CN104626114A - 一种多自由度可拆卸轻型分拣机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多自由度可拆卸轻型分拣机器人，属于工业机器人技术领域。该机器人机构包括机架、末端执行器、第一支链、第二支链和第三支链，第一支链包括第一主动臂、第一从动臂、第二主动臂以及连接杆，第二支链包括第三主动臂、第三从动臂和第三次级从动臂，第三支链包括第四主动臂和齿条；第一支链、第二支链以及第三支链分别由主动臂与驱动装置连接，第一支链、第二支链和第三支链均与末端执行器连接。本发明采用平行四边形定理和混联支链结构限制末端执行机构的两个转自由度，有效地解决了工业机器人开放性和安全性的问题，本发明具有制作简单、机构制造成本较低等特点。

Description

一种多自由度可拆卸轻型分拣机器人

技术领域：

本发明属于工业机器人技术领域，具体涉及一种多自由度可拆卸轻型分拣机器人。

背景技术：

轻工、医药、食品和电子等行业的自动化生产线中，诸如分拣、包装、封装等作业往往需要末端执行器在空间中进行高速作业的机械手。一般工业机器人价格较高，设备贵重，功能单一，结构不够精密，设定功能较少，无法满足人们对功能性、自主设计性、扩展功能开发性等方面的较高要求。因此采用多自由度可拆卸轻型分拣机器人，有利于适应各种工业应用，对任务和环境的适应能力更强，更具有柔性。多自由度可拆卸轻型分拣机器人具有简化设计制造和维护、缩短研制周期、降低成本等优点，大大增强了系统构建时的灵活性和弹性，已成为机器人系统研究的热点。轻型可拆卸机器人是21世纪机器人发展的主要方向，在机械结构上分别设计出了关节模块和连杆模块,并且各部之间具有很好的互换性,可以提高机器人的研发速度,降低成本,为机器人进一步设计提供了方向及理论依据。

发明内容：

本发明的目的正是为了满足上述现有技术中的要求和特点，提供一种多自由度可拆卸轻型分拣机器人，该机器人机构是一种可通过简易拆装实现2个自由度、3个自由度或者4个自由度的混联机器人机构。

本发明所提供的一种多自由度可拆卸轻型分拣机器人包括机架7、末端执行器6、第一支链21、第二支链20和第三支链19以及驱动装置；所述第一支链21包括第一主动臂11、第二主动臂13、第一从动臂10以及连接杆8，所述连接杆8连接所述第一从动臂10以及所述第二主动臂13，所述第一主动臂11与所述第一从动臂10相连；所述第二支链20包括第三主动臂2、第三从动臂3以及第三次级从动臂5，所述第三主动臂2、第三从动臂3以及第三次级从动臂5顺序连接；所述第三支链19包括第四主动臂15和齿条14，所述第四主动臂15与所述齿条14连接；

所述末端执行器6为花键滚珠丝杠结构，所述末端执行器6包括丝杠、丝杠螺母16、丝杠花键17以及支架；所述支架与所述连接杆8连接，所述丝杠螺母16与所述第三次级从动臂5连接，所述丝杠花键17与轴齿轮18固连，所述齿轮18与所述齿条14啮合；

所述驱动装置包括第一驱动装置9、第二驱动装置12、第三驱动装置4以及第四驱动装置1，所述第三驱动装置4与第四驱动装置1同心安装于机架7的同侧，所述第一驱动装置9与第二驱动装置12同心安装于机架7的同侧；

所述第一主动臂11与所述第一驱动装置9连接，所述第二主动臂13与所述第二驱动装置12连接，所述第三主动臂2与所述第三驱动装置4连接，所述第四主动臂15与所述第四驱动装置1连接；

所述第一主动臂11与所述第二主动臂13同心安装，所述第三主动臂2与所述第四主动臂15同心安装。所述第一主动臂11的长度等于所述第一从动臂10和所述第二主动臂13在所述连接杆8上安装孔中心距离的长度，所述第一从动臂10的长度等于第二主动臂13的长度，所述第一支链21为平行四边形的平面机构。

所述第一支链21中各个杆件之间均采用轴承连接，相对于安装轴可绕轴自由转动。所述第三主动臂2、第三从动臂3和第三次级从动臂5均采用轴承连接，所述第四主动臂15与齿条14采用轴承连接。

所述驱动装置采用伺服电机－减速器结构。

本发明采用平行四边形定理和混联支链结构限制末端执行机构的两个转动自由度，形成四自由度结构机器人。各部结构清晰，拆除第三支链19可由第一支链21和第二支链20形成三自由度机器人，拆除第三支链19和第二支链20可由第一支链21形成二自由度平面机器人。

本发明具有以下技术特点：

(1)本发明的末端执行器的四自由度由四个相同的伺服电机驱动；

(2)本发明将四个动力源通过三个传动支链输送到执行器上。

(3)本发明将四自由度机器人做成轻型可拆卸化，可另外用于2自由度和3自由度工况，增加机器人的工作适应能力和灵活度，安装拆卸简单，维护维修方便。

(4)本发明在并联的基础上，由一个四边形结构和两个串联支链结构进行混联连接，实现沿X、Y、Z轴的三个平动自由度和1个绕Z轴的转动自由度。本发明结构简单，占用空间小，工作面始终保持水平，工作空间较为对称，可大量用于工业分拣等场合。

