CN108481306B - 一种大负载六自由度柔顺并联机器人系统 - Google Patents

一种大负载六自由度柔顺并联机器人系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于机械手技术领域，公开了一种大负载六自由度柔顺并联机器人系统，采用六个小型电动缸驱动实现动平台三个平动、三个转动的六个自由度的运动，上下平台与各电动缸之间由斜面固定块与力转向部件连接，其中柔顺球铰链是力转向部件的核心零件，其中单个力转向部件由一个柔顺球铰链与两个U型件组成；通过力转向部件将柔顺铰链所受其他部件的重力以及动平台负载对其产生的压力转向为对其产生的拉力，将传统六自由度平台的优点与柔顺机构的优点结合起来，柔顺铰链设计的力转向部件改进之后，使得机构的定位精度可达微米级别，可承受负载远大于几克，使得柔顺球铰链不会因负载过大产生屈曲失稳的现象且可以实现微米级的运动。

Description

一种大负载六自由度柔顺并联机器人系统
技术领域
本发明属于机械手技术领域，尤其涉及一种大负载六自由度柔顺并联机器人系统。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：随着精密机械、自动化、制造等领域对微米级乃至纳米级定位精度需求的提升，传统机构的固有缺陷日益凸现出来。鉴于关键部件多自由度铰链(球铰、胡克铰)的制造工艺水平限制，传统的六自由度并联机构难以实现微米级定位精度，不能应用于高精度的仪器设备当中；随着机构学的发展，近年来诞生的柔顺机构具有无摩擦、重量轻和结构紧凑等特点，可以实现微米级甚至纳米级精微运动，已被成功应用于MEMS、集成电路制造、微细加工、显微手术中，但是由于柔顺铰链的结构特性，若不采用巧妙的方法设计柔顺机构就只能承受很小的负载，在受较大负载情况下柔顺铰链会屈曲失稳。公开发表的一种六自由度并联微平台可以实现精微操作，但是只能承受很小的载荷。目前尚未见到既拥有满足精微精度的六自由度并联机构，又能够具有较大负载能力的六自由度柔顺并联机器人机构。传统六自由度机构须采用球铰、球铰等多自由度复杂关节，其各个零部件是由传统加工工艺制造和装配而成。限于制造工艺水平，在零件加工和装配过程中，包含着数十微米的误差，所以难以实现微米级精度目标。
综上所述，现有技术存在的问题是：传统的六自由度机构难以实现微米级精度目标；一般柔顺并联机器人机构承受较大负载导致屈曲失稳，柔顺铰链的结构特性是抗拉不抗压，在承受较大负载时会因压力过大超过柔顺铰链材料的屈服极限，从而导致柔顺铰链的屈曲失稳。
解决上述技术问题的难度和意义：传统六自由度机构受限于制造工艺水平，难以实现微米级。需要通过分析并合理运用柔顺机构的特性，将传统设计方法与柔顺机构相结合，设计出一种新的适用于六自由度机构的柔顺球铰链来代替传统机构中所有刚性球铰链，以此解决微米级精度目标；柔顺铰链抗拉不抗压的特性使得不能直接用柔顺铰链来替换六自由度机构中的传统铰链。需要对其性质进行研究，改变柔顺铰链在六自由度机构中的受力方向，避免柔顺铰链受到较大压力导致的屈曲失稳问题。本发明改进后的柔顺六自由度机构解决了传统六自由度机构不能实现微米级精度以及柔顺铰链抗拉不抗压的问题，根据柔顺铰链特性设计出一种力转向部件，将其与传统六自由度平台上的传统铰链替换之后，六自由度平台可以实现三个平动、三个转动的六个自由度运动和微米级的精度同时，还可以承受较大的负载，可广泛应用于EMS、集成电路制造、微细加工、显微手术等领域。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种大负载六自由度柔顺并联机器人系统。
本发明是这样实现的，一种大负载六自由度柔顺并联机器人系统，所述大负载六自由度柔顺并联机器人系统设置有：
六个电动缸；
上下平台与电动缸之间由斜面固定块与力转向部件连接；
柔顺球铰链是力转向部件核心零件其中单个力转向部件由一个柔顺球铰链与两个U型件组成。
进一步，所述斜面固定块等分360°角度，均匀分布在基座平台上平面且每个斜面固定块斜面较低一侧朝向平台基座内侧，较高一侧朝向平台基座外侧，均由螺栓连接在基座平台上。
进一步，六个U型件的开口端分别固定在斜面固定块上且均由螺栓连接；
六个柔顺球铰链的一端焊接固定于对应的U型件中心圆柱孔外端面上；
另外六个U型件的圆柱孔外端面分别与对应位置的柔顺球铰链尚未进行装配的另一端底面进行焊接固定，柔顺球铰链两端固定的U型件U型开口彼此相反且开口所在平面彼此垂直。
