CN105500350A - 一种三平移高速分拣并联机械手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三平移高速分拣并联机械手，包括定平台、动平台以及三条支链，第一支链包括依次连接的第一转动副、第一驱动臂、第二转动副、连杆、第三转动副、第一连接件、第四转动副，第二支链与第一支链结构相同，第三支链处于第一支链、第二支链之间，第三支链包括依次连接的第一移动副、第二驱动臂、第五转动副、连臂、第六转动副、第二连接件、第二移动副。本发明的有益效果是：结构简单、便于安装、承载能力强、工作空间大、易于控制；结构实现对称布置，外形美观，机构重心平衡，具有少弱耦合、输入少的特性；适用领域广泛，可用于流水线上的分拣、装配、制造以及医疗机器人、并联机床、智能家居、传感器生产。

Description

一种三平移高速分拣并联机械手

技术领域

本发明属于并联机器人技术领域，涉及一种应用于食品、医药加工等轻工行业中普遍存在的诸如流水线分拣、制造以及产品包装等大量重复性操作能够实现抓取运动的一种三平移高速分拣并联机械手。

背景技术

目前，工业加工制造向着规模化、集约化发展，加快工业智能机器人的部署是国家未来新型工业发展的重点。在食品加工、医药生产等轻工行业中，普遍存在着诸如材料分拣、拾取以及产品包装等大量的重复性高强度操作。以往，此类操作通常均由人工来完成，不仅劳动强度大，而且不可避免的会造成不同程度的污染。随着市场需求的发展，并联机器人得到了发展，高效的自动化生产能力满足了当时的生产环境。与传统的串联机器人相比，并联机器人因采用闭环并联拓扑结构，因此具有刚度大，承载能力强，精度高等优点，从而开始逐渐取代串联机器人。这类高速并联机械手当中最具有代表性的当属Clavel博士于1985年发明的Delta机构。该机械手采用外转动副驱动和平行四边形支链结构，可实现末端执行器的高速三维平动。为了突破Delta机器人的知识产权，同时进一步增加拾取动作的柔性并提高效率，Pierrot等提出了具有四支链、双动平台结构特征的H4并联机械手，并将其成功的商品化。H4型并联机构的转动输出运动是由其双动平台的相对运动产生的，满足了生产线上对于分拣的应用需求，但该机构的双动平台结构增加了其结构的复杂性，进而导致了复杂的运动学特性，对高速高动态响应的运动特性产生了不利影响，不利于生产效率的发展，同时，H4型并联机构由四个由转动副为主驱动，不仅存在奇异位型，且工作空间大小有限。

在国外，抓取并联机器人的研究与发展已经广泛应用的到工业，军事，医疗，智能生活等各个领域。在中国，分拣并联机构有着巨大的发展空间，是新世纪中国实现飞跃发展的不可忽视的巨大动力。中国需要发展高性能并联机器人，来突破国外知识产权的重重限制。

因此，需要发明新颖的、结构简单且具有较好移动抓取能力的高效分拣并联机械手，提高生产效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：基于上述问题，本发明提供一种三平移高速分拣并联机械手。

本发明解决其技术问题所采用的一个技术方案是：一种三平移高速分拣并联机械手，包括一个定平台、一个动平台以及连接在定平台和动平台之间的三条支链，第一支链包括依次连接的第一转动副、第一驱动臂、第二转动副、连杆、第三转动副、第一连接件、第四转动副，第一转动副与定平台底部连接，第四转动副与动平台顶部连接，连杆包括并排设置的左连杆、右连杆，第二转动副包括连接第一驱动臂与左连杆的第二左转动副、连接第一驱动臂与右连杆的第二右转动副，第三转动副包括连接左连杆与第一连接件的第三左转动副、连接右连杆与第一连接件的第三右转动副；

第二支链与第一支链结构相同并对称设置于定平台和动平台两侧，第三支链处于第一支链、第二支链之间的定平台和动平台中央；

第三支链包括依次连接的第一移动副、第二驱动臂、第五转动副、连臂、第六转动副、第二连接件、第二移动副，第一移动副与定平台底部连接，第二移动副与动平台顶部连接，连臂包括并排设置的左连臂、右连臂，第五转动副包括连接第二驱动臂与左连臂的第五左转动副、连接第二驱动臂与右连臂的第五右转动副，第六转动副包括连接左连臂与第二连接件的第六左转动副、连接右连臂与第二连接件的第六右转动副；

