CN104552247B - 一种三自由度混联机器人机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三自由度混联机器人机构，包括机架，旋转平台，末端动平台及连接旋转平台与末端动平台的支链，所述旋转平台通过第一转动副与机架相连，所述支链包括两个驱动支链和两个约束支链，驱动支链中两个从动臂仅通过一个公用转动副与末端动平台相连。本发明的末端动平台可实现空间内三维移动，并保持姿态不变，其工作空间大、动态性能好、运动学正逆解简单，机构的制造成本低，属轻型机器人，可适合于大范围抓放操作等工业任务。

Description

一种三自由度混联机器人机构

技术领域

本发明涉及机器人机构领域，特别是涉及一种适合大范围抓放操作的三自由度混联机器人机构。

背景技术

在机器人发展的过程中，人们最初研究的都是串联机器人。当在实际应用中我们需要机器人能够具有较大的刚度、承载能力以及快速响应能力时，就需要采用另外一种机器人结构——并联机器人。其中，在食品、药品包装分拣，电子产品的装配生产等领域，少自由度并联机器人以20世纪80年代ReymondClavel提出的Delta3机构为代表，尤其得到了广泛的运用。然而，该种机构由于受到专利保护，使得实际应用中受到了制约。

因此，目前已经提出了很多新型少自由度并联或混联机构，用于替代上述机构执行如抓放等工业任务。其中在采用5R平面并联机器人的领域，关键问题为保证运动中末端动平台姿态不变。公开号为CN1355087A的专利提出了一种完全采用转动铰链连接的两自由度平动并联机器人机构，解决了该问题；公开号为CN1589191A的专利同样提出了一种类似构型的机构；可以看出上述专利主要原理均为平行四边形机构，该机构两相对杆的长度分别相等，从而使相对杆只能平动，起到约束末端动平台姿态作用。其缺点在于机构在垂直于运动平面的方向上的刚度可能有所不足。

公开号为CN1903521A的专利，通过采用两驱动支链和两从动支链的方式，达到对动平台的约束以及驱动的效果，可实现平台高速二维移动。由于被动支链的加入，提高了垂直于运动平面方向上的刚度。

然而在实际中，由于制造及装配误差等，被动支链往往难以避免地存在杆长、间隙误差，从而改变了对动平台所在杆的约束关系，产生姿态误差。因此该专利中机构的构型尺寸是否可进一步优化有待探讨。此外，由于在某些场合下分拣任务需要三个自由度，该专利中提出了采用线性传动机构组合成三自由度混联机器人机构的方法。线性传动机构如丝杆、齿条等成本较高，且移动速度较慢，会限制机构的工作性能。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种三自由度混联机器人机构。该机构的末端动平台可实现空间内三维移动，并保持姿态不变。其工作空间大、动态性能好、运动学正逆解简单。机构的制造成本低，属轻型机器人，可适合于大范围抓放操作等工业任务。

本发明所采用的技术方案是：

一种三自由度混联机器人机构，包括机架，旋转平台，末端动平台及连接旋转平台与末端动平台的支链，所述旋转平台通过第一转动副与机架相连，所述机架上设置有一个用于驱动旋转平台转动的第一旋转电机和两个第二旋转电机，两个第二旋转电机上下相对设置，所述第一旋转电机通过齿轮传动或同步带轮传动驱动第一转动副，每个第二旋转电机通过一级的同步带轮传动或齿轮传动，以及二级的锥齿轮传动与设置于旋转平台上的两个第二转动副中的一个驱动连接；

所述支链包括两个驱动支链和两个约束支链，驱动支链包括两个主动臂和两个从动臂，两个从动臂仅通过一个公用的第三转动副与末端动平台相连，两个主动臂的一端各自通过一个第二转动副与旋转平台相连，另一端各自通过球面转动副与一个从动臂相连，所述约束支链包括两根摆动杆、两根伸缩杆和两根约束连杆，摆动杆一端通过旋转副与旋转平台相连，另一端通过移动副与伸缩杆相连，约束连杆通过旋转副固定于运动平面内的摆动杆或伸缩杆上，使约束支链成为平行四边形，约束连杆和末端动平台均平行于旋转平台。

