CN104802154A - 一种四自由度高速并联机械手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人，提供了一种稳定性好、分拣精度高，实现空间三维平动和一维转动的四自由度高速并联机械手，解决了现有技术中存在的机械手运行稳定性差、分拣精度低，并影响机构效率等技术问题，它包括静平台及通过四个吊臂吊挂在静平台上的动平台，动平台包括一端带有执行器的丝杠，在执行器上方对应的丝杠上旋接有上、中、下平台，在中间平台上设有竖直导向杆，竖直导向杆的两端滑动穿过上、下平台，在上平台的一个相对侧边上分别转动连接着上连杆的一端，同侧的下平台侧边上分别转动连接着下连杆的一端，同侧的中间平台上水平向外延伸有水平导向杆，在水平导向杆上滑动连接着滑动套，上连杆和下连杆的另一端分别转动连接在对应的滑动套上，吊臂的下端分别铰接在滑动套及中间平台侧边上。

Description

一种四自由度高速并联机械手

技术领域

本发明涉及一种机器人，尤其涉及一种稳定性好、分拣精度高，实现空间三维平动和一维转动的四自由度高速并联机械手。

背景技术

随着自动化产业的高速发展，在电子、轻工、食品以及医药等行业中，其操作对象通常具有体积小、重量轻等特征，往往需要以很高的速度完成搬运、分拣等抓放操作。尤其在食品、医药行业生产线上物料相对轻小，而且需要避免污染，为了提高自动化程度和保证产品质量，通常需要高速机器人来进行搬运、分拣等操作。

国内外学者也对此做了相关研究，提出了一些相关机型。最具有代表性的当属Clavel博士发明的Delta机构（WO8703528A1、US4976582）。该机械手采用外转动副驱动和平行四边形支链结构，虽然可实现末端执行器的高速三维平动，同时还在动静平台间设置有两端带有虎克铰链的可伸缩转轴以实现末端执行器的单自由度转动。但当该机械手末端位于工作空间边界时，中间提供转动自由度的支链刚度会变的较差。

法国LIRMM研制出具有三个平动自由度和一个转动自由度的H4机械手。该机械手由四条对称的运动支链和一个可扭转的动平台组成，四条运动支链驱动动平台，并通过齿轮啮合或者皮带传动等使末端执行器的转动角度数倍于平台的相互错动角度。其虽然具有三个平动自由度和一个转动自由度，但由于动平台在运行过程中稳定性差，导致其分拣操作精度低，同时由于结构中的角度放大机构降低了动平台的传动精度，因此也不利于提高机构效率。

发明内容

本发明主要是提供了一种稳定性好、分拣精度高，实现空间三维平动和一维转动的四自由度高速并联机械手，解决了现有技术中存在的机械手运行稳定性差、分拣精度低，并影响机构效率等的技术问题。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种四自由度高速并联机械手，包括静平台及通过四个吊臂吊挂在静平台上的动平台，所述动平台包括丝杠及固定在丝杠下端的执行器，在执行器上方对应的丝杠上旋接有上平台、中间平台和下平台，在中间平台上设有竖直导向杆，竖直导向杆的两端向外延伸并滑动穿过对应的上平台和下平台，在上平台的一个相对侧边上分别转动连接着上连杆的一端，在与上连杆对应的下平台侧边上分别转动连接着下连杆的一端，在与上连杆和下连杆对应的中间平台的两个侧边上水平向外延伸有水平导向杆，在水平导向杆上滑动连接着滑动套，上连杆和下连杆的另一端分别转动连接在对应的滑动套上，吊臂的下端分别铰接在对应的滑动套上及滑动套间对应的中间平台侧边上。通过在丝杠上垂直穿插上、中、下平台构成动平台，又在上、中、下平台上穿插设置竖直导向杆，其中的中间平台固定在竖直导向杆上，上、下平台的又通过两侧的上、下连杆转动连接在中间平台两侧的滑动套上，由于丝杠在上、下平台上的螺纹方向相反，使用时，当吊臂带动滑动套沿水平导向杆向内、向外运动时，上、下连杆即带动上、下平台沿竖直导向杆上、下运动，同步驱动丝杠带动执行器旋转，根据使用需要，结构中的执行器可以为吸盘或抓手等，在丝杠带动执行器旋转过程中，由于滑动支撑在水平导向杆上的上、下连杆确保了上、下平台始终保持水平支撑状态，从而确保上、下平台沿竖直导向杆上、下滑动的方向与其相对丝杠运行方向一致，因此执行器转动顺畅；而当动平台又在吊臂的驱动下实现X、Y、Z方向的平移时，同样是由于滑动支撑在水平导向杆上的上、下连杆确保了上、下平台始终保持水平支撑状态，因此平移过程中确保上、下平台不会出现晃动现象，保证了动平台的稳定性和定位精度，同时由于上、中、下平台的左右方向通过上、下连杆锁定在滑动套上，前后方向又通过垂直导向杆定位，因此整体结构稳定性好，在实现了空间三维平动和一维转动的同时，执行器运行及执行抓放等操作时的定位精度高，稳定性好，从而提高了分拣精度和效率，尤其适用于轻型物料的高速搬运、分拣等抓放操作。

