CN105108741A - 具有大工作空间的四自由度混联机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有大工作空间的四自由度混联机器人，包括平面3自由度并联机构和第一驱动机构，平面3自由度并联机构具有一静平台，第一驱动机构用于对静平台提供使其作直线运动的驱动力。本发明的混联机器人通过将平面3自由度并联机构的静平台设置成可直线移动的，增大了工作空间，而且动力学特性更好，累积误差小。

Description

具有大工作空间的四自由度混联机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体地说，本发明涉及一种具有大工作空间的四自由度混联机器人。

背景技术

一般来说，串联机器人和并联机器人在结构和性能上具有对偶关系，因此两者在应用上不是替代作用而是互补关系；串联机器人末端执行器姿态灵活，但因悬臂结构使承载能力相对较弱，又因关节电动机不能布置在机架上，惯性大影响动力学特性，而并联机器人在理论上具有速度快、精度高、刚度大、累积误差小等优势，但也存在着工作空间较小等不足。

为改进并联机器人工作空间小的不足，公开号为CN102794662A的专利文献公开了一种六自由度位置姿态全解耦可调夹具，针对并联机构应用于并联机床时动平台姿态实现能力不足的问题，通过增强工件及其夹具的姿态变动范围使动平台姿态获得有效补偿。该夹具虽然通过补偿方法弥补了并联机器人工作空间的不足，但并未涉及并联机器人机型的改进，为兼顾串联机器人与并联机器人的优点，同时又尽可能避免两者的弱点，需设计一种新型的机器人。

发明内容

为解决并联机器人相对于串联机器人而言工作空间较小的不足，本发明提供了一种具有大工作空间的四自由度混联机器人，兼有串联机器人工作空间大的优点，又避免了串联机器人累积误差大、动力学特性差的弱点。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：具有大工作空间的四自由度混联机器人，包括平面3自由度并联机构和第一驱动机构，平面3自由度并联机构具有一静平台，第一驱动机构用于对静平台提供使其作直线运动的驱动力。

具有大工作空间的四自由度混联机器人还包括机架，所述静平台为可移动的设置于机架上。

所述机架包括下机座和与下机座连接的上机座，所述静平台与上机座为滑动连接。

所述第一驱动机构设置于所述机架上。

所述第一驱动机构包括与所述静平台为螺纹连接的螺杆轴，螺杆轴与静平台构成螺旋传动。

所述第一驱动机构还包括设置于下机座内的电动机，电动机通过传动机构与所述螺杆轴连接，所述静平台设置于上机座内。

所述传动机构为同步齿形带传动机构。

所述平面3自由度并联机构还具有一作平面运动的动平台和用于对动平台提供驱动力的第二驱动机构，所述静平台相对所述机架作直线运动时的运动方向与动平台作平面运动时所在平面相垂直。

所述第二驱动机构与所述静平台连接，且第二驱动机构设置有三个，三个第二驱动机构在静平台周围呈三角形分布。

所述第二驱动机构包括依次连接的电动机、驱动杆和连杆，电动机设置于所述静平台上，驱动杆一端与电动机的轴固定连接，驱动杆另一端与连杆一端转动连接，连杆另一端与所述动平台转动连接。

