CN105538296B - 一种可重构球面并联机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明属于球面并联机器人的技术领域，具体涉及一种可重构球面并联机器人，发明目的是为了在不进行拆解的前提下实现多种构型之间的相互转换。其包括动平台、驱动支链以及定平台，所述动平台和定平台由三条结构相同的驱动支链进行连接，动平台的滑动轨道Ⅰ与弧形杆件的滑动轨道Ⅱ通过组合式滑块连接，可实现组合式滑块在动平台的滑动轨道Ⅰ与弧形杆件的滑动轨道Ⅱ上的滑动，定平台与电机支架固定连接。本发明的灵活性、柔性更好，对工作环境具有更强的适应性。
Description
技术领域
本发明属于球面并联机器人的技术领域，具体涉及一种可重构球面并联机器人。
背景技术
球面并联机器人作为一种特殊的并联机器人，其特点是所有转动副轴线汇交于球心，末端执行器可实现绕球心的自由转动，可作为卫星天线的方位跟踪系统，仿生机器人的腕关节、肩关节、腰关节，球面雕刻机以及各类航空器的地面自动跟踪设备的结构方案，具有重要的应用价值和前景。
由于机器人的应用范围越来越广，而每种构型仅能适应一定范围。因此机器人的柔性不能满足市场日益变化的需求，解决办法就是开发新的可重构机器人。这种可重构机器人能够自动改变构型来适应环境和任务的改变。可重构机器人在适应性、可重复使用性、紧凑性和处理紧急事物方面均有优势。可重构机器人的研究已成为机器人学一个新的研究方向，也是新的研究热点。
大多数球面并联机器人主要组成部分的结构都很类似，主要的区别在于驱动支链上的运动副类型以及运动副的结构位置，所以，将不同构型的球面并联机构的组件进行多功能化，同一组件上可实现多种运动副之间的相互转换，通过运动副之间的相互转换来实现不同构型之间转换，完成多种构型的集成，降低加工成本，结构紧凑。
发明内容
本发明的目的设计一种可重构球面并联机器人，在不进行拆解的前提下实现多种构型之间的相互转换，可根据具体的应用场合以及不同的功能要求进行快速重构，避免了对原有构型的拆除和新构型的重新装配，从而节省了大量的时间。
本发明采用如下的技术方案实现的：
一种可重构球面并联机器人，包括：动平台、驱动支链以及定平台，其特征所述的动平台包括三条结构相同的滑动轨道Ⅰ，所述驱动支链包括组合式滑块、弧形杆件、电机、电机支架以及运动副，弧形杆件上有滑动轨道Ⅱ；所述动平台和定平台由三条结构相同的驱动支链进行连接，动平台的滑动轨道Ⅰ与弧形杆件的滑动轨道Ⅱ通过组合式滑块连接，可实现组合式滑块在动平台的滑动轨道Ⅰ与弧形杆件的滑动轨道Ⅱ上的滑动，定平台与电机支架固定连接。
三条驱动支链可形成RPRP型或RPR型或RRP型或PRR型或RPP型运动支链，三条驱动支链的运动副组成类型既可以完全相同也可进行交叉组合，实现多种构型之间的相互转换。
所述的组合式滑块包括滑块Ⅰ、滑块Ⅱ，所述的驱动支链上的运动副最多有四个，一个是连接于电机和弧形杆件之间的转动副R，一个是连接于弧形杆件和滑块Ⅱ之间的移动副P，一个是连接于滑块Ⅰ和滑块Ⅱ之间的转动副R，另一个是连接于滑块Ⅰ和动平台1上的滑动轨道Ⅰ之间的移动副P，而且每个运动副都可实现自锁，锁定形成运动副的两个构件之间的相对运动，连接于电机和弧形杆件之间的转动副R和连接于弧形杆件和滑块Ⅱ之间的移动副P是被驱动的，P代表移动副，R代表转动副。
连接于弧形杆件和滑块Ⅱ之间的移动副P和连接于滑块Ⅰ和滑动轨道Ⅰ之间的移动副P可通过内六角无头螺丝进行锁紧，使得滑块被固定在滑动轨道的预定位置；连接于电机和弧形杆件之间的转动副R可通过对电机的控制进行锁紧，使得弧形杆件可以被定位在预定的位置。驱动支链可通过选择运动副的锁紧位置对支链的有效尺寸进行改变，实现了同一种构型的尺寸规格的重构。