第一支链、第二支链和第三支链分别与定平台、动平台连接形成一个空间并联闭环机构，通过三个输入运动驱动动平台，实现空间内的三维平动运动。

进一步地，定平台与第一支链、第二支链之间的四个转动副轴线相互平行，第三支链的闭环支路里的转动副轴线与第一支链、第二支链的转动副轴线相互平行。

进一步地，第一移动副的轴线方向平行于第一支链、第二支链的四个转动副轴线方向，第二移动副的轴线方向垂直于动平台平面。

进一步地，第一转动副和第一移动副为主动驱动。

三平移高速分拣并联机械手，具有三个自由度，该并联机构的定平台固定在机架上，第一支链、第二支链的转动副由旋转电机驱动，第三支链的移动副由旋转电机带动皮带驱动。当电机驱动运动副运动后，第三支链的移动副在导轨上做直线往复运动，第一支链、第二支链的转动副实现驱动臂转动运动。三条支链同时带动动平台实现三平移的运动。根据机构的运动学可知，整个机构由三个电机驱动其三个自由度，拥有较大的工作空间，具有弱耦合、外形对称、相对简洁的运动学以及更好的高速高动态响应特性。

本发明的有益效果是：通过三个主动驱动的移动运动副驱动动平台工作，实现空间内的三维平动运动，该机构具有结构简明、弱耦合、运动学相对简单的特点，其单平台的结构特征有利于实现高速高加速的动态响应特性，通过移动副驱动改善了H4机构全部用转动副驱动可能存在的运动死点位置问题，同时增大了工作空间，且简单易装配，应用于分拣生产线时易于实现高速运动，进而可有效提高生产效率；

与现有的其他分拣并联机构相比较，本并联机构具有的优点有：

(1)该并联机构结构简单、便于安装、承载能力强、工作空间大、易于控制；(2)该并联机构结构实现对称布置，外形美观，机构重心平衡，具有少弱耦合、输入少的特性；(3)该并联机构适用领域广泛，可用于流水线上的分拣、装配、制造以及医疗机器人、并联机床、智能家居、传感器生产等。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明带有机架的结构示意图一；

图3是本发明带有机架的结构示意图二。

其中：1.第一支链，2.第二支链，3.第三支链，4.定平台，5.动平台，11.第一转动副，12.第一驱动臂，131.第二左转动副，132.第二右转动副，141.左连杆，142.右连杆，151.第三左转动副，152.第三右转动副，16.第一连接件，17.第四转动副，31.第一移动副，32.第二驱动臂，331.第五左转动副，332.第五右转动副，341.左连臂，342.右连臂，351.第六左转动副，352.第六右转动副，36.第二连接件，37.第二移动副。

具体实施方式

现在结合具体实施例对本发明作进一步说明，以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。

如图1～3所示的一种三平移高速分拣并联机械手，包括一个定平台4、一个动平台5以及连接在定平台4和动平台5之间的三条支链，第一支链1包括依次连接的第一转动副11、第一驱动臂12、第二转动副、连杆、第三转动副、第一连接件16、第四转动副17，第一转动副11与定平台底部连接，第四转动副17与动平台5顶部连接，连杆包括并排设置的左连杆141、右连杆142，第二转动副包括连接第一驱动臂12与左连杆141的第二左转动副131、连接第一驱动臂12与右连杆142的第二右转动副132，第三转动副包括连接左连杆141与第一连接件16的第三左转动副151、连接右连杆142与第一连接件16的第三右转动副152；

第二支链2与第一支链1结构相同并对称设置于定平台4和动平台5两侧，第三支链3处于第一支链1、第二支链2之间的定平台4和动平台5中央；

第三支链3包括依次连接的第一移动副31、第二驱动臂32、第五转动副、连臂、第六转动副、第二连接件36、第二移动副37，第一移动副31与定平台4底部连接，第二移动副37与动平台5顶部连接，连臂包括并排设置的左连臂341、右连臂342，第五转动副包括连接第二驱动臂32与左连臂341的第五左转动副331、连接第二驱动臂32与右连臂342的第五右转动副332，第六转动副包括连接左连臂341与第二连接件36的第六左转动副351、连接右连臂342与第二连接件36的第六右转动副352；

第一支链1、第二支链2和第三支链3分别与定平台4、动平台5连接形成一个空间并联闭环机构，通过三个输入运动驱动动平台5，实现空间内的三维平动运动。

定平台4与第一支链1、第二支链2之间的四个转动副轴线相互平行，第三支链3的闭环支路里的转动副轴线与第一支链1、第二支链2的转动副轴线相互平行。

第一移动副31的轴线方向平行于第一支链1、第二支链2的四个转动副轴线方向，第二移动副37的轴线方向垂直于动平台5平面。

第一转动副和第一移动副为主动驱动，采用旋转电机作为驱动方式。假设以该并联机构的第一支链和第二支链所在方位为左右方向，第三支链所在方位为前后方向。当并联分拣机械手工作时，第一支链的旋转电机带动第一驱动臂按照一定角速度发生旋转，第一驱动臂和机架之间出现相对转动，使得第一驱动臂和连杆之间的夹角产生角位移，第二支链的驱动电机同样按照一定的角速度发生旋转，两条支链带动动平台实现左右方向的移动。动平台上第三支链为受约束支链，在旋转电机带动皮带的作用下，第二驱动臂和机架之间发生相对位移，使得第三支链与机架之间的相对位置发生变化，支链连接动平台，而第三支链末端与动平台为移动副连接，可实现动平台沿垂直方向的移动。在第一、第二支链的闭环支路的共同作用下，动平台产生前后方向的移动。当动平台运动到抓取物品上方时，动平台末端将分拣机构送至被抓取工件的工位。

