CN105364917A - 一种垂直关节的伪四自由度并联机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种垂直关节的伪四自由度并联机器人，包括框架(1)、静平台(2)、旋转驱动机构、二自由度并联机构；二自由度并联机构包括并联驱动机构、旋转支撑座(5)、第一运动支链、第二运动支链、动平台(10)、吸嘴(11)；并联驱动机构包括第一运动支链驱动(6)和第二运动支链驱动(8)。第一运动支链包括第一主杆(7)、第一从动杆(15)和第二从动杆(14)；第二运动支链包括第二主动杆(9)、第三从动杆(13)和第四从动杆(12)。本发明通过三个驱动电机可以实现四个自由度的运动，制造成本大大减少；由于采用纯并联机构，运动速度快、易于控制、动平台工作空间大、分布对称，设计简单，易于安装和维护。

Description

一种垂直关节的伪四自由度并联机器人
技术领域
本发明涉及工业机器人领域，特别涉及一种垂直关节的伪四自由度并联机器人。
背景技术
目前，在轻工、食品、药品和电子行业的自动化生产线中，诸如分拣、包装、封装、焊接等作业很多利用机器人执行。而在众多的机器人中，常采用并联机器人实现多方位的快速运动。并联机器人与传统的串联机器人相比，具有以下特点：
1)运动精度和重复精度高；
2)运动速度快，动态响应好；
3)占地空间较小；
由于上述特点，并联机器人得以广泛应用。但同时，传统机器人驱动电机数量和机器人自由度数量相等。为实现所需要的自由度数量，要保证足够的驱动自由度数量，就需要足够的驱动部件，这大大增加了机器人的制造成本。这也成为本领域技术人员需要解决的问题。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提出一种垂直关节的伪四自由度并联机器人，其驱动机构的自由度(驱动电机)数量为三，可实现的运动自由度数量为四，驱动机构的自由度数量小于其真实的运动自由度数量，使得结构简单，减少了一个自由度及相关部件，使得制造成本大大减少，并联机构刚度好，运动速度快。
为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案实现:
一种垂直关节的伪四自由度并联机器人，包括框架、静平台、旋转驱动机构、二自由度并联机构；所述静平台固定在框架上；所述旋转驱动机构固定在所述静平台上；所述二自由度并联机构包括并联驱动机构、旋转支撑座、第一运动支链、第二运动支链、动平台、吸嘴；所述旋转驱动机构的输出轴竖直向下地连接旋转支撑座；所述并联驱动机构包括第一运动支链驱动和第二运动支链驱动；所述第一运动支链和所述第二运动支链位于同一个平面内；所述第一运动支链一端与所述第一运动支链驱动的输出轴相连构成旋转副，另一端与所述第二运动支链相连构成旋转副；所述第二运动支链的一端与所述第二运动支链驱动的输出轴、所述第一运动支链相连构成旋转副，另一端与动平台连接，动平台上安装有吸嘴，旋转驱动机构的输出轴与吸嘴的中心轴平行，并且旋转驱动机构的输出轴与吸嘴的中心轴构成的平面与第一运动支链和第二运动支链所处的平面平行。
进一步地，所述第一运动支链包括第一主杆、第一从动杆组，所述第一主动杆一端与第一运动支链驱动的输出轴相连构成旋转副，另一端连接第一从动杆组构成旋转副。
进一步地，所述第二运动支链包括第二主动杆和第二从动杆组，所述第二主动杆一端与第二运动支链驱动的输出轴相连构成旋转副，另一端连接通过旋转轴连接所述第二从动杆组构成旋转副。
进一步地，所述第一从动杆组包括第一从动杆和第二从动杆，所述第二从动杆组包括第三从动杆和第四从动杆；所述第一从动杆一端通过旋转轴连接在旋转支撑座上构成旋转副，另一端通过旋转轴连接第二从动杆和第三从动杆构成旋转副；所述第三从动杆一端通过旋转轴连接第二从动杆和第一从动杆构成旋转副，另一端通过旋转轴连接第四从动杆构成旋转副。
进一步地，所述第一主动杆与所述第二从动杆、第一从动杆以及旋转支撑座首尾相连，在同一平面内构成平行四边形机构；所述第二主动杆与所述杆第四从动杆、第三从动杆、第二从动杆首尾相连，在同一平面内构成平行四边形机构。
进一步地，所述第一从动杆与旋转支撑座相连的旋转轴与第一运动支链驱动的输出轴所处的平面平行于地面。
进一步地，所述旋转驱动机构包括弯头减速机和第一驱动电机，所述弯头减速机安装在静平台上，所述第一驱动电机与弯头减速机连接。
