CN108608407B - 一种可折展式多轴联动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可折展式多轴联动机器人，包括：五自由度末端姿态调整装置和二自由度可折展机构，二自由度可折展机构包括：底座、一级平行四边形结构、二级平行四边形结构、中间三角板、第一驱动组件和第二驱动组件，一级平行四边形结构安装在底座上，一级平行四边形结构和二级平行四边形结构通过中间三角板耦合链接，五自由度末端姿态调整装置连接在二级平行四边形结构上。本发明的可折展式多轴联动机器人，利用耦合的两个平行四边形结构，可实现五自由度末端姿态调整装置大范围折展式移动并定位，该机器人可应对大型结构件对加工装备的大工作空间需求，易实现大范围定位及局部灵活姿态调整等功能，可完成大型结构件复杂自由曲面的数控加工。

Description

一种可折展式多轴联动机器人

技术领域

本发明属于机械设计与制造领域，特别涉及能够应用于数控加工领域的一种可折展式多轴联动机器人。

背景技术

在机械设计与制造领域，随着工业水平的发展，大型结构件及设备已被广泛应用于各关键领域，如航空航天、船舶舰艇、电力设施等，此类大型结构件的加工对加工装备的大工作空间有着迫切需求，与此同时，如采用传统大型龙门式加工中心，因其包容式拓扑结构，使得占地面积巨大。

为解决上述矛盾及满足应用需求，设计一款可折展式大行程的多轴联动加工装置有望成为一种有效途径。与串联机构不同，并联机构是由两个或多个运动学支链构成的闭环并能够控制终端，实现一定输出运动的机构，具有结构紧凑、运动部件质量小、刚度高、动态响应特性好、单位重量上承载能力大、易于实现高速运动等优点，因此成为加工装备创新设计的理想选择。

发明内容

本发明的目的是为大型零部件加工提供更好的原理构型及解决方案，提出一种可折展式多轴联动机器人，本发明提出的新型多轴联动机器人，利用耦合的两个平行四边形结构，可实现五自由度末端姿态调整装置大范围折展式移动并定位，该机器人可同时实现七轴联动，从而实现大范围定位及局部灵活姿态调整等功能。此外，利用耦合的两个平行四边形结构实现可折展功能，不仅可以实现机器人末端大范围移动和定位，同时也方便机器人收纳，可有效节约收纳空间。

根据本发明实施例的一种可折展式多轴联动机器人，包括：五自由度末端姿态调整装置和二自由度可折展机构，所述二自由度可折展机构包括：底座、一级平行四边形结构、二级平行四边形结构、中间三角板、第一驱动组件和第二驱动组件，所述一级平行四边形结构安装在所述底座上，所述一级平行四边形结构和所述二级平行四边形结构通过所述中间三角板耦合链接，所述底座具有间隔开的第一铰点、第二铰点，所述中间三角板具有呈三角分布的第三铰点、第四铰点和第五铰点，所述一级平行四边形结构包括：第一连杆、第二连杆，所述第一连杆的两端分别铰接连接在所述第一铰点和所述第四铰点上，所述第二连杆的两端分别铰接连接在所述第二铰点和所述第三铰点上，所述第一铰点和所述第四铰点的距离与所述第二铰点和所述第三铰点的距离相等，所述第一铰点和所述第四铰点的连线与所述第二铰点和所述第三铰点的连线相互平行；所述二级平行四边形结构包括：第三连杆、第四连杆和第五连杆，所述第三连杆铰接连接在所述第四铰点上，所述第四连杆铰接连接在所述第五铰点上，所述第五连杆的两端分别通过所述第六铰点和第七铰点铰接连接在所述第三连杆和所述第四连杆上，所述第四铰点和所述第六铰点的距离与第五铰点和所述第七铰点的距离相等，所述第四铰点和所述第六铰点的连线与第五铰点和所述第七铰点的连线相互平行；所述第一驱动组件用于驱动所述第一连杆和所述第二连杆中的一个相对所述底座转动，所述第二驱动组件用于驱动所述第三连杆和所述第四连杆中的一个相对所述中间三角板转动，所述第一驱动组件和所述第二驱动组件是所述二自由度可折展机构仅有的两个主动驱动副，所述五自由度末端姿态调整装置连接所述第五连杆；所述五自由度末端姿态调整装置包括：定平台、动平台、第一支链、第二支链和第三支链，所述定平台固定连接在所述第五连杆上，所述动平台用于安装执行器，所述第一支链、第二支链和第三支链环绕设置且连接在所述定平台和所述动平台之间，所述动平台具有三个转动自由度和两个移动自由度。所述二自由度可折展机构和所述五自由度末端姿态调整装置可配合实现七轴联动。进而实现大范围定位及局部灵活姿态调整等功能。