附图说明：

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明机构的三自由度结构示意图；

图3是本发明机构的二自由度结构示意图；

图4是本发明机构末端执行器的结构示意图；

图5是图1中的无动力装置的俯视结构示意图；

图6是本发明机构的末端执行器安装结构示意图。

图中：1：第四驱动装置，2：第三主动臂，3：第三从动臂，4：第三驱动装置，5：第三次级从动臂，6：末端执行器，7：机架，8：连接杆，9：第一驱动装置，10：第一从动臂，11：第一主动臂，12：第二驱动装置，13：第二主动臂，14：齿条，15：第四主动臂，16：丝杠螺母，17：丝杠花键，18：齿轮，19：第三支链，20：第二支链，21：第一支链。

具体实施方式：

本发明所提供一种多自由度可拆卸轻型分拣机器人包括机架7、驱动装置、三条运动支链和末端执行器6。所述末端执行器6通过所述的运动支链与机架7形成闭环并联结构。所述运动支链包括第一支链21，第二支链20，第三支链19；所述第一支链21包括第一主动臂11、第二主动臂13、第一从动臂10以及连接杆8，所述连接杆8连接所述第一从动臂10以及所述第二主动臂13，所述第一主动臂11与所述第一从动臂10相连，所述第一支链21作为末端执行器6的动平台，为其提供X、Y方向的两个平面自由度；所述第二支链20为末端执行器6提供绕Z轴的转动自由度；所述齿条14与末端执行器6上的齿轮18啮合，为其提供Z方向的平面自由度；所述末端执行器6可以分别提供二自由度、三自由度、四自由度的机械操作。

所述第二分支链由第二驱动装置12、第二主动臂13构成；所述第一主动臂11的杆长(见图5中的直线段N)等于连接杆8上两个安装孔的长度(见图5中的直线段M)；所述的第一从动臂10的杆长(见图5中的直线段Q)等于第二主动臂13的杆长(见图5中的直线段P)；所述第一支链21中的第一主动臂11和第二主动臂13相对于机架7在同一侧，且同心设置；所述第一主动臂11、第二主动臂13、连接杆8和第一从动臂10构成平行四边形结构。所述第二支链20由第三驱动装置4、第三主动臂2、第三从动臂3和第三次级从动臂5构成；所述第三支链19由第四驱动装置1、第四主动臂15和齿条14构成；所述的第三主动臂2和第四主动臂15相对于机架7在同一侧，且同心设置；所述所有主动臂与驱动装置均采用轴和键的连接驱动方式；所述的第一支链21中各个杆件之间均采用轴承连接，相对于安装轴可绕轴自由转动；所述的第三主动臂2与第三从动臂3采用轴承连接，所述的第三从动臂3与第三次级从动臂5采用轴承连接，所述的第四主动臂15与齿条14采用轴承连接；所述的末端执行器6是一个花键滚珠丝杠结构，所述的花键滚珠丝杠包括丝杠、丝杠螺母16，丝杠花键17，支架；所述支架固连于第一支链21连接杆8上，丝杠螺母16固连于第三从动臂3上，丝杠花键17与空心齿轮18采用螺栓固连，齿轮18与齿条14啮合。所述的花键滚珠丝杠结构中丝杠螺母16的转动能为丝杠提供绕Z轴的转动自由度，丝杠花键17的转动能为丝杠提供Z的轴向移动自由度。

见图1、图2、图3，分别对应着四自由度、三自由度、二自由度机器人。所述的第一支链21作为末端执行器6的动平台，为丝杠提供X、Y方向的两个平面自由度；所述的第二支链20中的第三次级从动臂5采用螺栓固连于丝杠花键17上，其转动为末端执行器6上的丝杠提供绕Z轴的转动自由度；所述的齿条14与末端执行器6上的齿轮18啮合，齿轮18带动丝杠螺母16为丝杠提供Z方向的轴向自由度。完整的机器人如图1所示，属于四自由度机器人。所述的第三支链19拆除之后，如图2所示，属于三自由度机器人。拆除所述的第二支链20和第三支链19拆除之后，如图3所示，属于二自由度机器人。

图4是末端执行器6花键滚珠丝杠的结构图和内部剖视图，所述的末端执行器6是一个花键滚珠丝杠结构，所述的花键滚珠丝杠包括丝杠、丝杠螺母16，丝杠花键17，支架；所述支架固连于第一支链21连接杆8上，丝杠花键17固连于第三从动臂3上，丝杠螺母16与空心齿轮18固连，齿轮18与齿条14啮合。

图5是本机器人无动力装置的俯视结构示意图，其中第一支链21上的P、Q、N、M四条直线杆件构成平行四边形，P、N交点为驱动点，由两个驱动装置分别为P、N提供转矩，由平行四边形原理易知，P、N的角度变化可以使连接杆8搭载末端执行器6移动至操作空间内平面的任一点，为其提供一个平面的二自由度平动。

