CN108656092B - 基于四支链两转动一移动并联机构的混联机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于四支链两转动一移动并联机构的混联机器人，其包括并联机构、摇摆头机构以及移动平台，并联机构包括驱动支链、随动支链、定平台、转动支架、固定支架、中间平台以及动平台，由随动支链和构成驱动支链的第一驱动支链、第二驱动支链和第三驱动支链一起组成四支链，定平台为凸型结构，固定支架和转动支架铰接在定平台内，第一驱动支链、随动支链和第三驱动支链分别依次铰接在固定支架的框体内，第二驱动支链铰接在转动支架内部，随动支链与中间平台固定，第一驱动支链和第三驱动支链分别与中间平台的两侧铰接，中间平台与动平台铰接，动平台与第二驱动支链铰接，动平台的底部与摇摆头机构铰接；并联结构的定平台与移动平台连接。

Description

基于四支链两转动一移动并联机构的混联机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种基于四支链两转动一移动并联机构的混联机器人。

背景技术

目前我国航天复合材料构件加工主要采用五轴铣镗床和串联机器人，产品的定位精度、重复定位精度等指标难以达到设计要求，而混联机器人结合了串联和并联机器人的优点，是复合材料高精度钻铣的重要发展方向。目前，基于两转动一移动三自由度(2R1T)并联机构的混联机器人具有很好的发展前景，其中，Tricept、Ecospeed和Exechon等由国外研制出的混联机器人，已经成功在航空航天和汽车等具有复杂机构的领域获得成功应用，取得显著的经济效益。

特别是基于四支链2R1T并联机构的混联机器人还非常少，且仅有的几种机构存在运动副数目较多的问题，结构刚度不易保证。

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，但其每条驱动支链存在的被动单自由度运动副数目为5，运动副数目多，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，也存在结构刚度不易保证的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于四支链两转动一移动并联机构的混联机器人，其运动副数量少、结构简单且刚度高。

本发明是这样实现的：

一种基于四支链两转动一移动并联机构的混联机器人，其包括并联机构、摇摆头机构以及移动平台，所述并联机构包括驱动支链、随动支链、定平台、转动支架、固定支架、中间平台以及动平台，由随动支链和构成所述驱动支链的第一驱动支链、第二驱动支链和第三驱动支链一起组成所述四支链，所述定平台为由两个长方形框体拼接而成的凸型结构，所述固定支架为内部设有三个矩形通孔的框体，所述固定支架固定在所述定平台的基座的框体内部，所述转动支架为长方形框体，所述转动支架铰接在所述定平台的凸起部分的框体内；所述第一驱动支链和第三驱动支链分别铰接在所述固定支架的两侧的框体内，所述随动支链铰接在所述固定支架的中部的框体内，所述第二驱动支链铰接在所述转动支架内部，所述随动支链的底部与所述中间平台的上部固定连接，所述第一驱动支链和第三驱动支链分别与所述中间平台的两侧铰接，所述中间平台的底部与所述动平台铰接，所述动平台的侧部与所述第二驱动支链的底部铰接，所述动平台的底部与所述摇摆头机构铰接；所述摇摆头机构为单自由度机构或两自由度机构；所述移动平台包括移动架和支撑基座，所述移动架在支撑基座上能直线移动，所述并联结构的定平台与所述移动架连接。

优选的，所述第一驱动支链、第二驱动支链和第三驱动支链均包括转动副构件、电机、丝杠、丝杠螺母、导轨、导轨滑块和导轨支架，所述转动副构件为内部具有空腔的矩形方块，所述空腔内设有与所述丝杠螺母固连的支耳，所述丝杠与所述丝杠螺母螺接并贯穿所述转动副构件，所述转动副构件底部固定有所述导轨滑块，所述导轨滑块沿所述导轨支架上的导轨滑动，所述丝杠的第一端通过联轴器与固定在所述导轨支架第一端的电机相连，所述丝杠的第二端与导轨支架第二端的轴承相连，所述第一驱动支链和第三驱动支链的转动副构件与所述固定支架的两侧的长方形框体铰接，所述第二驱动支链的转动副构件与所述转动支架铰接。