作为优选，在所述中间平台的端面上设有两根水平导向杆，且两根水平导向杆位于同一水平面内，对应于两根水平导向杆上的滑动套间设有水平轴，上连杆和下连杆转动连接在对应侧的水平轴上。通过在中间平台的单侧设置两根水平导向杆，并使上、下连杆转动连接在两根水平导向杆间的水平轴上，可提高上、下平台上、下运动的稳定性，使上、下平台相对中间平台始终保持平行或平移状态，保证了执行器的定位精度。

作为优选，所述上连杆和下连杆相对中间平台的水平中心面对称分布。上、下连杆呈完全对称分布时，运行稳定性好。

作为优选，在所述上平台、中间平台和下平台上垂直贯穿有两根竖直导向杆，两根竖直导向杆对称设于两根上连杆间对应的上平台中心面上。两根竖直导向杆与左、右连杆的连线呈十字交叉状分布时，上、中、下平台间相对位置的稳定性好，进一步保证动平台的定位精度。

作为优选，所述吊臂包括主动臂及转动连接在主动臂一端的从动臂，主动臂的另一端转动连接在静平台上，从动臂的另一端铰接在动平台上。由主动臂带动从动臂，再由从动臂带动动平台，结构简单，运动灵活平稳。

作为更优选，所述从动臂包括一对平行设置的从动连接杆，从动连接杆对称的转动连接在主动臂的端部两侧，从动连接杆的另一端对称的铰接在动平台端面上，在靠近主动臂和动平台的两根从动连接杆间分别设有拉紧弹簧。由两根从动连接杆构成的平行四边形的从动臂结构，重量轻，强度高，通过在其两端设置拉紧弹簧，防止从动臂在运行过程中发生左右晃动，提高动平台的位置精度。

作为优选，在所述上平台和下平台上分别设有螺母，丝杠的两端穿插并旋接在对应的螺母上，与中间平台对应的丝杠上设有轴承，丝杠通过轴承与中间平台保持转动连接。丝杠通过轴承与中间平台保持转动连接，两端通过螺母与上、下平台间保持转动连接时，整体结构刚性好，运动平稳。

作为优选，在所述滑动套外侧端对应的水平导向杆上设有阻挡夹。通过在水平导向杆的外侧端设置阻挡夹，防止滑动套脱出，提高系统运行的安全可靠性。

作为优选，所述吊臂通过球铰对称的铰接在动平台上。通过球铰铰接，结构简单，稳定性好；吊臂相对动平台对称分布时，动平台运行过程中稳定性好，精度高。

因此，本发明的一种四自由度高速并联机械手具有下述优点：

1）采用丝杠与螺母的传动形成转动机构，回程误差小，传动精度高；

2）采用纵向和横向两个导向机构，提高了机构运行的稳定性；

3）整体结构对称分布，刚性较好，利于机械手高速运动；

4）动平台结构简单，设计巧妙，方便制造与安装。

附图说明：

图1是本发明一种四自由度高速并联机械手的结构示意图；

图2是本发明中动平台的结构示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

如图1所示，本发明的一种四自由度高速并联机械手，包括正方形的静平台1，静平台1通过四条边的边沿中部分别转动连接着一个吊臂2，吊臂2包括转动连接在静平台1上的主动臂21及转动连接在主动臂21下端的从动臂22，从动臂22包括一对平行设置的从动连接杆221，从动连接杆221对称的转动连接在主动臂21下端部的两侧，从动连接杆221的另一端通过球铰14对称的铰接在中间平台33边沿上，在靠近主动臂21和中间平台33的两根从动连接杆221间分别横设一根拉紧弹簧11，如图2所示，动平台3包括丝杠31及固定在丝杠31下端的执行器8，在执行器8上方对应的丝杠31上由上自下同轴穿插着上平台32、中间平台33和下平台34，上平台32、中间平台33和下平台34均为方形，在中间平台33上固定着两根竖直导向杆9，竖直导向杆9位于动平台3前后方向的中分面上并相对丝杠31对称分布，竖直导向杆9的两端又向外延伸并滑动穿过对应的上平台32和下平台34，在与两根竖直导向杆9连线平行的上平台32侧边上分别转动连接着上连杆4的一端，其中的上连杆4包括一对平行设置的连接杆41及横设在两根连接杆41间的上横杆42和下横杆43，连接杆41的上端对称的转动连接在上平台32上，连接杆41的下端对称的转动连接在中间平台33上，在与上连杆4对应的下平台34侧边上分别转动连接着下连杆5的下端，下连杆5的上端对称的转动连接在中间平台33上，上连杆4和下连杆5的有效长度一致并相对中间平台33的水平中心面对称分布，在与上连杆4和下连杆5对应的中间平台33的两个侧边上分别水平向外延伸有两根水平导向杆6，两根水平导向杆6位于同一水平面内并呈对称分布，在水平导向杆6上分别滑动连接着滑动套7，且对应于同侧的两个滑动套7间横向连接着水平轴10，上连杆4的下端和下连杆5的上端转动连接在对应侧的水平轴10上，在滑动套7外侧端对应的水平导向杆6上均夹持固定着阻挡夹13，球铰14对称的设于水平轴10延伸方向的滑动套7外侧以及水平导向杆6所在的中间平台33端面的两侧，在与丝杠31对应的上平台32和下平台34上分别焊接着一个螺母12，上平台32和下平台34通过螺母12旋接在丝杠31，与中间平台33对应的丝杠31上装有轴承，中间平台33通过轴承与丝杠31转动连接。

