CN106863264B - 一种四自由度并联机器人动平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种四自由度并联机器人动平台，其特征在于，包括壳体、第一摆动杆(4)、第二摆动杆(6)和平动杆(3)，所述的第一摆动杆(4)两端分别与壳体一端和平动杆(3)一端转动连接，所述的第二摆动杆(6)两端分别与壳体另一端和平动杆(3)另一端转动连接，使壳体、第一摆动杆(4)、第二摆动杆(6)和平动杆(3)组成一个平行四边形机构，所述的第一摆动杆(4)和第二摆动杆(6)通过设置在壳体上的同步带轮传输机构连接，所述的同步传输机构带动机器人的TCP旋转轴(11)转动。与现有技术相比，本发明运动效果平稳，具有良好的动力性能、抗压变形能力和整体刚性，传动精度高、噪音小、寿命长。

Description

一种四自由度并联机器人动平台

技术领域

本发明涉及一种并联机器人，尤其是涉及一种四自由度并联机器人动平台。

背景技术

在食品、医药以及电子产品等轻工行业，存在着大量的分拣、拾取及包装工作，目前这些工作主要靠人工完成，具有劳动强度大、生产效率低、易污染等缺点。随着科学技术的发展，机器人等自动化设备的引入成为行业的发展趋势。四自由度并联机器人由静平台和动平台通过四个分支并联而成，为多路闭环机构，其运动特点是各分支可同时接受驱动器输入，最终可以共同给出输出，具有速度快、承载能力强、精度高、自重负荷比小、动力性能好等一系列优点。

现有的Delta并联机器人由静平台、电机、主动臂、球铰、从动臂、中间旋转轴和动平台组成，其中动平台通过3个从动臂和3个主动臂支链连接到静平台上，中间旋转轴与动平台中的中间旋转轴同步旋转，从而带动末端执行器即抓手旋转。Delta机器人的自由度为3+1，即动平台本身的三维平动和中间旋转轴的一维转动，该机器人的中间旋转轴的性能改善一直是一大技术难点，刚性、稳定性和传动精度难以提高。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种运行速度快、控制精度高、整体刚性好的四自由度并联机器人动平台。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种四自由度并联机器人动平台，其特征在于，包括壳体、第一摆动杆、第二摆动杆和平动杆，所述的第一摆动杆两端分别与壳体一端和平动杆一端转动连接，所述的第二摆动杆两端分别与壳体另一端和平动杆另一端转动连接，使壳体、第一摆动杆、第二摆动杆和平动杆组成一个平行四边形机构，所述的第一摆动杆和第二摆动杆通过设置在壳体上的同步带轮传输机构连接，所述的同步带轮传输机构带动机器人的TCP旋转轴转动。

所述的平行四边形机构的关节为角接触球轴承对。

所述的平行四边形机构的关节为背靠背方式安装的角接触球轴承对。

所述的同步传输机构包括第一同步带轮、第二同步带轮以及将第一同步带轮、第二同步带轮同步连接的同步带，所述的第一同步带轮和第二同步带轮分别设置在壳体上，并分别与第一摆动杆和第二摆动杆固定连接；第一同步带轮和第二同步带轮以相同角速度同步转动时，第一摆动杆和第二摆动杆分别绕第一同步带轮和第二同步带轮中轴线同步摆动，从而带动平动杆平动。

所述的第一同步带轮、第二同步带轮分别通过销钉与第一摆动杆和第二摆动杆连接。

所述的同步传输机构还包括第三同步带轮，所述的第三同步带轮设置在壳体上，并通过同步带外侧与第一同步带轮、第二同步带轮反向同步转动，所述的TCP旋转轴通过轴键与第三同步带轮同轴连接。

所述的TCP旋转轴通过角接触球轴承对与壳体连接，所述的第三同步带轮与角接触球轴承对之间安装有轴套，所述的壳体表面与第三同步带轮中心对应处设有螺纹孔，所述的螺纹孔中旋有旋转螺纹盖，从而将第三同步带轮压紧在壳体上。

所述的第一同步带轮和第二同步带轮转动角速度为第三同步带轮转动角速度的1/3，通过设置第一同步带轮和第二同步带轮的轮盘半径为第三同步带轮的轮盘半径的3倍实现。

所述的动平台还包括8个球头，所述的球头各自固定在第一摆动杆的两头和第二摆动杆的两端，每端固定2个球头。

所述的动平台还包括抓手安装法兰盘，所述的抓手安装法兰盘通过销钉与TCP旋转轴同轴连接。

所述的壳体、第一摆动杆、第二摆动杆和平动杆相互连接处均设有弹性密封圈，以防污防水。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)壳体、第一摆动杆、第二摆动杆和平动杆组成一个平行四边形机构并通过与平行四边形机构连接的同步传输机构带动机器人的TCP旋转轴转动，实现末端执行器的转动，平行四边形机构运动效果平稳，具有良好的动力性能。

