CN106607877B - 一种凸轮驱动的三自由度并联机械手 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种凸轮驱动的三自由度并联机械手，包括定平台、动平台三个平面凸轮、摆杆、连杆、大臂、小臂等构件，依靠三个凸轮的组合进行运动的控制和驱动，利用三组空间连杆机构实现运动传递，以及三组空间平行四边形结构的相互约束，限制动平台的自由度，使动平台与定平台始终平行且仅保留三个方向的移动自由度，最终实现动平台在空间不同位置间的移动动作。具有结构紧促、负载能力强、生产效率高、自动化程度高、重复误差小、成本低、实用性强的特点。

Description

一种凸轮驱动的三自由度并联机械手

技术领域

本发明属于机械领域，涉及一种凸轮驱动的三自由度并联机械手。

背景技术

伴随食品、医药、机械、电子等轻工业的快速发展，对于包装、装配、搬运等生产线的机械自动化方面提出越来越高的要求。高精度、高速度、高柔性机械手在电子、医药、食品、机械等生产线的包装、装配、搬运领域取得了重要应用。

目前，该类机械手主要在发达国家的轻工、电子、医药、食品等领域发挥作用，并创造了巨大的社会价值。随着国内劳动力成本的上升，以机械代替人工趋势必将不断加强。而且随着中国经济的不断发展，生产的标准化、规范化趋势逐渐显露，对于生产效率的追求也越来越明显。所以，该类应用型机械的开发在未来将具备强大的市场竞争力。

目前市场上的类似机械手为伺服电机驱动，对于三自由度的机械手至少有三个伺服电机，这就使成本增加、对电机的控制复杂，并且如果要求改变运动轨迹就需要重新编程，这对于使用人员的素质要求也较高，如果仅应用在简单重复动作的工况下就显得未尽其用。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种凸轮驱动的三自由度并联机械手，能够实现空间三个方向平动的三自由度的高速并联机械手。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种凸轮驱动的三自由度并联机械手，包括定平台、电机和动平台；电机竖直安装在定平台上，三个凸轮围绕电机周向等夹角安装在定平台上，定平台下方安装有分别与电机和三个凸轮连接的齿轮，三个分别与各凸轮连接的齿轮同时与和电机连接的齿轮啮合；

动平台位于定平台下方，动平台通过三套独立的传动机构分别与定平台上的三个凸轮连接，每套传动机构包括摆杆、大臂、连杆和小臂，摆杆、大臂均通过回转副连接在定平台上，并且只能绕回转中心转动，摆杆与定平台平行设置，滚子安装早摆杆上，通过凸轮驱动摆杆摆动，大臂与定平台平面交叉设置，连杆两端设置有球头，摆杆和大臂通过连杆连接，大臂与小臂一端铰接，小臂另一端与动平台铰接；

电机驱动与其连接的齿轮转动，同时与三个凸轮连接的齿轮同步转动，由于凸轮轮廓的作用各自推动对应的滚子移动，带动摆杆、连杆、大臂、小臂同时运动，最终共同带动且限制约束动平台运动。

进一步，所述定平台为圆盘形，绕圆盘圆周等间隔设有三个开槽，三个大臂分别通过回转副安装于开槽中。

进一步，分别与电机和三个凸轮连接的齿轮模数相同，且与三个凸轮分别连接的齿轮参数相同。

进一步，所述电机通过三支脚的电机安装座固定在定平台上。

进一步，所述小臂通过第二销轴与动平台连接，第二销轴的安装轴线与动平台中心轴线的距离为150mm，三个小臂的安装轴线位于同一平面上。

进一步，所述三个摆杆的长度均为400mm，其回转轴线到电机轴线的距离为530mm，并且在圆周上均布彼此夹角120°。

进一步，所述大臂通过回转副连接在定平台上，大臂回转副以上较长段长度为300mm，回转副以下较短段长度为130mm。

本发明结合实际需求，通过分析实际工作时所需工位动作，利用机构综合方法创新设计出能够实现空间三个方向平动的三自由度的高速并联机械手，以便与各种空间移动工序的实现，并且利用平面凸轮作为控制和驱动元件，主体采用并联机构，无需冗余驱动，电机和凸轮安装在机架上，可有效减低构件惯性和提高系统负载能力，可实现动平台在工作空间内大范围平动。