进一步地，所述旋转平台与机架之间还设置有平面轴承。

进一步地，所述第一旋转电机和两个第二旋转电机为伺服电机或步进电机。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

a)驱动支链为平面5R机构，输出端位置误差与姿态误差解耦，不受被动支链姿态误差影响，有利于对机构进行修正或补偿。

b)相比采用线性传动机构，本机构采用了旋转副，从而使机构具有大工作空间以及高运动速度。

c)机构驱动电机固定在机架上，减少了机械手转动惯量，有效提高了机器人机构动力学特性。

d)机构主被动支链装配过程可独立，易于安装与维护。

e)机构运动学正逆解均简单，具有解析解，有利于机器人的标定及运动控制。

附图说明

图1为本发明的实施例的三自由度混联机器人机构示意图。

图2为本发明的机械机构原理图。

图3为本发明的实施例的传动示意图。

图4为假设的6R驱动支链数学建模示意图。

图5为本发明约束支链数学建模示意图。

图6为假设的6R驱动支链及约束支链连接关系数学建模示意图。

图中：1-机架；2-旋转平台；3-末端动平台；4-支链；41-驱动支链；42-约束支链；411-主动臂；412-从动臂；421-摆动杆；422-伸缩杆；423-约束连杆；51-第一转动副；52-第二转动副；53-第三转动副；61-第一旋转电机；62-第二旋转电机；63-第三旋转电机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。

如图1至图3所示，一种三自由度混联机器人机构，包括机架1，旋转平台2，末端动平台3及连接旋转平台2与末端动平台3的支链4，所述旋转平台2通过第一转动副51与机架1相连，可带动连接于其上的末端动平台3及支链4相对机架1做旋转运动，所述机架1上设置有一个用于驱动旋转平台2转动的第一旋转电机61和两个第二旋转电机62，两个第二旋转电机62上下相对设置，所述第一旋转电机61通过齿轮传动或同步带轮传动驱动第一转动副51，每个第二旋转电机62通过一级的同步带轮传动或齿轮传动，以及二级的锥齿轮传动与设置于旋转平台2上的两个第二转动副52中的一个驱动连接；

所述支链4包括两个驱动支链41和两个约束支链42，驱动支链41包括两个主动臂411和两个从动臂412，两个从动臂412仅通过一个公用的第三转动副53与末端动平台3相连，两个主动臂411的一端各自通过一个第二转动副52与旋转平台2相连，另一端各自通过球面转动副与一个从动臂412相连，所述约束支链42包括两根摆动杆421、两根伸缩杆422和两根约束连杆423，摆动杆421一端通过旋转副与旋转平台2相连，另一端通过移动副与伸缩杆422相连，约束连杆423通过旋转副固定于运动平面内的摆动杆421或伸缩杆422上，使约束支链42成为平行四边形，约束连杆423和末端动平台3均平行于旋转平台2。

本实施例中，所述旋转平台2与机架1之间还设置有平面轴承，以减少两者之间的摩擦，提高灵运动灵敏度和使用寿命。

本实施例中，所述第一旋转电机61和两个第二旋转电机62为伺服电机或步进电机。

机构的原理简图如图2所示，可见所述的第一转动副51和两个第二转动副52为机构的输入，相对应地由一个第一旋转电机61和两个第二旋转电机62驱动实现。

所述第一旋转电机61通过齿轮传动或同步带轮传动驱动第一转动副51，使旋转平台2转动，第二旋转电机62通过一级的同步带轮传动或齿轮传动，以及二级的锥齿轮传动驱动第二转动副52。图3中示出了第一旋转电机61采用齿轮传动、第二旋转电机62采用一级的同步带轮传动及二级的锥齿轮传动的传动方案。第二旋转电机62对置固定在机架1上的第一转动副51轴心线上。这种间接驱动的方式使得转平台2的重量大大降低，有效提高了机构的动力学特性。

接下来进一步说明通过本专利采用公用的第三转动副53连接的有益效果：

假定将机构第三转动副53断开，分别与简化为二力杆的末端动平台3的两端相连。仅考虑机构工作位形，则重新连接后驱动支链41示意图如图4。

L₁、L₂分别表示两主动臂411杆长，L₃、L₄分别表示两从动臂412杆长。θ₁、θ₂、θ₃、θ₄分别表示各杆与x轴正向的夹角。两第二转动副52距离为m，该直线与x坐标轴共线，其中点与原点重合。动平台上驱动支链41铰接点间距离用c表示，该线中点为机构输出点，设其坐标为R(x，y)，末端动平台3与x轴正向夹角为

