CN108995727A - 一种气动肌肉驱动的Delta机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机器人结构设计技术领域，一种气动肌肉驱动的Delta机器人，包括静平台、支架、动平台、支链结构、气动驱动装置、中转机构和安全制动装置。所述支架固定在静平台下表面，气动驱动装置与安全制动装置固定在支架上。气动驱动装置通过链条与链轮配合，链轮与安全制动装置的传动轴通过键连接，安全制动装置制动链轮，使气动驱动装置停止。支链结构一端与气动驱动装置连接，另一端与动平台连接。静平台通过中转机构与动平台连接，实现Delta机器人的旋转。采用气动肌肉代替电机作为Delta机器人的驱动元件，可大大降低成本，具有结构简单、无污染、环境适应力强和抗干扰能力强等电机驱动无法比拟的优点。

Description

一种气动肌肉驱动的Delta机器人
技术领域
本发明属于机器人结构设计技术领域，涉及一种气动肌肉驱动的Delta机器人。
背景技术
并联机器人是完美的将现代机器人技术与现代机床技术结合的产物。第一台用于工业的并联机器人问世后，并联机构的应用犹如雨后春笋般冒出来，并联机器人在工业各个部门以及医疗、卫生、娱乐等行业得到大力的推广。在电子、轻工、食品和医药等行业中，通常需要以很高的速度完成诸如插装、封装、包装、分检等操作，相应的操作对象一般具有体积小、质量轻的特征。并联机械手采用闭环结构，具有刚度大、精度高、承载能力强、自重负荷比小等优点，特别适于对物料的高速操作。这就造成了并联机构对人们日常生活的影响会愈来愈深远。因为Delta机器人的工作空间较为宽阔，并具有良好的刚度、高精度、高速度和高加速度等优点，所以适用于多种多样的工作场合。目前市面上售卖的Delta并联机器人全是由电机驱动的，而使用电机又必须加装驱动器和减速器。一般来说，一个电机和配套的驱动器加减速器总卖价大概在一万及一万五之间。一个Delta机器人需要三个电机及其配套设备。只是这些的成本就已经很高了，再加上机架及辅助零部件，总造价在五万元以上。气动肌肉是一种拉伸执行机构，模仿肌腱运动由收缩系统和相应的连接件组成。它作为一种新型的气体驱动元件，具有较高的功率质量比和功率体积比，响应速度快、成本低廉、安全可靠、清洁无污染、应用方便以及柔顺性好等优点。
发明内容
为克服现有技术存在的问题，本发明提供了一种气动肌肉驱动的Delta机器人。
本发明的技术方案如下：
一种气动肌肉驱动的Delta机器人，包括静平台、支架、动平台、支链结构、气动驱动装置、中转机构和安全制动装置；所述支架固定在静平台下表面，气动驱动装置与安全制动装置固定在支架上；气动驱动装置通过链条与链轮配合，链轮与安全制动装置的传动轴通过键连接，安全制动装置制动链轮，使气动驱动装置停止；支链结构一端与气动驱动装置连接，另一端与动平台连接；静平台通过中转机构与动平台连接。
所述支链结构包括支链主动臂、从动臂、球铰轴、衬套、主动臂拉簧与主动臂拉环；支链主动臂一端与链轮固定，支链主动臂另一端与球铰轴连接，球铰轴通过衬套与从动臂连接；从动臂为两杆结构，从动臂杆的两端分别平行固定一对主动臂拉环，每端的两个主动臂拉环之间通过主动臂拉簧连接，保持双杆的运动协调一致性；从动臂与动平台的连接方式和支链主动臂与从动臂的连接方式相同。
所述气动驱动装置包括气动肌肉、气动肌肉上接头、气动肌肉下接头和链条；链条的两端分别通过气动肌肉上接头与两根气动肌肉连接，两根气动肌肉的另一端分别通过气动肌肉下接头固定在支架上，气动肌肉伸缩使链条带动链轮转动，从而带动与链轮连接的支链主动臂转动，支链主动臂将运动通过从动臂传递到动平台，实现Delta机器人的旋转。
所述安全制动装置包括制动器、减速器、传动轴、轴承座、套筒和挡圈；制动器与减速器通过减制轴连接；减速器通过轴承座固定在支架上；传动轴一端穿过轴承座与减速器连接，另一端穿过链轮固定在支架上，套筒套装在传动轴上，套筒实现链轮与支链主动臂的轴向定位；挡圈固定在套筒的外侧端，用于轴向定位传动轴，防止传动轴由套筒中滑出；链轮与传动轴通过键连接，键实现该支链主动臂与链轮的径向定位，减速器通过控制传动轴的转动，进而控制链轮的转动，可实现链轮以及气动驱动装置的安全制动。
