CN107081760B - 一种基于平动并联机构的六自由度机械臂 - Google Patents

Abstract

一种基于平动并联机构的六自由度机械臂，包括机座，还包括机械臂主体和两组设置在机座上的三自由度平动并联机构，机械臂主体包括近端动平台、远端动平台、推杆和末端执行器，近端动平台与其中一个三自由度平动并联机构连接，远端动平台与另外一个三自由度平动并联机构连接，推杆一端通过近端运动副与近端动平台转动连接、另一端穿过远端动平台与末端执行器连接，推杆与远端动平台之间通过远端运动副连接，推杆通过远端运动副能够相对于远端动平台作出沿远端动平台法线的转动运动、和沿与远端动平台平行的水平轴上的转动运动、以及与推杆中心轴线方向的移动运动。本发明灵活、轻巧，动态响应好，可完成抓取、夹持等操作，适用范围广。

Description

一种基于平动并联机构的六自由度机械臂

技术领域

本发明涉及一种基于平动并联机构的六自由度机械臂。

背景技术

串联机器人因其工作空间大、结构简单、易于控制等优点在工业生产中得到了广泛应用。但在某些行业，需要机械手能高速、平稳、精确地执行对物体进行抓取、分拣等操作；考虑到执行对象的不同，有时也会对末端执行器操作的力度和安全性有较高的要求。串联机器人由于驱动电机和传动系统都安装在运动部件上，系统惯量大，动态性能差，不适合完成高速高精度的细微操作，而且高速下系统的安全性较低，一旦机械臂脱出后果不堪设想。

并联机构为动平台和静平台通过至少两个独立的运动链相连接，具有两个或两个以上的自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。和串联机器人相比，并联机器人具有以下优点：累积误差小、精度较高；驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，运动部分重量轻，速度高，动态响应好；结构紧凑，刚度高，承载能力大，安全性好。因此，并联机器人在对设备刚度、运动速度、定位精度、负载能力或系统安全性要求较高的场合应用较为广泛。

Delta机器人是一类典型的并联机器人，因其高速、高运动灵巧性在食品、医药等行业的分拣工作中应用较为普遍，但它只能完成从一个平面到另一个平行平面的操作，缺乏在曲面或非平行的平面间操作的能力，而且其末端执行器只有一个回转自由度，以上因素都限制了它的进一步推广和应用，因此有必要研发一种新型的并联机器人，在继承Delta机器人高速、轻型、灵巧等优点的基础上，解决在非平行平面间或曲面上移动和操作的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于平动并联机构的六自由度机械臂，继承Delta机器人高速、轻型、灵巧等优点的同时解决Delta机器人无法在非平行平面间或曲面上移动和操作的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：

一种基于平动并联机构的六自由度机械臂，包括机座，还包括机械臂主体和两组设置在机座上的三自由度平动并联机构，机械臂主体包括近端动平台、远端动平台、推杆和末端执行器，近端动平台与其中一个三自由度平动并联机构连接，远端动平台与另外一个三自由度平动并联机构连接，推杆一端通过近端运动副与近端动平台转动连接、另一端穿过远端动平台与末端执行器连接，推杆与远端动平台之间通过远端运动副连接，推杆通过该远端运动副能够相对于远端动平台作出沿远端动平台法线的转动运动、和沿与远端动平台平行的水平轴上的转动运动、以及与推杆中心轴线方向的移动运动。

所述远端运动副由第一转动副、第二转动副和移动副串联构成，第一转动副在远端动平台上设置形成，该第一转动副的轴线与远端动平台的法线重合，第二转动副与第一转动副转动连接，该第二转动副的轴线与远端动平台的法线垂直，推杆与第二转动副串联安装形成移动副，该移动副的轴线与推杆中心轴线重合，末端执行器与第二转动副固定连接。

所述近端运动副为球副。

所述近端运动副由两个串联的法线转动副和水平轴转动副构成，法线转动副在近端动平台上设置形成，该法线转动副的轴线与近端动平台的法线重合，水平轴转动副与法线转动副转动连接，该水平轴转动副的轴线与近端动平台的法线垂直。

所述近端动平台位于远端动平台与机座之间。

所述末端执行器包括固定连接座、连杆和夹钳，固定连接座与远端运动副中的第二转动副固定连接，连杆一端与推杆转动连接、另一端与夹钳转动连接，夹钳还与固定连接座转动连接。