根据本发明实施例的一种可折展式多轴联动机器人，通过设置三个支链结构形成五自由度末端姿态调整装置，实现三个转动自由度和两个移动自由度，是该机构区别于其它同类机构的显著特点，其动平台可实现较大的转动输出能力；采用双级平行四边形结构的二自由度可折展机构，通过控制两个输入来驱动二自由度可折展机构运动，实现平面内两个移动自由度，采用双平行四边形的结构实现两个移动自由度的输出运动是该机构区别于其它同类机构的另一显著特点。这样的机器人，可保证较高的加工面法向刚度，这是普通的机械手不能实现的。本发明所提出的可折展式多轴联动机器人，可应对大型结构件对加工装备的工作空间需求，易实现大范围定位及局部灵活姿态调整等功能，可完成大型结构件复杂自由曲面的数控加工。

在二自由度可折展机构中，一级平行四边形结构和二级平行四边形结构均为平行四边形，两个平行四边形通过中间三角板相耦合，因此通过控制两个平行四边形的两条边与底座之间的角度，可得到五自由度末端姿态调整装置的唯一位置，从而实现末端五自由度末端姿态调整装置的大范围移动和定位。此外，利用耦合的两个平行四边形结构实现可折展功能，不仅可以实现机器人末端大范围移动和定位，同时也方便机器人收纳，可有效节约收纳空间。

在一些实施例中，可折展式多轴联动机器人还包括：转换平行四边形结构，所述转换平行四边形结构包括第六连杆和第七连杆，所述第六连杆的一端铰接连接在所述第一铰点上，所述第六连杆的另一端铰接连接在所述第七连杆的一端上，所述第七连杆的另一端铰接连接在所述第三连杆上，所述第一连杆、所述第六连杆、所述第七连杆及所述第三连杆的部分段构成四边形，所述第二驱动组件通过驱动所述第六连杆转动而带动所述第三连杆转动。

在一些实施例中，所述第一支链、第二支链相对所述二自由度可折展机构的移动面对称设置。

在一些实施例中，所述第一驱动组件和第二驱动组件分别为缸体驱动机构。

在一些实施例中，所述第一驱动组件和第二驱动组件分别为电机驱动机构。

在一些实施例中，所述第一驱动组件包括：第一顶块，所述第一顶块可转动地连接在所述第一连杆上；第一支块，所述第一支块可转动地连接在所述底座上；第一驱动杆，所述第一驱动杆的一端与所述第一顶块相连，所述第一驱动杆的另一端与所述第一支块相连，所述第一驱动杆、所述第一连杆的部分段、所述底座构成三角形；第一驱动器，所述第一驱动器用于驱动所述第一驱动杆相对所述第一顶块或者所述第一支块伸缩。

在一些实施例中，所述第二驱动组件包括：第二顶块，所述第二顶块可转动地连接在所述第三连杆上；第二支块，所述第二支块可转动地连接在所述中间三角板上；第二驱动杆，所述第二驱动杆的一端与所述第二顶块相连，所述第二驱动杆的另一端与所述第二支块相连，所述第二驱动杆、所述第三连杆的部分段、所述中间三角板构成三角形；第二驱动器，所述第二驱动器用于驱动所述第二驱动杆相对所述第二顶块或者所述第二支块伸缩。

在另一些实施例中，所述第二驱动组件包括：第三顶块，所述第三顶块可转动地连接在所述第六连杆上；第三支块，所述第三支块可转动地连接在所述底座上；第三驱动杆，所述第三驱动杆的一端与所述第三顶块相连，所述第三驱动杆的另一端与所述第三支块相连，所述第三驱动杆、所述第六连杆的部分段、所述底座构成三角形；第三驱动器，所述第三驱动器用于驱动所述第三驱动杆相对所述第三顶块或者所述第三支块伸缩。

在一些实施例中，所述中间三角板为平行设置的两个，两个所述中间三角板夹设在所述第一连杆、所述第三连杆的两侧，所述第二连杆为平行设置的两个，所述第四连杆为平行设置的两个，两个所述第二连杆分别与两个所述中间三角板铰接，两个所述第四连杆分别与两个所述中间三角板铰接。

具体地，所述底座包括底板和凸台，所述底板水平设置，所述底板形成为后侧敞开的框形，所述凸台为两个且分别设在底板的左右两侧，所述一级平行四边形结构连接在所述两个凸台上。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的一种可折展式多轴联动机器人的一个立体图；

