CN107825417B - 一种由四自由度混联机构组成的五轴混联机器人 - Google Patents

Abstract

一种由四自由度混联机构组成的五自由度混联机器人，其包括一个四自由度混联机构和一个移动平台，其中四自由度混联机构主要包括执行器、动平台、三条驱动支链和一条随动支链，第一随动支链上端与转动支架固连，下端通过转动铰链与动平台相连，第二、第三驱动支链上、下端均分别通过转动铰链与转动支架和动平台相连，转动支架通过转动铰链与支座相连，第四驱动支链两端均通过转动铰链与支座和转动叉相连，该转动叉通过转动铰链与动平台相连，执行器通过转动铰链与动平台相连。混联机构支座与移动支撑架相连，移动支撑架与基座连接形成移动平台。本发明减少了被动关节数目，可提高机器人结构刚度，结构简单，便于实现实时控制，具有很好的应用前景。

Description

一种由四自由度混联机构组成的五轴混联机器人

技术领域

本发明属于机器人领域，特别涉及一种混联机器人。

背景技术

五轴混联机器人在复杂结构件作业方面具有工作空间大且操作灵活的优势，目前已得到成功应用。为数不多的几款五轴混联机器人产品均是在少自由度并联机构基础上设计的，包括Tricept、Ecospeed和Exechon机器人等，一些大型飞机制造公司采用这几款机器人实现了航空航天复杂铝结构件的高速铣削，已取得显著的经济效益。

然而，目前已有的五轴混联机器人机构关节数目还比较多，加大了机器人高刚度结构设计的难度。专利CN201610169598.6所公开的一种大摆角龙门式五轴联动混联机床，采用一个四自由度并联机构实现沿XZ平面内的两维移动和转轴在动平台平面内的两维转动，再加一个沿Y轴平移的独立模块实现五自由度运动。该机构工作空间大、动平台灵活性好，但是其存在的被动单自由度关节数目为2，结构刚度有待进一步提高。

专利CN102699899A所公开的一种过约束高刚度多坐标混联机器人，并联机构部分由三个可沿轴向伸长或缩短的主动调节装置和一条从动调节装置组成，其中一条从动调节分支和两条驱动分支位于同一平面内，该并联机构的定平台做成整体式结构；该并联机构可以实现沿定平台平面内的两维转动和垂直于定平台的一个移动，再单独串接一个两自由度的执行器实现五自由度运动。该结构具有两条垂直相交的转轴，但其存在的被动单自由度关节数目为5，被动关节数目多，结构刚度不易保证。

专利CN104985596A所公开的一种含多轴转动支架的五自由度混联机器人，同样包含三个可沿轴向伸长或缩短的主动调节装置和一条从动调节装置，其中一条从动调节分支和两条驱动分支位于同一平面内，该并联机构定平台做成可拆分式结构，具有两条转动支架；该并联机构同样可以实现沿定平台平面内的两维转动和垂直于定平台的一个移动，再单独串接一个两自由度的执行器实现五自由度运动。该专利是上一个专利的同构情况，运动副类型、数目完全与之相同，同样具有5个被动单自由度关节，这些专利提出的五自由度混联机器人机构被动关节数目还比较多，高刚度结构的设计得到了一定限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种有被动关节数目少、结构简单、结构刚度高的五自由度混联机器人。

本发明包括一个四自由度混联机构和一个移动平台。

所述四自由度混联机构有两种结构：

结构一：所述四自由度混联机构包括执行器、动平台、U形转动叉、第一随动支链、结构相同的第二、第三和第四驱动支链、第一转动支架、第二转动支架，其中第一转动支架为长方形框体，其中心设有上下贯穿的阶梯圆形通孔，其两侧分别设有上下贯穿的矩形通孔，在矩形通孔长度方向的框壁上均设有相对的通孔，在第一转动支架宽度方向的两侧外框壁上均设有与其固连的伸出轴，伸出轴上均设有第一固定轴座；第二转动支架为上下贯穿通孔的长方形框体，其宽度方向的两则外框壁上均设有与其固连的伸出轴，伸出轴上均设有第二固定轴座；动平台为设有带有矩形凹槽的长方形框体，其宽度方向的两侧的外框壁上均设有一对支耳，其底部两端分别设有一个带有非贯穿孔的支耳，每对支耳上均设有相对的通孔，其长度方向的框壁上设有相对的通孔，U形转动叉与长度方向的一侧外框壁转动连接，该U形转动叉两壁上设有相对的通孔；