所述中转机构包括中转气动肌肉、中转拉簧、滑轮、钢丝绳、中转轴和伸缩装置；中转轴下端通过万向节Ⅱ与伸缩装置连接，伸缩装置通过万向节Ⅰ与动平台连接，中转轴上端固定滑轮，中转气动肌肉与中转拉簧通过钢丝绳连接，钢丝绳绕过滑轮，中转气动肌肉伸缩带动滑轮转动，从而带动中转轴旋转与伸缩装置的伸缩，进而实现动平台旋转以及配合气动驱动装置实现平动。
所述伸缩装置包括二阶伸缩端件Ⅰ、二阶伸缩端件Ⅱ、二阶伸缩端件Ⅲ、二阶伸缩端件Ⅳ、二阶伸缩端件Ⅴ、伸缩杆对Ⅰ、伸缩杆对Ⅱ和伸缩杆；二阶伸缩端件Ⅰ和二阶伸缩端件Ⅳ与伸缩杆对Ⅰ构成盒状结构1；二阶伸缩端件Ⅱ与二阶伸缩端件Ⅴ与伸缩杆对Ⅱ构成盒状结构2，盒状结构2置于盒状结构1内部；伸缩杆置于盒状结构1内部；二阶伸缩端件Ⅱ置于伸缩杆对Ⅰ和伸缩杆对Ⅱ之间，二阶伸缩端件Ⅱ在伸缩杆对Ⅰ上自由滑动；二阶伸缩端件Ⅲ置于伸缩杆对Ⅱ和伸缩杆之间，二阶伸缩端件Ⅲ在伸缩杆对Ⅱ上滑动；二阶伸缩端件Ⅴ在伸缩杆上滑动。
进一步的，所述的支链结构至少2组，均与动平台连接。
进一步的，所述支链结构有3组，以动平台的竖直轴线每隔120度设置一组。
进一步的，中转轴、伸缩装置、万向节Ⅱ和万向节Ⅰ沿同一轴线，且垂直于动平台，静平台与动平台平行。
本发明的有益效果：采用气动肌肉代替电机作为Delta机器人的驱动元件，可大大降低成本，具有结构简单、无污染、环境适应力强和抗干扰能力强等电机驱动无法比拟的优点。
附图说明
图1为本发明一种气动肌肉驱动的Delta机器人的结构示意图。
图2为图1的俯视图。
图3为图1的左视图。
图4为一组气动驱动装置的结构示意图。
图5为安全制动装置的装配示意图。
图6为安全制动装置的剖视图。
图7为中转机构的结构示意图。
图8为中转机构的伸缩装置的结构侧视图。
图9为中转机构的伸缩装置的结构俯视图。
图中：1支链主动臂；2气动驱动装置；3安全制动装置；4静平台；5三角立柱；6支架；7动平台；8中转机构；9支链从动臂；10钢丝绳；11滑轮；12中转气动肌肉；13球铰轴；14衬套；15主动臂拉簧；16主动臂拉环；17中转拉簧；18链条；19链轮；20气动肌肉；21气动肌肉下接头；22气动肌肉上接头；23制动器；24减制垫；25减制轴；26减速器；27轴承座；28深沟球轴承；29套筒；30挡圈；31传动轴；32键；33万向节Ⅰ；34伸缩装置；35万向节Ⅱ；36中转轴；37二阶伸缩端件Ⅰ；38二阶伸缩端件Ⅱ；39二阶伸缩端件Ⅲ；40二阶伸缩端件Ⅳ；41二阶伸缩端件Ⅴ；42伸缩杆对Ⅰ；43伸缩杆对Ⅱ；44伸缩杆。
具体实施方式
下面结合图1～图9和具体的实施例对本发明的一种气动肌肉驱动的Delta机器人作进一步的详细说明。
根据图1～图2所示，一种气动肌肉驱动的Delta机器人，包括静平台4、支架6、动平台7、支链主动臂1和从动臂9、气动驱动装置2、中转机构8以及安全制动装置3。静平台4固定不动，支架6固定在静平台4下方，用于支撑气动驱动装置2与固定安全制动装置3；气动驱动装置2通过链条18与链轮19配合，链轮19与安全制动装置3的传动轴31传动连接，安全制动装置3制动气动驱动装置2的链轮9。支链结构一端与气动驱动装置2连接，另一端与动平台2连接。静平台4通过中转机构8与动平台7连接，实现该机器人的旋转。
因三组从支架到支链从动臂的装配组成完全相同，在本实例中，选取其中的一组进行详细的说明。
如图3所示，所述支链结构包括主动臂1、从动臂9、球铰轴13、衬套14、主动臂拉簧15与主动臂拉环16。支链主动臂1一端与链轮19固定，另一端与球铰轴13连接，球铰轴13通过衬套14与从动臂9连接。从动臂9为两杆结构，从动臂9的两杆端部分别平行固定一对主动臂拉环16，每端的两个主动臂拉环16之间通过主动臂拉簧15连接，以保持双杆的运动协调一致性。从动臂9与动平台7的连接方式和支链主动臂1与从动臂9的连接方式相同。