当完成物品抓取动作后，第三支链的驱动副开始缩短，旋转电机带动皮带做相反方向移动，机架与第二驱动臂的相对位移变短，第一支链与第二支链的旋转电机反方向转动，带动驱动臂反向转动，张角减小，机械手基体将工件移动到目标位置。在目标位置，动平台末端的分拣机构将被抓取工件放到对应位置，完成操作。

由于连接动平台的第三支链为受约束支链，在旋转电机带动皮带的作用下，支链的第二驱动臂和机架之间可以发生相对位移，使得动平台的移动范围变大，相对于Delta，H4机构，机构的工作空间得到改善。该并联分拣机构设计较为新颖，采取移动副作为驱动，不同于国外完全以转动副为驱动的运动方式，避免机构运动出现死点的现象，结构简单，易于控制，对机械手末端的附加载荷较小。

工作原理如下：分拣机构的第一支链、第二支链为受约束支链，分别具有四个自由度，在旋转电机的驱动作用下，第一驱动臂和机架之间发生相对转动，使得第一驱动臂和连杆的角度发生变化。分拣机构的第三支链为受约束支链，具有四个自由度，在旋转电机驱动皮带的作用下，第二驱动臂和机架之间发生相对位移，使得第三支链与机架之间的相对位置发生变化。定平台固定在机架上，三条支链的一端通过运动副固定在定平台上，另一端通过运动副与动平台相连，由于第一支链和第二支链的转动副呈现对称布置，转动副轴线相互平行，限制住支链原先存在的沿X轴和Z轴方向的转动，第三支链为非约束支链，具有四个自由度，与动平台相连接移动副为中心布置，第三支链与动平台之间移动副的轴线方向垂直于动平台平面，限制住支链原先存在的沿Y轴和Z轴方向的转动，起到平衡重心，辅助定位的作用，使得整个机构实现三个方向的平移运动。整个机构具有三个自由度，具有结构对称，弱耦合性，控制方便的特点。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (4)

1.一种三平移高速分拣并联机械手，其特征是：包括一个定平台、一个动平台以及连接在定平台和动平台之间的三条支链，第一支链包括依次连接的第一转动副、第一驱动臂、第二转动副、连杆、第三转动副、第一连接件、第四转动副，第一转动副与定平台底部连接，第四转动副与动平台顶部连接，连杆包括并排设置的左连杆、右连杆，第二转动副包括连接第一驱动臂与左连杆的第二左转动副、连接第一驱动臂与右连杆的第二右转动副，第三转动副包括连接左连杆与第一连接件的第三左转动副、连接右连杆与第一连接件的第三右转动副；

第二支链与第一支链结构相同并对称设置于定平台和动平台两侧，第三支链处于第一支链、第二支链之间的定平台和动平台中央；

第三支链包括依次连接的第一移动副、第二驱动臂、第五转动副、连臂、第六转动副、第二连接件、第二移动副，第一移动副与定平台底部连接，第二移动副与动平台顶部连接，连臂包括并排设置的左连臂、右连臂，第五转动副包括连接第二驱动臂与左连臂的第五左转动副、连接第二驱动臂与右连臂的第五右转动副，第六转动副包括连接左连臂与第二连接件的第六左转动副、连接右连臂与第二连接件的第六右转动副；

第一支链、第二支链和第三支链分别与定平台、动平台连接形成一个空间并联闭环机构，通过三个输入运动驱动动平台，实现空间内的三维平动运动。

2.根据权利要求1所述的一种三平移高速分拣并联机械手，其特征是：所述的定平台与第一支链、第二支链之间的四个转动副轴线相互平行，第三支链的闭环支路里的转动副轴线与第一支链、第二支链的转动副轴线相互平行。

3.根据权利要求1所述的一种三平移高速分拣并联机械手，其特征是：所述的第一移动副的轴线方向平行于第一支链、第二支链的四个转动副轴线方向，第二移动副的轴线方向垂直于动平台平面。

4.根据权利要求1所述的一种三平移高速分拣并联机械手，其特征是：所述的第一转动副和第一移动副为主动驱动。