图2是图1所示可折展式多轴联动机器人的另一立体图；

图3是图1所示的二自由度可折展机构的主视图；

图4是图3所示的二自由度可折展机构的原理构型图；

图5是根据本发明实施例的另一种可折展式多轴联动机器人的一个立体图；

图6是图5所示可折展式多轴联动机器人的另一立体图；

图7是图5所示的二自由度可折展机构的主视图；

图8是图7所示的二自由度可折展机构的原理构型图；

图9是根据本发明实施例的五自由度末端姿态调整装置的俯视图；

图10是根据本发明实施例的五自由度末端姿态调整装置的立体图。

附图标记：

可折展式多轴联动机器人100、

二自由度可折展机构1、

底座11、底板111、凸台112、

一级平行四边形结构12、第一连杆121、支杆1211、第二连杆122、

二级平行四边形结构13、第三连杆131、第四连杆132、第五连杆133、

转换平行四边形结构14、第六连杆141、转动槽1411、第七连杆142、

中间三角板15、

第一驱动组件16、第一顶块161、第一支块162、第一驱动杆163、

第二驱动组件17、第二顶块171、第二支块172、第二驱动杆173、第三顶块175、第三支块176、第三驱动杆177、

第一铰点j1、第二铰点j2、第三铰点j3、第四铰点j4、第五铰点j5、

第六铰点j6、第七铰点j7、第八铰点j8、第九铰点j9、

五自由度末端姿态调整装置2、

定平台21、动平台22、第一支链23、第二支链24、第三支链25、

上连接件201、下连接件202、上滑块203、下滑快204、上连杆205、下连杆206、U型件207、连接块208、连接件251、滑块252、连杆253、

执行器6。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面参考图1-图10描述根据本发明实施例的一种可折展式多轴联动机器人100。

根据本发明实施例的一种可折展式多轴联动机器人100，如图1和图5所示，包括：五自由度末端姿态调整装置2和二自由度可折展机构1。

五自由度末端姿态调整装置2用于调整执行器6的姿态，执行器6是加工设备的执行终端，例如执行器6可以是刀具、激光发射器、喷嘴等，这里对执行器6的类型不作具体限制。

五自由度末端姿态调整装置2本身使执行器6具有五个自由度方向上的调整能力，具体为使执行器6具有三个方向的转动自由度和两个方向的移动自由度。但是五自由度末端姿态调整装置2对于执行器6的姿态只能在小范围内进行调整，当对大型结构件进行加工时，只靠五自由度末端姿态调整装置2调整的话执行器6的加工空间受限大，甚至无法实现大型结构件的加工作业。

为解决这一问题，本发明实施例中，将五自由度末端姿态调整装置2安装在二自由度可折展机构1上，二自由度可折展机构1类似于工业机械手的结构，可大幅度移动五自由度末端姿态调整装置2，实现大范围定位，而在大范围定位后再由五自由度末端姿态调整装置2进行局部姿态调整。二者的结合，相当于将加工的宏观定位和微观定位相结合，增加了宏观定位范围，同时也保证微观定位精度。

参照图1和图5，二自由度可折展机构1包括：底座11、一级平行四边形结构12、二级平行四边形结构13、中间三角板15、第一驱动组件16和第二驱动组件17，一级平行四边形结构12安装在底座11上，一级平行四边形结构12和二级平行四边形结构13通过中间三角板15耦合链接。

具体如图3和图4、图7和图8所示，底座11具有间隔开的第一铰点j1、第二铰点j2，中间三角板15具有呈三角分布的第三铰点j3、第四铰点j4和第五铰点j5。

一级平行四边形结构12包括：第一连杆121、第二连杆122，第一连杆121的两端分别铰接连接在第一铰点j1和第四铰点j4上，第二连杆122的两端分别铰接连接在第二铰点j2和第三铰点j3上。第一铰点j1和第四铰点j4的距离与第二铰点j2和第三铰点j3的距离相等，第一铰点j1和第四铰点j4的连线与第二铰点j2和第三铰点j3的连线相互平行。由此，第一连杆121、底座11、第二连杆122和中间三角板15构成一个平行四边形。

二级平行四边形结构13包括：第三连杆131、第四连杆132和第五连杆133，第三连杆131铰接连接在第四铰点j4上，第四连杆132铰接连接在第五铰点j5上，第五连杆133的两端分别通过第六铰点j6、第七铰点j7连接在第三连杆131和第四连杆132上。第四铰点j4和第六铰点j6的距离与第五铰点j5和第七铰点j7的距离相等，第四铰点j4和第六铰点j6的连线与第五铰点j5和第七铰点j7的连线相互平行。

由此，第三连杆131、第四连杆132、第五连杆133和中间三角板15构成另一个平行四边形。

其中，中间三角形是一级平行四边形结构12和二级平行四边形结构13的共同构成件，因此一级平行四边形结构12的动作会连锁传递至二级平行四边形结构13。

在二自由度可折展机构1中，一级平行四边形结构12和二级平行四边形结构13均为平行四边形，两个平行四边形通过中间三角板15相耦合。

由于一级平行四边形结构12为平行四边形，其相对边长度相等，因此控制第一连杆121和第二连杆122中的一个的摆动角度，就能唯一确定中间三角板15的位姿。

同样的，由于二级平行四边形结构13为平行四边形，其相对边长度相等，因此在中间三角板15的位姿唯一确定的情况下，控制第三连杆131和第四连杆132中的一个的摆动角度，就能唯一确定五自由度末端姿态调整装置2的位置。