所述末端执行器为法兰盘，该法兰盘与远端运动副中的第二转动副固定连接，并且该法兰盘与推杆连接形成螺旋副。

本发明通过两个三自由度平动并联机构控制机械臂主体的三个平动，两个转动和一个张合运动，使得末端执行器能够实现高速高精度的灵巧运动，其结构刚度高，动态响应好，整个机构没有驱动电机安置于动平台上，可完成抓取、夹持等操作，在工业、农业、日常生活和医疗保健等行业有广泛的应用前景。

附图说明

附图1为本发明的立体示意图；

附图2为本发明的俯视结构示意图；

附图3为附图2中的A处放大结构示意图；

附图4为本发明中远端运动副的局部结构示意图；

附图5为本发明中末端执行器的局部结构示意图；

附图6为本发明完成水平方向运动的初始示意图；

附图7为本发明完成水平方向运动的状态示意图；

附图8为本发明完成竖直方向运动的初始示意图；

附图9为本发明完成竖直方向运动的状态示意图；

附图10为本发明中末端执行器跟随第二转动副转动状态示意图；

附图11为本发明中末端执行器绕第一转动副转动状态示意图。

附图12为本发明通过近远端动平台差动运动完成末端执行器张开运动的示意图；

附图13为本发明通过近远端动平台差动运动完成末端执行器闭合运动的示意图；

附图14为本发明末端执行器为法兰盘的立体结构示意图；

附图15为附图14中B处的放大示意图；

附图16为附图15的剖面示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如附图1、2和3所示，本发明揭示了一种基于平动并联机构的六自由度机械臂，包括机座1，还包括机械臂主体和两组设置在机座1上的三自由度平动并联机构2，机械臂主体包括近端动平台4、远端动平台3、推杆7和末端执行器5，近端动平台4与其中一个三自由度平动并联机构连接，远端动平台3与另外一个三自由度平动并联机构连接，推杆7一端通过近端运动副6与近端动平台4转动连接、另一端穿过远端动平台3与末端执行器5连接，推杆7与远端动平台3之间通过远端运动副8连接，推杆7通过该远端运动副8能够相对于远端动平台作出沿远端动平台法线的转动运动、和沿与远端动平台平行的水平轴上的转动运动、以及与推杆中心轴线方向的移动运动。两个三自由度平动并联机构分别带动近端动平台和远端动平台实现三个自由度的运动，实现在X轴、Y轴和Z轴方向的三个平动运动。该三自由度平动并联机构并无特定结构，只要能够满足在X轴、Y轴和Z轴方向的运动即可。推杆利用近端运动副，可实现推杆轴线、和沿与近端动平台表面平行的水平方向的两个方向的转动运动。近端动平台设置在机座与远端动平台之间，即近端动平台相对于远端动平台而言更加靠近于机座。通过推杆将近端动平台、远端动平台和末端执行器连接，实现运动传递到末端执行器。

如附图4和5所示，所述远端运动副8由第一转动副81、第二转动副82和移动副83串联构成，第一转动副81在远端动平台上设置形成，该第一转动副81的轴线与远端动平台3的法线重合，第二转动副82与第一转动81副转动连接，该第二转动副82的轴线与远端动平台3的法线垂直，推杆7与第二转动副82串联安装形成移动副83，该移动副83的轴线与推杆中心轴线重合，末端执行器与第二转动副固定连接。通过以上的第一转动副、第二转动副和移动副，使得推杆相对于远端动平台，能够精确的作出绕远端动平台法线方向的转动，和远端动平台水平轴方向的转动，以及推杆自身中心轴线方向的移动，从而形成三个自由度的运动，进一步带动末端执行器作出三自由度运动。通过该推杆与远端动平台的约束关系，可将远端动平台的三轴平动传递到末端执行器，使该末端执行器发生相应三个方向的移动。

所述近端运动副6为球副。或者近端运动副由两个串联的法线转动副和水平轴转动副构成，法线转动副在近端动平台上设置形成，该法线转动副的轴线与近端动平台的法线重合，水平轴转动副与法线转动副转动连接，该水平轴转动副的轴线与近端动平台的法线垂直。保证推杆相对于近端动平台能够做出两个方向转动（推杆轴线、近端动平台水平方向）运动即可。

