CN107225559B - 一种可实现scara运动的四自由度高速并联机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可实现SCARA运动的四自由度高速并联机器人，属于并联机器人领域。该机器人包括定平台、用于安装执行器的动平台部件以及四条结构相同的支链，所述四条支链相对定平台呈圆周对称布置，该四条支链分别连接于定平台和动平台部件之间，并与该定平台和动平台部件构成空间闭环机构。控制四条支链中各个驱动电机的转动，可以实现动平台部件中上动平台的三个移动自由度以及一个转动自由度，将上动平台的中心轴作为输出端连接执行器，可实现执行器的SCARA运动。本发明具有结构紧凑、运动灵活、控制简单、刚度和稳定性较好等特点。

Description

一种可实现SCARA运动的四自由度高速并联机器人

技术领域

本发明属于并联机器人领域，特别涉及一种可实现SCARA运动的四自由度(三维移动和一维转动)高速并联机器人。该机器人可应用于具有拾取和放臵操作的工况环境。

背景技术

SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm)意为具有选择顺应性的装配机器人手臂，该机器人手臂具有四个运动自由度，包括沿X，Y，Z方向的移动和绕Z方向的转动，在水平面内具有很好的顺应性，在垂直于水平面方向上具有优异的刚性。该类机器人手臂主要功能是pick-and-place(拾取和放臵)，因此广泛应用于塑料工业、电子工业、药品工业和食品工业领域，可以高效地完成包装、制造、装配以及搬运等操作。

全球首款SCARA运动机器人由串联机构实现，串联机构通过运动副依次连接而成，为开环结构，具有大的工作空间和高的灵活度，但其也具有明显的缺点：各运动副误差累积导致末端精度低、刚度底、惯性大，动力学性能不好。并联机构是一种闭环结构，其动平台通过至少两个独立的运动链与定平台相连接。与串联机构相比，并联机构具有刚度高、精度高、动力学性能好、结构紧凑等优点。

基于并联机构的优点，CLAVEL提出了由三条对称支链构成的可实现三维平动的Delta并联机构(US4976582)，具有高速运动特性，在此构型的基础上，ABB公司研发了“Flexpicker”并联机器人并应用于食品包装生产线中代替人工完成食品等的快速分拣操作；为进一步增加拾取动作的柔性和效率，PIERROT等提出了具有四条支链，双动平台特征的可实现SCARA运动的H4并联机构(US20090019960和EP1084802)；随后Adept公司成功将其商业化，典型代表有“Adept Quattrro”并联机器人。

对于以上部分设计的优缺点，有文献进行了点评，不足之处总结如下：专利CN202592386指出专利US4976582中Delta机构只具有空间平动的三个自由度，不能实现拾取角度的旋转；专利CN102161200指出专利US20090019960和EP1084802中H4机构动平台的多个部件处于同一平面内，使得动平台尺寸较大，不够紧凑，且相邻的两条支链驱动动平台的一个部件，传力效果不好，不利于提高机构效率；专利CN101863024、CN102161201指出专利US20090019960和EP1084802中动平台尺寸较大，其上设置的放大机构增加了动平台的重量；专利CN102152306指出专利US20090019960和EP1084802中动平台受驱动的部件是相当于平行四边形的一组对边，结构不紧凑，活动不灵活，受力不均匀，不利于提高机构效率；专利CN102229141指出专利US20090019960和EP1084802中动平台受驱动的部件只有两个，这两个部件相当于平行四边形的一组对边，这样的驱动方式不灵活，受力情况不均匀，不利于机构的顺畅运行。

综上，设计研发性能优异的SCARA运动并联机器人仍是机器人领域关注的热点问题，一款结构紧凑、运动灵活的高性能SCARA并联机器人必将具有广阔的科研及应用前景。

发明内容

本发明针对串联SCARA机器人的缺点和现有并联SCARA机器人存在的不足，提出了一种新型的可实现SCARA运动的四自由度高速并联机器人，该并联机器人包括定平台、安装执行器的动平台以及第一支链、第二支链、第三支链、第四支链，所述四条支链分别连接于定平台和动平台之间，并与该定平台和动平台构成空间闭环机构。通过四条支链内部的驱动电机转动，将运动传递至动平台末端的执行器，可以实现执行器的SCARA运动。

本发明提出的一种可实现SCARA运动的四自由度高速并联机器人，其特征在于，包括：定平台(1)、安装执行器的动平台部件(8)以及第一支链(I)、第二支链(II)、第三支链(III)、第四支链(IV)，四条所述支链相对定平台呈圆周对称布置，该四条支链分别连接于定平台和动平台部件之间，并与所述定平台和动平台部件构成空间闭环机构；其中，四条支链的一端分别通过螺栓与定平台(1)紧固，四条支链的一另端分别与动平台部件通过转动副配合。