本发明具有大工作空间的四自由度混联机器人，通过将平面3自由度并联机构的静平台设置成可直线移动的，增大了工作空间，而且动力学特性更好，累积误差小。

附图说明

本说明书包括以下附图，所示内容分别是：

图1是静平台的结构示意图；

图2是电动机座安装板的结构示意图；

图3是驱动轴的结构示意图；

图4是连杆的结构示意图；

图5是动平台的结构示意图；

图6是上机座的结构示意图；

图7是下机座的结构示意图；

图8是螺杆轴的结构示意图；

图9是滚动轴承的结构示意图；

图10是平面3自由度并联机构的结构示意图；

图11是本发明混联机器人的结构示意图；

图中标记为：

1、电动机；1A、电动机；1B、电动机；1C、电动机；1D、电动机；

1F、电动机座安装板；1FA、长方形板；1FB、U形加强筋；1FC、矩形槽；1FD、通孔；1FE、电动机座安装孔；

2、平面3自由度并联机构；

2A、静平台；2AA、滑块；2AB、水平面；2AC、垂直面；2AD、内螺纹孔；2AE、通孔；2AF、滑座；

2B、驱动杆；2BA、通孔；2BB、键槽；2BC、通孔；2BD、U型槽；

2C、连杆；2CA、通孔；2CB、通孔；2CC、L型切口；

2D、动平台；2DA、通孔；2DB、通孔；2DC、通孔；2DD、U型切口；2DE、U型切口；2DF、U型切口；

3、机架；

3A、上机座；3AA、导槽；3AB、上轴承座孔；3AC、通孔；3AD、通孔；3AE、底板；3AF、壳体；

3B、下机座；3BA、沉孔；3BB、通孔；3BF、螺钉孔；3BC、下轴承座；3BD、下轴承座孔；3BE、沉孔；3BG、电机座；

4、第一驱动机构；

4A、螺杆轴；4AA、第一外螺纹段；4AB、滚动轴承安装轴段；4AC、轴承轴向定位卡槽；4AD、同步齿形带轮定位轴肩；4AE、同步齿形带轮安装轴段；4AF、键槽；4AG、第二外螺纹段；4AH、滚动轴承安装轴段；4AI、轴承轴向定位卡槽；

4B、滚动轴承；4BA、上滚动轴承；4BB、下滚动轴承；4BC、外圈薄边；4BD、外圈厚边；4BE、上轴承端盖；4BF、下轴承端盖；

4C、从动带轮；4D、主动带轮；4E、同步齿形带。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。

如图1至图11所示，本发明提供了一种具有大工作空间的四自由度混联机器人，包括平面3自由度并联机构和第一驱动机构，平面3自由度并联机构具有一个静平台2A，第一驱动机构用于对该静平台2A提供使其作直线运动的驱动力。

具体地说，如图11所示，本发明的混联机器人还包括机架，静平台2A为可移动的设置于机架上，在第一驱动机构的作用下，静平台2A能够相对于机架作直线往复运动。

如图11所示，作为优选的，静平台2A设置于机架内部，机架包括下机座3B和与下机座3B的一端固定连接的上机座3A，上机座3A和下机座3B均为内部中空的结构，上机座3A位于下机座3B外部，静平台2A插入下机座3B内且与上机座3A为滑动连接，上机座3A的一端与下机座3B的端部固定连接，另一端并设有让静平台2A进出的开口。

如图6所示，在本实施例中，上机座3A为圆柱形构件，其是由同轴线的圆柱形底板3AE和圆柱形壳体3AF连接而成，壳体3AF为两端开口、内部中空的结构，底板3AE将壳体3AF的一端开口封闭，壳体3AF另一端开口作为让静平台2A通过的进出口。底板3AE的外径大于壳体3AF的外径，在壳体3AF的内圆面上开有三个导槽3AA，导槽3AA为与壳体3AF轴线平行相平行的长槽，导槽3AA用于对静平台2A在移动时进行导向，3个导槽3AA在壳体3AF的内圆面上沿周向均匀分布；静平台2A装配到上机座3A时，使静平台2A上的3个滑块2AA落在导槽3AA中，实现静平台2A相对于机架的移动。在底板3AE的中心位置开有上轴承座孔3AB和通孔3AC，其中上轴承座孔3AB为沉孔。在底板3AE的外缘沿周向均布6个通孔3AD，用于让与下机座3B连接的螺钉穿过。

如图7所示，在本实施例中，下机座3B为中空的长方体壳体结构，沿着上下表面中心连线所成的轴线，在上表面开有一个沉孔3BA和一个通孔3BB，沉孔3BA处用于容纳上机座3A的底板3AE，在沉孔3BA的外缘设置有6个螺钉孔3BF，各个螺钉孔3BF分别对应一个通孔3AD；上、下机座装配时，将上机座3A的底板3AE装入沉孔3BA中，其中沉孔3BA与上机座3A的底板3AE之间为间隙配合，将螺钉穿过通孔3AD装入螺钉孔3BF中，实现上机座3A与下机座3B之间的固定连接。沿着上下表面中心连线所成的轴线，在下机座3B中空的长方体壳体内腔下表面上设置一个圆柱形的下轴承座3BC，在圆柱轴线位置分别开有下轴承座孔3BD和沉孔3BE，下轴承座孔3BD和沉孔3BE为同轴，且与沉孔3BA同轴。在下机座3B的内侧壁设有电机座3BG，电动机1D通过螺栓固定在电机座3BG上。

