CN104924297B - 一种高速二自由度平面平移机器人机构 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种高速二自由度平面平移机器人机构，由第一驱动杆、第二驱动杆、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、动平台和基座平台组成。第一驱动杆、第一连杆、第二连杆、第三连杆和基座平台组成平面五杆机构；第四连杆、第五连杆、第六连杆、第七连杆铰接形成一个平行四边形机构；第三连杆、第七连杆、第二驱动杆和基座平台铰接形成另一个平行四边形机构，这两个平行四边形机构直接串联在一起；第二连杆和第四连杆是“V”字型组合构件的两个边，动平台与第五连杆相连。本发明的高速二自由度平面平移机器人机构为串、并联混合机构，远离基座平台的运动构件数量少，而且驱动副也为转动副，高速产生的惯性负载小，更加有利于实现高速运动。

Description

一种高速二自由度平面平移机器人机构

技术领域

本发明涉及一种串并联结合的平面机器人机构，特别是涉及一种具有拾取平面广、拾取速度快的高速二自由度平面平移机器人机构。

背景技术

目前的加工制造业中，诸如包装、分拣和搬运等操作已经普遍使用快速拾取机器人取代人工作业，这不仅是因为机器人可以不间断地工作，还因为快速拾取机器人具有高精度、高效率等优点。

目前的二自由度平面平移机构从驱动副的类型来分有两类，第一类的驱动副为移动副，如公开号为CN101804629A、CN1628939A、CN102886777A、CN101104272A、CN104044135A、CN103600344A、CN2741730Y、CN102848376A的中国专利，这些机构由于采用移动副驱动，所以不利于实现高速，但是具有比较高的刚度；第二类的驱动副为转动副，如公开号为CN104440883A、CN101224577A、CN103522283A、CN1589191A、CN201275760Y、CN1355087A的中国专利，用转动副驱动比较容易实现高速运动，但是这类机构中远离基座平台的运动构件数量较多，且与运动平台相连接的构件数量较多，运动平台受到的约束较多，不利于机构的动态性能的进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺点，提出一种高速二自由度平面平移机器人机构，该机构由转动副驱动，具有拾取平面广、拾取速度快的特点。

解决前述技术问题的技术方案为，一种高速二自由度平面平移机器人机构，包括第一驱动杆、第二驱动杆、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、运动平台和基座平台；

第一驱动杆、第一连杆、第二连杆与第三连杆两两之间依此通过转动副串联连接，第一驱动杆和第三连杆的另一端分别通过转动副与基座平台连接于两处，形成一个封闭的平面五杆机构；第二驱动杆的一端通过转动副与基座平台上的第三处连接，第七连杆的两端分别通过转动副与第三连杆和第二驱动杆相连，第三连杆、第七连杆、第二驱动杆和基座平台构成第一个平面四杆的平行四边形机构，第三连杆和第二驱动杆的长度相等但不直接相连；第四连杆、第五连杆、第六连杆和第七连杆通过转动副依次首尾相连构成第二个平面四杆的平行四边形机构。平面五杆机构与第一个平行四边形机构具有一个共同的边即第三连杆，第一个平行四边形机构与第二个平行四边形机构具有一条公共的边即第七连杆，从而在平面五杆机构与第一个平行四边形机构之间形成并联连接的结构，在两个平行四边形机构之间形成串联连接的结构；

第二连杆和第四连杆相邻的两端固定连接在一起，形成一个“V”字型组合构件，即第二连杆和第四连杆作为“V”字型组合构件的两个边，第二连杆与第四连杆之间的夹角不受限制，可以根据实际工作环境进行设计和调整。“V”字型组合构件和第三连杆的转动副与“V”字型组合构件和第七连杆的转动副的轴线重合，第七连杆和第六连杆的转动副与第七连杆和第二驱动杆的转动副的轴线重合；所述所有转动副的轴线之间相互平行；

运动平台作为拾取物体的末端执行机构安装在第五连杆上；根据实际工作环境，运动平台可以直接固定在第五连杆上，也可以通过转动副安装在第五连杆上，或者将运动平台和驱动电机安装在第五连杆上，驱动电机驱动运动平台绕自身轴线转动；安装运动平台时，运动平台可以与所述第二平行四边形机构垂直，也可以与所述第二平行四边形机构位于同一平面内，或者以其他工作环境需要的角度安装；