四条所述支链结构相同，均包括：驱动电机(2)、减速器(3)、驱动大臂前端(4)、驱动大臂(5)、驱动大臂末端(6)、平行四边形部件(7)以及运动副；其中，驱动电机的输出轴与减速器的输入轴配合以传递扭矩与转速，驱动大臂前端与驱动大臂一端紧固，驱动大臂另一端与驱动大臂末端紧固；所述运动副有3个：一个是连接于驱动大臂前端和减速器输出轴之间的转动副R，一个是连接于驱动大臂末端和平行四边形部件一端之间的转动副R，一个是连接于平行四边形部件(7)另一端与动平台部件(8)之间的转动副R；所述减速器与定平台(1)紧固。

所述动平台部件(8)包括：上动平台(8-1)和下动平台(8-2)，执行器(8-3)，以及两个固定转动件(8-4、8-7)和两个连接转动件(8-5、8-6)；所述上动平台包括两个支臂，在上动平台两支臂的汇交点设有中心轴；所述下动平台包括两个支臂，在下动平台两支臂的汇交点设有中心孔；其中，第一固定转动件(8-4)、第二固定转动件(8-7)分别与下动平台的第一、第二支臂末端紧固，上动平台的中心轴和下动平台的中心孔通过转动副配合，上动平台中心轴末端与执行器(8-3)紧固，第一连接转动件(8-5)、第二连接转动件(8-6)分别与上动平台的第一、第二支臂末端通过转动副配合；所述第一固定转动件(8-4)、第一连接转动件(8-5)、第二连接转动件(8-6)和第二固定转动件(8-7)分别与四条支链的另一端通过转动副配合。

所述平行四边形部件(7)具有两种实现方式：

第一种平行四边形部件(7)包括：两个小臂短杆和两个小臂长杆，其中，第一小臂短杆(7-1-a)两端分别与第一小臂长杆(7-1-c)、第二小臂长杆(7-1-d)的上端通过转动副配合，第一小臂长杆、第二小臂长杆的下端分别与第二小臂短杆(7-1-b)的两端通过转动副配合。

第二种平行四边形部件(7)包括：两个小臂短杆、两个小臂横杆和两个小臂长杆，两个所述小臂横杆为抗扭弹性杆，装配时为预拉伸状态；其中，第一小臂短杆(7-2-a)两端分别与第一小臂长杆(7-2-c)、第二小臂长杆(7-2-d)的上端通过球面配合，第一小臂长杆、第二小臂长杆的下端分别与第二小臂短杆(7-2-b)两端通过球面配合，第一小臂横杆(7-2-e)两端分别与第一小臂长杆、第二小臂长杆的中上端通过转动副配合，第一小臂长杆、第二小臂长杆的中下端分别与第二小臂横杆(7-2-f)的两端通过转动副配合。

所述动平台部件(8)还包括增速器模块(8-8)，该增速器模块由密封外壳和位于外壳内的行星轮系结构组成；其中，密封外壳顶部与下动平台(8-2)紧固，行星轮系结构的输入轴与上动平台(8-1)紧固，行星轮系结构的输出轴与执行器(8-3)紧固。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明动平台部件中的上动平台相对下动平台具有一维转动自由度，上动平台和下动平台共同具有的三维移动自由度。动平台部件具有结构简单、紧凑和运动灵活等特点。动平台部件和平行四边形部件作为单独部件，可以整体替换，模块化程度高。本发明整体为并联机构，具有刚度高、精度高、动力学性能好等优点。

本发明上动平台和下动平台之间可以加入增速器模块，实现角度放大功能，因此，上动平台相对下动平台只需要转动较小的角度即可实现大角度输出，使得结构更加紧凑。另外，增速器模块可实现密封润滑，具有传动精度和效率高等特点。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例1的部件7结构示意图；

图3为本发明实施例1的部件7局部放大视图；

图4为本发明实施例1的部件8结构示意图；

图5为本发明实施例2的部件7结构示意图；

图6为本发明实施例2的部件7局部放大视图；

图7为本发明实施例3的部件8结构示意图。

具体实施方式

本发明提出的一种可实现SCARA运动的四自由度高速并联机器人结合附图及实施例详细说明如下：

实施例1：

本实施例的一种可实现SCARA运动的四自由度高速并联机器人的结构如图1所示，包括定平台1、用于安装执行器的动平台部件8以及第一支链I、第二支链II、第三支链III、第四支链IV，所述四条支链相对定平台1呈圆周对称布置，该四条支链分别连接于定平台1和动平台部件8之间，并与该定平台1和动平台部件8构成空间闭环机构。