进一步地，所述旋转支撑座为折弯90度的板块，包括水平板和竖直板；所述弯头减速机的输出轴作为旋转驱动机构的输出轴竖直向下地连接旋转支撑座的水平板。
进一步地，所述第一运动支链驱动包括第二驱动电机和第二减速机，所述第二运动支链驱动包括第三驱动电机和第三减速机。
本发明垂直关节的伪四自由度并联机器人通过三个驱动电机可以实现四个自由度的运动，能够抓取物体，做三个自由度的平移和一个自由度的旋转，由于采用纯并联机构，易于控制、动平台工作空间大、分布对称，设计简单，易于安装和维护。这种机构的特殊性，使得结构简单，减少了一个自由度及相关部件，使得制造成本大大减少，并联机构的刚度好，运动速度快。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明一种垂直关节的伪四自由度并联机器人的结构示意图；
图2是本发明一种垂直关节的伪四自由度并联机器人的另一视角结构示意图；
图3是本发明一种垂直关节的伪四自由度并联机器人的轴线示意图；
图4是本发明一种垂直关节的伪四自由度并联机器人的运动示意图。
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。
如图1至图3所示，本发明垂直关节的伪四自由度并联机器人包括框架1、静平台2、旋转驱动机构、二自由度并联机构；框架1为固定位置的平台，静平台2固定在框架1上，也是固定位置的平台；所述旋转驱动机构包括弯头减速机3和第一驱动电机4，所述弯头减速机3安装在静平台2上，驱动电机4与弯头减速机3连接，用于驱动弯头减速机3；所述二自由度并联机构包括并联驱动机构、旋转支撑座5、第一运动支链、第二运动支链、动平台10、吸嘴11。所述旋转支撑座5为折弯90度的板块，包括水平板和竖直板。所述弯头减速机3的输出轴作为旋转驱动机构的输出轴A1，该输出轴A1竖直向下地连接旋转支撑座5的水平板，以驱动旋转支撑座5水平360度旋转。
所述并联驱动机构包括第一运动支链驱动6和第二运动支链驱动8，各自的输出轴水平。所述第一运动支链驱动6包括第二驱动电机和第二减速机，所述第二运动支链驱动8包括第三驱动电机和第三减速机。所述第一运动支链和第二运动支链结构相同，且互相并联，安装于旋转支撑座5上。所述第一运动支链包括第一主杆7、第一从动杆组，所述第一从动杆组包括第一从动杆15和第二从动杆14。所述第一主动杆7一端与第一运动支链驱动6的输出轴A2相连构成旋转副，接受第一运动支链驱动6驱动进行转动；另一端连接第一从动杆组构成旋转副。所述第一从动杆15一端通过旋转轴A8连接在旋转支撑座5上构成旋转副，另一端通过旋转轴A7连接第二从动杆14和第三从动杆13构成旋转副；所述第二运动支链包括第二主动杆9和第二从动杆组，所述第二从动杆组包括第三从动杆13和第四从动杆12。所述第二主动杆9一端与第二运动支链驱动8的输出轴A3相连构成旋转副，接受第二运动支链驱动8驱动进行转动；另一端连接通过旋转轴A4连接所述第二从动杆组构成旋转副。所述第三从动杆13一端通过旋转轴A7连接第二从动杆14和第一从动杆15构成旋转副，另一端通过旋转轴A6连接第四从动杆12构成旋转副。本实施例中，第一运动支链和第二运动支链位于同一个平面内。
所述第一主动杆7与所述第二从动杆14、第一从动杆15以及旋转支撑座5首尾相连，在同一平面内构成平行四边形机构。所述第二主动杆9与所述杆第四从动杆12、第三从动杆13、第二从动杆14首尾相连，在同一平面内构成平行四边形机构。所述的两组平行四边形机构是并联机构。
动平台10连接在第二个平行四边形机构末端，动平台10上安装有吸嘴11，旋转驱动机构的输出轴A1与吸嘴11的中心轴A5平行，并且旋转驱动机构的输出轴A1与吸嘴11的中心轴A5构成的平面与第一运动支链和第二运动支链所处的平面平行；旋转轴A8与输出轴A2所处的平面始终是平行于地面的，这样就保证了吸嘴中心轴A5始终垂直于地面。
根据图4简述四自由度运动步骤如下：
步骤一：将第一运动支链和第二运动支链所在的平面旋转至与平面NA-NB-NC-ND平行，将物体从抓取点NA经过点NB和点NC搬运至点ND；
步骤二：将第一运动支链和第二运动支链所在的平面旋转一定角度，这个角度就是物体的抓取点NA和放置点NI的夹角；