如图11所示，作为优选的，第一驱动机构是设置于机架的内部。第一驱动机构包括螺杆轴4A、电动机1D和滚动轴承4B，螺杆轴4A通过滚动轴承4B支撑于机架上，螺杆轴4A与静平台2A为螺纹连接，螺杆轴4A与静平台2A构成螺旋传动。电动机1D通过传动机构与螺杆轴4A连接，在电动机1D的作用下，螺杆轴4A可相对机架进行旋转，从而可带动静平台2A及其上的部件作往复直线运动。

作为优选的，如图11所示，传动机构设置于下机座3B内部，传动机构并为同步齿形带传动机构，其包括固定设置于电动机1D的电机轴上的主动带轮4D、固定设置于螺杆轴4A上的从动带轮4C以及与主动带轮4D、从动带轮4C配合的同步齿形带4E，从而可通过电动机1D的正转或反转并经由带传动机构精确的控制静平台2A的上升或下降行程。

如图11所示，螺杆轴4A的长度较长，其与上机座3A为同轴设置，螺杆轴4A并插入上机座3A内与静平台2A连接。螺杆轴4A通过滚动轴承设置于机架上，滚动轴承设置多个，在本实施例中，滚动轴承设置两个，分别为上滚动轴承4BA和下滚动轴承4BB，上滚动轴承4BA和下滚动轴承4BB的结构相同，上、下滚动轴承外圈的两个外端面有厚薄之分，分别是外圈薄边4BC和外圈厚边4BD。上滚动轴承4BA安装于上轴承座孔3AB中，下滚动轴承4BB安装于下轴承座孔3BD中。如图8所示，螺杆轴4A是中间直径大、往两端直径依次减小的台阶轴；沿轴向各轴段依次为：第一外螺纹段4AA、滚动轴承安装轴段4AB、直径最大的同步齿形带轮定位轴肩4AD、同步齿形带轮安装轴段4AE、第二外螺纹段4AG和滚动轴承安装轴段4AH，第一外螺纹段4AA和第二外螺纹段4AG处的外表面设置外螺纹。滚动轴承安装轴段4AB处安装上滚动轴承4BA，在滚动轴承安装轴段4AB的外圆面上设有轴承轴向定位卡槽4AC，用于装入卡环实现上滚动轴承4BA与螺杆轴4A的轴向定位。同步齿形带轮安装轴段4AE处安装从动带轮4C，从动带轮4C通过键与螺杆轴4A连接，相应在同步齿形带轮安装轴段4AE的外圆面上设置键槽4AF，并通过安装在第二外螺纹段4AG上的螺母实现从动带轮4C和螺杆轴4A的轴向定位。滚动轴承安装轴段4AH处安装下滚动轴承4BB，在下滚动轴承4BB的外圆面上设有轴承轴向定位卡槽4AI，轴承轴向定位卡槽4AI用于装入卡环实现下滚动轴承4BB与螺杆轴4A的轴向定位。

如图1所示，静平台2A包括与螺杆轴4A的第一外螺纹段4AA为螺纹连接且为圆柱形的滑座2AF和设置于滑座2AF上的滑块2AA，滑座2AF与上机座3A为同轴设置，滑座2AF的中心处设置沿轴向贯穿的内螺纹孔2AD，螺杆轴4A的第一外螺纹段4AA插入该内螺纹孔能够2AD中，实现与静平台2A的螺纹连接。滑块2AA设置于滑座2AF的外圆面上，滑块2AA与上机座3A上所设的导槽3AA的个数相等，三个滑块2AA沿周向均布在滑座2AF的外圆面上，相邻滑块2AA之间的夹角均为120°，形成的静平台2A的横截面为Y形。各滑块2AA分别嵌入一个导槽3AA中，两者相配合形成导向结构，确保在螺杆轴4A的作用下，静平台2A沿轴向做往复直线运动。