所述第一支链I、第二支链II、第三支链III和第四支链IV结构相同，如图1所示，以第一支链I为例，包括：驱动电机2、减速器3、驱动大臂前端4、驱动大臂5、驱动大臂末端6、平行四边形部件7以及运动副；各零部件的装配关系为：驱动电机2的输出轴与减速器3的输入轴配合以传递扭矩与转速，减速器3的输出轴与驱动大臂前端4配合以传递扭矩与转角，驱动大臂前端4与驱动大臂5一端紧固，驱动大臂5另一端与驱动大臂末端6紧固，驱动大臂末端6和平行四边形部件7的一端(第一小臂短杆7-1-a，如图3所示)通过转动副连接，平行四边形部件7的另一端(第二小臂短杆7-1-b，如图3所示)与动平台部件8通过转动副连接。所述运动副有3个，一个是连接于驱动大臂前端4和减速器3之间的转动副R，一个是连接于驱动大臂末端6和平行四边形部件7的一端(第一小臂短杆7-1-a)之间的转动副R，一个是连接于平行四边形部件7另一端(第二小臂短杆7-1-b)与动平台部件8之间的转动副R。

所述平行四边形部件7的结构如图2所示(局部结构放大见图3)，包括第一小臂短杆7-1-a、第二小臂短杆7-1-b、第一小臂长杆7-1-c和第二小臂长杆7-1-d；各零件的装配关系为：第一小臂短杆7-1-a两端分别与第一小臂长杆7-1-c、第二小臂长杆7-1-d的上端通过转动副配合，第一小臂长杆7-1-c、第二小臂长杆7-1-d的下端分别与第二小臂短杆7-1-b的两端通过转动副配合。

所述动平台部件8的结构如图4所示，包括：上动平台8-1和下动平台8-2，执行器8-3，以及两个固定转动件(8-4、8-7)和两个连接转动件(8-5、8-6)；上动平台8-1两个支臂末端分别设置一个连接转动件、上动平台两支臂汇交点设有中心轴，下动平台8-2两个支臂末端分别设置一个固定连接件、下动平台两支臂汇交点设有中心孔；其中，第一固定转动件8-4与下动平台8-2的第一支臂末端紧固，第二固定转动件8-7与下动平台8-2的第二支臂末端紧固，上动平台的中心轴和下动平台的中心孔通过转动副配合，上动平台8-1中心轴末端与执行器8-3紧固，第一连接转动件8-5与上动平台8-1的第一支臂末端通过转动副配合，第二连接转动件8-6与上动平台8-1的第二支臂末端通过转动副配合；

所述定平台1、动平台部件8以及第一支链I、第二支链II、第三支链III、第四支链IV的总体装配关系为：第一支链I、第二支链II、第三支链III、第四支链IV中的四个减速器3分别通过螺栓与定平台1紧固，第一支链I、第二支链II、第三支链III、第四支链IV中的平行四边形部件7的另一端(第二小臂短杆7-1-b)分别与动平台部件8中的第一固定转动件8-4、第一连接转动件8-5、第二连接转动件8-6和第二固定转动件8-7通过转动副配合。

综上，本发明利用平行四边形部件7的姿态保持性，将四个支链中各个驱动电机的独立转动，转换为动平台部件8中上动平台8-1沿X，Y，Z方向的三个移动自由度和绕Z方向的转动自由度，最终带动执行器8-3沿X，Y，Z方向的三个移动和绕Z方向的转动。

实施例2：

本发明的平行四边形部件7的结构还可以如图5所示(局部结构放大见图6)，包括第一小臂短杆7-2-a、第二小臂短杆7-2-b、第一小臂横杆7-2-e、第二小臂横杆7-2-f、第一小臂长杆7-2-c、第二小臂长杆7-2-d；值得强调的是第一小臂横杆7-2-e和第二小臂横杆7-2-f为抗扭弹性杆，装配时为预拉伸状态。各零件的装配关系为：第一小臂短杆7-2-a两端分别与第一小臂长杆7-2-c、第二小臂长杆7-2-d的上端通过球面配合，第一小臂长杆7-2-c、第二小臂长杆7-2-d的下端分别与第二小臂短杆7-2-b两端通过球面配合，第一小臂横杆7-2-e两端分别与第一小臂长杆7-2-c、第二小臂长杆7-2-d的中上端通过转动副配合，第一小臂长杆7-2-c、第二小臂长杆7-2-d的中下端分别与第二小臂横杆7-2-f的两端通过转动副配合。

实施例3：

本发明的动平台部件8的结构还可以如图7所示，本实施例的动平台部件8在实施例1所述的动平台部件基础上增设了增速器模块8-8，该增速器模块由密封外壳和位于外壳内的行星轮系结构组成；其中，密封外壳顶部与下动平台8-2紧固，行星轮系结构的输入轴与上动平台8-1紧固，行星轮系结构的输出轴与执行器吸盘8-3紧固。本实施例动平台部件8的其他组成部件均与实施例1相同，此处不再赘述。