优选的，所述随动支链包括伸缩杆和套筒，所述伸缩杆上设有导轨，所述伸缩杆的一端与所述中间平台固定，所述套筒内设有与所述伸缩杆的导轨配合的凹槽轨道，所述套筒套设在所述伸缩杆上，所述套筒的圆柱面两侧设有与所述固定支架的中部的长方形框体铰接的伸出轴。

优选的，所述中间平台为两侧设有支耳的凹槽状结构，所述支耳分别与所述第一驱动支链和第三驱动支链的导轨支架的第二端部铰接，所述动平台铰接在所述中间平台的凹槽内。

优选的，所述摇摆头机构为包括摇摆头的单自由度机构，所述摇摆头与所述动平台铰接。

优选的，所述摇摆头机构为包括回转架和摇摆头的两自由度机构，所述回转架为U型结构，所述U型结构的封闭端与所述动平台铰接，所述U型结构的开口端与所述摇摆头铰接。

优选的，所述移动架通过导轨沿所述支撑基座移动。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提出的四支链两转动一移动并联机构，将传统的动平台拆分成动平台和中间平台两部分，中间平台固定在随动支链的伸缩杆上，可在第一、第三驱动支链的驱动下实现左右小范围的摆动，起到调整姿态的作用，使机器人运动更加灵活；而且简化了动平台的结构，降低了其设计难度，提高了机器人的整体结构刚度。

(2)本发明采用的四支链两转动一移动并联机构，随动支链能够承受大部分侧向载荷，增加了机器人的侧向刚度；而且其为恰约束被动支链，可在其三个运动副上安装位移传感器，实现机构输出运动的实时反馈，实现机器人高精度的运动控制。

(3)本发明设计的四支链两转动一移动并联机构为模块化结构，通过定平台安装到移动架上，可根据任务需要将并联机构定平台安装到机架不同角度、不同位置上，实现不同的任务需求，适应性强。

附图说明

图1为本发明的基于四支链两转动一移动并联机构的混联机器人的结构示意图；

图2为本发明的另一实施例的结构示意图；

图3为本发明的并联机构的结构示意图；

图4为本发明的定平台的结构示意图；

图5为本发明的固定支架的结构示意图；

图6为本发明的转动支架的结构示意图；

图7为本发明的随动支链的结构示意图；

图8为本发明的驱动支链的结构示意图；

图9为本发明的动平台与中间平台的连接示意图；

图10为本发明的转动副构件的结构示意图；

图11为本发明的单自由度摇摆头机构的结构示意图；

图12为本发明的两自由度摇摆头机构的结构示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和性能方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

如图1所示，一种基于四支链两转动一移动并联机构的混联机器人，其包括并联机构、摇摆头机构以及移动平台，如图3所示，并联机构包括驱动支链、随动支链19、定平台11、转动支架9、固定支架6、中间平台3以及动平台2，由随动支链19和构成驱动支链的第一驱动支链7、第二驱动支链8和第三驱动支链10一起组成四支链，如图4所示，定平台11为由两个长方形框体拼接而成的凸型结构，包括基座的长方形框体和凸起部分的框体，如图5所示，固定支架6为内部设有三个矩形通孔的框体，固定支架6固定在定平台11的基座的框体内部，固定支架与定平台之间不能相对运动，如图5所示，转动支架9为长方形框体，转动支架9铰接在定平台11的凸起部分的框体内，驱动支链包括第一驱动支链7、第二驱动支链8和第三驱动支链10，第一驱动支链7和第三驱动支链10分别铰接在固定支架6的两侧的框体内，随动支链铰接在固定支架6的中部的框体内，第二驱动支链7铰接在转动支架9内部，随动支链的底部与中间平台3的上部固定连接，第一驱动支链7和第三驱动支链10分别与中间平台3的两侧铰接，如图9所示，中间平台3的底部与动平台2铰接，动平台2的侧部与第二驱动支链8的底部铰接，动平台2的底部与摇摆头机构1铰接；摇摆头机构1为单自由度机构或两自由度机构；移动平台包括移动架23和支撑基座24，移动架23在支撑基座24上能直线移动，并联结构的定平台11与移动架23连接。