步骤三：将物体从点NE放下置于点NF，再将第一运动支链和第二运动支链所在的平面旋转至与平面NE-NG-NH-NI平行，再从NF抓取物体提升至点NE；
步骤四：机器人物体从点NE经过点NG和点NH搬运至放置点NI。
至此，物体就从抓取点NA搬运至放置在点NI，即实现了四自由度的运动。
综上所述，本发明垂直关节的伪四自由度并联机器人通过三个驱动电机可以实现四个自由度的运动，能够抓取物体，做三个自由度的平移和一个自由度的旋转，由于采用纯并联机构，易于控制、动平台工作空间大、分布对称，设计简单，易于安装和维护。这种机构的特殊性，使得结构简单，减少了一个自由度及相关部件，使得制造成本大大减少，并联机构的刚度好，运动速度快。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种垂直关节的伪四自由度并联机器人，其特征在于：包括框架(1)、静平台(2)、旋转驱动机构、二自由度并联机构；所述静平台(2)固定在框架(1)上；所述旋转驱动机构固定在所述静平台(2)上；所述二自由度并联机构包括并联驱动机构、旋转支撑座(5)、第一运动支链、第二运动支链、动平台(10)、吸嘴(11)；所述旋转驱动机构的输出轴竖直向下地连接旋转支撑座(5)；所述并联驱动机构包括第一运动支链驱动(6)和第二运动支链驱动(8)；所述第一运动支链和所述第二运动支链位于同一个平面内；所述第一运动支链一端与所述第一运动支链驱动(6)的输出轴相连构成旋转副，另一端与所述第二运动支链相连构成旋转副；所述第二运动支链的一端与所述第二运动支链驱动(8)的输出轴、所述第一运动支链相连构成旋转副，另一端与动平台(10)连接，动平台(10)上安装有吸嘴(11)，旋转驱动机构的输出轴与吸嘴的中心轴平行，并且旋转驱动机构的输出轴与吸嘴的中心轴构成的平面与第一运动支链和第二运动支链所处的平面平行。
2.根据权利要求1所述的垂直关节的伪四自由度并联机器人，其特征在于：所述第一运动支链包括第一主杆(7)、第一从动杆组，所述第一主动杆(7)一端与第一运动支链驱动(6)的输出轴相连构成旋转副，另一端连接第一从动杆组构成旋转副。
3.根据权利要求1或2所述的垂直关节的伪四自由度并联机器人，其特征在于：所述第二运动支链包括第二主动杆(9)和第二从动杆组，所述第二主动杆一端与第二运动支链驱动(8)的输出轴相连构成旋转副，另一端连接通过旋转轴连接所述第二从动杆组构成旋转副。
4.根据权利要求3所述的垂直关节的伪四自由度并联机器人，其特征在于：所述第一从动杆组包括第一从动杆(15)和第二从动杆(14)，所述第二从动杆组包括第三从动杆(13)和第四从动杆(12)；所述第一从动杆(15)一端通过旋转轴连接在旋转支撑座(5)上构成旋转副，另一端通过旋转轴连接第二从动杆(14)和第三从动杆(13)构成旋转副；所述第三从动杆(13)一端通过旋转轴连接第二从动杆(14)和第一从动杆(15)构成旋转副，另一端通过旋转轴连接第四从动杆(12)构成旋转副。
5.根据权利要求4所述的垂直关节的伪四自由度并联机器人，其特征在于：所述第一主动杆与所述第二从动杆、第一从动杆以及旋转支撑座首尾相连，在同一平面内构成平行四边形机构；所述第二主动杆与所述杆第四从动杆、第三从动杆、第二从动杆首尾相连，在同一平面内构成平行四边形机构。
6.根据权利要求5所述的垂直关节的伪四自由度并联机器人，其特征在于：所述第一从动杆与旋转支撑座相连的旋转轴与第一运动支链驱动的输出轴所处的平面平行于地面。
7.根据权利要求6所述的垂直关节的伪四自由度并联机器人，其特征在于：所述旋转驱动机构包括弯头减速机(3)和第一驱动电机(4)，所述弯头减速机(3)安装在静平台(2)上，所述第一驱动电机(4)与弯头减速机(3)连接。
8.根据权利要求7所述的垂直关节的伪四自由度并联机器人，其特征在于：所述旋转支撑座(5)为折弯90度的板块，包括水平板和竖直板；所述弯头减速机(3)的输出轴作为旋转驱动机构的输出轴竖直向下地连接旋转支撑座(5)的水平板。
9.根据权利要求8所述的垂直关节的伪四自由度并联机器人，其特征在于：所述第一运动支链驱动(6)包括第二驱动电机和第二减速机，所述第二运动支链驱动(8)包括第三驱动电机和第三减速机。
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