的机构式移动机械手的可移动平台结构示意图。

图3为本发明所述具有多自由度的机构式移动机械手的机身结构示意图。

图4为本发明所述具有多自由度的机构式移动机械手的第一连杆示意图。

图5为本发明所述具有多自由度的机构式移动机械手的第四连杆示意图。

图6为本发明所述具有多自由度的机构式移动机械手的第五连杆示意图。

图7为本发明所述具有多自由度的机构式移动机械手的第六连杆示意图。

图8为本发明所述具有多自由度的机构式移动机械手的第十连杆示意图。

图9为本发明所述具有多自由度的机构式移动机械手的第十一连杆示意图。

图10为本发明所述具有多自由度的机构式移动机械手的另一视角示意图。

具体实施方式

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。

一种具有多自由度的机构式移动机械手，包括可移动平台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、第十二连杆40、第十三连杆41、第十四连杆42及末端执行器23；

所述第六连杆14为“L”形，第二连接端位于“L”形的拐角处，第三连接端与第一连接端分别位于“L”形的竖直上端和水平右端；

机身2下端通过第一转动副24连接在可移动平台1上，机身2上端通过第五转动副16与第六连杆14的第一连接端141连接；

第十三连杆41一端固定连接在第七转动副26的转轴一端，第七转动副26位于第六连杆14第二连接端142，第十三连杆41另一端通过第八转动副8与第八连杆13一端连接，第八连杆13另一端通过第九转动副12与第五连杆11一端连接，第五连杆11另一端固定连接在第十转动副27的转轴一端，第十转动副27位于第六连杆14第三连接端143；

第四连杆7一端固定连接在第七转动副26的转轴另一端，第四连杆7另一端通过第四转动副6与第七连杆9一端连接，第七连杆9另一端通过第十一转动副10与第十四连杆42一端连接，第十四连杆42另一端固定连接在第十转动副27的转轴另一端；

第一连杆3一端连接在第二转动副25的转轴一端，第二转动副25位于第五转动副16与第一转动副24之间的机身2上，第一连杆3另一端通过第三转动副4与第二连杆5一端连接，第二连杆5另一端在第四转动副6上；

第十二连杆40一端连接在第二转动副25的转轴另一端，第十二连杆40另一端通过第六转动副17与第三连杆15一端连接，第三连杆15另一端在第四转动副6上；

第九连杆18一端刚性连接在第十转动副27的转轴侧面上，第九连杆18另一端通过第十二转动副29与第十连杆19一端连接，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连接。

所述第一转动副24垂直于可移动平台1，第二转动副25、第三转动副4、第四转动副6、第五转动副16、第六转动副17、第七转动副26、第八转动副8、第九转动副12、第十转动副27、第十一转动副21、第十二连杆40、第十三连杆41与第十四连杆42旋转轴线相互平行。

机身2和第一连杆3在所在平面内的运动可实现末端执行器23的空间运动。

工作原理：

机身2通过第一转动副24驱动，第一连杆3第一个连接端通过第二转动副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通过第十三转动副20驱动，末端执行器23通过第十四转动副22驱动。

Claims (2)

1.一种具有多自由度的机构式移动机械手，包括可移动平台、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、第十二连杆、第十三连杆、第十四连杆及末端执行器，其特征在于，所述第六连杆为“L”形，第二连接端位于“L”形的拐角处，第三连接端与第一连接端分别位于“L”形的竖直上端和水平右端；

机身下端通过第一转动副连接在可移动平台上，机身上端通过第五转动副与第六连杆的第一连接端连接；

第十三连杆一端固定连接在第七转动副的转轴一端，第七转动副位于第六连杆第二连接端，第十三连杆另一端通过第八转动副与第八连杆一端连接，第八连杆另一端通过第九转动副与第五连杆一端连接，第五连杆另一端固定连接在第十转动副的转轴一端，第十转动副位于第六连杆第三连接端；

第四连杆一端固定连接在第七转动副的转轴另一端，第四连杆另一端通过第四转动副与第七连杆一端连接，第七连杆另一端通过第十一转动副与第十四连杆一端连接，第十四连杆另一端固定连接在第十转动副的转轴另一端；

第一连杆一端连接在第二转动副的转轴一端，第二转动副位于第五转动副与第一转动副之间的机身上，第一连杆另一端通过第三转动副与第二连杆一端连接，第二连杆另一端在第四转动副上；

第十二连杆一端连接在第二转动副的转轴另一端，第十二连杆另一端通过第六转动副与第三连杆一端连接，第三连杆另一端在第四转动副上；

第九连杆一端刚性连接在第十转动副的转轴侧面上，第九连杆另一端通过第十二转动副与第十连杆一端连接，第十连杆另一端通过第十三转动副与第十一连杆一端连接，第十一连杆另一端通过第十四转动副与末端执行器连接。

2.如权利要求1所述的具有多自由度的机构式移动机械手，其特征在于，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、第十一转动副、第十二连杆、第十三连杆与第十四连杆旋转轴线相互平行。