CN107351124A - 一种五自由度混联机器人的重力平衡装置 - Google Patents

一种五自由度混联机器人的重力平衡装置 Download PDF

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马为
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    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
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Abstract

一种五自由度混联机器人的重力平衡装置，是设置在五自由度混联机器人的转动支架后部和安装五自由度混联机器人的机器人基座之间，包括两组结构相同的平衡机构，其中一组平衡机构设置在贯穿第一主动长度调节装置处的转动支架的后部与所述的机器人基座之间，另一组平衡机构设置在贯穿第二主动长度调节装置处的转动支架的后部与所述的机器人基座之间。本发明很好地结合了所述五自由度混联机器人的特点，具有结构简单、便于实现的优点，且可有效地实现机器人的重力自平衡。本发明可完全或部分平衡掉机器人自身重力对电机静态保持力矩的影响，实现机器人的重力自平衡，有利于提高这种五自由度混联机器人的静动态特性。

Description

一种五自由度混联机器人的重力平衡装置
技术领域
本发明涉及一种五自由度混联机器人。特别是涉及一种五自由度混联机器人的重力平衡装置。
背景技术
专利ZL201510401279.9所公开的一种含多轴转动支架的五自由度混联机器人，其由具有三自由度并联机构和与之串接的二自由度转头组成，其中并联机构包括机架、三个可沿轴向伸长或缩短的主动调节装置、一个从动调节装置、一个动平台和一个多轴转动支架，具有工作空间/装备占地比大、制造和装配工艺型好、运动学简单等优点。然而，该机器人模块卧式放置时由于机器人自身重力的影响，使得其中一个主动调节装置中的电机负载远大于另外两个主动调节装置中的电机负载，严重制约了机器人高速特性的实现。针对这种五自由度混联机器人，本发明所解决的技术问题是：提出一种重力自平衡装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种可完全或部分平衡掉机器人自身重力对电机静态保持力矩的影响，实现机器人重力自平衡的五自由度混联机器人的重力平衡装置。
本发明所采用的技术方案是：一种五自由度混联机器人的重力平衡装置，是设置在五自由度混联机器人的转动支架后部和安装五自由度混联机器人的机器人基座之间，包括两组结构相同的平衡机构，其中一组平衡机构设置在贯穿第一主动长度调节装置处的转动支架的后部与所述的机器人基座之间，另一组平衡机构设置在贯穿第二主动长度调节装置处的转动支架的后部与所述的机器人基座之间。
所述的两组结构相同的平衡机构均包括有：一端连接在所述转动支架后部的悬伸支架和通过安装轴座连接在所述机器人基座上的气缸，所述气缸的气缸伸缩杆的端部与所述悬伸支架的另一端铰接连接。
所述的气缸为恒压气缸，从而，所述的气缸伸缩杆为恒压气缸伸缩杆。
本发明的一种五自由度混联机器人的重力平衡装置，很好地结合了所述五自由度混联机器人的特点，具有结构简单、便于实现的优点，且可有效地实现机器人的重力自平衡。本发明可完全或部分平衡掉机器人自身重力对电机静态保持力矩的影响，实现机器人的重力自平衡，有利于提高这种五自由度混联机器人的静动态特性。
附图说明
图1是五自由度混联机器人并联模块结构示意图；
图2是图1的后视图；
图3是本发明一种五自由度混联机器人的重力平衡装置的结构示意图；
图4是本发明一种五自由度混联机器人的重力平衡装置的原理图；
图5是转动支架和悬伸支架连接结构示意图。
图中：
1：转动支架 2：悬伸支架
3：气缸 4：安装轴座，
5：机器人基座 6：气缸伸缩杆
7：从动长度调节装置 8：第一主动长度调节装置
9：第二主动长度调节装置 10：第三主动长度调节装置
11：第一固定轴座 12：第二固定轴座
13：第一伺服电机 14：第二伺服电机
15：第三伺服电机 16：第一球铰
17：第二球铰18：第三球铰
19：从动长度调节装置与转动支架连接的转动副
20：第一主动长度调节装置与转动支架连接的转动副
21：第二主动长度调节装置与转动支架连接的转动副
22：第三主动长度调节装置与第二固定轴座连接的虎克铰
23：动平台24：二自由度转头
25：机架
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种五自由度混联机器人的重力平衡装置做出详细说明。
本发明所针对的五自由度混联机器人，如图1、2所示，由具有一个平动两个转动的三自由度并联机构和与之串接的具有两个转动自由度的转头组成，其中并联机构包括三个可沿轴向伸长或缩短的第一主动长度调节装置8、第二主动长度调节装置9和第三主动长度调节装置10，一个从动长度调节装置7，一个转动支架1，以及一个机架25。