(2)平行四边形机构的关节为背靠背方式安装的角接触球轴承对，背靠背的角接触球轴承对可同时承受径向负荷和轴向负荷，具有良好的高速性能，抗压变形能力强。

(3)第三同步带轮与角接触球轴承对之间安装有轴套，壳体上设有旋转螺纹盖，利用轴套和旋转螺纹盖共同将第三同步带轮压紧在壳体上，防止第三同步带轮产生转动以外的动作，从而使动平台具有较好的整体刚性。

(4)同步传输机构由同步带轮和同步带组成，同步带的传动精度高，噪音小。

(5)第一同步带轮和第二同步带轮转动角速度为第三同步带轮转动角速度的1/3，因此平行四边形机构只需实现±45°的转动，就能实现末端执行器±180°的转动，减小平行四边形机构的转动幅度，减少关节磨损，延长动平台寿命。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明平行四边形机构转动后的形状示意图；

图3为本发明的剖视结构示意图；

图4为本发明的同步带轮传输机构的结构示意图；

图5为四自由度并联机器人示意图；

附图标记：

1为下壳体；2为上壳体；3为平动杆；4为第一摆动杆；5为球头；6为第二摆动杆；7为旋转螺纹盖；8为抓手安装法兰盘；9为第一角接触球轴承对；10为密封圈；11为TCP旋转轴；12为第一同步带轮；13为第二角接触球轴承对；14为第三同步带轮；15为同步带；16为第二同步带轮；17为轴套；18为从动臂；19为主动臂；20为伺服电机；21为静平台。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1～4所示，一种四自由度并联机器人动平台，包括壳体、第一摆动杆4、第二摆动杆6和平动杆3，壳体由上壳体2和下壳体1通过螺纹连接件固定连接而成，方便壳体的拆装和内部零件的更换。第一摆动杆4两端分别与上壳体2一端和平动杆3一端转动连接，第二摆动杆6两端分别与上壳体2另一端和平动杆3另一端转动连接，使壳体、第一摆动杆4、第二摆动杆6和平动杆3组成一个平行四边形机构，该平行四边形可以绕其四个关节做±45°的转动。平行四边形机构的关节为第一角接触球轴承对9，以背靠背方式安装，第一角接触球轴承对9为薄壁角接触球轴承对，可同时承受径向负荷和轴向负荷，具有良好的高速性能，抗压变形能力强。

上壳体2、第一摆动杆4、第二摆动杆6和平动杆3相互连接处均设有弹性密封圈，以防污防水。第一摆动杆4和第二摆动杆6通过设置在下壳体1上的同步带轮传输机构连接，同步传输机构带动机器人的TCP旋转轴11转动。

同步传输机构包括第一同步带轮12、第二同步带轮16以及将第一同步带轮12、第二同步带轮16同步连接的同步带15，第一同步带轮12和第二同步带轮16分别设置在壳体上，并分别与第一摆动杆4和第二摆动杆6固定连接；第一同步带轮12和第二同步带轮16以相同角速度同步转动时，第一摆动杆4和第二摆动杆6分别绕第一同步带轮12和第二同步带轮16中轴线同步摆动，从而带动平动杆3平动。

第一同步带轮12、第二同步带轮16分别通过销钉与第一摆动杆4和第二摆动杆6连接，销钉压住第一薄壁角接触球轴承9的内圈，防止角接触球轴承9的上下窜动。

同步传输机构还包括第三同步带轮14，第三同步带轮14设置在壳体上，并通过同步带15外侧与第一同步带轮12、第二同步带轮16反向同步转动，TCP旋转轴11通过轴键与第三同步带轮14同轴连接，同时TCP旋转轴11通过第二角接触球轴承对13与上壳体2连接，第三同步带轮14与第二角接触球轴承对13之间安装有轴套14，上壳体2表面与第三同步带轮14中心对应处设有螺纹孔，旋转螺纹盖7穿过螺纹孔，并与轴套14共同作用，将第三同步带轮14压紧在下壳体1上，防止第三同步带轮14产生转动以外的动作，从而使动平台具有较好的整体刚性。如图2所示，旋转螺纹盖7与上壳体2之间设有密封圈10，从而使旋转螺纹盖7与上壳体2之间密封更加严实，增大二者之间摩擦，防止旋转螺纹盖7转动。

