CN108500953A - 一种含有动平台附加约束的五自由度精密串并联机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种含有动平台附加约束的五自由度精密串并联机器人，包括转动平台、底座支架、动平台、精密球铰连接副、串联第一关节、运动末端、底座、第一杆、第二杆、第三杆。第一杆和第二杆结构相同，此二杆均通过第一铰链穿过并连接在转动平台上；第三杆通过铰链连接在底座上，且位于第一杆和第二杆下方。第一杆和第二杆的一端通过第二铰链，第三杆的一端通过精密球铰连接副均与动平台相连。本发明中由于精密球铰连接副连接于第三杆和动平台之间的结构特点，使得动平台受到附加约束其运动空间为垂直地面的一平面，有较高的精度，整体结构关节数和零部件数少，便于加工制造和装配。
Description
技术领域
本发明涉及一种串并联机器人，特别是涉及一种含有动平台附加约束的五自由度精密串并联机器人。
背景技术
串并联机器人作为并联结构与现代数控技术相结合的产物，是从上世纪末开始出现的一种新型制造装备。与传统串联机器人相比，串并联机器人具有刚度比重大、响应速度快、适合复杂曲面加工等特点，因此在制造领域有很广泛的应用前景。含有动平台附加约束的五自由度精密串并联机器人结合串联结构与并联结构的优点，整体刚度大、有较高的精度、整体结构关节数和零部件数少、便于加工制造和装配，基于此类结构的串并联机器人具有良好的应用前景。
现有专利CN102672709A所公开的是一种五自由度混联机器人，包括固定架、动平台、连接在动平台末端的定位头，以及三条结构相同的第一杆、第二杆和第三杆。第一杆和第二杆均通过自身的第一铰链对称的连接在固定架上端的两侧，第三杆贯穿固定架，且位于第一杆和第二杆的下面，并通过自身的第一铰链连接在固定架内侧中部，第一杆、第二杆和第三杆的连接杆原理驱动装置的那一段分别通过对应的第二铰链与动平台相连。其不足是，由于三个杆结构相同，杆没有对定位头产生冗余约束，且三个杆与固定架相连的第一铰链采用具有三个自由度的铰链连接，该三个铰链的转动轴线必须严格保持交于一点，否则会影响定位头的运动精度。此外，该结构关节数量和结构零件多，装配复杂，对制造和装配的精度要求高。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种含有动平台附加约束的五自由度精密串并联机器人，具有较高刚度，动平台含有冗余约束以获得较高精度，连接关节少容易装配。
为实现上述目的，本发明所采用的的技术方案是：
一种含有动平台附加约束的五自由度精密串并联机器人，包括转动平台、底座支架、动平台、精密球铰连接副、串联第一关节、运动末端、底座、第一杆、第二杆、第三杆，所述第一杆和第二杆结构相同，包括第一铰链、第二铰链、第一连接结构和驱动装置，所述第三杆包括铰链、第二连接结构和驱动装置，所述第一杆和第二杆分别通过第一铰链穿过并连接于转动平台的两侧，所述转动平台通过位于底座支架上的转动铰链连接底座支架，所述第三杆在转动平台的下方并且通过铰链连接于底座支架，所述底座支架通过螺钉连接于底座；所述第一杆和第二杆通过第二铰链对称地连接于动平台的左右两侧，所述第三杆通过精密球铰连接副连接于动平台的后侧；所述的运动末端通过转动铰链连接于串联第一关节的内部中间位置，所述的串联第一关节通过转动铰链连接于动平台的下侧。
所述第一杆和第二杆的第一连接结构包括第一底板、第一螺母座、安装于第一底板和第一螺母座上的第一丝杆螺母和第一直线导轨滑块组，所述第一螺母座和第一底板构成移动副，其中所述第一螺母座通过第一转动小轴连接于转动平台构成第一杆连接于转动平台的第一铰链，所述第一底板通过第二转动小轴连接于动平台构成第一杆连接于动平台的第二铰链。
所述第三杆的第二连接结构包括第二底板、第二螺母座、安装于第二底板和第二螺母座上的第二丝杆螺母和第二直线导轨滑块组，所述第二螺母座和第二底板构成移动副，其中所述第二螺母座通过第三转动小轴连接于底座支架构成第三杆连接于底座支架的铰链。
所述转动平台连接于底座支架的转动铰链轴线和第三杆连接于底座支架的铰链的轴线平行，所述第一杆连接于转动平台的第一铰链的轴线和第二杆连接于转动平台的第一铰链的轴线平行。