如图10所示，作为优选的，平面3自由度并联机构还具有作平面运动的动平台和用于对动平台提供驱动力的第二驱动机构，静平台2A相对机架作直线运动时的运动方向与动平台作平面运动时所在的运动平面相垂直。将平面3自由度并联机构的静平台2A设置成可移动的，增大了与并联机器人运动平面法线平行方向的工作空间。

如图10所示，第二驱动机构用于连接静平台2A和动平台，使两者形成一体结构。第二驱动机构设置于静平台2A的滑块2AA上，且第二驱动机构设置有三个，各个第二驱动机构分别设置于一个滑块2AA上，即三个第二驱动机构在静平台2A周围呈三角形分布。

作为优选的，如图10和图11所示，各个第二驱动机构包括依次连接的电动机、驱动杆2B和连杆2C，连杆2C的长度大于驱动杆2B的长度。三个电动机1A、1B、1C分别设置于静平台2A的一个滑块2AA上，驱动杆2B的一端与电动机1A、1B或1C的电机轴固定连接，驱动杆2B的另一端与连杆2C的一端转动连接，连杆2C的另一端与动平台转动连接。电动机1A、1B、1C的轴线与静平台2A的轴线相平行，驱动杆2B与连杆2C的铰接点的轴线以及连杆2C与动平台的铰接点的轴线也与静平台2A的轴线相平行。

如图1所示，静平台2A的滑块2AA为矩形板，各个2AA滑块的上端直角处设置一矩形的缺口，缺口处用于安装电动机座安装板1F，电动机1A、1B、1C安装于电动机座安装板1F上，各个2AA滑块的缺口处并形成与轴线垂直的水平面2AB和与轴线平行的垂直面2AC，各个2AA滑块上在靠近缺口位置处沿着与轴线平行方向设置有3个通孔2AE。如图2所示，电动机座安装板1F由长方形板1FA和U形加强筋1FB组成，在长方形板1FA上设置有电动机座安装孔1FE，在U形加强筋1FB中间开有矩形槽1FC，在矩形槽1FC两侧各开有3个通孔1FD。装配时，将电动机座安装板1F的矩形槽1FC对准滑块2AA上的垂直面2AC，以螺栓穿过通孔1FD和通孔2AE，从而将3块电动机座安装板1F固定在静平台2A的各个滑块2AA上；再将电动机1A、1B和1C的底座分别固定在3个电动机座安装板1F上。

如图3和图10所示，驱动杆共有3个，杆体为长方体形状，两端则为半圆柱，在两端的半圆柱轴线位置分别开有通孔2BA和通孔2BC；通孔2BA上还开有与圆柱轴线平行的键槽2BB，驱动杆的另一端，与圆柱轴线垂直方向开有U型槽2BD；装配时，通过半圆键将驱动杆2B的通孔2BA与电动机的输出轴周向固定，以传递运动和扭矩。

如图4和图10所示，连杆共有3个，杆体为长方体形状，两端则为半圆柱，在两端的半圆柱轴线位置分别开有通孔2CA和通孔2CB；在连杆一端的上下表面各开有L型切口2CC；装配时，将开有L型切口2CC的一端插入驱动杆U型槽2BD中，以圆柱销穿过通孔2CB和通孔2BC，实现连杆2C与驱动杆2B的铰链连接。

如图5和图10所示，在本实施例中，动平台为中空的三角形框架结构，其中心处的中空部分也是三角形形状，形成让静平台2A插入的三角形通孔。在动平台的3个顶点处分别开有通孔2DA、通孔2DB和通孔2DC，在三角形3个顶点处，与通孔2DA、2DB和2DC轴线垂直的方向分别开有U型切口2DD、U型切口2DE和U型切口2DF；装配时，将3个连杆2C的一端分别放入U型切口2DD、U型切口2DE和U型切口2DF中，使通孔2CA分别与通孔2DA、通孔2DB和通孔2DC对正，并以第1个圆柱销穿过通孔2CA与通孔2DA，以第2个圆柱销穿过通孔2CA与通孔2DB，以第3个圆柱销穿过通孔2CA与通孔2DC，实现3个连杆2C与动平台2D的铰链连接。U型切口2DD、U型切口2DE和U型切口2DF既便于连杆与动平台的安装，又可确保两者相对转动时不发生干涉。