进一步，六个电动缸的缸体连接头各自的一个端面与对应位置的U型件开口端配合且通过螺栓连接连接；
六个电动缸带电机一端分别与对应位置的缸体连接头尚未进行装配的端面配合且由螺栓进行连接，螺栓由各自对应位置的U型件一侧朝电动缸一侧拧入。
进一步，六个电动缸推杆分别含有一个带有外螺纹的圆柱状凸台；
六个推杆连接头带圆柱螺纹的那一端分别与对应位置的电动缸推杆带有外螺纹的圆柱状凸台进行旋紧连接；
六个U型件带螺纹孔端面分别与对应位置的电动缸推杆尚未配合的端面配合且由螺栓连接。
进一步，六个柔顺球铰链各自其中一端底面与对应位置安装在推杆连接头上的U型件中间的圆柱孔外端面进行分别焊接固定；
另外六个U型件的圆柱孔外端面分别与对应位置的柔顺球铰链尚未进行装配的另一端底面进行焊接固定，柔顺球铰链两端固定的U型件U型开口彼此相反且开口所在平面彼此垂直；
六个斜面固定块分别固定在对应位置的U型件上，每个斜面固定块斜面与对应位置U型件带螺纹孔的那一端面配合且均由螺栓连接。
进一步，动平台与连接好的六个斜面固定块依次进行安装装配，动平台带螺纹那一端面与各斜面固定块水平端面配合且有螺栓由下至上进行连接。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：采用六个小型电动缸驱动从而实现动平台三个平动、三个转动的六个自由度的运动，上下平台与各电动缸之间由斜面固定块与力转向部件连接，其中柔顺球铰链是力转向部件核心零件其中单个力转向部件由一个柔顺球铰链与两个U型件组成；通过力转向部件将柔顺铰链所受其他部件的重力以及动平台负载对其产生的压力转向为对其产生的拉力。现有大多数六自由度并联平台定位精度是0.01mm～0.02mm，可承受负载为上百公斤；而大多数六自由度柔顺并联平台的定位精度为10nm左右，可承受负载仅有几克。但本发明中的大负载六自由度柔顺并联机器人很好的将传统六自由度平台的优点与柔顺机构的优点结合起来，进行柔顺铰链设计的力转向部件改进之后，使得机构的定位精度可达微米级别，可承受负载远大于几克，使得柔顺球铰链不会因负载过大产生屈曲失稳的现象同时且可以实现微米级的运动。
附图说明
图1是本发明实施例提供的大负载六自由度柔顺并联机器人系统结构示意图；
图2是本发明实施例提供的电动缸支腿结构示意图；
图3是本发明实施例提供的力转向部件结构示意图；
图4是本发明实施例提供的斜面固定块结构示意图；
图5是本发明实施例提供的柔顺球铰链结构示意图；
图中：1、动平台；2、斜面固定块；3、U型件；4、柔顺球铰链；5、推杆连接头；6、电动缸推杆；7、电动缸；8、缸体连接头；9、基座平台；10，伺服电机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明通过将两个相向的U型件与一个柔顺球铰链组合而成一个力转向部件部件，使柔顺铰链在工作过程中承受轴向拉力而避免压力导致的屈曲变形，使得大负载六自由度柔顺并联机器人系统既能够满足传统六自由度机构不能达到的微米级精度需求，也能够解决一般的六自由度柔顺并联机器人机构在承受较大负载情况下的失稳问题。
如图1所示，本发明实施例提供的大负载六自由度柔顺并联机器人系统包括：动平台1、斜面固定块2、U型件3、柔顺球铰链4、推杆连接头5、电动缸推杆6、电动缸7、缸体连接头8、基座平台9、伺服电机10。
整个大负载六自由度柔顺并联机器人系统主要由三部分组成：一个动平台1、一个基座平台9以及六根支腿，单根支腿又是分别由电动缸7与电动缸推杆6、斜面固定块2、U型件3、柔顺球铰链4以及推杆连接头5和缸体连接头8组成。
大负载六自由度柔顺并联机构一共由六根电动缸7并联驱动，单个电动缸7伺服电机10动作，驱动电动缸推杆6主动伸缩运动，通过刚体之间力传递从而推动由两个U型件3与一个柔顺球铰链4组成的力转向部件中的柔顺球铰链4按照需求转动，最后使得动平台按照所需微米级精度与路径进行三个平动、三个转动的六个自由度运动。
大负载六自由度柔顺并联机器人系统在单根电动缸7与电动缸推杆6两端分别装有一个力转向部件，两个转向机构再通过零部件分别再与动平台1和基座平台9连接。在动平台1受较大负载时，如果没有力转向部件，柔顺球铰链4会受到较大压力而导致柔顺机构的屈曲失稳；而力转向部件会中的柔顺球铰链4只会受到较大的拉力，从而不会因为较大压力产生屈曲失稳现象，导致整个六自由度机构不能正常运行。
本发明实施例提供的大负载六自由度柔顺并联机器人系统具体安装的步骤为：