优选的，如图8和10所示，第一驱动支链7、第二驱动支链8和第三驱动支链10均包括转动副构件14、电机17、丝杠13、丝杠螺母18、导轨12、导轨滑块15和导轨支架16，转动副构件14为内部具有长方体空腔的矩形方块，长方体空腔内设有与丝杠螺母18固连的支耳，丝杠13与丝杠螺母18螺接并贯穿转动副构件14，转动副构件14底部固定有导轨滑块15，导轨滑块15沿导轨支架16上的导轨12滑动，丝杠13的第一端通过联轴器与固定在导轨支架16第一端的电机17相连，丝杠13的第二端与导轨支架16第二端的轴承相连，第一驱动支链7和第三驱动支链10的转动副构件与固定支架6的两侧的长方形框体铰接，第二驱动支链8的转动副构件与转动支架9铰接。通过电机17的驱动，丝杠13传动从而带动导轨支架16在转动副构件14上移动，实现驱动支链长度的改变，进而通过三条驱动支链不同长度的组合，实现机器人的两个转动和一个移动自由度。

优选的，如图7所示，随动支链19包括伸缩杆4和套筒5，伸缩杆4上设有导轨，伸缩杆4的一端与中间平台3固定从而使随动支链与中间平台3不能相对运动，套筒5内设有与伸缩杆4的导轨配合的凹槽轨道，套筒5套设在伸缩杆4上，套筒5的圆柱面两侧设有与固定支架6的中部的长方形框体铰接的伸出轴。

优选的，如图9和12所示，中间平台3为两侧设有支耳的凹槽状结构，支耳分别与第一驱动支链7和第三驱动支链10的导轨支架的第二端部铰接，动平台2铰接在中间平台3的凹槽内。

本申请中，摇摆头机构1为单自由度机构或两自由度机构两种形式，在本实施例中，如图11所示，摇摆头机构1为包括摇摆头21的单自由度机构，摇摆头21与动平台2铰接；在另一实施例中，如图12所示，摇摆头机构1为包括回转架20和摇摆头21的两自由度机构，回转架20为U型结构，U型结构的封闭端与动平台2铰接，U型结构的开口端与摇摆头21铰接。

优选的，移动架23通过导轨沿支撑基座24移动，移动架23为U型结构，移动架23的封闭端通过导轨与支撑基座24连接并沿其移动，移动架23的开口端与定平台11的两端连接，并联机构随移动架23的移动进行移动。

优选的，本实施例中的铰接采用伸出轴和圆形通孔通过连接铰链的方式进行连接，也可采用其他的能转动的连接方式进行连接。

本发明的混联机器人通过第一、第二和第三驱动支链上电机的驱动，通过丝杠传动从而带动导轨支架在转动副构件上移动，实现驱动支链长度的改变，进而通过三条驱动支链不同长度的组合，实现机器人的两个转动和一个移动自由度：保持第二驱动支链长度不变，通过第一、第三驱动支链长度按照一定比例变化，实现并联机构的动平台绕随动支链与固定支架的连接铰链轴线的转动；保持第一、第三驱动支链长度不变，通过改变第二驱动支链的长度，实现并联机构的动平台相对于中间平台绕其连接铰链轴线的转动；通过第一、第二和第三驱动支链长度同时按照一定的比例变化，实现并联机构动平台沿其法线的移动。

综上，本发明具有以下优点：

(1)本发明提出的四支链两转动一移动并联机构，将传统的动平台拆分成动平台和中间平台两部分，中间平台固定在随动支链的伸缩杆上，可在第一、第三驱动支链的驱动下实现左右小范围的摆动，起到调整姿态的作用，使机器人运动更加灵活；而且简化了动平台的结构，降低了其设计难度，提高了机器人的整体结构刚度。

(2)本发明采用的四支链两转动一移动并联机构，随动支链能够承受大部分侧向载荷，增加了机器人的侧向刚度；而且其为恰约束被动支链，可在其三个运动副上安装位移传感器，实现机构输出运动的实时反馈，实现机器人高精度的运动控制。