如图1、图6、图7、图8、图9及图11所示，螺杆轴4A与静平台2A、上机座3A和下机座3B之间满足下述装配顺序和相对位置关系：

先将静平台2A装入上机座3A，使3个滑块2AA落在导槽3AA中；

同时，将上滚动轴承4BA装入滚动轴承安装轴段4AB并使其内圈端面紧靠定位轴肩，在轴承轴向定位卡槽4AC中装入卡环实现上滚动轴承4BA与螺杆轴4A的轴向定位；将下滚动轴承4BB装入滚动轴承安装轴段4AH并使其内圈端面紧靠定位轴肩，在轴承轴向定位卡槽4AI中装入卡环实现下滚动轴承4BB与螺杆轴4A的轴向定位；上滚动轴承4BA、下滚动轴承4BB装配到螺杆轴4A上时，应使其外圈薄边4BC朝外、外圈厚边4BD朝内，即采用“背靠背”安装；

再将螺杆轴4A的第一外螺纹段4AA装入静平台2A的内螺纹孔2AD中，构成螺旋副，装配时须将两螺旋副旋合，使上滚动轴承4BA的外圈薄边4BC端面紧靠上轴承座孔3AB，再以上轴承端盖4BE盖合，实现螺杆轴4A相对于上机座3A的定位；

最后，将与静平台2A、螺杆轴4A装配为一体的上机座3A装配到下机座3B上，并使下滚动轴承4BB的外圈薄边4BC端面紧靠下轴承座孔3BD，再盖合下轴承端盖4BF，实现螺杆轴4A相对于下机座3B的定位。

如图10，当电动机1D正转或反转时，作用在螺杆轴4A上的轴向力，分别经上滚动轴承4BA的外圈和上轴承端盖4BE传至机架(亦即上机座3A)，经下滚动轴承4BB的外圈和下轴承端盖4BF传至机架(下机座3B)。

图10所示，对于上述结构的平面3自由度并联机构，其活动构件数n＝7，转动副数为P_L＝9，由机构学理论可以计算其自由度F＝3×n-2×P_L＝3，因此通过三个伺服电动机1A、1B和1C分别带动三个驱动杆2B转动，经三个连杆2C可实现动平台2D的平面运动；在对构件运动进行干涉检验的基础上，动平台还可在原有的三角形框架结构基础上进一步向三角形区域的外侧扩展，因此，动平台在与螺杆轴轴向垂直的平面内可以实现大范围的复杂平面运动。

记从动带轮4C的齿数为Z_c，主动带轮4D的齿数为Z_z，伺服电动机1D的转速为n_z(单位：rpm)，螺杆轴4A的转速为n_c(单位：rpm)，螺旋传动的头数为k，导程为L(单位：mm)，静平台2A的上升或下降速度为v(单位：mm/min)，则有：

n_z/n_c＝Z_c/Z_z(1)

v＝n_ckL＝n_zkLZ_z/Z_c(2)

综上所述，通过三个伺服电动机1A、1B和1C可精确实现动平台2D在垂直于螺杆轴线平面的平面运动，通过伺服电动机1D的正转或反转经由螺旋传动可精确的控制静平台2A的上升或下降运动，进而精确实现动平台2D沿螺杆轴线方向的上升或下降运动，因此，本发明的混联机器人为由平面3自由度并联机构与单自由度螺旋机构组合后所得的4自由度混联机器人，其执行构件(动平台2D)具有大工作空间。

本发明的混联机器人还具有如下优点：

(1)将平面3自由度并联机器人的静平台与螺旋传动的移动螺母串联，增大了与并联机器人运动平面法线平行方向的工作空间；在平面3自由度并联机器人设计中，以静平台为中心，将与之铰接的3个驱动杆，与3个驱动杆铰接的3个连杆向外辐射，再以铰链连接到动平台上，这种空间布置方式类似桁架结构，具有大刚度特点；以成对的滚动轴承支承螺杆轴，使驱动静平台上下移动的螺旋传动具有承载能力强、刚度大和传动平稳的特点。