优选的，组合式滑块还包括圆头十字螺丝、套筒，螺母，其中所述滑块Ⅰ和滑块Ⅱ与套筒进行配合，使得滑块Ⅰ和滑块Ⅱ可绕套筒的轴线进行旋转，螺母和圆头十字螺丝对滑块Ⅰ和滑块Ⅱ以及套筒在沿套筒的轴向进行固定；滑块Ⅰ和滑块Ⅱ截面为T形，分别嵌入具有T形截面的动平台的滑动轨道Ⅰ和弧形杆件的滑动轨道Ⅱ中，分别组成移动副；滑块Ⅰ和滑块Ⅱ在垂直于套筒轴线方向分别开有定位孔，动平台的滑动轨道Ⅰ和弧形杆件的滑动轨道Ⅱ上开有若干可与定位孔左右对应的锁紧孔，定位孔和锁紧孔通过内六角无头螺丝连接。
本发明的特点和有益效果：
1.本发明的机器人通过运动副的自锁实现了六自由度球面并联机构与三自由度球面并联机构之间的相互转换，通过运动副之间的切换实现了多种三自由度球面并联机构之间的相互转换，通过改变运动副的锁紧位置实现了每种构型的尺寸重构。
2.该构型可重构的球面并联机器人具有以下优点：
（1）机构简单、结构紧凑；
（2）实现了六自由度球面并联机构与三自由度球面并联机构之间的相互转换；
（3）实现了多种相同驱动支链三自由度球面并联机构之间的相互转换；
（4）实现了球面并联机构的不同驱动支链的混联构型。
（5）实现了球面并联机器人中每种构型的尺寸规格的重构。
这些优点使得该可重构的球面并联机器人的灵活性、柔性更好，对工作环境具有较强的适应性。
附图说明
图1为一种可重构球面并联机器人的结构示意图；
图2为驱动支链的结构示意图；
图3为组合式滑块的整体结构示意图；
图4为组合式滑块的内部结构示意图；
图5为移动副P的锁紧原理结构示意图；
图中标号：1-动平台，1.1-滑动轨道Ⅰ，2-组合式滑块Ⅰ，2.1-圆头十字螺丝，2.2-滑块Ⅰ，2.3-滑块Ⅱ，2.4-定位孔，2.5-套筒，2.6-螺母， 3-弧形杆件，3.1-滑动轨道Ⅱ，4-驱动电机，5-电机支架，5.1-电机定位孔，6-定平台，7-内六角无头螺丝，8-螺纹孔。
具体实施方式
结合附图1-5对本发明的具体实施方式作进一步说明。
一种可重构球面并联机器人，包括：动平台1、驱动支链、定平台6等。所述驱动支链包括：组合式滑块2、弧形杆件3、电机4、电机支架5；所述动平台1和定平台6由三条结构相同的驱动支链进行连接，动平台1的滑动轨道1.1与驱动支链的弧形杆件3通过组合式滑块2连接，可实现组合式滑块2在动平台的滑动轨道Ⅰ1.1与弧形杆件3的滑动轨道Ⅱ3.1上的滑动，定平台1与电机支架5通过定位孔5.1固定连接。
三条驱动支链可形成RPRP型或RPR型或RRP型或PRR型或RPP型运动支链，三条驱动支链的运动副组成类型既可以完全相同也可进行交叉组合，实现多种构型之间的相互转换，通过选择运动副的锁紧位置对支链的有效尺寸进行改变，实现了同一种构型的尺寸重构。
每条驱动支链包括：组合式滑块2、弧形杆件3、电机4、电机支架5以及配合形成的运动副；组合式滑块2包括滑块Ⅰ2.2、滑块Ⅱ2.3；所述运动副最多有四个，一个是连接于电机4和弧形杆件3之间的转动副R，一个是连接于弧形杆件3和滑块Ⅱ2.3之间的移动副P，一个是连接于组合式滑块2中的滑块Ⅰ2.2和滑块Ⅱ2.3之间的转动副R，另一个是连接于滑块Ⅰ2.2和动平台1上的滑动轨道Ⅰ1.1之间的移动副P，而且每个运动副都可实现自锁，锁定形成运动副的两个构件之间的相对运动，其中，连接于电机4和弧形杆件3之间的转动副R和连接于弧形杆件3和滑块Ⅱ2.3之间的移动副P是被驱动的。
