CN107962550B - 一种具有部分解耦和动平衡特性的scara高速并联机械手 - Google Patents

一种具有部分解耦和动平衡特性的scara高速并联机械手 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有部分解耦和动平衡特性的SCARA高速并联机械手，属于并联机器人领域。该机械手的主体为两条运动支链，包括隐藏在固定基座内的电机、回转副、主动连杆、被动连杆，两个主动回转副共线放置，构成平面五杆机构；决定末端执行器沿竖直方向运动的运动支链包括固定在主动连杆上的电机和隐藏在连杆内的同步带系统。该机械手基于平面五杆机构，结构简单，主动回转副共线可使连杆整周转动，扩大工作空间；末端执行器可产生独立的沿竖直方向的移动和绕竖直方向的转动，即运动学部分解耦，利于控制；两个产生独立运动的电机分布在主动回转副两侧，使机械手具有动平衡特性。

Description

一种具有部分解耦和动平衡特性的SCARA高速并联机械手
技术领域
本发明属于并联机器人技术领域，尤其是面向包装、装配等以及材料拾取应用的一种具有部分解耦和动平衡特性的SCARA高速并联机械手。
背景技术
可实现空间内三移动和竖直方向一个转动SACRA运动的四自由度并联机构，具有较大的工作空间和结构刚度，适用于快速的拾取工作，展现出了较大的工业应用潜力，并且越来越广泛地被应用于轻工业生产线的高速拾取应用。专利号为US4976582、US20090019960A1、EP2436511B1的高速并联机械手采用全对称的并联结构，支链数量多、运动高度非线性耦合，结构和控制复杂。从制造和应用的角度出发，开发结构简单紧凑、具有运动解耦和动平衡特性的高速并联机械手装备对于降低制造成本、简化控制模式和算法、提高动态响应具有经济意义。
发明内容
本发明的目的是为了使机械手结构简单紧凑、工作空间大、较好的动态响应特性，易于制造、控制，降低生产成本，提供一种应用于生产线上的部分解耦高速并联机械手。
本发明的技术方案：
一种具有部分解耦和动平衡特性的SCARA高速并联机械手，主体为运动支链；
所述的运动支链共两条，为第一运动支链和第二运动支链；
所述的第一运动支链包括第一主动连杆、第一被动连杆、近端驱动装置、肘部连接装置和末端执行装置；
所述的近端驱动装置位于固定基座内部，由基座端盖密封，包括第一支链电机、第一支链驱动同步带、第一支链主轴带轮和第一支链主轴，第一支链主轴固定于第一支链主轴带轮上、通过轴承与轴承座之间构成回转副，第一主动连杆固定于第一支链主轴上，轴承座端盖限制轴承的轴向位移；所述的肘部连接装置由第一主动连杆和第一被动连杆共用，包括第一支链带轮轴和带轮轴承，第一主动连杆和第一被动连杆与第一支链带轮轴均通过带轮轴承构成回转副，第一主动连杆和第一被动连杆相对于第一支链带轮轴做独立转动；所述的末端执行装置进一步包括滚珠丝杠和丝杠螺母，丝杠螺母与第一被动连杆、第二被动连杆末端之间构成回转副；
所述的第二运动支链包括第二主动连杆、第二被动连杆、近端驱动装置、肘部连接装置和末端执行装置；所述的近端驱动装置位于固定基座内部、由基座端盖密封，包括第二支链电机、第二支链驱动同步带、第二支链主轴带轮和第二支链主轴，第二支链主轴固定于第二支链主轴带轮上、穿过第一支链主轴带轮和第一支链主轴构成回转副，第二主动连杆固定于第二支链主轴上；所述的肘部连接装置由第二主动连杆和第二被动连杆共用，包括第二支链带轮轴和带轮轴承，第二主动连杆和第二被动连杆与第二支链带轮轴均通过带轮轴承构成回转副，第二主动连杆和第二被动连杆相对于第二支链带轮轴做独立转动；所述的末端执行装置进一步包括花键轴和花键导轨，花键导轨与第二被动连杆之间构成回转副；