所述的第一主动长度调节装置8和第二主动长度调节装置9的一端分别对应通过第一主动长度调节装置与转动支架连接的转动副20，以及第二主动长度调节装置与转动支架连接的转动副21与所述的转动支架1连接，所述的第一主动长度调节装置8和第二主动长度调节装置9的另一端通过由三个转动副组成的第一球铰16和第二球铰17与动平台23连接；所述的第三主动长度调节装置10一端由第三主动长度调节装置与第二固定轴座连接的具有两个转动副组成的虎克铰22与安装在所述机架25上的两个第二固定轴座12连接，另一端通过由三个转动副组成的第三球铰18与动平台23连接；所述的转动支架1通过转动副与安装在所述机架25上的第一固定轴座11连接。二自由度转头24与动平台23串接。连接转动支架1分别与第一主动长度调节装置8、第二主动长度调节装置9的转轴轴线，以及连接转动支架1与从动长度调节装置7的转轴轴线彼此平行，且与连接机架25的转轴轴线正交。在各伺服电机驱动下，所述的第一主动长度调节装置8、第二主动长度调节装置9和第三主动长度调节装置10可以伸长和缩短，使得所述动平台23可绕第一固定轴座11的轴线转动，可绕连接转动支架1与从动长度调节装置7的转轴轴线转动，以及可沿从动长度调节装置7的轴线移动，进而形成一个平动和两个转动自由度。
所述五自由度混联机器人采用如图3所示卧式放置时，由于自身重力的影响，使得安装在第三主动长度调节装置10末端的第三伺服电机15所受负载远大于第一伺服电机13和第二伺服电机14所受负载，严重制约了五自由度混联机器人高速特性的实现。
如图3所示，本发明的一种五自由度混联机器人的重力平衡装置，是设置在五自由度混联机器人的转动支架1后部和安装五自由度混联机器人的机器人基座5之间，包括两组结构相同的平衡机构，其中一组平衡机构设置在贯穿第一主动长度调节装置8处的转动支架1的后部与所述的机器人基座5之间，另一组平衡机构设置在贯穿第二主动长度调节装置9处的转动支架1的后部与所述的机器人基座5之间。
如图3、图4、图5所示，所述的两组结构相同的平衡机构均包括有：一端连接在所述转动支架1后部的悬伸支架2和通过安装轴座4连接在所述机器人基座5上的气缸3，所述气缸3的气缸伸缩杆6的端部与所述悬伸支架2的另一端铰接连接。所述的气缸3为恒压气缸，从而，所述的气缸伸缩杆6为恒压气缸伸缩杆，可保证沿轴向恒定拉力的实现。
如图5所示，为避免五自由度混联机器人运动时所述气缸3与五自由度混联机器人发生干涉，所以将两个悬伸支架2通过螺钉安装在转动支架1的两侧。
本发明的一种五自由度混联机器人的重力平衡装置的原理为：如图4所示，若取消重力平衡装置，即Fb＝0，则扭矩τb的数值为0，所述五自由度混联机器人自身重力对转动支架1轴线产生的扭矩τG完全由第三主动长度调节装置10来承担，这势必会使得安装在第三主动长度调节10上的第三伺服电机15的负载过大。当所述重力平衡装置作用在五自由度混联机器人上时，基于静力学分析，可建立两个恒压气缸3沿轴向产生的拉力Fb对转动支架1轴线产生的扭矩为τb、机器人自身重力G对转动支架1轴线产生的扭矩为τG的力平衡方程，通过合理设定恒压气缸3的压力以保证拉力Fb，即可实现机器人的重力自平衡，达到全部或基本消除重力场对第三伺服电机15静态保持力矩影响的目的。
尽管上面结合附图对本发明的实例进行了描述计算，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，实际的工程当中可以根据混联机器人不同尺寸改变重力平衡装置的参数，但计算的原理和方法与上述无异，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种五自由度混联机器人的重力平衡装置，是设置在五自由度混联机器人的转动支架(1)后部和安装五自由度混联机器人的机器人基座(5)之间，其特征在于，包括两组结构相同的平衡机构，其中一组平衡机构设置在贯穿第一主动长度调节装置(8)处的转动支架(1)的后部与所述的机器人基座(5)之间，另一组平衡机构设置在贯穿第二主动长度调节装置(9)处的转动支架(1)的后部与所述的机器人基座(5)之间。
2.根据权利要求1所述的一种五自由度混联机器人的重力平衡装置，其特征在于，所述的两组结构相同的平衡机构均包括有：一端连接在所述转动支架(1)后部的悬伸支架(2)和通过安装轴座(4)连接在所述机器人基座(5)上的气缸(3)，所述气缸(3)的气缸伸缩杆(6)的端部与所述悬伸支架(2)的另一端铰接连接。
3.根据权利要求2所述的一种五自由度混联机器人的重力平衡装置，其特征在于，所述的气缸(3)为恒压气缸，从而，所述的气缸伸缩杆(6)为恒压气缸伸缩杆。
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