可以看出，一级平行四边形结构12和二级平行四边形结构13相耦合的一个突出效果是，通过两杆摆动角度的控制实现位置的变化，效果是双倍叠加的，使得五自由度末端姿态调整装置2能够在竖直平面内大幅度移动和定位。此外，利用耦合的两个平行四边形结构实现可折展功能，不仅可以实现机器人末端大范围移动和定位，同时也方便机器人收纳，可有效节约收纳空间。

第一驱动组件16用于驱动第一连杆121和第二连杆122中的一个相对底座11转动，第二驱动组件17用于驱动第三连杆131和第四连杆132中的一个相对中间三角板15转动，五自由度末端姿态调整装连接第五连杆133。

如图9所示，五自由度末端姿态调整装置2包括：定平台21、动平台22、第一支链23、第二支链24和第三支链25，定平台21固定连接在第五连杆133上，动平台22用于安装执行器6，第一支链23、第二支链24和第三支链25环绕设置且连接在定平台21和动平台22之间，动平台22具有三个转动自由度和两个移动自由度。

五自由度末端姿态调整装置2中，该第一支链23、第二支链24结构相同，均含有两个主动驱动的运动副，第三支链25含有一个主动驱动的运动副；第一支链23、第二支链24和第三支链25分别与定平台21以及动平台22连接形成一个空间并联闭环机构，该空间并联闭环机构通过五个输入运动驱动动平台运动，实现三个转动自由度和两个移动自由度。

并联机构是由两个或多个运动学支链构成的闭环并能够控制终端实现一定输出运动的机构，具有结构紧凑、运动部件质量小、刚度高、动态响应特性好、单位重量上承载能力大、易于实现高速运动等优点。因此五自由度末端姿态调整装置2成为加工装备创新设计的理想选择。

根据本发明实施例的一种可折展式多轴联动机器人100，通过设置三个支链结构形成五自由度末端姿态调整装置2，实现三个转动自由度和两个移动自由度，是该机构区别于其它同类机构的显著特点，其动平台22可实现较大的转动输出能力；采用双级平行四边形结构的二自由度可折展机构1，通过控制两个输入来驱动二自由度可折展机构1运动，实现平面内两个移动自由度，采用双平行四边形的结构实现两个移动自由度的输出运动是该机构区别于其它同类机构的另一显著特点。这样的机器人，可保证加工面法向刚度较高，这是普通的机械手不能实现的。这样的可折展式多轴联动机器人100，可应对大型结构件对加工装备的工作空间需求，易实现大范围定位及局部灵活姿态调整等功能，可完成大型结构件复杂自由曲面的数控加工。

在一些实施例中，如图10所示，五自由度末端姿态调整装置2中，第一支链23和第二支链24结构相同，均含有两个主动驱动的运动副，第三支链25含有一个主动驱动的运动副。

第一支链23、第二支链24和第三支链25分别与定平台21以及动平台22连接形成一个空间并联闭环机构，该空间并联闭环机构通过五个输入运动驱动动平台22运动，实现三个转动自由度和两个移动自由度。

可选地，第一支链23、第二支链24相对二自由度可折展机构1的移动面对称设置。即在图1的示例中，二自由度可折展机构1在左右方向具有对称面，第一支链23、第二支链24相对该对称面设置，在静态下可保持左右平衡，长久放置稳定。

在图10所示的一个具体实施例中，五自由度末端姿态调整装置2包括：定平台21、动平台22及第一支链23、第二支链24、第三支链25，三条支链分别连接于定平台21和动平台22之间，并与该定平台21、和动平台22构成空间闭环机构。

第一支链23、第二支链24均包括：上连接件201、下连接件202、上滑块203、下滑快204、上连杆205、下连杆206、U型件207、连接块208以及运动副。运动副有十个，一个是连接于定平台21和下连接件202之间的转动副，一个是连接于下连接件202和下滑块110之间的转动副，一个是连接于下滑块110和下连杆206之间的移动副，一个是连接于定平台21和上连接件201之间的转动副，一个是连接于上连接件201和上滑块203之间的转动副，一个是连接于上滑块203和上连杆205之间的移动副，一个是连接于上连杆205和下连杆206之间的转动副，一个是连接于上连杆205和U型件207之间的转动副，一个是连接于U型件207和连接块208之间的转动副，另一个是连接于连接块208和动平台22之间的转动副。其中，连接于上滑块203和上连杆205之间的移动副以及连接于下滑块110和下连杆206之间的移动副是被驱动的；连接于定平台21和上连接件201之间以及连接于上连接件201和上滑块203之间的两个转动副可由一个虎克铰或者一个球铰代替；连接于定平台21和下连接件202之间以及连接于下连接件202和下滑块110之间的两个转动副可由一个虎克铰或者一个球铰代替；连接于上连杆205和U型件207之间、连接于U型件207和连接块208之间以及连接于连接块208和动平台22之间的三个转动副可由一个球铰代替；该支链为空间六自由度无约束支链。