本发明的机械手只由一个普通电机驱动，而将运动轨迹及运动规律通过计算编程固化在了驱动凸轮里，并且完成了不同运动轨迹及运动规律下凸轮的参数化设计，使得实际使用时只需要改变凸模型中关键参数的值即可实现相应凸轮的设计，从而大大简化了设计者和操作者的设计工作，只需要更换凸轮就可以获得需要的运动轨迹。综上所述，本发明具有结构创新、适应性广、控制简单、成本低等优点。

本发明具有结构紧促、负载能力强、生产效率高、自动化程度高、重复误差小、成本低、实用性强的特点。

附图说明

图1为本发明等轴测视图；

图2为本发明仰视图；

图3为本发明主视图；

图4为本发明俯视图；

图5为本发明两位置提升搬运移动轨迹路线图；

图6为本发明三位置提升搬运移动轨迹路线图；

图7为本发明圆周移动轨迹路线图；

图中：定平台1、电机2、摆杆3、小球头铰4、大球头铰5、大臂6、连杆7、第一凸轮8、第二凸轮9、第三凸轮10、电机安装座11、联轴器12、第一销轴13、小臂14、动平台15，滚子16、第二销轴17、第一齿轮18、第二齿轮19、第三齿轮20、第四齿轮21。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

参见附图1-4所示，本发明的凸轮驱动的三自由度并联机械手，包括定平台1、电机2、摆杆3、小球头铰4、大球头铰5、大臂6、连杆7、第一凸轮8、第二凸轮9、第三凸轮10、电机安装座11、联轴器12、第一销轴13、小臂14、动平台15，滚子16、第二销轴17、第一齿轮18、第二齿轮19、第三齿轮20、第四齿轮21。

所述定平台1为该设备的基体，可以根据实际需要安装在工作现场，其他零部件都以它为参照进行安装；所述第一凸轮8、第二凸轮9、第三凸轮10按照对应确定位置安装，并且三个凸轮位于相同平面内周向均布两两之间夹角120°，所述三个凸轮均根据实际需求设计。

摆杆3、小球头铰4、大球头铰5、大臂6、连杆7、第一销轴13、小臂14、滚子16、第二销轴17，都有完全相同并且各自独立的三套，第一齿轮18、第二齿轮19、第三齿轮20、第四齿轮21为相同模数的齿轮并且第一齿轮18、第二齿轮19、第四齿轮21为参数完全相同的齿轮，第三齿轮20大小可以与其他齿轮相同也可以根据实际传动比进行设计。其中，摆杆3、大臂6均通过回转副连接在定平台上，并且只能绕回转中心转动；所述连杆7通过小球头铰4、大球头铰5分别与摆杆3和大臂6相连；三个相同滚子16分别安装在三个相同摆杆3上；小臂14分别通过第一销轴13、第二销轴17与大臂6及动平台15相连；第一齿轮18、第二齿轮19、第四齿轮21分别与第一凸轮8、第二凸轮9、第三凸轮10固连并且通过旋转副与定平台连接，第三齿轮20通过联轴器12与电机2相连，并且第三齿轮20同时与第一齿轮18、第二齿轮19、第四齿轮21相啮合。

参见附图5，动平台15中心点的运动轨迹为：沿着图示关键位置点a1、点a2、点a3、点a4依次循环移动，先从点a1处提升至点a2然后平移至点a3，接着下降至点a4，最后再原路返回置点1，完成一个运动周期，如此往复运动。附图6中从点a1移动到a6及附图7中圆周运动的运动轨迹同附图5类似不再赘述。

作为本发明的优选实施例，定平台1为圆盘形，绕圆盘圆周等间隔设有三个开槽，三个大臂6分别通过回转副安装于开槽中，分别与电机2和三个凸轮连接的齿轮模数相同，且与三个凸轮分别连接的齿轮参数相同。