所述运动副中，连接于弧形杆件3和组合式滑块2中的滑块Ⅱ2.3之间的移动副P和连接于组合式滑块2中的滑块Ⅰ2.2和动平台1上的滑动轨道Ⅰ1.1之间的移动副P可通过内六角无头螺丝7与组合式滑块2的定位孔2配合锁紧，滑块被固定在滑动轨道的预定位置，从而实现运动副的锁紧；连接于电机4和弧形杆件3之间的转动副R可通过对电机的控制进行锁紧，使得弧形杆件3可以被定位在预定的位置。
进一步来说，组合式滑块2还包括圆头十字螺丝2.1、套筒2.5，螺母2.6，其中所述滑块Ⅰ2.2和滑块Ⅱ2.3与套筒2.5进行配合，使得滑块Ⅰ2.2和滑块Ⅱ2.3可绕套筒2.5的轴线进行旋转，螺母2.6和圆头十字螺丝2.1对滑块Ⅰ2.2和滑块Ⅱ2.3以及套筒2.5在沿套筒2.5的轴向进行固定；滑块Ⅰ2.2和滑块Ⅱ2.3截面为T形，分别嵌入具有T形截面的动平台的滑动轨道Ⅰ1.1和弧形杆件3的滑动轨道Ⅱ3.1中，分别组成移动副；滑块Ⅰ2.2和滑块Ⅱ2.3在垂直于套筒轴线方向分别开有定位孔，动平台的滑动轨道Ⅰ1.1和弧形杆件3的滑动轨道Ⅱ3.1上开有若干可与定位孔左右对应的锁紧孔，定位孔和锁紧孔通过内六角无头螺丝连接。
不同构型之间的区别在于支链所含有运动副的数量以及组合的类型不同，部分典型的构型实施例如下：
实施例1：
本实施例的构型可重构的球面并联机器人为六自由度构型，包括：动平台1、驱动支链、定平台6等。所述动平台1和定平台6由三条结构相同的驱动支链进行连接，动平台1与弧形杆件3通过组合式滑块2连接，可实现组合式滑块2在动平台1的滑动轨道Ⅰ1.1与弧形杆件3的滑动轨道Ⅱ3.1上的滑动，定平台6与电机支架5通过定位孔5.1固定连接。
所述三条驱动支链完全相同，包括：组合式滑块2、弧形杆件3、电机4、电机支架5以及运动副；所述驱动支链的运动副有四个，一个是连接于电机4和弧形杆件3之间的转动副R，一个是连接于弧形杆件3和滑块Ⅱ2.3之间的移动副P，一个是连接于滑块Ⅰ2.2和滑块Ⅱ2.3之间的转动副R，另一个是连接于滑块Ⅰ2.2和动平台1上的滑动轨道1.1之间的移动副P。
所述弧形杆件在驱动力的作用下绕电机轴转动，所述组合式滑块2中的滑块Ⅱ2.3在驱动力的作用下在弧形杆件3的滑动轨道上进行滑动。
实施例2：
本实施例的构型可重构的球面并联机器人为三自由度构型，该构型与实施例1的不同之处在于，所述驱动支链的运动副有三个，连接于弧形杆件3和滑块Ⅱ2.3之间的移动副P被锁死，仅所述弧形杆件3在驱动力的作用下绕电机轴转动。
实施例3：
本实施例的构型可重构的球面并联机器人为三自由度构型，该构型与实施例1的不同之处在于，所述驱动支链的运动副有三个，连接于组合式滑块2中的滑块Ⅰ2.2和动平台1上的滑动轨道1.1之间的移动副P被锁死，仅所述弧形杆件3在驱动力的作用下绕电机轴转动。
实施例4：
本实施例的构型可重构的球面并联机器人为三自由度构型，该构型与实施例1的不同之处在于，所述驱动支链的运动副有三个，连接电机4和弧形杆件3之间的转动副R被锁死，仅所述组合式滑块2中的滑块Ⅱ2.3在驱动力的作用下在弧形杆件3的滑动轨道上进行滑动。
实施例5：
本实施例的构型可重构的球面并联机器人为三自由度混联构型，该构型与实施例1的不同之处在于，所述三条驱动支链的运动副组合类型不同，其中一条驱动支链区别于另外两条驱动支链，连接于滑块Ⅰ2.2和动平台1上的滑动轨道1.1之间的移动副P被锁死，仅所述滑块Ⅱ2.3在驱动力的作用下在弧形杆件3的滑动轨道Ⅱ3.1上进行滑动；另外两条支链完全相同，连接于电机4和弧形杆件3之间的转动副R被锁死，仅所述滑块Ⅱ2.3在驱动力的作用下在弧形杆件3的滑动轨道Ⅱ3.1上进行滑动。