第三支链25包括：连接件251、滑块252、连杆253以及运动副。运动副有四个，一个是连接于定平台21和连接件251之间的转动副，一个是连接于连接件251和滑块252之间的转动副，一个是连接于滑块252和连杆253之间的圆柱副，另一个是连接于连杆253和动平台22之间的转动副。其中，滑块252和连杆253之间沿杆长方向的伸缩运动是被驱动的；连接于定平台21和连接件251之间以及连接于连接件251和滑块252之间的两个转动副可由一个虎克铰或者一个球铰代替；连接于滑块252和连杆253之间的圆柱副可由一个移动副和一个转动副代替，且该移动副是被驱动的；该支链为具有一个转动约束的空间五自由度支链。

该五自由度末端姿态调整装置2可实现三个转动自由度和两个移动自由度的五轴联动控制。

在本发明的其他实施例中，第三支链也可以包括连接件、滑块、连杆、U型件以及运动副。运动副有三个，一个是连接于连接件和滑块之间的转动副，一个是连接于滑块和连杆之间的移动副，另一个是连接于连杆和U型件之间的转动副。其中，连接于滑块和连杆之间的移动副是被驱动的。

在一些实施例中，如图1和图2、图5和图6所示，中间三角板15为平行设置的两个，两个中间三角板15夹设在第一连杆121、第三连杆131的两侧，第二连杆122为平行设置的两个，第四连杆132为平行设置的两个，两个第二连杆122分别与两个中间三角板15铰接，两个第四连杆132分别与两个中间三角板15铰接。

这里，将第一连杆121、第三连杆131设置得较厚重，然后将中间三角板15、第二连杆122、第四连杆132设置得扁平，可充分利用空间，减少二自由度可折展机构1的尺寸。而将中间三角板15、第二连杆122、第四连杆132设置成平行的两个并位于第一连杆121、第三连杆131的两侧，使第一连杆121、第三连杆131在左右方向上的两侧受力均匀，避免二自由度可折展机构1左右摇摆晃动，进一步提升机构的动态特性。

具体地，如图1和图2、图5和图6所示，底座11包括底板111和凸台112，底板111水平设置，底板111形成为后侧敞开的框形，凸台112为两个且分别设在底板111的左右两侧，一级平行四边形结构12连接在两个凸台112上。这样在将一级平行四边形结构12或者其他结构铰接连接在底座11上时，铰轴设置在两个凸台112之间，这样加宽了底部左右宽度，提高了结构稳定性，也提高了安装便利性。

在一些实施例中，第一驱动组件16和第二驱动组件17分别为缸体驱动机构，例如，第一驱动组件16和第二驱动组件17可以采用电缸驱动机构、气缸驱动机构或者液压缸驱动机构，这种驱动机构驱动力矩大，成本相对要低。

在一些实施例中，第一驱动组件16和第二驱动组件17分别为电机驱动机构，采用电机驱动机构，一方面可以利用电机特性提高控制精度，另一方面电机在运转时振动较小，能提高驱动时整体机构的平稳性。

在本发明实施例中，二自由度可折展机构1的驱动方式可分为两种，一种如图5-图8所示，即两个主动驱动的运动副分别设置在一级平行四边形结构12和二级平行四边形结构13内，以减小主动驱动的运动副之间的干涉，提升机构的工作空间；另一种如图1-图4所示，即两个主动驱动的运动副均设置在一级平行四边形结构12内，以实现末端轻量化需求，提升机构的动态特性。

这里，两个主动驱动的运动副均设置在一级平行四边形结构12内指的是，两个主动驱动的运动副均位于一级平行四边形结构12处，即邻近二自由度可折展机构1的底部设置，因此平稳性要好。而其中用于驱动第三连杆131或者第四连杆132转动的第二驱动组件17，是利用转换平行四边形结构14间接驱动实现的，而不是指第二驱动组件17与一级平行四边形结构12直接相连驱动。

下面参照图1-图8，描述根据本发明实施例中两个具体实施例中可折展式多轴联动机器人100的结构，重点介绍两个实施例中二自由度可折展机构1的结构。

实施例一

图1-图4展示的是实施例一的可折展式多轴联动机器人100。

在实施例一中，可折展式多轴联动机器人100包括：五自由度末端姿态调整装置2和二自由度可折展机构1。

二自由度可折展机构1包括：底座11、一级平行四边形结构12、二级平行四边形结构13、中间三角板15、第一驱动组件16和第二驱动组件17。

底座11包括底板111和凸台112，底板111水平设置，凸台112上设有间隔开的第一铰点j1、第二铰点j2，第一铰点j1在前，第二铰点j2在后，且第二铰点j2高于第一铰点j1。具体地，底板111形成为后侧敞开的框形，凸台112为两个且分别设在底板111的左右两侧，两个凸台112上的铰点是相同的。