工作位形下时，当输出点往原点靠近，θ₁增大而θ₂减小，θ₂值恒大于0。由几何关系可列出：

如图5所示，设P₁、P₂分别表示两摆动杆421杆长，P₃、P₄分别表示两伸缩杆422杆长，b表示约束连杆423杆长。θ₅、θ₆、θ₇分别表示各杆与x轴正向的夹角。两个与旋转平台2相连的旋转副中，左侧旋转副在x坐标轴上，两副距离为n，该线与x轴正向夹角为α，其中点与坐标原点重合。末端动平台3上约束支链42铰接点间距离用a表示，该线与x轴正向夹角为ω，其中点坐标设为r(x_s，y_s)。

根据几何关系列出：

$-\frac{1}{2}n\cos \mathrm{\α}+(P_1+P_3){\mathrm{cos\θ}}_5+\frac{1}{2}a\cos \mathrm{\ω}=x_s;$

$-\frac{1}{2}nsin\mathrm{\α}(P_1+P_2){\mathrm{sin\θ}}_5+\frac{1}{2}asin\mathrm{\ω}=y_s;$

$\frac{1}{2}ncos\mathrm{\α}+(P_2+P_4){\mathrm{cos\θ}}_6-\frac{1}{2}acos\mathrm{\ω}=x_s;$

$\frac{1}{2}n\sin \mathrm{\α}+(P_2+P_4){\mathrm{sin\θ}}_6-\frac{1}{2}asin\mathrm{\ω}=y_s;$

P₁cosθ₅+acosω＝P₂cosθ₆+bcosθ₇；

P₁sinθ₅+asinω＝P₂sinθ₆+bsinθ₇；

又由图6，设R点与r点之间的关系为：两点距离H，该线与a直线夹角β。

可根据连接关系列出：

x_s+Hcos(ω+β)＝x；

y_s+Hsin(ω+β)＝y；

在这里，认为m、n、α、β、H不存在误差量。则将上式联立并对等号两端求微分，整理得：

A₂P₂＝B₂Q₂；

其中：P₂＝[δL₁δL₂δL₃δL₄δθ₁δθ₂δcδP₁δP₂δaδb]^T

将该数学模型输入数值仿真软件进行模拟，注意到当c值减小时，输出端位置误差随之等比例减小。当减至0时，驱动支链为平面5R机构，即为本专利提出的构型。

该机构的末端动平台3可实现空间内三维移动，并保持姿态不变，其工作空间大、动态性能好、运动学正逆解简单，机构的制造成本低，属轻型机器人，可适合于大范围抓放操作等工业任务。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种三自由度混联机器人机构，包括机架(1)，旋转平台(2)，末端动平台(3)及连接旋转平台(2)与末端动平台(3)的支链(4)，其特征在于：所述旋转平台(2)通过第一转动副(51)与机架(1)相连，所述机架(1)上设置有一个用于驱动旋转平台(2)转动的第一旋转电机(61)和两个第二旋转电机(62)，两个第二旋转电机(62)上下相对设置，所述第一旋转电机(61)通过齿轮传动或同步带轮传动驱动第一转动副(51)，每个第二旋转电机(62)通过一级的同步带轮传动或齿轮传动，以及二级的锥齿轮传动与设置于旋转平台(2)上的两个第二转动副(52)中的一个驱动连接；

所述支链(4)包括两个驱动支链(41)和两个约束支链(42)，驱动支链(41)包括两个主动臂(411)和两个从动臂(412)，两个从动臂(412)仅通过一个公用的第三转动副(53)与末端动平台(3)相连，两个主动臂(411)的一端各自通过一个第二转动副(52)与旋转平台(2)相连，另一端各自通过球面转动副与一个从动臂(412)相连，所述约束支链(42)包括两根摆动杆(421)、两根伸缩杆(422)和两根约束连杆(423)，摆动杆(421)一端通过旋转副与旋转平台(2)相连，另一端通过移动副与伸缩杆(422)相连，约束连杆(423)通过旋转副固定于运动平面内的摆动杆(421)或伸缩杆(422)上，使约束支链(42)成为平行四边形，约束连杆(423)和末端动平台(3)均平行于旋转平台(2)。

2.根据权利要求1所述的三自由度混联机器人机构，其特征在于：所述旋转平台(2)与机架(1)之间还设置有平面轴承。

3.根据权利要求2所述的三自由度混联机器人机构，其特征在于：所述第一旋转电机(61)和两个第二旋转电机(62)为伺服电机或步进电机。