所述第一杆连接于动平台的第二铰链的轴线和第二杆连接于动平台的第二铰链的轴线平行，所述第一杆和第二杆的运动平面处于同一平面，所述第三杆的运动平面和第一杆、第二杆的同一运动平面垂直。
所述运动末端连接于串联第一关节的转动铰链的轴线和串联第一关节连接于动平台的转动铰链的轴线垂直。
所述底座支架上包含定位孔和腰型孔，通过垫片以螺纹连接的形式对称地安装于底座，其中，所述的垫片的高度能够微调以保证安装在底座两侧的底座支架处在同一水平高度上，所述的腰型孔能够使得底座支架的安装位置微调以保证第一轴线和第二轴线同轴，并且和第三轴线平行。
所述的动平台附加约束使得动平台的运动空间为垂直地面且关于底座左右两侧对称的一平面，所述的动平台附加约束由转动平台连接于底座支架的转动铰链、第一杆和第二杆中的第一铰链和第二铰链、第三杆的铰链、连接第三杆远离驱动装置的一端和动平台的精密球铰连接副所组成的结构产生；其中，所述的底座支架与转动平台的连接点和底座支架与第三杆的连接点构成等腰三角形，并且使运动空间左右对称。
所述动平台为中空箱体结构，其上具有三个连接副，后侧为精密球铰连接副，左右两侧为转动副：后侧通过具有三个转动自由度的精密球铰连接副与第三杆相连；左右两侧分别通过具有一个转动自由度的第二铰链与第一杆和第二杆相连；其中，左右两侧各有两个用于安装轴承的耳朵形的凸起结构，后侧为用于安装精密球铰连接副球座的并且具有一定斜度的凸台结构，所述的精密球铰连接副中的球座以螺钉固连于动平台，球杆一端以螺纹形式固连于第三杆，并用紧固螺母和紧固螺钉锁紧防松。
本发明的与现有技术相比，具有的优点和积极效果主要有：
（1）所述的第三杆为动平台和运动末端提供了一个附加约束，使得动平台和运动末端在某一方向上的运动精度得以提高。
（2）所述的第三杆与动平台连接的关节处采用精密球铰连接副代替三个转动叠加的等效形式，避免产生因三个转动副轴线没有严格保持交于一点造成的制造和装配误差。
（3）所述的精密球铰连接副结构简单，装配所需的零部件数量少，且在部件结构中多次使用垫片、腰型孔等装配补偿工艺，减轻加工制造和装配过程中的难度。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是结构相同的第一杆和第二杆的结构示意图；
图3是第三杆的结构示意图；
图4是底座支架和底座的结构示意图；
图5是图2中从上方往下方看的底座支架俯视图；
图6是精密球铰连接副的连接示意图；
图7是动平台的结构示意图。
图中，
1：第一杆 2：第二杆
3：第三杆 4：转动平台
5：底座支架 6：动平台
7：精密球铰连接副 8：串联第一关节
9：运动末端 10：底座
11：第一铰链 12：第二铰链
13/15：连接结构 14：铰链
51/52/53：转动铰链轴线 54：垫片
71：球座 72：球杆
101/301：底板 102/302：螺母座
103/303：丝杆螺母 104/304：直线导轨滑块组
105/106/305：转动小轴。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种含有动平台附加约束的五自由度精密串并联机器人做出详细说明。
如图1、图2、图3所示，一种含有动平台附加约束的五自由度精密串并联机器人，包括转动平台4、底座支架5、动平台6、精密球铰连接副7、串联第一关节8、运动末端9、底座10、第一杆1、第二杆2、第三杆3，所述第一杆1和第二杆2结构相同，包括第一铰链11、第二铰链12、第一连接结构13和驱动装置，所述第三杆3包括铰链14、第二连接结构15和驱动装置，所述第一杆1和第二杆2分别通过第一铰链11穿过并连接于转动平台4的两侧，所述转动平台4通过位于底座支架5上的转动铰链连接底座支架5，所述第三杆3在转动平台4的下方并且通过铰链14连接于底座支架5，所述底座支架5通过螺钉连接于底座10；所述第一杆1和第二杆2通过第二铰链12对称地连接于动平台6的左右两侧，所述第三杆3通过精密球铰连接副7连接于动平台6的后侧；所述的运动末端9通过转动铰链连接于串联第一关节8的内部中间位置，所述的串联第一关节8通过转动铰链连接于动平台6的下侧。