本发明平行四边形部件7的两种类型(图2和图5)和动平台部件8的2种类型(图4和图7)可以按照需求任选其一进行搭配组装。

本发明以典型实施例进行了说明，本领域的技术人员在不超出本发明范围的情况下，可对尺寸和形状做显而易见的变化和修改，以用来适应不同的应用对象和工况条件。

Claims (5)

1.一种可实现SCARA运动的四自由度高速并联机器人，其特征在于，包括：定平台(1)、安装执行器的动平台部件(8)以及第一支链(I)、第二支链(II)、第三支链(III)、第四支链(IV)，四条所述支链相对定平台(1)呈圆周对称布置，该四条支链分别连接于定平台(1)和动平台部件(8)之间，并与所述定平台(1)和动平台部件(8)构成空间闭环机构；其中，四条支链的一端分别与定平台(1)紧固，四条支链的一另端分别与动平台部件(8)通过转动副配合；

所述动平台部件(8)包括：上动平台(8-1)和下动平台(8-2)，执行器(8-3)，以及两个固定转动件(8-4、8-7)和两个连接转动件(8-5、8-6)；所述上动平台(8-1)包括两个支臂，在上动平台(8-1)两支臂的汇交点设有中心轴；所述下动平台(8-2)包括两个支臂，在下动平台(8-2)两支臂的汇交点设有中心孔；其中，第一固定转动件(8-4)、第二固定转动件(8-7)分别与下动平台(8-2)的第一、第二支臂末端紧固，上动平台(8-1)的中心轴和下动平台(8-2)的中心孔通过转动副配合，上动平台(8-1)中心轴末端与执行器(8-3)紧固，第一连接转动件(8-5)、第二连接转动件(8-6)分别与上动平台(8-1)的第一、第二支臂末端通过转动副配合；所述第一固定转动件(8-4)、第一连接转动件(8-5)、第二连接转动件(8-6)和第二固定转动件(8-7)分别与四条支链的另一端通过转动副配合。

2.根据权利要求1所述的四自由度高速并联机器人，其特征在于，四条所述支链结构相同，均包括：驱动电机(2)、减速器(3)、驱动大臂前端(4)、驱动大臂(5)、驱动大臂末端(6)、平行四边形部件(7)以及运动副；其中，驱动电机(2)的输出轴与减速器(3)的输入轴配合以传递扭矩与转速，驱动大臂前端(4)与驱动大臂(5)一端紧固，驱动大臂(5)另一端与驱动大臂末端(6)紧固；所述运动副有3个：一个是连接于驱动大臂前端(4)和减速器(3)输出轴之间的转动副R，一个是连接于驱动大臂末端(6)和平行四边形部件(7)一端之间的转动副R，一个是连接于平行四边形部件(7)另一端与动平台部件(8)之间的转动副R；所述减速器(3)与定平台(1)紧固。

3.如权利要求2所述的四自由度高速并联机器人，其特征在于，所述平行四边形部件(7)，包括：两个小臂短杆和两个小臂长杆，其中，第一小臂短杆(7-1-a)两端分别与第一小臂长杆(7-1-c)、第二小臂长杆(7-1-d)的上端通过转动副配合，第一小臂长杆(7-1-c)、第二小臂长杆(7-1-d)的下端分别与第二小臂短杆(7-1-b)的两端通过转动副配合。

4.如权利要求2所述的四自由度高速并联机器人，其特征在于，所述平行四边形部件(7)包括：两个小臂短杆、两个小臂横杆和两个小臂长杆，两个所述小臂横杆为抗扭弹性杆，装配时为预拉伸状态；其中，第一小臂短杆(7-2-a)两端分别与第一小臂长杆(7-2-c)、第二小臂长杆(7-2-d)的上端通过球面配合，第一小臂长杆(7-2-c)、第二小臂长杆(7-2-d)的下端分别与第二小臂短杆(7-2-b)两端通过球面配合，第一小臂横杆(7-2-e)两端分别与第一小臂长杆(7-2-c)、第二小臂长杆(7-2-d)的中上端通过转动副配合，第一小臂长杆(7-2-c)、第二小臂长杆(7-2-d)的中下端分别与第二小臂横杆(7-2-f)的两端通过转动副配合。

5.如权利要求1所述的四自由度高速并联机器人，其特征在于，所述动平台部件(8)还包括增速器模块(8-8)，该增速器模块由密封外壳和位于外壳内的行星轮系结构组成；其中，密封外壳顶部与下动平台(8-2)紧固，行星轮系结构的输入轴与上动平台(8-1)紧固，行星轮系结构的输出轴与执行器(8-3)紧固。