工作时，将基座平台安装在工作平台上，根据实际工作环境，基座平台可以直接固定在工作平台上，也可以通过移动副或者转动副安装在工作平台上。

在前述二自由度平面平移机器人机构中，第三连杆、第七连杆、第二驱动杆和基座平台构成的平面四杆平行四边形机构约束第七连杆的位姿与基座平台保持一致，第四连杆、第五连杆、第六连杆和第七连杆构成的平面四杆平行四边形机构约束第五连杆的位姿与第七连杆的位姿保持一致，所以第五连杆的位姿与基座平台保持一致，也就是运动平台和第五连杆是平面平移运动；第三连杆、第七连杆、第二驱动杆和基座平台构成的平面四杆平行四边形机构中第二驱动杆带动第三连杆转动，而且这两者位姿也时刻保持一致；第一驱动杆、第一连杆、第二连杆、第三连杆和基座平台构成一个平面五杆机构，第一驱动杆和间接驱动的第三连杆可以看成是两个驱动构件，第二连杆的位姿也就可以确定，而第二连杆和第四连杆是固定在一起的“V”字型组合构件，这样第四连杆的位姿也就可以确定。第七连杆的位姿由第二驱动杆的输入确定，第四连杆的位姿由第一驱动杆和间接驱动的第三连杆确定，最后，第五连杆以及固接在第五连杆上的末端执行构件的运动由第四连杆和第七连杆的位姿就可以确定。因此，所述机构可以实现平面内二自由度平移运动。

本发明中，第三连杆也可以直接作为驱动杆，由电机直接驱动，而第二驱动杆作为间接驱动杆，在第三连杆的带动下运动。

进一步，前述高速二自由度平面平移机器人机构还包括第一同步带轮、第一同步带、复合同步带轮、第二同步带、第二同步带轮；其中，第一同步带轮安装在第五连杆上，复合同步带轮安装在第七连杆上，第二同步带轮安装在基座平台上，第二同步带轮、复合同步带轮和第一同步带轮的轴线均与所述各转动副轴线平行，第一同步带安装在复合同步带轮和第一同步带轮上，第二同步带安装在第二同步带轮和复合同步带轮上；第二同步带轮和复合同步带轮回转轴线的公垂线与第三连杆的轴线平行，复合同步带轮和第一同步带轮回转轴线的公垂线与第六连杆的轴线平行；运动平台安装在第一同步带轮上，在第一同步带轮的带动下转动。工作时，第二同步带轮通过外部电机可以驱动旋转，通过第二同步带带动复合同步带轮转动，复合同步带轮再通过第一同步带驱动第一同步带轮转动，最后第一同步带轮驱动末端执行构件(运动平台)转动绕自身轴线转动，从而可以使运动平台的抓取适应性更好，可以通过改变抓取方向来抓取某些不规则的物体。

与现有技术相比，本发明的显著优点在于，所述的二自由度平面平移机器人机构为串、并联混合机构，电机安装在基座平台或者工作平台上，减轻了机构中运动构件的质量；相比其它平面内二自由度平移运动并联机构而言，本发明机构驱动副为转动副，而且远离基座平台的运动构件数量少，因此高速产生的惯性负载小；综合上述优点，本发明机构更加有利于实现高速运动。同时，通过增加转动轮，末端执行机构不但能在平面内运动，还可以绕自身轴线转动，从而提扩展了执行机构的抓取方向和适应性，形成其它三、四自由度机器人机构。

附图说明

图1是本发明高速二自由度平面平移机器人机构实施例1的示意图。

图2是本发明高速二自由度平面平移机器人机构实施例2的示意图。

图3是本发明高速二自由度平面平移机器人机构实施例3的示意图。

图4是本发明高速二自由度平面平移机器人机构实施例4的示意图。

图5是本发明高速二自由度平面平移机器人机构实施例5的示意图。

具体实施方式

容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明高速二自由度平面平移机器人机构的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。

