CN105500365A - 一种六自由度混联机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种六自由度混联机器人。混联机构的组合形式是多样的，其中一种就是将两个或若干少自由度并联机构以串联的形式连接，形成具有多个自由度的新型机构。该类混联机构不仅具有相对较大的工作空间，而且机构惯性较小，运动学简单易于控制，集成了串、并联机构的优点，同时又弥补了串、并联机构的缺点。研究混联机构将进一步推动新型工业机器人的创新与发展。

Description

一种六自由度混联机器人

技术领域

本发明涉及一种六自由度混联机器人，尤其是一种由两类少自由度并联机构混联而成的六自由度机器人。

背景技术

六自由度机器人因其在工程应用中具有通用性而备受关注，主要分为串联式、并联式和混联式三种型式。

典型的串联机构为六自由度旋转关节机构(6R机器人)，该类机构通常由若干连杆和关节顺次连接而成，因而其运动学方程很容易由D-H参数法迅速建立和求解；另外，通过优化设计各个连杆的参数很容易使机构末端获得很大的工作空间；随着技术的进步，该类机构的承载能力以及速度和精度已经提升到较高的水平，在汽车焊接与喷漆、产品搬运与包装等生产线上发挥着极其重要的作用，是目前应用最为广泛的工业机器人。

六自由度并联机构的典型结构为六支链的Stewart平台，该并联机构由动静平台以及连接动静平台的六条相同的支链构成，动平台在六条支链的驱动下具有六个自由度，可以实现各类复杂位姿的调整，并且动平台具有较高的负载能力，主要被用作汽车和飞行器等的运动模拟器。

串联机构和并联机构都具有各自突出的优势，但同时又存在各自的缺点。串联机构由于连杆和驱动等的叠加，导致机构惯量比较大，限制了其速度进一步的提升；并联机构由于其构型特点导致工作空间较小，成为限制其推广的主要因素；其次，并联机构运动学及动力学方程往往存在不同程度的耦合，进一步增加了运动控制器的设计难度。

故，需要一种新的技术方案以解决上述问题

发明内容

本发明的目的是在于提供一种新的六自由度机器人，具有工作空间大、动力学模型简单且易于控制的优点。

本发明新型混联机构的结构组成如下：

一种六自由度混联机器人，包括过渡平台、连接过渡平台一面的三个传动支链、一一对应三个传动支链的三个直线驱动部件、连接过渡平台另一面的三个弧形主动连杆、连接三个弧形主动连杆的三个弧形从动连杆、驱动弧形主动连杆转动的三个驱动装置、连接从动连杆的动平台；所述每个传动支链的一端分别安装在对应直线驱动部件上并在直线驱动部件的驱动下沿直线运动，而每个传动支链的另一端连接于过渡平台一面上；所述的弧形主动连杆的一端安装在过渡平台上，而每个弧形主动连杆的另一端连接于一一对应的弧形从动连杆上，弧形从动连杆的另一端连接于动平台。

相对于现有技术，本发明中将两种少自由度并联机构通过串联的形式进行拼装而得到一种混联六自由度机器人，根据两类少自由度并联机构的自由度性质易知，机构末端的空间位置完全由一种三自由度移动的并联机构独立控制，空间姿态完全由一种三自由度转动的并联机构独立控制，即平动自由度与转动自由度互不影响，相辅相成，使该混联的六自由度机器人工作空间大、机构末端位置和姿态解耦、动力学模型简单且易于控制，而且其动作频率能满足电子组装时快速重复动作的要求。