作为本发明的优选实施例，所述电机2通过三支脚的电机安装座11固定在定平台1上。

作为本发明的优选实施例，所述第一凸轮8、第二凸轮9、第三凸轮10的基圆半径为140mm，厚度为30mm。

作为本发明的优选实施例，所述三个摆杆3的长度为400mm，其回转轴线到电机2轴线的距离为530mm，并且在圆周上均布彼此夹角120°。

作为本发明的优选实施例，所述小臂14的长度为520mm。

作为本发明的优选实施例，所述大臂6的较长段长度为300mm，较短段长度为130mm。

作为本发明的优选实施例，所述连杆7的长度为200mm。

作为本发明的优选实施例，所述第一销轴13与第二销轴17的长度为70mm。

作为本发明的优选实施例，所述动平台15上第二销轴17的安装轴线与动平台中心轴线的距离为150mm，并且安装轴线位于同一平面上。

作为本发明的优选实施例，附图5中所述动平台15中心点的运动轨迹中点1至点2距离为200mm，点2至点3距离为400mm。

本发明的工作原理是：

电机2驱动第三齿轮20通过第一齿轮18、第二齿轮19、第四齿轮21带动三个第一凸轮8、第二凸轮9、第三凸轮10同步转动，由于凸轮轮廓的作用各自推动对应的滚子16移动，带动摆杆3、连杆7、大臂6、小臂14同时运动，并最终共同带动且限制约束动平台15的运动，限制了动平台在空间中的移动路线和位置，在事先确定了动平台的运动轨迹后，由运动轨迹及各杆长计算出三个凸轮的轮廓形状，从而保证了动平台运动轨迹的唯一性和正确性。

三个第一凸轮8、第二凸轮9、第三凸轮10旋转一周，动平台完成运动轨迹的一个循环，即如附图5所示：首先从点a1位置竖直提升至点a2位置，沿点a2直线移动至点a3，接着从点a3竖直下降至点a4位置，然后原路返回至点a1位置。

Claims (3)

1.一种凸轮驱动的三自由度并联机械手，其特征在于：包括定平台（1）、电机（2）和动平台（15）；电机（2）竖直安装在定平台（1）上，三个凸轮围绕电机（2）周向等夹角安装在定平台（1）上，定平台（1）下方安装有分别与电机（2）和三个凸轮连接的齿轮，三个分别与各凸轮连接的齿轮同时与和电机（2）连接的齿轮啮合；

动平台（15）位于定平台下方，动平台（15）通过三套独立的传动机构分别与定平台（1）上的三个凸轮连接，每套传动机构包括摆杆（3）、大臂（6）、连杆（7）和小臂（14），摆杆（3）、大臂（6）均通过回转副连接在定平台（1）上，并且只能绕回转中心转动，摆杆（3）与定平台（1）平行设置，滚子（16）安装早摆杆（3）上，通过凸轮驱动摆杆（3）摆动，大臂（6）与定平台（1）平面交叉设置，连杆（7）两端设置有球头，摆杆（3）和大臂（6）通过连杆（7）连接，大臂（6）与小臂（14）一端铰接，小臂（14）另一端与动平台（15）铰接；所述小臂（14）通过第二销轴（17）与动平台（15）连接，第二销轴（17）的安装轴线与动平台中心轴线的距离为150mm，三个小臂的安装轴线位于同一平面上；所述三个摆杆（3）的长度均为400mm，其回转轴线到电机（2）轴线的距离为530mm，并且在圆周上均布彼此夹角120°；

所述定平台（1）为圆盘形，绕圆盘圆周等间隔设有三个开槽，三个大臂（6）分别通过回转副安装于开槽中；

电机（2）驱动与其连接的齿轮转动，同时与三个凸轮连接的齿轮同步转动，由于凸轮轮廓的作用各自推动对应的滚子（16）移动，带动摆杆（3）、连杆（7）、大臂（6）、小臂（14）同时运动，最终共同带动且限制约束动平台（15）运动。

2.根据权利要求1所述的凸轮驱动的三自由度并联机械手，其特征在于：分别与电机（2）和三个凸轮连接的齿轮模数相同，且与三个凸轮分别连接的齿轮参数相同。

3.根据权利要求1或2所述的凸轮驱动的三自由度并联机械手，其特征在于：所述电机（2）通过三支脚的电机安装座（11）固定在定平台（1）上。

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