实施例1

如图1所示，是一种具有拾取速度快、横向位移大的二自由度平面平移机构，包括第一驱动杆1、第二驱动杆9、第一连杆2、第二连杆3、第三连杆4、第四连杆5、第五连杆6、第六连杆7、第七连杆8、动平台10和基座平台11；第一驱动杆1、第一连杆2、第二连杆3、第三连杆4和基座平台11两两之间依次通过转动副串联连接在一起，形成一个封闭的平面五杆机构；

第三连杆4、第七连杆8、第二驱动杆9、基座平台11通过转动副串联成第一平行四边形机构，第二驱动杆9的长度与第三连杆4的长度相等；第四连杆5、第五连杆6、第六连杆7、第七连杆8通过转动副串联成第二平行四边形机构，第四连杆5的长度与第六连杆7的长度相等；第一平行四边形机构与第二平行四边形机构串联连接，两者的公共边为第七连杆8；

第二连杆3和第四连杆5是“V”字型组合构件的两个边，“V”字型组合构件与第七连杆8和第三连杆4连接的转动副轴线重合，第七连杆8与第二驱动杆9和第六连杆7连接的转动副轴线重合；

前述所有转动副的轴线之间相互平行，作为末端执行构件的运动平台10固定安装在第五连杆6上的，末端执行构件的轴线与各转动副的轴线平行，基座平台11与工作平台固接。

实施例1所示高速二自由度平面平移机器人机构可以实现在一个平面内抓取、释放物体等功能。

实施例2

如图2所示，实施例2与实施例1区别在于，基座平台11不直接与工作平台固接，变成可转动的安装方式，即通过转动副与工作平台连接，基座平台11可以绕工作平台上的固定轴19转动，固定轴19的轴线平行于高速二自由度平面平移机器人机构中其它转动副的轴线。

本实施例，当基座平台11增加了上述转动功能之后，使该机构的运动空间从二维增加到三维，其在一个平面内的抓取范围会比实施例1的抓取范围扩大很多。

实施例3

如图3所示，在实施例1的基础上，末端执行构件可以绕自身轴线的转动。为了减少末端执行构件的重量，本实施例将驱动末端执行构件的电机布置在基座平台11或者工作平台上。

本实施例在实施例1的基础上，增加第一同步带轮12，第一同步带13，复合同步带轮14，第二同步带15，第二同步带轮16等构件。第二同步带轮16安装在基座平台11上，复合同步带轮14安装在第七连杆8上，第一同步带轮12安装在第五连杆6上，第二同步带轮16、复合同步带轮14和第一同步带轮12的轴线与机构的各转动副轴线平行，第一同步带13连接在复合同步带轮14和第一同步带轮12上，第二同步带15连接在第二同步带轮16和复合同步带轮14上；第二同步带轮16和复合同步带轮14的中心距连线与第三连杆4的轴线平行且长度相等，复合同步带轮14和第一同步带轮12的中心距连线与第六连杆7的轴线平行且长度相等，末端执行构件固定在第一同步带轮12上，其转动轴线与第一同步带轮12的转动轴线重合。

在本实施例中，第二同步带轮16通过电机可以驱动旋转，通过第二同步带15带动复合同步带轮14转动，复合同步带轮14再通过第一同步带13驱动第一同步带轮12转动，最后第一同步带轮12驱动末端执行构件运动平台10转动。运动平台10绕自身轴线的转动可以使运动平台10的抓取适应性更好，可以通过改变抓取方向来抓取某些不规则的物体。

实施例4

如图4所示，本实施例在实施例3的基础上，基座平台11不直接与工作平台固接，变成可转动的安装方式，通过转动副与工作平台连接，基座平台11可以绕工作平台上的固定轴19转动，固定轴19的轴线平行于机构中其它转动副的轴线。

实施例4结合了实施例3、实施例2和实施例1的优点，使得该机构同时具有作业空间大和抓取适应性好等特点。

实施例5

如图5所示，实施例5与实施例2的区别在于两处：实施例5中基座平台11的转动副轴线与实施例2中基座平台11的转动副轴线的方向不同；运动平台10通过转动副安装在第五连杆6上，但是运动平台10的轴线与各转动副的轴线不平行。