Claims (5)
1.一种可重构球面并联机器人，包括：动平台（1）、驱动支链以及定平台（6），其特征所述的动平台（1）包括三条结构相同的滑动轨道Ⅰ（1.1），所述驱动支链包括组合式滑块（2）、弧形杆件（3）、电机（4）、电机支架（5）以及运动副，弧形杆件（3）上有滑动轨道Ⅱ（3.1）；所述动平台（1）和定平台（6）由三条结构相同的驱动支链进行连接，动平台（1）的滑动轨道Ⅰ（1.1）与弧形杆件（3）的滑动轨道Ⅱ（3.1）通过组合式滑块（2）连接，可实现组合式滑块（2）在动平台的滑动轨道Ⅰ（1.1）与弧形杆件（3）的滑动轨道Ⅱ（3.1）上的滑动，定平台（1）与电机支架（5）固定连接。
2.根据权利要求1所述的可重构球面并联机器人，其特征在于三条驱动支链可形成RPRP型或RPR型或RRP型或PRR型或RPP型运动支链，三条驱动支链的运动副组成类型既可以完全相同也可进行交叉组合。
3.根据权利要求2所述的可重构球面并联机器人，其特征在于所述的组合式滑块（2）包括滑块Ⅰ（2.2）、滑块Ⅱ（2.3），所述的驱动支链上的运动副最多有四个，一个是连接于电机（4）和弧形杆件（3）之间的转动副R，一个是连接于弧形杆件（3）和滑块Ⅱ（2.3）之间的移动副P，一个是连接于滑块Ⅰ（2.2）和滑块Ⅱ（2.3）之间的转动副R，另一个是连接于滑块Ⅰ（2.1）和动平台1上的滑动轨道Ⅰ（1.1）之间的移动副P，而且每个运动副都可实现自锁，锁定形成运动副的两个构件之间的相对运动，连接于电机（4）和弧形杆件（3）之间的转动副R和连接于弧形杆件（3）和滑块Ⅱ（2.3）之间的移动副P是被驱动的。
4.根据权利要求3所述的可重构球面并联机器人，其特征在于连接于弧形杆件（3）和滑块Ⅱ（2.3）之间的移动副P和连接于滑块Ⅰ（2.1）和滑动轨道Ⅰ（1.1）之间的移动副P可通过内六角无头螺丝（7）进行锁紧。
5.根据权利要求4所述的可重构球面并联机器人，其特征在于组合式滑块（2）还包括圆头十字螺丝（2.1）、套筒（2.5），螺母（2.6），其中所述滑块Ⅰ（2.2）和滑块Ⅱ（2.3）与套筒（2.5）进行配合，使得滑块Ⅰ（2.2）和滑块Ⅱ（2.3）可绕套筒（2.5）的轴线进行旋转，螺母（2.6）和圆头十字螺丝（2.1）对滑块Ⅰ（2.2）和滑块Ⅱ（2.3）以及套筒（2.5）在沿套筒（2.5）的轴向进行固定；滑块Ⅰ（2.2）和滑块Ⅱ（2.3）截面为T形，分别嵌入具有T形截面的动平台的滑动轨道Ⅰ（1.1）和弧形杆件（3）的滑动轨道Ⅱ（3.1）中，分别组成移动副；滑块Ⅰ（2.2）和滑块Ⅱ（2.3）在垂直于套筒轴线方向分别开有定位孔，动平台的滑动轨道Ⅰ（1.1）和弧形杆件（3）的滑动轨道Ⅱ（3.1）上开有若干可与定位孔左右对应的锁紧孔，定位孔和锁紧孔通过内六角无头螺丝连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Du Yuting Inventor after: Zhao Jianwen Inventor after: Li Ruiqin Inventor before: Li Ruiqin Inventor before: Zhao Jianwen |
|
| COR | Change of bibliographic data | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170405 Termination date: 20210320 |