所述的第一运动支链的末端执行装置由固定于第一主动连杆上的电机驱动、主动同步带系统和被动同步带系统传动运动；所述的主动同步带系统包括第一支链带轮和第一支链主动同步带，被动同步带系统包括第一支链带轮轴和第一支链被动同步带；所述的第一支链主动同步带位于第一主动连杆的空腔内，套装于第一主动连杆近端主动装置的第一支链带轮上、第一主动连杆和第一被动连杆共用的肘部连接装置中第一支链带轮轴下端的带轮；所述的第一支链被动同步带位于第一被动连杆的空腔内，套装于第一主动连杆和第一被动连杆共用肘部连接装置中第一支链带轮轴上端的带轮、第一被动连杆末端丝杠螺母外部的带轮上；
所述的第二运动支链的末端执行装置由固定于第二主动连杆上的电机驱动、主动同步带系统和被动同步带系统传动运动；所述的主动同步带系统包括第二支链带轮和第二支链主动同步带，被动同步带系统包括第二支链带轮轴和第二支链被动同步带；所述的第二支链主动同步带位于第二主动连杆的空腔内，套装于第二主动连杆近端主动装置的第二支链带轮上、第二主动连杆和第二被动连杆共用肘部连接装置中第二支链带轮轴上端的带轮；所述的第二支链被动同步带位于第二被动连杆的空腔内，套装于第一主动连杆和第一被动连杆共用肘部连接装置中第二支链带轮轴下端的带轮、第一被动连杆末端花键导轨外部的带轮上；
第一运动支链末端执行装置中的滚珠丝杠下端和第二运动支链末端执行装置中的花键轴下端通过执行器连杆连接，滚珠丝杠固定于执行器连杆上，花键轴下端与执行器连杆构成回转副、固定连接夹持器；花键轴与执行器连杆的连接限制滚珠丝杠的转动。
本发明的有益效果：本发明的一种部分解耦的SCARA高速并联机械手，采用结构简单的平面五杆机构，降低制造成本，末端执行器可产生连续转动输出，具有部分运动解耦的特性，简化控制，整机系统具有动平衡特性，利于提高机械手的动态响应。
附图说明
图1为本发明所述机构的外部机械结构示意图。
图2为本发明所述机构的内部传动结构示意图a。
图3为本发明所述机构的内部传动结构示意图b。
图4为本发明所述机构的动平衡特性示意图。
图中：1固定基座；2基座端盖；3第一主动连杆；4第一被动连杆；5滚珠丝杠；6花键轴；7第二被动连杆；8第二主动连杆；9第一支链电机；10第二支链电机；11轴承座；12第一支链主动同步带；13第一支链带轮轴；14第一支链被动同步带；15丝杠螺母；16花键导轨；17第二支链被动同步带；18第二支链带轮轴；19第二支链主动同步带；20轴承座端盖；21第二支链主轴；22第一支链主轴；23轴承；24第一支链驱动同步带；25第一支链主轴带轮；26第二支链主轴带轮；27第二支链驱动同步带；28夹持器；29执行器连杆；30带轮轴承；31第二支链带轮；32第二支链电机；33第一支链电机；34第一支链带轮；35机架；36主动回转副；37质心；38连杆；39被动回转副。
具体实施方式
本发明的一种具有部分解耦和动平衡特性的SCARA高速并联机械手结合附图和实施例详细述明如下：
一种具有部分解耦和动平衡特性的SCARA高速并联机械手，主体为运动支链；
所述的运动支链共两条，为第一运动支链和第二运动支链；
所述的第一运动支链包括第一主动连杆3、第一被动连杆4、近端驱动装置、肘部连接装置和末端执行装置；
所述的近端驱动装置位于固定基座1内部，由基座端盖2密封，包括第一支链电机10、第一支链驱动同步带27、第一支链主轴带轮26和第一支链主轴22，第一支链主轴22固定于第一支链主轴带轮26上、通过轴承23与轴承座11之间构成回转副，第一主动连杆3固定于第一支链主轴22上，轴承座端盖20限制轴承23的轴向位移；所述的肘部连接装置由第一主动连杆3和第一被动连杆4共用，包括第一支链带轮轴13和带轮轴承30，第一主动连杆3和第一被动连杆4与第一支链带轮轴13均通过带轮轴承30构成回转副，第一主动连杆3和第一被动连杆4相对于第一支链带轮轴13做独立转动；所述的末端执行装置进一步包括滚珠丝杠5和丝杠螺母15，丝杠螺母15与第一被动连杆4、第二被动连杆7末端之间构成回转副；