如图5所示，基座平台11可以绕工作平台上的固定轴19转动，基座平台11的转动副轴线与第七连杆8的轴线平行，运动平台10的轴线也与第七连杆8的轴线平行。

实施例5中驱动电机直接安装在第五连杆6上，驱动运动平台10绕自身轴线的转动。该机构可以实现一个圆柱体空间内的拾取，拾取能力从二维平面增加到三维空间，增加了运动平台10绕自身轴线的转动可以使运动平台10的抓取适应性更好，可以通过改变抓取方向来抓取某些不规则的物体。

Claims (10)

1.一种高速二自由度平面平移机器人机构，其特征在于，包括第一驱动杆(1)、第二驱动杆(9)、第一连杆(2)、第二连杆(3)、第三连杆(4)、第四连杆(5)、第五连杆(6)、第六连杆(7)、第七连杆(8)、运动平台(10)和基座平台(11)；其中，

第一驱动杆(1)、第一连杆(2)、第二连杆(3)与第三连杆(4)依次通过转动副串联连接，第一驱动杆(1)和第三连杆(4)的另一端分别通过转动副与基座平台(11)连接；第二驱动杆(9)的一端通过转动副与基座平台(11)连接，第七连杆(8)的两端分别通过转动副与第三连杆(4)和第二驱动杆(9)相连，第三连杆(4)、第七连杆(8)、第二驱动杆(9)和基座平台(11)构成平行四边形结构；且

第四连杆(5)、第五连杆(6)、第六连杆(7)和第七连杆(8)依次通过转动副串联连接并构成平行四边形机构；且

第二连杆(3)和第四连杆(5)固定在一起形成“V”字型组合构件，“V”字型组合构件和第三连杆(4)的转动副与“V”字型组合构件和第七连杆(8)的转动副的轴线重合，第七连杆(8)和第六连杆(7)的转动副与第七连杆(8)和第二驱动杆(9)的转动副的轴线重合；且

所有转动副的轴线相互平行，运动平台(10)安装在第五连杆(6)上。

2.如权利要求1所述高速二自由度平面平移机器人机构，其特征在于，所述基座平台(11)固定在工作平台上。

3.如权利要求1所述高速二自由度平面平移机器人机构，其特征在于，所述基座平台(11)通过移动副连接在工作平台上。

4.如权利要求1所述高速二自由度平面平移机器人机构，其特征在于，所述基座平台(11)通过转动副安装在工作平台上。

5.如权利要求4所述高速二自由度平面平移机器人机构，其特征在于，连接基座平台(11)和工作平台的转动副的轴线与第七连杆(8)的轴线平行；运动平台(10)和驱动电机安装在第五连杆(6)上，驱动电机驱动运动平台(10)绕自身轴线转动。

6.如权利要求1所述高速二自由度平面平移机器人机构，其特征在于，还包括第一同步带轮(12)、第一同步带(13)、复合同步带轮(14)、第二同步带(15)、第二同步带轮(16)；其中，

第一同步带轮(12)安装在第五连杆(6)上，复合同步带轮(14)安装在第七连杆(8)上，第二同步带轮(16)安装在基座平台(11)上，第二同步带轮(16)、复合同步带轮(14)和第一同步带轮(12)的轴线均与各转动副轴线平行，第一同步带(13)安装在复合同步带轮(14)和第一同步带轮(12)上，第二同步带(15)安装在第二同步带轮(16)和复合同步带轮(14)上；第二同步带轮(16)和复合同步带轮(14)回转轴线的公垂线与第三连杆(4)的轴线平行，复合同步带轮(14)和第一同步带轮(12)回转轴线的公垂线与第六连杆(7)的轴线平行；运动平台(10)安装在第一同步带轮(12)上，在第一同步带轮(12)的带动下转动。

7.如权利要求6所述高速二自由度平面平移机器人机构，其特征在于，所述基座平台(11)固定在工作平台上。

8.如权利要求6所述高速二自由度平面平移机器人机构，其特征在于，所述基座平台(11)通过移动副连接在工作平台上。

9.如权利要求6所述高速二自由度平面平移机器人机构，其特征在于，所述基座平台(11)通过转动副安装在工作平台上。

10.如权利要求9所述高速二自由度平面平移机器人机构，其特征在于，连接基座平台(11)和工作平台的转动副的轴线与第七连杆(8)的轴线平行。