第一同步带轮12和第二同步带轮16转动角速度为第三同步带轮14转动角速度的1/3，通过设置第一同步带轮12和第二同步带轮16的轮盘半径为第三同步带轮14的轮盘半径的3倍实现。

动平台还包括8个球头5，球头5各自固定在第一摆动杆4的两头和第二摆动杆6的两端，每端固定2个球头5，如图5所示，动平台是并联机器人的一部分，当动平台通过8个球头5与并联机器人的其他部分连接后，就可以实现动平台末端的三维平动和一维转动。动平台通过4个从动臂18和主动臂19支链连接到静平台21上，从而构成一种高速的四自由度并联机器人。4个伺服电机20通过减速机驱动4个主动臂19，然后通过4个从动臂18支链带动动平台进行运动，从而可以实现末端执行器的三维平动和一维转动。

动平台还包括抓手安装法兰盘8，抓手安装法兰盘8通过销钉与TCP旋转轴11同轴连接，因此抓手安装法兰盘8可随TCP旋转轴11与第三同步带轮14同步转动，实现末端执行机构的转动。动平台平行四边形机构本身能够实现±45°的转动，通过将放大机构的齿数比设为3:1，两者叠加后就可以使末端执行器的旋转角度放大为4倍，从而不需要中间旋转轴就可以实现TCP旋转轴11和末端执行器±180°的转动。

Claims (8)

1.一种四自由度并联机器人动平台，其特征在于，包括壳体、第一摆动杆(4)、第二摆动杆(6)和平动杆(3)，所述的第一摆动杆(4)两端分别与壳体一端和平动杆(3)一端转动连接，所述的第二摆动杆(6)两端分别与壳体另一端和平动杆(3)另一端转动连接，使壳体、第一摆动杆(4)、第二摆动杆(6)和平动杆(3)组成一个平行四边形机构，所述的第一摆动杆(4)和第二摆动杆(6)通过设置在壳体上的同步带轮传输机构连接，所述的同步带轮传输机构带动机器人的TCP旋转轴(11)转动；

所述的平行四边形机构的关节为角接触球轴承对；

所述的同步传输机构包括第一同步带轮(12)、第二同步带轮(16)以及将第一同步带轮(12)、第二同步带轮(16)同步连接的同步带(15)，所述的第一同步带轮(12)和第二同步带轮(16)分别设置在壳体上，并分别与第一摆动杆(4)和第二摆动杆(6)固定连接；第一同步带轮(12)和第二同步带轮(16)以相同角速度同步转动时，第一摆动杆(4)和第二摆动杆(6)分别绕第一同步带轮(12)和第二同步带轮(16)中轴线同步摆动，从而带动平动杆(3)平动。

2.根据权利要求1所述的一种四自由度并联机器人动平台，其特征在于，所述的平行四边形机构的关节为背靠背方式安装的角接触球轴承对。

3.根据权利要求1所述的一种四自由度并联机器人动平台，其特征在于，所述的第一同步带轮(12)、第二同步带轮(16)分别通过销钉与第一摆动杆(4)和第二摆动杆(6)连接。

4.根据权利要求1所述的一种四自由度并联机器人动平台，其特征在于，所述的同步传输机构还包括第三同步带轮(14)，所述的第三同步带轮(14)设置在壳体上，并通过同步带(15)与第一同步带轮(12)、第二同步带轮(16)反向同步转动，所述的TCP旋转轴(11)与第三同步带轮(14)同轴连接。

5.根据权利要求4所述的一种四自由度并联机器人动平台，其特征在于，所述的TCP旋转轴(11)通过角接触球轴承对与壳体连接，所述的第三同步带轮(14)与角接触球轴承对之间安装有轴套(14)，所述的壳体表面与第三同步带轮(14)中心对应处设有螺纹孔，所述的螺纹孔中旋有旋转螺纹盖(7)，从而将第三同步带轮(14)压紧在壳体上。

6.根据权利要求4所述的一种四自由度并联机器人动平台，其特征在于，所述的第一同步带轮(12)和第二同步带轮(16)转动角速度为第三同步带轮(14)转动角速度的1/3。

7.根据权利要求1所述的一种四自由度并联机器人动平台，其特征在于，所述的动平台还包括8个球头(5)，所述的球头(5)各自固定在第一摆动杆(4)的两头和第二摆动杆(6)的两端，每端固定2个球头(5)。

8.根据权利要求1所述的一种四自由度并联机器人动平台，其特征在于，所述的动平台还包括抓手安装法兰盘(8)，所述的抓手安装法兰盘(8)通过销钉与TCP旋转轴(11)同轴连接。