所述第一杆1和第二杆2的第一连接结构13包括第一底板101、第一螺母座102、安装于第一底板101和第一螺母座102上的第一丝杆螺母103和第一直线导轨滑块组104，所述第一螺母座102和第一底板101构成移动副，其中所述第一螺母座102通过第一转动小轴105连接于转动平台4构成第一杆1连接于转动平台4的第一铰链11，所述第一底板101通过第二转动小轴106连接于动平台6构成第一杆1连接于动平台6的第二铰链12。
所述第三杆3的第二连接结构15包括第二底板301、第二螺母座302、安装于第二底板301和第二螺母座302上的第二丝杆螺母303和第二直线导轨滑块组304，所述第二螺母座302和第二底板301构成移动副，其中所述第二螺母座302通过第三转动小轴305连接于底座支架5构成第三杆1连接于底座支架5的铰链14。
所述转动平台4连接于底座支架5的转动铰链轴线和第三杆3连接于底座支架5的铰链14的轴线平行，所述第一杆1连接于转动平台4的第一铰链11的轴线和第二杆2连接于转动平台4的第一铰链11的轴线平行。
所述第一杆1连接于动平台6的第二铰链12的轴线和第二杆2连接于动平台6的第二铰链12的轴线平行，所述第一杆1和第二杆2的运动平面处于同一平面，所述第三杆3的运动平面和第一杆1、第二杆2的同一运动平面垂直。
所述运动末端9连接于串联第一关节8的转动铰链的轴线和串联第一关节8连接于动平台4的转动铰链的轴线垂直。
如图4、图5所示，所述底座支架5上包含定位孔和腰型孔，通过垫片54以螺纹连接的形式对称地安装于底座10，其中，所述的垫片54的高度能够微调以保证安装在底座10两侧的底座支架5处在同一水平高度上，所述的腰型孔能够使得底座支架5的安装位置微调以保证第一轴线51和第二轴线52同轴，并且和第三轴线53平行。
所述的动平台附加约束使得动平台6的运动空间为垂直地面且关于底座10左右两侧对称的一平面，所述的动平台附加约束由转动平台4连接于底座支架5的转动铰链、第一杆1和第二杆2中的第一铰链11和第二铰链12、第三杆3的铰链14、连接第三杆3远离驱动装置的一端和动平台6的精密球铰连接副7所组成的结构产生；其中，所述的底座支架5与转动平台4的连接点和底座支架5与第三杆3的连接点构成等腰三角形，并且使运动空间左右对称。
如图6、图7所示，所述动平台6为中空箱体结构，其上具有三个连接副，后侧为精密球铰连接副，左右两侧为转动副：后侧通过具有三个转动自由度的精密球铰连接副7与第三杆3相连；左右两侧分别通过具有一个转动自由度的第二铰链12与第一杆1和第二杆2相连；其中，左右两侧各有两个用于安装轴承的耳朵形的凸起结构，后侧为用于安装精密球铰连接副7球座的并且具有一定斜度的凸台结构，所述的精密球铰连接副7中的球座71以螺钉固连于动平台6，球杆72一端以螺纹形式固连于第三杆3，并用紧固螺母和紧固螺钉锁紧防松。
Claims (9)
1.一种含有动平台附加约束的五自由度精密串并联机器人，其特征在于，包括转动平台（4）、底座支架（5）、动平台（6）、精密球铰连接副（7）、串联第一关节（8）、运动末端（9）、底座（10）、第一杆（1）、第二杆（2）、第三杆（3），所述第一杆（1）和第二杆（2）结构相同，包括第一铰链（11）、第二铰链（12）、第一连接结构（13）和驱动装置，所述第三杆（3）包括铰链（14）、第二连接结构（15）和驱动装置，所述第一杆（1）和第二杆（2）分别通过第一铰链（11）穿过并连接于转动平台（4）的两侧，所述转动平台（4）通过位于底座支架（5）上的转动铰链连接底座支架（5），所述第三杆（3）在转动平台（4）的下方并且通过铰链（14）连接于底座支架（5），所述底座支架（5）通过螺钉连接于底座（10）；所述第一杆（1）和第二杆（2）通过第二铰链（12）对称地连接于动平台（6）的左右两侧，所述第三杆（3）通过精密球铰连接副（7）连接于动平台（6）的后侧；所述的运动末端（9）通过转动铰链连接于串联第一关节（8）的内部中间位置，所述的串联第一关节（8）通过转动铰链连接于动平台（6）的下侧。