如附图3所示，所述末端执行器5包括固定连接座51、连杆52和夹钳53，固定连接座51与远端运动副8中的第二转动副82固定连接，连杆52一端与推杆7转动连接、另一端与夹钳53转动连接，夹钳53还与固定连接座51转动连接。通过固定连接座与第二转动副的固定连接，并且推杆从中穿过，有效提高了末端执行器的结构强度和稳定性，从而保证输出运动的平稳可靠。利用推杆沿其自身中心轴线的前后移动，从而带动夹钳的张开和闭合动作。再利用推杆的两个方向转动，还可以带动夹钳的两个方向的转动。

另外，末端执行器还可以为其他结构形式，将近端动平台和远端动平台沿移动副方向的差动运动转换成末端执行器绕移动副轴线的转动，从而实现三平动三转动的空间全自由度运动，适应不同场合的需求。如附图14-16所示，末端执行器为法兰盘9，该法兰盘与远端运动副8中的第二转动副82连接形成转动副，此时法兰盘可绕推杆轴线方向发生转动。该法兰盘9与推杆7连接形成螺旋副，则近端动平台4和远端动平台3沿推杆中心轴线方向的差动运动通过推杆7及螺旋副配合传递到法兰盘，使其绕同一轴线发生转动，实现三平动三转动的空间全自由度运动。

如附图6-9所示，由两个三自由度平动并联机构带动近端动平台和远端动平台在X轴、Y轴和Z轴三个方向的平动运动，进而利用推杆与远端动平台的约束关系，将远端动平台的三轴平动传递到末端执行器，使该末端执行器对应的三个自由度上的运动。

如附图10和11所示，近端运动副使近端动平台与推杆相连，并与远端运动副相配合，推动推杆，从而将两个动平台的，在与上下两个运动副（近端运动副和第二转动副）连线相垂直的平面里两个正交方向的差动运动，转化成末端执行器的两个转动，为两个转动自由度。

如附图12和13所示，当推杆受到三自由度平动并联机构的带动朝向远端动平台方向移动时，连杆与推杆发生相对转动，连杆收缩靠近推杆，带动夹钳张开。当推杆向着机座方向移动时，连杆与推杆发生相对转动，连杆张开远离推杆，夹钳闭合。从而实现夹钳的张合，为一个转动自由度。

需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于平动并联机构的六自由度机械臂，包括机座，其特征在于，还包括机械臂主体和两组设置在机座上的三自由度平动并联机构，机械臂主体包括近端动平台、远端动平台、推杆和末端执行器，近端动平台与其中一个三自由度平动并联机构连接，远端动平台与另外一个三自由度平动并联机构连接，推杆一端通过近端运动副与近端动平台转动连接、另一端穿过远端动平台与末端执行器连接，推杆与远端动平台之间通过远端运动副连接，推杆通过该远端运动副能够相对于远端动平台作出沿远端动平台法线的转动运动、和沿与远端动平台平行的水平轴上的转动运动、以及与推杆中心轴线方向的移动运动，所述近端运动副由两个串联的法线转动副和水平轴转动副构成，法线转动副在近端动平台上设置形成，该法线转动副的轴线与近端动平台的法线重合，水平轴转动副与法线转动副转动连接，该水平轴转动副的轴线与近端动平台的法线垂直。

2.根据权利要求1所述的基于平动并联机构的六自由度机械臂，其特征在于，所述远端运动副由第一转动副、第二转动副和移动副串联构成，第一转动副在远端动平台上设置形成，该第一转动副的轴线与远端动平台的法线重合，第二转动副与第一转动副转动连接，该第二转动副的轴线与远端动平台的法线垂直，推杆与第二转动副串联安装形成移动副，该移动副的轴线与推杆中心轴线重合，末端执行器与第二转动副固定连接。

3.根据权利要求2所述的基于平动并联机构的六自由度机械臂，其特征在于，所述近端运动副为球副。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于平动并联机构的六自由度机械臂，其特征在于，所述近端动平台位于远端动平台与机座之间。

5.根据权利要求4所述的基于平动并联机构的六自由度机械臂，其特征在于，所述末端执行器包括固定连接座、连杆和夹钳，固定连接座与远端运动副中的第二转动副固定连接，连杆一端与推杆转动连接、另一端与夹钳转动连接，夹钳还与固定连接座转动连接。

6.根据权利要求5所述的基于平动并联机构的六自由度机械臂，其特征在于，所述末端执行器为法兰盘，该法兰盘与远端运动副中的第二转动副固定连接，并且该法兰盘与推杆连接形成螺旋副。

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