(2)结构设计中巧妙地将并联机构静平台既作为并联机构的机架又作为螺旋传动的移动螺母，将并联机构静平台设计成Y形脊骨结构，其中心部分为带内螺纹通孔的圆柱脊骨，圆柱的外表面对称设置由圆柱轴线沿径向辐射的三块方形板，该三块方形板在圆柱轴线垂直平面内呈Y型对称分布；在三块方形板的上端靠近圆柱表面处，各开设L型切口，用于安装3自由度并联机构的3个驱动电机支撑板；为便于零部件安装，将机架设置为上机座、下机座两个部分，并用螺钉固结，上机座采用空心圆柱和圆柱座结构，在上机座空心圆柱内表面开设3个导槽，供静平台Y形脊骨结构的三块方形板落入其中，并沿该导槽移动。

(3)将螺旋传动的螺杆设计成带外螺纹的立式台阶轴，其外螺纹与Y形脊骨结构的内螺纹孔构成螺旋副，螺杆的支承则采用成对滚动轴承，1个滚动轴承装入上机座下端的轴承支承沉孔中，另一个轴承则装入下机座下端的轴承支承沉孔中；在螺杆上还设置带轮，用于电动机通过同步齿形带驱动螺杆。轴承采用背靠背安装，当螺杆驱动电机通过同步齿形带使螺杆正反转时，作用在螺杆上的双向轴向力，将经轴承外圈传至上下机座，而不会导致螺杆轴相对与上、下机座的位置发生变化。

(4)当静平台相对于机架移动时，平面3自由度并联机构的3个驱动电机只有移动惯性，相比串联机器人，其加速度构成中没有哥氏加速度，因此动力学特性更好。

(5)螺杆轴用滚动轴承支承，可采用脂润滑，而电动机驱动螺杆轴运动采用同步齿形带传动，可省略润滑，因此具有大工作空间的四自由度混联机器人不需要润滑油润滑，节约了使用成本。

以上结合附图对本发明进行了示例性描述。显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.具有大工作空间的四自由度混联机器人，其特征在于：包括平面3自由度并联机构和第一驱动机构，平面3自由度并联机构具有一静平台，第一驱动机构用于对静平台提供使其作直线运动的驱动力。

2.根据权利要求1所述的具有大工作空间的四自由度混联机器人，其特征在于：还包括机架，所述静平台为可移动的设置于机架上。

3.根据权利要求2所述的具有大工作空间的四自由度混联机器人，其特征在于：所述机架包括下机座和与下机座连接的上机座，所述静平台与上机座为滑动连接。

4.根据权利要求2所述的具有大工作空间的四自由度混联机器人，其特征在于：所述第一驱动机构设置于所述机架上。

5.根据权利要求4所述的具有大工作空间的四自由度混联机器人，其特征在于：所述第一驱动机构包括与所述静平台为螺纹连接的螺杆轴，螺杆轴与静平台构成螺旋传动。

6.根据权利要求5所述的具有大工作空间的四自由度混联机器人，其特征在于：所述第一驱动机构还包括设置于下机座内的电动机，电动机通过传动机构与所述螺杆轴连接，所述静平台设置于上机座内。

7.根据权利要求6所述的具有大工作空间的四自由度混联机器人，其特征在于：所述传动机构为同步齿形带传动机构。

8.根据权利要求1所述的具有大工作空间的四自由度混联机器人，其特征在于：所述平面3自由度并联机构还具有一作平面运动的动平台和用于对动平台提供驱动力的第二驱动机构，所述静平台相对所述机架作直线运动时的运动方向与动平台作平面运动时所在平面相垂直。

9.根据权利要求8所述的具有大工作空间的四自由度混联机器人，其特征在于：所述第二驱动机构与所述静平台连接，且第二驱动机构设置有三个，三个第二驱动机构在静平台周围呈三角形分布。

10.根据权利要求8或9所述的具有大工作空间的四自由度混联机器人，其特征在于：所述第二驱动机构包括依次连接的电动机、驱动杆和连杆，电动机设置于所述静平台上，驱动杆一端与电动机的轴固定连接，驱动杆另一端与连杆一端转动连接，连杆另一端与所述动平台转动连接。