图6是本发明机构的末端执行器6安装结构示意图。该简易结构的根本在于易于拆卸和安装，如图6所示，末端执行器6的安装和拆卸都只需通过螺丝的旋拧来完成，简单方便。

如图3中所示，所述的2自由度机器人由末端执行器6、第一支链21、机架7、第一驱动装置9和第二驱动装置12构成。所述的第一驱动装置9驱动第一主动臂11转动，第一主动臂11的转动带动第一从动臂10做转动；所述的第二驱动装置12驱动第二主动臂13转动；由平行四边形定理易知，第一从动臂10和第二主动臂13的运动驱动连接杆8做平面运动，连接杆8与第一主动臂11始终平行。所述的末端执行器6安装于连接杆8远离第一从动臂10的末端，连接杆8的平动带动末端执行器6的平动，使得末端执行器6获得X、Y两个方向的平面自由度。

如图2中所示，所述的3自由度机器人由末端执行器6、第一支链21、第二支链20、机架7、第一驱动装置9、第二驱动装置12和第三驱动装置4构成。与2自由度机器人相同，末端执行器6获得由第一支链21提供的X、Y两个方向的平面自由度。第三驱动装置4带动第二支链20中的第三主动臂2做转动，第三主动臂2与第三从动臂3通过轴承连接，第三从动臂3的转动由第三主动臂2带动，第三次级从动臂5与第三从动臂3通过轴承连接，第三次级从动臂5的转动由第三从动臂3带动。第三次级从动臂5与末端执行器6上的丝杠花键17螺栓连接，其转动带动丝杠花键17转动，使得末端执行器6获得绕Z轴的转动自由度。综上，机器人可以在空间获得3个自由度。

如图1所示，所述的4自由度机器人由末端执行器6、第一支链21、第二支链20、第三支链19、机架7、第一驱动装置9、第二驱动装置12、第三驱动装置4和第四驱动装置1构成。在3自由度机器人的基础上，4自由度机器人添加了第四驱动装置1和第三支链19，第四驱动装置1带动第三支链19中的第四主动臂15转动，第四主动臂15与齿条14轴承连接，其转动带动齿条14转动。齿条14与齿轮18啮合，且由滑块将齿轮18和齿条14紧密配合在一起，构成曲柄摇杆机构。齿条14与齿轮18啮合，带动齿轮18转动，齿轮18与丝杠螺母16螺栓连接，使得丝杠螺母16与齿轮18的转动同步。在所述的末端执行器6即花键滚珠丝杠结构中，丝杠螺母16的转动可以提供丝杠上下运动的动力，丝杠可以在Z轴方向上的轴向运动，由此末端执行器6获得第四个自由度。

Claims (2)

1.一种多自由度可拆卸轻型分拣机器人，其特征在于该机器人包括机架(7)、末端执行器(6)、第一支链(21)、第二支链(20)和第三支链(19)以及驱动装置；所述第一支链(21)包括第一主动臂(11)、第二主动臂(13)、第一从动臂(10)以及连接杆(8)，所述连接杆(8)连接所述第一从动臂(10)以及所述第二主动臂(13)，所述第一主动臂(11)与所述第一从动臂(10)相连；所述第二支链(20)包括第三主动臂(2)、第三从动臂(3)以及第三次级从动臂(5)，所述第三主动臂(2)、第三从动臂(3)以及第三次级从动臂(5)顺序连接；所述第三支链(19)包括第四主动臂(15)和齿条(14)，所述第四主动臂(15)与所述齿条(14)连接；所述末端执行器(6)为花键滚珠丝杠结构，所述末端执行器(6)包括丝杠、丝杠螺母(16)、丝杠花键(17)以及支架；所述支架与所述连接杆(8)连接，所述丝杠螺母(16)与所述第三次级从动臂(5)连接，所述丝杠花键(17)与轴齿轮(18)固连，所述齿轮(18)与所述齿条(14)啮合；所述驱动装置包括第一驱动装置(9)、第二驱动装置(12)、第三驱动装置(4)以及第四驱动装置(1)，所述第三驱动装置(4)与第四驱动装置(1)同心安装于机架(7)的同侧，所述第一驱动装置(9)与第二驱动装置(12)同心安装于所述机架(7)的同侧；所述第一主动臂(11)与所述第一驱动装置(9)连接，所述第二主动臂(13)与所述第二驱动装置(12)连接，所述第三主动臂(2)与所述第三驱动装置(4)连接，所述第四主动臂(15)与所述第四驱动装置(1)连接；所述第一主动臂(11)与所述第二主动臂(13)同心安装，所述第三主动臂(2)与所述第四主动臂(15)同心安装。所述第一主动臂(11)的长度等于所述第一从动臂(10)和所述第二主动臂(13)在所述连接杆(8)上安装孔中心距离的长度，所述第一从动臂(10)的长度等于第二主动臂(13)的长度，所述第一支链(21)为平行四边形的平面机构。

2.根据权利要求1所述一种多自由度可拆卸轻型分拣机器人，其特征在于所述驱动装置采用伺服电机－减速器结构。