中间三角板15位于底座11的上方，中间三角板15具有呈三角分布的第三铰点j3、第四铰点j4和第五铰点j5。

一级平行四边形结构12包括：第一连杆121、第二连杆122，第一连杆121的上下两端分别铰接连接在第四铰点j4和第一铰点j1上，第二连杆122的上下两端分别铰接连接在第三铰点j3和第二铰点j2上，第一连杆121位于第二连杆122的前侧。

二级平行四边形结构13包括：第三连杆131、第四连杆132和第五连杆133，通常情况下，第五连杆133位于中间三角板15的前方，第四连杆132位于第三连杆131的上方。第五连杆133的两端分别为第六铰点j6、第七铰点j7，第三连杆131的中间位置处铰接连接在第四铰点j4上，第三连杆131的前端铰接在第六铰点j6上，第四连杆132的前端铰接连接在第七铰点j7上，第四连杆132的后端铰接连接在第五铰点j5上。五自由度末端姿态调整装置2固定在第五连杆133上。

在实施例一中，可折展式多轴联动机器人100还包括：转换平行四边形结构14，转换平行四边形结构14包括第六连杆141和第七连杆142，第六连杆141的一端铰接连接在第一铰点j1上，第六连杆141的另一端铰接连接在第七连杆142的一端上，第七连杆142的另一端铰接连接在第三连杆131上。为方便能够参照附图4理解本方案，将第六连杆141与第七连杆142相连的铰点称为第八铰点j8，将第七连杆142与第三连杆131相连的铰点称为第九铰点j9。

第一连杆121、第六连杆141、第七连杆142及第三连杆131的部分段构成四边形，第二驱动组件17通过驱动第六连杆141转动而带动第三连杆131转动。

这里，将第六连杆141的一端铰接连接在第一铰点j1上，使底座11上同一铰点处可以同时连接第一连杆121和第六连杆141，减少底座11上铰点的设置，避免过多铰点导致刚度的减弱。当然，在条件允许的前提下，第六连杆141的一端也可以铰接连接在底座11的其他位置处，此时转换平行四边形结构14相当于变成了五杆结构，且其中一杆为固定不变杆(即底座11)。

具体地，实施例一中，第七连杆142的上端为第九铰点j9，下端为第八铰点j8，第七连杆142位于第一连杆121的后侧，第六连杆141的前端铰接在第一铰点j1上，第六连杆141的后端铰接在第八铰点j8上，第三连杆131的后端铰接在第九铰点j9上。

在实施例一中，如图3所示，第一驱动组件16包括：第一顶块161、第一支块162、第一驱动杆163以及第一驱动器(图未示出)，第一顶块161可转动地连接在第一连杆121上，第一支块162可转动地连接在底座11上，第一驱动杆163的一端与第一顶块161相连，第一驱动杆163的另一端与第一支块162相连，第一驱动杆163、第一连杆121的部分段、底座11构成三角形，第一驱动器用于驱动第一驱动杆163相对第一顶块161或者第一支块162伸缩。

为方便能够参照附图3理解本方案，将第一顶块161在第一连杆121上的转动连接点称为q1，第一支块162在底座11上的转动连接点称为q2，图3中标识的j1、q1、q2三点呈三角分布。当第一驱动杆163相对第一顶块161或者第一支块162伸缩，即第一驱动杆163在q1点、q2点之间的距离变化，从而带动三角形的角度变化，进而驱动第一连杆121相对第一铰点j1转动。

在实施例一中，如图3所示，第二驱动组件17包括：第三顶块175、第三支块176、第三驱动杆177和第三驱动器(图未示出)，第三顶块175可转动地连接在第六连杆141上，第三支块176可转动地连接在底座11上，第三驱动杆177的一端与第三顶块175相连，第三驱动杆177的另一端与第三支块176相连，第三驱动杆177、第六连杆141的部分段、底座11构成三角形，第三驱动器用于驱动第三驱动杆177相对第三顶块175或者第三支块176伸缩。

为方便能够参照附图3理解本方案，将第三顶块175在第六连杆141上的转动连接点称为q3，第三支块176在底座11上的转动连接点称为q4，图3中标识的j1、q3、q4三点呈三角分布。当第三驱动杆177相对第三顶块175或者第三支块176伸缩，即第三驱动杆177在q3点、q4点之间的距离变化，从而带动三角形的角度变化，进而驱动第六连杆141相对第一铰点j1转动。

在实施例一中，如图1和图3所示，第一连杆121的下半段分成平行的两个支杆1211，两个支杆1211分别与两个凸台112铰接以分别形成第一铰点j1，两个第一铰点j1同轴设置，第一顶块161通过转轴连接在两个支杆1211之间。

如图1和图3所示，第六连杆141上设有转动槽1411，第三顶块175通过转轴连接在转动槽1411内。由于第一连杆121的下半段分成间隔开的两个支杆1211，因此第六连杆141、第三驱动杆177转动或者伸缩，不会干涉到第一连杆121。