2.根据权利要求1所述的含有动平台附加约束的五自由度精密串并联机器人，其特征在于，所述第一杆（1）和第二杆（2）的第一连接结构（13）包括第一底板（101）、第一螺母座（102）、安装于第一底板（101）和第一螺母座（102）上的第一丝杆螺母（103）和第一直线导轨滑块组（104），所述第一螺母座（102）和第一底板（101）构成移动副，其中所述第一螺母座（102）通过第一转动小轴（105）连接于转动平台（4）构成第一杆（1）连接于转动平台（4）的第一铰链（11），所述第一底板（101）通过第二转动小轴（106）连接于动平台（6）构成第一杆（1）连接于动平台（6）的第二铰链（12）。
3.根据权利要求1所述的含有动平台附加约束的五自由度精密串并联机器人，其特征在于，所述第三杆（3）的第二连接结构（15）包括第二底板（301）、第二螺母座（302）、安装于第二底板（301）和第二螺母座（302）上的第二丝杆螺母（303）和第二直线导轨滑块组（304），所述第二螺母座（302）和第二底板（301）构成移动副，其中所述第二螺母座（302）通过第三转动小轴（305）连接于底座支架（5）构成第三杆（1）连接于底座支架（5）的铰链（14）。
4.根据权利要求1所述的含有动平台附加约束的五自由度精密串并联机器人，其特征在于，所述转动平台（4）连接于底座支架（5）的转动铰链轴线和第三杆（3）连接于底座支架（5）的铰链（14）的轴线平行，所述第一杆（1）连接于转动平台（4）的第一铰链（11）的轴线和第二杆（2）连接于转动平台（4）的第一铰链（11）的轴线平行。
5.根据权利要求1所述的含有动平台附加约束的五自由度精密串并联机器人，其特征在于，所述第一杆（1）连接于动平台（6）的第二铰链（12）的轴线和第二杆（2）连接于动平台（6）的第二铰链（12）的轴线平行，所述第一杆（1）和第二杆（2）的运动平面处于同一平面，所述第三杆（3）的运动平面和第一杆（1）、第二杆（2）的同一运动平面垂直。
6.根据权利要求1所述的含有动平台附加约束的五自由度精密串并联机器人，其特征在于，所述运动末端（9）连接于串联第一关节（8）的转动铰链的轴线和串联第一关节（8）连接于动平台（4）的转动铰链的轴线垂直。
7.根据权利要求1所述的含有动平台附加约束的五自由度精密串并联机器人，其特征在于，所述底座支架（5）上包含定位孔和腰型孔，通过垫片（54）以螺纹连接的形式对称地安装于底座（10），其中，所述的垫片（54）的高度能够微调以保证安装在底座（10）两侧的底座支架（5）处在同一水平高度上，所述的腰型孔能够使得底座支架（5）的安装位置微调以保证第一轴线（51）和第二轴线（52）同轴，并且和第三轴线（53）平行。
8.根据权利要求1所述的含有动平台附加约束的五自由度精密串并联机器人，其特征在于，所述的动平台附加约束使得动平台（6）的运动空间为垂直地面且关于底座（10）左右两侧对称的一平面，所述的动平台附加约束由转动平台（4）连接于底座支架（5）的转动铰链、第一杆（1）和第二杆（2）中的第一铰链（11）和第二铰链（12）、第三杆（3）的铰链（14）、连接第三杆（3）远离驱动装置的一端和动平台（6）的精密球铰连接副（7）所组成的结构产生；其中，所述的底座支架（5）与转动平台（4）的连接点和底座支架（5）与第三杆（3）的连接点构成等腰三角形，并且使运动空间左右对称。
9.根据权利要求1所述的含有动平台附加约束的五自由度精密串并联机器人，其特征在于，所述动平台（6）为中空箱体结构，其上具有三个连接副，后侧为精密球铰连接副，左右两侧为转动副：后侧通过具有三个转动自由度的精密球铰连接副（7）与第三杆（3）相连；左右两侧分别通过具有一个转动自由度的第二铰链（12）与第一杆（1）和第二杆（2）相连；其中，左右两侧各有两个用于安装轴承的耳朵形的凸起结构，后侧为用于安装精密球铰连接副（7）球座的并且具有一定斜度的凸台结构，所述的精密球铰连接副（7）中的球座（71）以螺钉固连于动平台（6），球杆（72）一端以螺纹形式固连于第三杆（3），并用紧固螺母和紧固螺钉锁紧防松。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180907 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |