CN107813290A - 串并混联机械臂 - Google Patents

Abstract

一种串并混联机械臂，主要由杆件、回转关节、并联六自由度平台构成，回转关节由芯轴和外套筒组成，外套筒可以围绕芯轴转动，若干杆件通过回转关节连接成为一个杆状串联机构，最后一个杆件的末端与并联六自由度平台的定台面固定连接；执行器固定在并联六自由度平台的动台面上。这种机械臂，具有多个自由度，通过各个回转关节的转动，使末端的执行器到达目标点附近，然后控制系统向并联六自由度平台发出移动或转动的指令，动台面产生相应运动，使执行器精确到达目标点。这种机械臂可以在较大空间内，方便、准确地到达目标点，特别适用于工作范围大，且需要随机地、频繁地变换目标点的场合。采用这种机械臂，可以显著提高人机协同机械手、医疗器械等机构的性能。

Description

串并混联机械臂

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体说是一种用于精确定位的串并混联机械臂。

背景技术

串联机构广泛用于机械手、机器人，其优点是工作范围大，缺点是用逆解算法进行位姿控制非常复杂，实际运用时需要事先采用示教方式，取得到达目标点的控制参数，使得在工作时需要随机地、频繁地变换目标点的场合，无法使用。并联机构工作范围相对较小，但用逆解算法进行位姿控制比较简单，可以随时通过控制系统发出指令，使其到达目标点。本发明的思路是将串联机构和并联机构混合组合成机械臂，工作时首先利用串联机构工作范围大的特性，将末端执行器移动到目标点附近，再通过指令操作并联机构，将末端执行器精确定位。这种机械臂有望广泛用于人机协同机械手、装配机械手、医疗器械、采样和光学仪器等。

发明内容

本发明的目的，是提供一种串联机构和并联机构混合组合成的机械臂，其工作范围大、控制简单、定位精确。用于人机协同机械手、医疗器械等领域。

为实现这个目的，本发明所采取的技术方案如下：

一种串并混联机械臂，主要由杆件、回转关节、并联六自由度平台构成，其特征是：回转关节由芯轴和外套筒组成，外套筒可以 围绕芯轴转动，若干杆件通过回转关节连接成为一个杆状串联机构，连接方法是第一杆件的末端固定在第一回转关节的芯轴上，第二杆件的前端固定在上述第一回转关节的外套筒上，第二杆件的末端固定在第二回转关节的芯轴上；其他的杆件和回转关节都以上述方法依次连接；机械臂中的回转关节的数量比杆件的数量少一个；最后一个杆件的末端与并联六自由度平台的定台面固定连接；执行器固定在并联六自由度平台的动台面上。

进一步的特征是，并联六自由度平台由一个定台面、6个定球铰座、一个动台面、6个动球铰座、6个两端为球铰头的电动伸缩杆构成；构成方式是6个定球铰座固定安装在定台面上，6个动球铰座固定安装在动台面上，6个电动伸缩杆两端的球铰头，分别可转动的套装在6个定球铰座和6个动球铰座中。

进一步的特征是，电动伸缩杆由1个外套筒、1个电机、1个螺杆、1个螺母、1个内套筒、2个球铰头构成；构成方式是电机后端固定着一个球铰头；电机前端固定在外套筒后端，电机轴上固定着螺杆，螺母固定在内套筒后端，螺杆穿过螺母形成螺旋副，内套筒前端从外套筒前端穿出，内套筒前端固定着一个球铰头。

这种串并混联机械臂工作过程是这样的：显然这种多个杆件用回转关节连接构成的机械臂，具有多个自由度，通过各个回转关节的转动可以使末端的执行器到达目标点附近，然后通过控制系统向并联六自由度平台发出移动或转动的指令，平台上的六个 电动伸缩杆则各自伸出或缩回，动台面产生相应运动，使固定在动台面上的执行器精确到达目标点。

本发明的有益效果在于：由于采用了多自由度且动作空间大的杆件串联机构，与便于控制的并联六自由度平台协同工作，使得这种机械臂可以在较大空间内，方便、准确地到达目标点，特别适用于工作时需要随机地、频繁地变换目标点的场合。采用这种机械臂，可以显著提高人机协同机械手、医疗器械等机构的性能。

附图说明

下面结合附图对本发明的结构作详细说明：

图1是串并混联机械臂的三维结构简图。

图2是串并混联机械臂中的并联六自由度平台的三维结构简图。

图3是串并混联机械臂中的电动伸缩杆的轴向剖面图。

在附图中，1是第一杆件、2是第一回转关节、3是第二杆件、4是第二回转关节、5是第三杆件、6是第三回转关节、7是第四杆件、8是第四回转关节、9是第五杆件、10是并联六自由度平台、11是执行器、10a是定台面、10b是定球铰座、10c是电动伸缩杆、10d是动球铰座、10e是动台面、10ca是球铰头、10cb是内套筒、10cc是外套筒、10cd是螺杆、10ce是螺母、10cf是电机。

具体实施方式

下面以5段杆件构成的机械臂为例，详细说明本发明的具体结构。如附图所示，该串并混联机械臂，主要由杆件、回转关节、并联六自由度平台构成，其结构是第一杆件1的末端固定在第一回转关节2的芯轴上；第二杆件3的前端固定在上述第一回转关节2的外套筒上，第二杆件3的末端固定在第二回转关节4的芯轴上；第三杆件5的前端固定在上述第二回转关节4的外套筒上，第三杆件5的末端固定在第三回转关节6的芯轴上；第四杆件7的前端固定在第三回转关节6的外套筒上，第四杆件7的末端固定在第四回转关节8的芯轴上；第五杆件9的前端固定在第四回转关节8的外套筒，第五杆件9的末端与并联六自由度平台10的定台面10a固定连接；执行器11固定在并联六自由度平台10的动台面10e上。并联六自由度平台10由一个定台面10a、6个定球铰座10b、一个动台面10e、6个动球铰座10d、6个两端为球铰头的电动伸缩杆10c构成。构成方式是6个定球铰座10b固定安装在定台面10a上，6个动球铰座10d固定安装在动台面10e上，6个电动伸缩杆10c两端的球铰头10a，分别可转动的套装在6个定球铰座10b和6个动球铰座10d中。电动伸缩杆10c的具体结构是由1个外套筒10cc、1个电机10cf、1个螺杆10cd、1个螺母10ce、1个内套筒10cb、2个球铰头10ca构成；构成方式是电机10cf后端固定着一个球铰头10ca。电机10cf前端固定在外套筒10cc后端，电机10cf轴上固定着螺杆10cd，螺母10ce 固定在内套筒10cb后端，螺杆10cd穿过螺母10ce形成螺旋副，内套筒10cb前端从外套筒10cc前端穿出，内套筒10cb前端固定着一个球铰头10ca。

以上所述仅为本发明的一种较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明思路和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均包含于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种串并混联机械臂，主要由杆件、回转关节、并联六自由度平台构成，其特征是：回转关节由芯轴和外套筒组成，外套筒可以围绕芯轴转动，若干杆件通过回转关节连接成为一个杆状串联机构，连接方法是第一杆件的末端固定在第一回转关节的芯轴上，第二杆件的前端固定在上述第一回转关节的外套筒上，第二杆件的末端固定在第二回转关节的芯轴上，其后的杆件和回转关节都以上述方法依次连接；机械臂中的回转关节的数量比杆件的数量少一个；最后一个杆件的末端与并联六自由度平台的定台面固定连接；执行器固定在并联六自由度平台的动台面上。

2.根据权利要求1所述的串并混联机械臂，其特征在于：并联六自由度平台由一个定台面、6个定球铰座、一个动台面、6个动球铰座、6个两端为球铰头的电动伸缩杆构成；构成方式是6个定球铰座固定安装在定台面上，6个动球铰座固定安装在动台面上，6个电动伸缩杆两端的球铰头，分别可转动的套装在6个定球铰座和6个动球铰座中。

3.根据权利要求2所述的串并混联机械臂，其特征在于：

电动伸缩杆由1个外套筒、1个电机、1个螺杆、1个螺母、1个内套筒、2个球铰头构成；构成方式是电机后端固定着一个球铰头；电机前端固定在外套筒后端，电机轴上固定着螺杆，螺母固定在内套筒后端，螺杆穿过螺母形成螺旋副，内套筒前端从外套筒前端穿出，内套筒前端固定着一个球铰头。