在实施例一中，中间三角板15为左右平行设置的两个，两个中间三角板15夹设在第一连杆121、第三连杆131的两侧。第二连杆122为左右平行设置的两个，两个第二连杆122夹设在第六连杆141、第三连杆131的两侧。第四连杆132为平行设置的两个，两个第四连杆132夹设在第五连杆133的两侧。两个第二连杆122分别与两个中间三角板15铰接，两个第四连杆132分别与两个中间三角板15铰接。

在实施例一中，二自由度可折展机构1的末端可实现沿X轴方向及Z轴方向的移动自由度。五自由度末端姿态调整装置2可实现沿X轴、Y轴、Z轴方向的移动自由度，且可实现绕X轴、Y轴的转动自由度。

在二自由度可折展机构1中，一级平行四边形结构12和二级平行四边形结构13是通过中间三角板15相耦合的两个平行四边形，五自由度末端姿态调整装置2连接在二级平行四边形结构13上，通过第一驱动组件16控制第一连杆121的摆动角度，通过转换平行四边形结构14、第二驱动组件17控制第三连杆131的摆动角度，不仅能唯一确定中间三角板15的位姿，也能唯一确定五自由度末端姿态调整装置2在XZ平面上的位置，可实现五自由度末端姿态调整装置2在XZ平面内的大幅度移动和定位。

由于五自由度末端姿态调整装置2在小范围内能够唯一确定执行器6的位姿，因此可折展式多轴联动机器人100在对大型结构件进行加工时，可以实现大范围定位及局部灵活姿态调整等功能。

实施例二

图5-图8展示的是实施例二的可折展式多轴联动机器人100。

在实施例二中，可折展式多轴联动机器人100与实施例一的结构基本相同，相同部分不再赘述。

所不同的是，在实施例二中，如图5-图8所示，第一驱动组件16的位置与实施例一不同。为方便能够参照附图7理解本方案，将第一顶块161在第一连杆121上的转动连接点称为k1，第一支块162在底座11上的转动连接点为第二铰点j2，图3中标识的j1、j2、k1三点呈三角分布，k1位于j1和j4之间。当第一驱动杆163相对第一顶块161或者第一支块162伸缩，即第一驱动杆163在k1点、j2点之间的距离变化，从而带动三角形的角度变化，进而驱动第一连杆121相对第一铰点j1转动。

在实施例二中，二自由度可折展机构1不包括转换平行四边形结构14，该实施例中第二驱动组件17直接驱动第三连杆131相对中间三角板15转动。

在实施例二中，如图7所示，第二驱动组件17包括：第二顶块171、第二支块172、第二驱动杆173和第二驱动器(图未示出)，第二顶块171可转动地连接在第三连杆131上，第二支块172可转动地连接在中间三角板15上，第二驱动杆173的一端与第二顶块171相连，第二驱动杆173的另一端与第二支块172相连，第二驱动杆173、第三连杆131的部分段、中间三角板15构成三角形，第二驱动器用于驱动第二驱动杆173相对第二顶块171或者第二支块172伸缩。

为方便能够参照附图7理解本方案，将第二顶块171在第三连杆131上的转动连接点称为k2，第二支块172在中间三角板15上的转动连接点为第五铰点j5，图7中标识的k2、j4、j5三点呈三角分布。当第二驱动杆173相对第二顶块171或者第二支块172伸缩，即第二驱动杆173在k2点、j5点之间的距离变化，从而带动三角形的角度变化，进而驱动第三连杆131相对第四铰点j4转动。

在实施例二中，二自由度可折展机构1的末端可实现沿X轴方向及Z轴方向的移动自由度。五自由度末端姿态调整装置2可实现沿X轴、Y轴、Z轴方向的移动自由度，且可实现绕X轴、Y轴的转动自由度。

在二自由度可折展机构1中，一级平行四边形结构12和二级平行四边形结构13是通过中间三角板15相耦合的两个平行四边形，五自由度末端姿态调整装置2连接在二级平行四边形结构13上，可通过控制第一连杆121的摆动角度、以及第三连杆131的摆动角度，不仅能唯一确定中间三角板15的位姿，也能唯一确定五自由度末端姿态调整装置2在XZ平面上的位置，可实现五自由度末端姿态调整装置2在XZ平面内的大幅度移动和定位。

由于五自由度末端姿态调整装置2在小范围内能够唯一确定执行器6的位姿，因此可折展式多轴联动机器人100在对大型结构件进行加工时，可以实现大范围定位及局部灵活姿态调整等功能。

综上，本发明实施例的可折展式多轴联动机器人100，可应对大型结构件对加工装备的工作空间需求，易实现大范围定位及局部灵活姿态调整等功能，可完成大型结构件复杂自由曲面的数控加工。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种可折展式多轴联动机器人，其特征在于，包括：五自由度末端姿态调整装置和二自由度可折展机构，