附图说明

图1为本发明新型混联机构的立体图；

图2为本发明的一种三自由度转动的并联机构的立体图；

图3为一种三自由度转动的并联机构的单条传动支链示意图。

具体实施方式

请参阅图1及图2所示，本发明公开一种六自由度混联机器人，包括过渡平台1、连接过渡平台的三个传动支链2、一一对应三个传动支链2的三个直线驱动部件3、连接过渡平台1的三个弧形主动连杆4、连接三个弧形主动连杆4的三个弧形从动连杆5、驱动弧形主动连杆4转动的三个驱动装置6、动平台7；所述三个弧形从动连杆5均连接在该动平台7上。其中，三个传动支链2及三个直线驱动部件3为一个并联机构，而三个弧形主动连杆4、三个弧形从动连杆5、三个驱动装置6形成另一个并联机构，该两个并联机构的混联即形成该六自由度混联机器人。所述过渡平台1位于传动支链2与弧形主动连杆4之间的位置。所述每个传动支链2的一端分别安装在对应直线驱动部件3上并在直线驱动部件3的驱动下沿直线运动，而每个传动支链2的另一端连接于过渡平台1上。进一步的，所述直线驱动部件3上设有直线运动的移动块31。所述每个传动支链2包含一个主动杆件21及一个从动杆件22。所述主动杆件21的一端连接在所述移动块31上并且与该移动块31之间形成第一转动副23。所述主动杆件21与从动杆件22连接处形成第二转动副24。所述从动杆件22与过渡平台1连接，且从动杆件22与过渡平台1之间形成第三转动副25。且所述第一转动副23的轴线、第二转动副24的轴线、第三转动副25的轴线均互相平行。在本实施方式中，所述直线驱动部件3为由电机驱动的丝杆与沿着丝杆移动的移动块31组成，从而形成移动块31的移动，而在其他实施方式中，采用如齿轮齿条、液压、气压结构等本领域常规的直线驱动的方式均可以成为该直线驱动部件3，在此不再赘述。本实施方式中还设有机架8，所述三个直线驱动部件3安装在机架8上。

进一步的，所述过渡平台1上设有支架11，所述三个驱动装置6安装于支架11上，且三个驱动装置6与三个弧形主动连杆4形成三个第四转动副41，该三个第四转动副41分别位于同一个圆周的的三个三等分点。所述三个弧形主动连杆4与三个弧形从动连杆5连接处形成三个第五转动副51；三个弧形从动连杆5分别与动平台7的连接处形成三个第六转动副71；所述三个第六转动副71分别位于同一圆周的三个三等分点；所述三个第四转动副41、三个第五转动副51及三个第六转动副71的共九条轴线始终相交于一点。为了避免干涉，所述主动连杆4及从动连杆5均为弧形，且弧形主动连杆4位于弧形从动连杆5形成的圆周范围内，而所述三个驱动装置6位于三个弧形主动连杆4的内侧。

其中，在本发明中，所述过渡平台1的移动由三个传动支链2及三个直线驱动部件3实现，形成第一层平动自由度；而动平台7在第一层平动自由度的基础上，再由三个弧形主动连杆4、三个弧形从动连杆5形成第二层转动自由度。

根据两类少自由度并联机构的自由度性质易知，机构末端(动平台)的空间位置完全由一种三自由度移动的并联机构独立控制，空间姿态完全由一种三自由度转动的并联机构独立控制，即平动自由度与转动自由度互不影响，相辅相成，二者混联之后的机构为一种空间位置和姿态解耦的六自由度机器人。

为了获得混联机构的逆运动学方程，需要分别对两类少自由度并联机构的逆运动学进行研究。

通过螺旋理论对一种三自由度移动的并联机构进行自由度分析可知，该机构的三个移动副分别独立控制动平台的空间位置，即一种三自由度移动的并联机构的逆运动学方程如下：

$\left[\begin{array}{c}{d}_1\\ d_2\\ d_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，d₁、d₂、d₃分别表示三个移动副的位移，[xyz]^T表示动平台的位置坐标。

对于一种三自由度转动的并联机构，若以Z-Y-X欧拉角旋转矩阵描述一种三自由度转动的并联机构的位姿，即：

$R_{zyx}(\mathrm{\α},\mathrm{\β},\mathrm{\γ})=\left[\begin{array}{ccc}c\mathrm{\α}c\mathrm{\β}& c\mathrm{\α}s\mathrm{\β}s\mathrm{\γ}-s\mathrm{\α}c\mathrm{\γ}& c\mathrm{\α}s\mathrm{\β}c\mathrm{\γ}+s\mathrm{\α}s\mathrm{\γ}\\ s\mathrm{\α}c\mathrm{\β}& s\mathrm{\α}s\mathrm{\β}s\mathrm{\γ}+c\mathrm{\α}c\mathrm{\γ}& s\mathrm{\α}s\mathrm{\β}c\mathrm{\γ}-c\mathrm{\α}s\mathrm{\γ}\\ -s\mathrm{\β}& c\mathrm{\β}s\mathrm{\γ}& c\mathrm{\β}c\mathrm{\γ}\end{array}\right]$