使用时，伺服电机通过控制器控制四个吊臂2上的主动臂21协调动作，沿X、Y、Z方向的平移，由于上平台32和下平台34的前后分别通过竖直导向杆9支撑，左、右分别通过上连杆4和下连杆5对称支撑在两侧的水平导向杆6上，因此使上平台32和下平台34相对中间平台33位置始终保持平行，当主动臂21带动滑动套7沿水平导向杆6水平滑动时，上平台32和下平台34相对中间平台33沿竖直导向杆9等速同步平移，并同步带动上平台32和下平台34上的螺母12上、下运动，进而驱动丝杠31带动执行器8旋转，从而保证无论是静态中的还是动态中的丝杠31保持精确的位置精度。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的构思作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种四自由度高速并联机械手，包括静平台（1）及通过四个吊臂（2）吊挂在静平台（1）上的动平台（3），其特征在于：所述动平台（3）包括丝杠（31）及固定在丝杠（31）下端的执行器（8），在执行器（8）上方对应的丝杠（31）上旋接有上平台（32）、中间平台（33）和下平台（34），在中间平台（33）上设有竖直导向杆（9），竖直导向杆（9）的两端向外延伸并滑动穿过对应的平台（32）和下平台（34），在上平台（32）的一个相对侧边上分别转动连接着上连杆（4）的一端，在与上连杆（4）对应的下平台（34）侧边上分别转动连接着下连杆（5）的一端，在与上连杆（4）和下连杆（5）对应的中间平台（33）的两个侧边上水平向外延伸有水平导向杆（6），在水平导向杆（6）上滑动连接着滑动套（7），上连杆（4）和下连杆（5）的另一端分别转动连接在对应的滑动套（7）上，吊臂（2）的下端分别铰接在对应的滑动套（7）上及滑动套（7）间对应的中间平台（33）侧边上。

2.根据权利要求1所述的一种四自由度高速并联机械手，其特征在于：在所述中间平台（33）的端面上设有两根水平导向杆（6），且两根水平导向杆（6）位于同一水平面内，对应于两根水平导向杆（6）上的滑动套（7）间设有水平轴（10），上连杆（4）和下连杆（5）转动连接在对应侧的水平轴（10）上。

3.根据权利要求1或2所述的一种四自由度高速并联机械手，其特征在于：所述上连杆（4）和下连杆（5）相对中间平台（33）的水平中心面对称分布。

4.根据权利要求1或2所述的一种四自由度高速并联机械手，其特征在于：在所述上平台（32）、中间平台（33）和下平台（34）上垂直贯穿有两根竖直导向杆（9），两根竖直导向杆（9）对称设于两根上连杆（4）间对应的上平台（32）中心面上。

5.根据权利要求1或2所述的一种四自由度高速并联机械手，其特征在于：所述吊臂（2）包括主动臂（21）及转动连接在主动臂（21）一端的从动臂（22），主动臂（21）的另一端转动连接在静平台（1）上，从动臂（22）的另一端铰接在动平台（3）上。

6.根据权利要求5所述的一种四自由度高速并联机械手，其特征在于：所述从动臂（22）包括一对平行设置的从动连接杆（221），从动连接杆（221）对称的转动连接在主动臂（21）的端部两侧，从动连接杆（221）的另一端对称的铰接在动平台（3）端面上，在靠近主动臂（21）和动平台（3）的两根从动连接杆（221）间分别设有拉紧弹簧（11）。

7.根据权利要求1或2所述的一种四自由度高速并联机械手，其特征在于：在所述上平台（32）和下平台（34）上分别设有螺母（12），丝杠（31）的两端穿插并旋接在对应的螺母（12）上，与中间平台（33）对应的丝杠（31）上设有轴承，丝杠（31）通过轴承与中间平台（33）保持转动连接。

8.根据权利要求1或2所述的一种四自由度高速并联机械手，其特征在于：在所述滑动套（7）外侧端对应的水平导向杆（6）上设有阻挡夹（13）。

9.根据权利要求1或2所述的一种四自由度高速并联机械手，其特征在于：所述吊臂（2）通过球铰（14）对称的铰接在动平台（3）上。