所述的第二运动支链包括第二主动连杆8、第二被动连杆7、近端驱动装置、肘部连接装置和末端执行装置；所述的近端驱动装置位于固定基座1内部、由基座端盖2密封，包括第二支链电机9、第二支链驱动同步带24、第二支链主轴带轮25和第二支链主轴21，第二支链主轴21固定于第二支链主轴带轮25上、穿过第一支链主轴带轮26和第一支链主轴22构成回转副，第二主动连杆8固定于第二支链主轴21上；所述的肘部连接装置由第二主动连杆8和第二被动连杆7共用，包括第二支链带轮轴18和带轮轴承30，第二主动连杆8和第二被动连杆7与第二支链带轮轴18均通过带轮轴承30构成回转副，第二主动连杆8和第二被动连杆7相对于第二支链带轮轴18做独立转动；所述的末端执行装置进一步包括花键轴6和花键导轨16，花键导轨16与第二被动连杆7之间构成回转副；
所述的第一运动支链的末端执行装置由固定于第一主动连杆3上的电机33驱动、主动同步带系统和被动同步带系统传动运动；所述的主动同步带系统包括第一支链带轮34和第一支链主动同步带12，被动同步带系统包括第一支链带轮轴13和第一支链被动同步带14；所述的第一支链主动同步带12位于第一主动连杆3的空腔内，套装于第一主动连杆3近端主动装置的第一支链带轮34上、第一主动连杆3和第一被动连杆4共用的肘部连接装置中第一支链带轮轴13下端的带轮；所述的第一支链被动同步带14位于第一被动连杆4的空腔内，套装于第一主动连杆3和第一被动连杆4共用肘部连接装置中第一支链带轮轴13上端的带轮、第一被动连杆4末端丝杠螺母15外部的带轮上；
所述的第二运动支链的末端执行装置由固定于第二主动连杆8上的电机32驱动、主动同步带系统和被动同步带系统传动运动；所述的主动同步带系统包括第二支链带轮34和第二支链主动同步带19，被动同步带系统包括第二支链带轮轴18和第二支链被动同步带17；所述的第二支链主动同步带19位于第二主动连杆8的空腔内，套装于第二主动连杆8近端主动装置的第二支链带轮31上、第二主动连杆8和第二被动连杆7共用肘部连接装置中第二支链带轮轴18上端的带轮；所述的第二支链被动同步带17位于第二被动连杆7的空腔内，套装于第一主动连杆8和第一被动连杆7共用肘部连接装置中第二支链带轮轴18下端的带轮、第一被动连杆7末端花键导轨16外部的带轮上；
第一运动支链末端执行装置中的滚珠丝杠5下端和第二运动支链末端执行装置中的花键轴6下端通过执行器连杆29连接，滚珠丝杠5固定于执行器连杆29上，花键轴6下端与执行器连杆29构成回转副、固定连接夹持器28；花键轴6与执行器连杆29的连接限制滚珠丝杠5的转动。
机械手可产生三个方向的移动和竖直方向的转动构成SCARA运动，其中竖直方向的移动和转动分别独立于平面内的移动，为部分解耦的运动。

Claims (1)

1.一种具有部分解耦和动平衡特性的SCARA高速并联机械手，其特征在于，所述的SCARA高速并联机械手的主体为运动支链；
所述的运动支链共两条，为第一运动支链和第二运动支链；
所述的第一运动支链包括第一主动连杆(3)、第一被动连杆(4)、近端驱动装置、肘部连接装置和末端执行装置；