(1)一个基座平台固定在地面上不动，上面开有一个六边形孔，减小内应力；
(2)六个斜面固定块等分360°角度，均匀分布在平台基座上平面且每个斜面固定块斜面较低一侧朝向基座平台内侧，较高一侧朝向平台基座外侧，均由螺栓连接在平台基座上；
(3)六个U型件分别固定在斜面固定块上，每个带螺纹孔的那一端面与对应位置的斜面固定块斜面配合且均由螺栓连接；
(4)六个柔顺球铰链各自其中一端底面与对应位置安装在斜面固定块上的U型件中间的圆柱孔外端面进行分别焊接固定；
(5)另外六个U型件的圆柱孔外端面分别与对应位置的柔顺球铰链尚未进行装配的另一端底面进行焊接固定，柔顺球铰链两端固定的U型件U型开口彼此相反且开口所在平面彼此垂直；
(6)六个缸体连接头各自的一个端面与对应位置的U型件带螺纹一面配合且通过螺栓连接；
(7)六个电动缸带电机那一侧端面分别与对应位置的缸体连接头尚未进行装配的端面配合且由螺栓进行连接，螺栓由各自对应位置的U型件那一侧朝电动缸一侧拧入；
(8)六个电动缸推杆分别含有一个带有外螺纹的圆柱状凸台；
(9)六个推杆连接头带圆柱螺纹的那一端分别与对应位置的电动缸推杆带有外螺纹的圆柱状凸台进行旋紧连接；
(10)六个U型件带螺纹孔端面分别与对应位置的电动缸推杆尚未配合的端面配合且由螺栓连接；
(11)六个柔顺球铰链各自其中一端底面与对应位置安装在推杆连接头上的U型件中间的圆柱孔外端面进行分别焊接固定；
(12)另外六个U型件的圆柱孔外端面分别与对应位置的柔顺球铰链尚未进行装配的另一端底面进行焊接固定，柔顺球铰链两端固定的U型件U型开口彼此相反且开口所在平面彼此垂直；
(13)六个斜面固定块分别固定在对应位置的U型件上，每个斜面固定块斜面与对应位置U型件带螺纹孔的那一端面配合且均由螺栓连接；
(14)动平台与连接好的六个斜面固定块依次进行安装装配，动平台带螺纹那一端面与各斜面固定块水平端面配合且有螺栓有下至上进行安装紧固。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种大负载六自由度柔顺并联机器人系统，其特征在于，所述大负载六自由度柔顺并联机器人系统设置有：
六个电动缸；
动平台、基座平台与电动缸之间由斜面固定块与力转向部件连接；
柔顺球铰链是力转向部件核心零件其中单个力转向部件由一个柔顺球铰链与两个U型件组成；
所述斜面固定块等分360°角度，均匀分布在基座平台上平面且每个斜面固定块斜面较低一侧朝向基座平台内侧，较高一侧朝向基座平台外侧，均由螺栓连接在基座平台上。
2.如权利要求1所述的大负载六自由度柔顺并联机器人系统，其特征在于，六个U型件的开口端分别固定在斜面固定块上且均由螺栓连接；
六个柔顺球铰链的一端焊接固定于对应的U型件中心圆柱孔外端面上；
另外六个U型件的圆柱孔外端面分别与对应位置的柔顺球铰链尚未进行装配的另一端底面进行焊接固定，柔顺球铰链两端固定的U型件U型开口彼此相反且开口所在平面彼此垂直。
3.如权利要求1所述的大负载六自由度柔顺并联机器人系统，其特征在于，六个电动缸的缸体连接头各自的一个端面与对应位置的U型件开口端配合且通过螺栓连接；
六个电动缸带电机一端分别与对应位置的缸体连接头尚未进行装配的端面配合且由螺栓进行连接，螺栓由各自对应位置的U型件一侧朝电动缸一侧拧入。
4.如权利要求1所述的大负载六自由度柔顺并联机器人系统，其特征在于，六个电动缸推杆分别含有一个带有外螺纹的圆柱状凸台；
六个推杆连接头带圆柱螺纹的那一端分别与对应位置的电动缸推杆带有外螺纹的圆柱状凸台进行旋紧连接；
六个U型件带螺纹孔端面分别与对应位置的推杆连接头尚未配合的端面配合且由螺栓连接。
5.如权利要求1所述的大负载六自由度柔顺并联机器人系统，其特征在于，六个柔顺球铰链各自其中一端底面与对应位置安装在推杆连接头上的U型件中间的圆柱孔外端面进行分别焊接固定；
另外六个U型件的圆柱孔外端面分别与对应位置的柔顺球铰链尚未进行装配的另一端底面进行焊接固定，柔顺球铰链两端固定的U型件U型开口彼此相反且开口所在平面彼此垂直；
六个斜面固定块分别固定在对应位置的U型件上，每个斜面固定块斜面与对应位置U型件带螺纹孔的那一端面配合且均由螺栓连接。
6.如权利要求1所述的大负载六自由度柔顺并联机器人系统，其特征在于，基座平台与连接好的六个斜面固定块依次进行安装装配，基座平台带螺纹那一端面与各斜面固定块水平端面配合且有螺栓由下至上进行连接。
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