所述二自由度可折展机构包括：底座、一级平行四边形结构、二级平行四边形结构、中间三角板、第一驱动组件和第二驱动组件，所述一级平行四边形结构安装在所述底座上，所述一级平行四边形结构和所述二级平行四边形结构通过所述中间三角板耦合链接，

所述底座具有间隔开的第一铰点、第二铰点，所述中间三角板具有呈三角分布的第三铰点、第四铰点和第五铰点，

所述一级平行四边形结构包括：第一连杆、第二连杆，所述第一连杆的两端分别铰接连接在所述第一铰点和所述第四铰点上，所述第二连杆的两端分别铰接连接在所述第二铰点和所述第三铰点上，所述第一铰点和所述第四铰点的距离与所述第二铰点和所述第三铰点的距离相等，所述第一铰点和所述第四铰点的连线与所述第二铰点和所述第三铰点的连线相互平行；

所述二级平行四边形结构包括：第三连杆、第四连杆和第五连杆，所述第三连杆铰接连接在所述第四铰点上，所述第四连杆铰接连接在所述第五铰点上，所述第五连杆的两端分别通过第六铰点和第七铰点铰接连接在所述第三连杆和所述第四连杆上，所述第四铰点和所述第六铰点的距离与第五铰点和所述第七铰点的距离相等，所述第四铰点和所述第六铰点的连线与第五铰点和所述第七铰点的连线相互平行；

所述第一驱动组件用于驱动所述第一连杆和所述第二连杆中的一个相对所述底座转动，所述第二驱动组件用于驱动所述第三连杆和所述第四连杆中的一个相对所述中间三角板转动，所述第一驱动组件和所述第二驱动组件是所述二自由度可折展机构仅有的两个主动驱动副，所述五自由度末端姿态调整装置连接所述第五连杆；

所述五自由度末端姿态调整装置包括：定平台、动平台、第一支链、第二支链和第三支链，所述定平台固定连接在所述第五连杆上，所述动平台用于安装执行器，所述第一支链、第二支链和第三支链环绕设置且连接在所述定平台和所述动平台之间，所述第一支链、第二支链分别为空间六自由度无约束支链，所述第三支链为具有一个转动约束的空间五自由度支链，所述动平台具有三个转动自由度和两个移动自由度，所述第一支链、第二支链相对所述二自由度可折展机构的移动面对称设置；

还包括：转换平行四边形结构，所述转换平行四边形结构包括第六连杆和第七连杆，所述第六连杆的一端铰接连接在所述第一铰点上，所述第六连杆的另一端铰接连接在所述第七连杆的一端上，所述第七连杆的另一端铰接连接在所述第三连杆上，所述第一连杆、所述第六连杆、所述第七连杆及所述第三连杆的部分段构成四边形，所述第二驱动组件通过驱动所述第六连杆转动而带动所述第三连杆转动；

所述第一驱动组件包括：

第一顶块，所述第一顶块可转动地连接在所述第一连杆上；

第一支块，所述第一支块可转动地连接在所述底座上；

第一驱动杆，所述第一驱动杆的一端与所述第一顶块相连，所述第一驱动杆的另一端与所述第一支块相连，所述第一驱动杆、所述第一连杆的部分段、所述底座构成三角形；

第一驱动器，所述第一驱动器用于驱动所述第一驱动杆相对所述第一顶块或者所述第一支块伸缩；

所述第二驱动组件包括：

第三顶块，所述第三顶块可转动地连接在所述第六连杆上；

第三支块，所述第三支块可转动地连接在所述底座上；

第三驱动杆，所述第三驱动杆的一端与所述第三顶块相连，所述第三驱动杆的另一端与所述第三支块相连，所述第三驱动杆、所述第六连杆的部分段、所述底座构成三角形；

第三驱动器，所述第三驱动器用于驱动所述第三驱动杆相对所述第三顶块或者所述第三支块伸缩。

2.根据权利要求1所述的可折展式多轴联动机器人，其特征在于，所述第一驱动组件和第二驱动组件分别为缸体驱动机构。

3.根据权利要求1所述的可折展式多轴联动机器人，其特征在于，所述第一驱动组件和第二驱动组件分别为电机驱动机构。

4.根据权利要求1所述的可折展式多轴联动机器人，其特征在于，所述中间三角板为平行设置的两个，两个所述中间三角板夹设在所述第一连杆、所述第三连杆的两侧，所述第二连杆为平行设置的两个，所述第四连杆为平行设置的两个，两个所述第二连杆分别与两个所述中间三角板铰接，两个所述第四连杆分别与两个所述中间三角板铰接。

5.根据权利要求1所述的可折展式多轴联动机器人，其特征在于，所述底座包括底板和凸台，所述底板水平设置，所述底板形成为后侧敞开的框形，所述凸台为两个且分别设在底板的左右两侧，所述一级平行四边形结构连接在所述两个凸台上。

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