所述第一随动支链包括：第一伸缩杆、套筒，其中第一伸缩杆上设有两条导轨，套筒内侧设有两条与导轨相啮合的凹槽滑道，套筒通过内侧滑道套在第一伸缩杆上，通过导轨连接；第一随动支链一端贯穿第一转动支架的中部，通过套筒与第一转动支架固连，其另一端通过转动铰链与动平台转动连接；

所述结构相同的第二、第三和第四驱动支链包括：转动副构件、伺服电机、丝杠、丝杠导轨和导轨支架，转动副构件为内部具有长方体型腔的矩形方块，其长度方向上的两侧均设置有贯穿框壁的通孔，其上下面也设有贯穿框壁的通孔，其宽度方向上的一侧设有与丝杠导轨啮合的滑道，导轨设在导轨支架的一侧，转动副构件设在导轨上，伺服电机固连在转动副构件的一端，丝杠的一端通过螺旋副与转动副构件的另一端连接，丝杠的另一端与导轨支架另一侧的端部连接；第二和第三驱动支链的一端分别穿过第一转动支架两侧的矩形通孔，通过转动副构件两侧的通孔用销钉与矩形通孔长度方向的框壁上的通孔转动连接，第二和第三驱动支链的另一端通过转动铰链与动平台两侧支耳的通孔转动连接；第四驱动支链的一端分别穿过第二转动支架的矩形通孔，通过转动副构件两侧的通孔用销钉与矩形通孔长度方向的框壁转动连接，第四驱动支链的另一端通过转动铰链与动平台一侧的U形转动叉转动连接，U形转动叉与动平台铰接；

执行器通过转动铰链与动平台底部连接。

结构二：所述四自由度混联机构包括执行器、下端连接件、动平台、动平台支架、第一随动支链、结构相同的第二、第三和第四驱动支链、第一固定支架、第二固定支架，其中第一固定支架为长方形框体，其中心设有上下贯穿的矩形通孔，其两侧分别设有上下贯穿的矩形通孔，在矩形通孔长度方向的框壁上均设有相对的通孔，在第一固定支架宽度方向的两则外框壁上均设有与其固连的伸出轴；第二固定支架为设有上下贯穿通孔的长方形框体，其宽度方向的两则外框壁上均设有与其固连的伸出轴，通孔内设有长方形框体的转动块，转动块的长度方向上设置有与其固连的伸出轴，转动块宽度方向上设置有贯穿两侧壁框的通孔，该转动块的伸出轴与长度方向的支架框壁转动连接；动平台支架为长方体，其两侧各设有上下贯穿的矩形通孔，其长度方向的框壁上均设有相对的通孔，其长度方向的两侧的外壁上均设有伸出轴；动平台为U形结构，其两端上部分别设有相对的通孔，其底部设有两个支耳，支耳上设有相对的通孔；

所述第一随动支链的结构与结构一的相同，第一随动支链一端贯穿第一固定支架的中部，通过套筒与第一固定支架铰接，其另一端通过伸缩杆与动平台支架中部固连；

所述结构相同的第二、第三和第四驱动支链的结构与结构一的相同，第二和第三驱动支链的一端分别穿过第一固定支架两侧的矩形通孔，通过转动副构件两侧的通孔用销钉与矩形通孔长度方向的框壁上的通孔转动连接，第二和第三驱动支链的另一端通过转动铰链与动平台支架两侧的通孔转动连接；动平台支架通过两侧的伸出轴与动平台两端的通孔铰链；第四驱动支链的一端分别穿过第二固定支架的转动块框体，通过转动副构件两侧的伸出轴与转动块铰接，第四驱动支链的另一端通过转动铰链与动平台的支耳转动连接；

执行器通过下端连接件与动平台底部连接。

所述结构一和结构二的四自由度混联机构中的第二驱动支链、第三驱动支链和第四驱动支链还能够采用液压或气压驱动结构替换伺服电机。

所述四自由度混联机构支座与移动支撑架或固定支撑架相连，若与移动支撑架相连，则移动支撑架再与基座用移动导轨连接形成移动平台；若与固定支撑架相连，则移动平台单独由移动块和基座组成，移动块和基座用移动导轨连接。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、第一、第二、第三长度调节装置共用同一个转动支架，与专利CN201610169598.6所公开的机器人相比，机构中铰链自由度数目减少了3个，与专利CN102699899A所公开的机器人相比，机构中铰链自由度数目减少了2个,与专利CN104985596A相比，机构中铰链自由度数目减少了2个,有效地减少了被动单自由度运动副数目、提高了机构的结构刚度；

2、采用两个转动支架代替静平台可大幅度减少整机质量，且可将其安装到不同的机架上，以便搭建不同的装备和制造系统；同样，这样的结构设计也使得在固定轴座和转动支架连接的转动副、转动支架和第一长度调节装置连接的转动副、第一长度调节装置内的移动副处很方便地安装测量角位移的光电编码器和测量线位移的光栅尺，以便实现闭环控制；

3、转动支架上的安装孔均在水平或竖直方向，且都位于同一个平面内，具有良好的制造和装配工艺性；

4、第一、第二和第三长度调节装置的运动平面共面，使得运动学正、逆解均具有解析解，便于实时控制；

附图说明

图1是本发明的四自由度混联结构一的立体示意简图；

图2是本发明结构一的第一转动支架的示意简图；

图3是本发明结构一的第二转动支架的示意简图；

图4是本发明结构一的动平台的示意简图；

图5是本发明第一随动支链的第一伸缩杆的示意简图；

图6是本发明驱动支链结构示意简图；

图7是本发明四自由度混联结构一的后视图；

图8是本发明的四自由度混联结构二立体示意简图；

图9是本发明结构二的第一固定支架的示意简图；

图10是本发明结构二的第二固定支架的示意简图；

图11是本发明结构二的动平台支架的示意简图；

图12是本发明结构二的动平台的示意简图；

图13是本发明四自由度混联结构二的后视图；

图14是本发明连接方式1的示意图；

图15是本发明连接方式2的示意图；

图16是本发明连接方式3的示意图；

图17是本发明连接方式4的示意图；

图18是本发明连接方式5的示意图。

图中：1-执行器、2-动平台、3-第一转动支架、4-第一固定轴座、5-第三驱动支链、6-第四驱动支链、7-第一随动支链、8-第二驱动支链、9-套筒、10-第一伸缩杆、11-转动副构件、12-第二转动支架、13-第二固定轴座、14-U形转动叉、15-丝杠导轨、16-伺服电机、17-丝杠、18-导轨支架、19-销钉、20-动平台支架、21-第一固定支架、22-第二固定支架、23-下端连接件、24-转动块、25-移动支撑架、26-基座、27-固定支撑架、28-移动快。

具体实施方式

实施例1

在图1和图7所示的四自由度混联机构组成的五轴混联机器人示意图中，本发明包括一个四自由度混联机构和一个移动平台，如图2所示，四自由度混联机构中的第一转动支架3为长方形框体，其中心设有上下贯穿的阶梯圆形通孔，其两侧分别设有上下贯穿的矩形通孔，在矩形通孔长度方向的框壁上均设有相对的通孔，在第一转动支架宽度方向的两侧外框壁上均设有与其固连的伸出轴，伸出轴上均设有第一固定轴座4；如图3所示，第二转动支架12为上下贯穿通孔的长方形框体，其宽度方向的两则外框壁上均设有与其固连的伸出轴，伸出轴上均设有第二固定轴座13；如图4所示，动平台2为设有带有矩形凹槽的长方形框体，其宽度方向的两侧的外框壁上均设有一对支耳，其底部两端分别设有一个带有非贯穿孔的支耳，每对支耳上均设有相对的通孔，其长度方向的框壁上设有相对的通孔，U形转动叉14与长度方向的一侧外框壁转动连接，该U形转动叉两壁上设有相对的通孔；

如图5所示，第一随动支链7包括：第一伸缩杆、套筒，其中第一伸缩杆10上设有两条导轨，套筒9内侧设有两条与导轨相啮合的凹槽滑道，套筒通过内侧滑道套在第一伸缩杆上，通过导轨连接；第一随动支链一端贯穿第一转动支架的中部，通过套筒与第一转动支架固连，其另一端通过转动铰链与动平台转动连接；

结构相同的第二驱动支链8、第三驱动支链5和第四驱动支链6中的转动副构件11为内部具有长方体型腔的矩形方块，其长度方向上的两侧均设置有贯穿框壁的通孔，其上下面也设有贯穿框壁的通孔，其宽度方向上的一侧设有与丝杠导轨15啮合的滑道，导轨设在导轨支架18的一侧，转动副构件设在导轨上，伺服电机16固连在转动副构件的一端，丝杠17的一端通过螺旋副与转动副构件的另一端连接，丝杠的另一端与导轨支架另一侧的端部连接；第二和第三驱动支链的一端分别穿过第一转动支架两侧的矩形通孔，通过转动副构件两侧的通孔用销钉19与矩形通孔长度方向的框壁上的通孔转动连接，第二和第三驱动支链的另一端通过转动铰链与动平台两侧支耳的通孔转动连接；第四驱动支链的一端分别穿过第二转动支架的矩形通孔，通过转动副构件两侧的通孔用销钉与矩形通孔长度方向的框壁转动连接，第四驱动支链的另一端通过转动铰链与动平台一侧的U形转动叉转动连接，U形转动叉与动平台铰接；执行器1通过转动铰链与动平台底部连接。

如图14所示，四自由度混联机构的两个第一转动支架和第二转动支架通过第一和第二固定轴座分别固定到移动平台的移动支撑架上，移动支撑架25与基座26用移动导轨连接形成移动平台。

如图15所示，四自由度混联机构的两个第一转动支架和第二转动支架通过第一和第二固定轴座与传统的龙门结构的移动支撑架固连，移动支撑架25与基座26用移动导轨连接形成移动平台。

如图16所示，四自由度混联机构的两个第一转动支架和第二转动支架分别固定到移动平台的固定支撑架27上，移动平台由移动块28和基座26组成，移动块和基座通过移动导轨连接。

实施例2

如图8和图13所示，四自由度混联机构中第一固定支架21为长方形框体，如图9所示，其中心设有上下贯穿的矩形通孔，其两侧分别设有上下贯穿的矩形通孔，在矩形通孔长度方向的框壁上均设有相对的通孔，在第一固定支架宽度方向的两则外框壁上均设有与其固连的伸出轴；如图10所示，第二固定支架为设有上下贯穿通孔的长方形框体，其宽度方向的两则外框壁上均设有与其固连的伸出轴，通孔内设有长方形框体的转动块23，转动块的长度方向上设置有与其固连的伸出轴，转动块宽度方向上设置有贯穿两侧壁框的通孔，该转动块的伸出轴与长度方向的支架框壁转动连接；如图11所示，动平台支架20为长方体，其两侧各设有上下贯穿的矩形通孔，其长度方向的框壁上均设有相对的通孔，其长度方向的两侧的外壁上均设有伸出轴；如图12所示，动平台2为U形结构，其两端上部分别设有相对的通孔，其底部设有两个支耳，支耳上设有相对的通孔；

第一随动支链7的结构与结构一的相同，第一随动支链一端贯穿第一固定支架的中部，通过套筒9与第一固定支架铰接，其另一端通过伸缩杆与动平台支架中部固连；

结构相同的第二驱动支链8、第三驱动支链5和第四驱动支链6与结构一的相同，第二和第三驱动支链的一端分别穿过第一固定支架两侧的矩形通孔，通过转动副构件11两侧的通孔用销钉与矩形通孔长度方向的框壁上的通孔转动连接，第二和第三驱动支链的另一端通过转动铰链与动平台支架两侧的通孔转动连接；动平台支架通过两侧的伸出轴与动平台两端的通孔铰链；第四驱动支链的一端分别穿过第二固定支架的转动块框体，通过转动副构件两侧的伸出轴与转动块铰接，第四驱动支链的另一端通过转动铰链与动平台的支耳转动连接；执行器1通过下端连接件22与动平台底部连接。

如图17所示，四自由度混联机构的第一固定支架和第二固定支架通过固定轴座分别连接到移动支撑架25上，基座26上设有长行程导轨，移动支撑架置于水平方向上的长行程导轨上。

如图18所示，四自由度混联机构的第一固定支架和第二固定支架通过固定轴座分别连接到移动平台的固定支撑架27上，移动平台由移动块28和基座26组成，移动块和基座通过移动导轨连接。

Claims (2)

1.一种由四自由度混联机构组成的五自由度混联机器人，其包括一个四自由度混联机构和一个移动平台，其特征在于：所述四自由度混联机构与移动支撑架或固定支撑架相连，若与移动支撑架相连，则移动支撑架再与基座用移动导轨连接形成移动平台；若与固定支撑架相连，则移动平台由移动块和基座组成，移动块和基座通过移动导轨连接，

所述四自由度混联机构有两种结构：

结构一：所述四自由度混联机构包括执行器、动平台、U形转动叉、第一随动支链、结构相同的第二、第三和第四驱动支链、第一转动支架、第二转动支架，其中第一转动支架为长方形框体，其中心设有上下贯穿的阶梯圆形通孔，其两侧分别设有上下贯穿的矩形通孔，在矩形通孔长度方向的框壁上均设有相对的通孔，在第一转动支架宽度方向的两侧外框壁上均设有与其固连的伸出轴，伸出轴上均设有第一固定轴座；第二转动支架为上下贯穿通孔的长方形框体，其宽度方向的两侧 外框壁上均设有与其固连的伸出轴，伸出轴上均设有第二固定轴座；动平台为设有带有矩形凹槽的长方形框体，其宽度方向的两侧的外框壁上均设有一对支耳，其底部两端分别设有一个带有非贯穿孔的支耳，每对支耳上均设有相对的通孔，其长度方向的框壁上设有相对的通孔，U形转动叉与长度方向的一侧外框壁转动连接，该U形转动叉两壁上设有相对的通孔；

所述第一随动支链包括：第一伸缩杆、套筒，其中第一伸缩杆上设有两条导轨，套筒内侧设有两条与导轨相啮合的凹槽滑道，套筒通过内侧滑道套在第一伸缩杆上，通过导轨连接；第一随动支链一端贯穿第一转动支架的中部，通过套筒与第一转动支架固连，其另一端通过转动铰链与动平台转动连接；

所述结构相同的第二、第三和第四驱动支链包括：转动副构件、伺服电机、丝杠、丝杠导轨和导轨支架，转动副构件为内部具有长方体型腔的矩形方块，其长度方向上的两侧均设置有贯穿框壁的通孔，其上下面也设有贯穿框壁的通孔，其宽度方向上的一侧设有与丝杠导轨啮合的滑道，导轨设在导轨支架的一侧，转动副构件设在导轨上，伺服电机固连在转动副构件的一端，丝杠的一端通过螺旋副与转动副构件的另一端连接，丝杠的另一端与导轨支架另一侧的端部连接；第二和第三驱动支链的一端分别穿过第一转动支架两侧的矩形通孔，通过转动副构件两侧的通孔用销钉与矩形通孔长度方向的框壁上的通孔转动连接，第二和第三驱动支链的另一端通过转动铰链与动平台两侧支耳的通孔转动连接；第四驱动支链的一端分别穿过第二转动支架的矩形通孔，通过转动副构件两侧的通孔用销钉与矩形通孔长度方向的框壁转动连接，第四驱动支链的另一端通过转动铰链与动平台一侧的U形转动叉转动连接，U形转动叉与动平台铰接；执行器通过转动铰链与动平台底部连接；

结构二：所述四自由度混联机构包括执行器、下端连接件、动平台、动平台支架、第一随动支链、结构相同的第二、第三和第四驱动支链、第一固定支架、第二固定支架，其中第一固定支架为长方形框体，其中心设有上下贯穿的矩形通孔，其两侧分别设有上下贯穿的矩形通孔，在矩形通孔长度方向的框壁上均设有相对的通孔，在第一固定支架宽度方向的两侧外框壁上均设有与其固连的伸出轴；第二固定支架为设有上下贯穿通孔的长方形框体，其宽度方向的两侧 外框壁上均设有与其固连的伸出轴，通孔内设有长方形框体的转动块，转动块的长度方向上设置有与其固连的伸出轴，转动块宽度方向上设置有贯穿两侧壁框的通孔，该转动块的伸出轴与长度方向的支架框壁转动连接；动平台支架为长方体，其两侧各设有上下贯穿的矩形通孔，其长度方向的框壁上均设有相对的通孔，其长度方向的两侧的外壁上均设有伸出轴；动平台为U形结构，其两端上部分别设有相对的通孔，其底部设有两个支耳，支耳上设有相对的通孔；

所述第一随动支链的结构与结构一的相同，第一随动支链一端贯穿第一固定支架的中部，通过套筒与第一固定支架铰接，其另一端通过伸缩杆与动平台支架中部固连；

所述结构相同的第二、第三和第四驱动支链的结构与结构一的相同，第二和第三驱动支链的一端分别穿过第一固定支架两侧的矩形通孔，通过转动副构件两侧的通孔用销钉与矩形通孔长度方向的框壁上的通孔转动连接，第二和第三驱动支链的另一端通过转动铰链与动平台支架两侧的通孔转动连接；动平台支架通过两侧的伸出轴与动平台两端的通孔铰链；第四驱动支链的一端分别穿过第二固定支架的转动块框体，通过转动副构件两侧的伸出轴与转动块铰接，第四驱动支链的另一端通过转动铰链与动平台的支耳转动连接；执行器通过下端连接件与动平台底部连接。

2.根据权利要求1所述的由四自由度混联机构组成的五自由度混联机器人，其特征在于：所述结构一和结构二的四自由度混联机构中的第二驱动支链、第三驱动支链和第四驱动支链还能够采用液压或气压驱动结构替换伺服电机。

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