(3)本发明设计的四支链两转动一移动并联机构为模块化结构，通过定平台安装到移动架上，这里可根据任务需要使并联机构定平台安装到机架不同角度、不同位置上，实现不同的任务需求，适应性强。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种基于四支链两转动一移动并联机构的混联机器人，其特征在于：其包括并联机构、摇摆头机构以及移动平台，

所述并联机构包括驱动支链、随动支链、定平台、转动支架、固定支架、中间平台以及动平台，由随动支链和构成所述驱动支链的第一驱动支链、第二驱动支链和第三驱动支链一起组成所述四支链，所述定平台为由两个长方形框体拼接而成的凸型结构，包括基座的长方形框体和凸起部分的框体，所述固定支架为内部设有三个矩形通孔的框体，所述固定支架固定在所述定平台的基座的框体内部，固定支架与定平台之间不能相对运动，所述转动支架为长方形框体，所述转动支架铰接在所述定平台的凸起部分的框体内；

所述第一驱动支链和第三驱动支链分别铰接在所述固定支架的两侧的框体内，所述随动支链铰接在所述固定支架的中部的框体内，所述第二驱动支链铰接在所述转动支架内部，所述随动支链的底部与所述中间平台的上部固定连接，所述随动支链包括伸缩杆和套筒，所述伸缩杆上设有导轨，所述伸缩杆的一端与所述中间平台固定，所述第一驱动支链和第三驱动支链分别与所述中间平台的两侧铰接，所述中间平台的底部与所述动平台铰接，所述动平台的侧部与所述第二驱动支链的底部铰接，所述动平台的底部与所述摇摆头机构铰接；

所述摇摆头机构为两自由度机构；所述移动平台包括移动架和支撑基座，所述移动架通过导轨在支撑基座上能直线移动，所述并联机构的定平台与所述移动架连接；所述摇摆头机构包括回转架和摇摆头的两自由度机构，所述回转架为U型结构，所述U型结构的封闭端与所述动平台铰接，所述U型结构的开口端与所述摇摆头铰接；

通过第一、第二和第三驱动支链上电机的驱动，通过丝杠传动从而带动导轨支架在转动副构件上移动，实现驱动支链长度的改变，进而通过三条驱动支链不同长度的组合，实现机器人的两个转动和一个移动自由度：保持第二驱动支链长度不变，通过第一、第三驱动支链长度按照一定比例变化，实现并联机构的动平台绕随动支链与固定支架的连接铰链轴线的转动；保持第一、第三驱动支链长度不变，通过改变第二驱动支链的长度，实现并联机构的动平台相对于中间平台绕其连接铰链轴线的转动；通过第一、第二和第三驱动支链长度同时按照一定的比例变化，实现并联机构动平台沿其法线的移动。

2.根据权利要求1所述的基于四支链两转动一移动并联机构的混联机器人，其特征在于：所述第一驱动支链、第二驱动支链和第三驱动支链均包括转动副构件、电机、丝杠、丝杠螺母、导轨、导轨滑块和导轨支架，所述转动副构件为内部具有空腔的矩形方块，所述空腔内设有与所述丝杠螺母固连的支耳，所述丝杠与所述丝杠螺母螺接并贯穿所述转动副构件，所述转动副构件底部固定有所述导轨滑块，所述导轨滑块沿所述导轨支架上的导轨滑动，所述丝杠的第一端通过联轴器与固定在所述导轨支架第一端的电机相连，所述丝杠的第二端与导轨支架第二端的轴承相连，所述第一驱动支链和第三驱动支链的转动副构件与所述固定支架的两侧的长方形框体铰接，所述第二驱动支链的转动副构件与所述转动支架铰接。

3.根据权利要求1所述的基于四支链两转动一移动并联机构的混联机器人，其特征在于：所述套筒内设有与所述伸缩杆的导轨配合的凹槽轨道，所述套筒套设在所述伸缩杆上，所述套筒的圆柱面两侧设有与所述固定支架的中部的长方形框体铰接的伸出轴。

4.根据权利要求1所述的基于四支链两转动一移动并联机构的混联机器人，其特征在于：所述中间平台为两侧设有支耳的凹槽状结构，所述支耳分别与所述第一驱动支链和第三驱动支链的导轨支架的第二端部铰接，所述动平台铰接在所述中间平台的凹槽内。

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