所述的近端驱动装置位于固定基座(1)内部，由基座端盖(2)密封，包括第一支链电机(10)、第一支链驱动同步带(27)、第一支链主轴带轮(26)和第一支链主轴(22)，第一支链主轴(22)固定于第一支链主轴带轮(26)上、通过轴承(23)与轴承座(11)之间构成回转副，第一主动连杆(3)固定于第一支链主轴(22)上，轴承座端盖(20)限制轴承(23)的轴向位移；所述的肘部连接装置由第一主动连杆(3)和第一被动连杆(4)共用，包括第一支链带轮轴(13)和带轮轴承(30)，第一主动连杆(3)和第一被动连杆(4)与第一支链带轮轴(13)均通过带轮轴承(30)构成回转副，第一主动连杆(3)和第一被动连杆(4)相对于第一支链带轮轴(13)做独立转动；所述的末端执行装置进一步包括滚珠丝杠(5)和丝杠螺母(15)，丝杠螺母(15)与第一被动连杆(4)之间构成回转副；
所述的第二运动支链包括第二主动连杆(8)、第二被动连杆(7)、近端驱动装置、肘部连接装置和末端执行装置；所述的近端驱动装置位于固定基座(1)内部、由基座端盖(2)密封，包括第二支链电机(9)、第二支链驱动同步带(24)、第二支链主轴带轮(25)和第二支链主轴(21)，第二支链主轴(21)固定于第二支链主轴带轮(25)上、穿过第一支链主轴带轮(26)和第一支链主轴(22)构成回转副，第二主动连杆(8)固定于第二支链主轴(21)上；所述的肘部连接装置由第二主动连杆(8)和第二被动连杆(7)共用，包括第二支链带轮轴(18)和带轮轴承(30)，第二主动连杆(8)和第二被动连杆(7)与第二支链带轮轴(18)均通过带轮轴承(30)构成回转副，第二主动连杆(8)和第二被动连杆(7)相对于第二支链带轮轴(18)做独立转动；所述的末端执行装置进一步包括花键轴(6)和花键导轨(16)，花键导轨(16)与第二被动连杆(7)之间构成回转副；
所述的第一运动支链的末端执行装置由固定于第一主动连杆(3)上的电机(33)驱动、主动同步带系统和被动同步带系统传动运动；所述的主动同步带系统包括第一支链带轮(34)和第一支链主动同步带(12)，被动同步带系统包括第一支链带轮轴(13)和第一支链被动同步带(14)；所述的第一支链主动同步带(12)位于第一主动连杆(3)的空腔内，套装于第一主动连杆(3)近端主动装置的第一支链带轮(34)上、第一主动连杆(3)和第一被动连杆(4)共用的肘部连接装置中第一支链带轮轴(13)下端的带轮；所述的第一支链被动同步带(14)位于第一被动连杆(4)的空腔内，套装于第一主动连杆(3)和第一被动连杆(4)共用肘部连接装置中第一支链带轮轴(13)上端的带轮、第一被动连杆(4)末端丝杠螺母(15)外部的带轮上；
所述的第二运动支链的末端执行装置由固定于第二主动连杆(8)上的电机(32)驱动、主动同步带系统和被动同步带系统传动运动；所述的主动同步带系统包括第二支链带轮(31)和第二支链主动同步带(19)，被动同步带系统包括第二支链带轮轴(18)和第二支链被动同步带(17)；所述的第二支链主动同步带(19)位于第二主动连杆(8)的空腔内，套装于第二主动连杆(8)近端主动装置的第二支链带轮(31)上、第二主动连杆(8)和第二被动连杆(7)共用肘部连接装置中第二支链带轮轴(18)上端的带轮；所述的第二支链被动同步带(17)位于第二被动连杆(7)的空腔内，套装于第二主动连杆(8)和第二被动连杆(7)共用肘部连接装置中第二支链带轮轴(18)下端的带轮、第二被动连杆(7)末端花键导轨(16)外部的带轮上；
第一运动支链末端执行装置中的滚珠丝杠(5)下端和第二运动支链末端执行装置中的花键轴(6)下端通过执行器连杆(29)连接，滚珠丝杠(5)固定于执行器连杆(29)上，花键轴(6)下端与执行器连杆(29)构成回转副、固定连接夹持器(28)；花键轴(6)与执行器连杆(29)的连接限制滚珠丝杠(5)的转动。
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