则一种三自由度转动的并联机构的逆运动学解可由下式求得，即：

${\mathrm{tan\θ}}_1=\frac{c\mathrm{\α}s\mathrm{\γ}-s\mathrm{\α}s\mathrm{\β}c\mathrm{\γ}}{c\mathrm{\β}c\mathrm{\γ}}$

${\mathrm{tan\θ}}_2=\frac{s\mathrm{\β}}{c\mathrm{\α}c\mathrm{\β}}---\left(2\right)$

${\mathrm{tan\θ}}_3=\frac{s\mathrm{\α}c\mathrm{\γ}-c\mathrm{\α}s\mathrm{\β}s\mathrm{\γ}}{s\mathrm{\α}s\mathrm{\β}s\mathrm{\γ}+c\mathrm{\α}c\mathrm{\γ}}$

其中，θ₁,θ₂,θ₃分别表示一种三自由度转动的并联机构三个驱动电机的转角。

至此，混联机构的驱动参数[d₁,d₂,d₃,θ₁,θ₂,θ₃]^T与动平台末端位姿[x,y,z,α,β,γ]^T之间的映射关系已经求得，即逆运动学方程已经建立。根据式(1)和式(2)，通过控制驱动参数即可实现对动平台位姿的控制。

Claims (7)

1.一种六自由度混联机器人，其特征在于：包括过渡平台、连接过渡平台一面的三个传动支链、一一对应三个传动支链的三个直线驱动部件、连接过渡平台另一面的三个弧形主动连杆、驱动弧形主动连杆转动的三个驱动装置、连接三个弧形主动连杆的三个弧形从动连杆、连接弧形从动连杆的动平台；所述三个从动连杆均连接在该动平台上；

所述每个传动支链的一端分别安装在对应直线驱动部件上并在直线驱动部件的驱动下沿直线运动，而每个传动支链的另一端连接于过渡平台一面上；所述的弧形主动连杆的一端安装在过渡平台另一面上，而每个弧形主动连杆的另一端连接于一一对应的弧形从动连杆上，弧形从动连杆的另一端连接于动平台。

2.如权利要求1所述的六自由度混联机器人，其特征在于：所述直线驱动部件上设有直线运动的移动块；所述每个传动支链包含一个主动杆件及一个从动杆件；所述主动杆件的一端连接在所述移动块上并且与该移动块之间形成第一转动副，所述主动杆件与从动杆件连接处形成第二转动副，所述从动杆件与过渡平台连接，且从动杆件与过渡平台之间形成第三转动副，且所述第一转动副的轴线、第二转动副的轴线、第三转动副的轴线均互相平行。

3.如权利要求1或2所述的六自由度混联机器人，其特征在于：所述过渡平台上设有支架，所述三个驱动装置安装于支架上，且三个驱动装置与三个弧形主动连杆形成三个第四转动副，该三个第四转动副分别位于同一个圆周的的三个三等分点；所述三个弧形主动连杆与三个弧形从动连杆连接处形成三个第五转动副；三个弧形从动连杆分别与动平台的连接处形成三个第六转动副；所述三个第六转动副分别位于同一圆周的三个三等分点；所述三个第四转动副、三个第五转动副及三个第六转动副的共九条轴线始终相交于一点。

4.如权利要求1或2所述的六自由度混联机器人，其特征在于：弧形主动连杆位于弧形从动连杆形成的圆周范围内。

5.如权利要求1或2所述的六自由度混联机器人，其特征在于：所述过渡平台位于传动支链与弧形主动连杆之间的位置。

6.如权利要求1或2所述的六自由度混联机器人，其特征在于：还包括机架，所述三个直线驱动部件安装在机架上。

7.如权利要求1或2所述的六自由度混联机器人，其特征在于：所述三个驱动装置位于三个弧形主动连杆的内侧。