如图4所示，所述气动驱动装置2由两根气动肌肉20、气动肌肉上接头22、气动肌肉下接头21以及链条19构成。链条18的两端分别通过气动肌肉上接头22与气动肌肉20连接，气动肌肉20的另一端通过气动肌肉下接头21固定在支架6上。气动肌肉20伸缩使链条18带动链轮19转动，从而带动与链轮19连接的支链主动臂1转动，支链主动臂1将运动通过从动臂9传递到动平台7，完成平动驱动。
如图5～图6所示，所述安全制动装置3由制动器23、减速器25、传动轴31、键32、深沟球轴承28、轴承座27、套筒29以及挡圈30等构成。制动器23与减速器26通过减制轴25连接；减速器26通过轴承座27固定在支架6上；传动轴31一端穿过轴承座27与减速器26连接，另一端利用轴承、轴承座与螺栓组把在支架6上，实现传动轴31的径向定位。挡圈30用于轴向定位传动轴31。链轮19与支链主动臂1一端连接，并穿过传动轴31，由键32实现该支链主动臂1端部与链轮19的径向定位，由套装在传动轴31上的套筒29实现轴向定位。由此，减速器26通过控制传动轴31的转动，进而控制链轮19的转动，实现气动驱动装置2的安全制动。
如图7所示，所述中转机构8由中转气动肌肉12、中转拉簧17、滑轮11、钢丝绳10、中转轴36、伸缩装置34以及万向节Ⅱ35等构成。中转轴36上端固定滑轮11，其下部通过万向节Ⅱ35与伸缩装置34连接，伸缩装置34通过万向节Ⅰ33与动平台7连接。中转气动肌肉12与中转拉簧17通过钢丝绳10连接，钢丝绳10绕过滑轮11，中转气动肌肉12伸缩带动滑轮11转动，从而带动中转轴36旋转与伸缩装置34的伸缩，进而实现动平台旋转以及配合气动驱动装置实现平动。
如图8～图9所示，所述伸缩装置34包括二阶伸缩端件Ⅰ37、二阶伸缩端件Ⅱ38、二阶伸缩端件Ⅲ39、二阶伸缩端件Ⅳ40、二阶伸缩端件Ⅴ41、伸缩杆对Ⅰ42、伸缩杆对Ⅱ43和伸缩杆44。二阶伸缩端件Ⅰ37和二阶伸缩端件Ⅳ40与伸缩杆对Ⅰ42构成盒状结构1；二阶伸缩端件Ⅱ38与二阶伸缩端件Ⅴ41与伸缩杆对Ⅱ43构成盒状结构2，盒状结构2置于盒状结构1内部，二阶伸缩端件Ⅱ38可在伸缩杆对Ⅰ42上自由滑动二阶伸缩端件Ⅲ39与伸缩杆44连接，在伸缩杆对Ⅱ43上滑动。伸缩装置最短状态时，二阶伸缩端件Ⅰ37、二阶伸缩端件Ⅱ38和二阶伸缩端件Ⅲ39都置于顶部；伸缩装置处于最长状态时，二阶伸缩端件Ⅱ38向下运动和二阶伸缩端件Ⅳ40靠近，二阶伸缩端件Ⅲ39和二阶伸缩端件Ⅴ41都置于底部，可实现的伸缩范围为289mm～721mm。
进一步地，二阶伸缩端件Ⅰ37长21mm，二阶伸缩端件Ⅱ38长8mm，二阶伸缩端件Ⅲ39长8mm，二阶伸缩端件Ⅳ40长10mm，二阶伸缩端件Ⅴ41长10mm；二阶伸缩杆对Ⅰ42长224mm，二阶伸缩杆对Ⅱ43长224mm，二阶伸缩杆44长252mm。故当该伸缩装置处于最短状态时，长度为252+8+8+21＝289mm；处于最长状态时，长度为224+21+224+252＝721mm。

Claims (9)

1.一种气动肌肉驱动的Delta机器人，其特征在于，包括静平台(4)、支架(6)、动平台(7)、支链结构、气动驱动装置(2)、中转机构(8)和安全制动装置(3)；所述支架(6)固定在静平台(4)下表面，气动驱动装置(2)与安全制动装置(3)固定在支架(6)上；气动驱动装置(2)通过链条(18)与链轮(19)配合，链轮(19)与安全制动装置(3)的传动轴(31)通过键(32)连接，安全制动装置(3)制动链轮(19)，使气动驱动装置(2)停止；气动驱动装置(2)与支链结构一端连接，支链结构另一端与动平台(7)连接；静平台(4)通过中转机构(8)与动平台(7)连接；
所述支链结构包括支链主动臂(1)、从动臂(9)、球铰轴(13)、衬套(14)、主动臂拉簧(15)与主动臂拉环(16)；支链主动臂(1)一端与链轮(19)固定，支链主动臂(1)另一端与球铰轴(13)连接，球铰轴(13)通过衬套(14)与从动臂(9)连接；从动臂(9)为两杆结构，从动臂(9)杆的两端分别平行固定一对主动臂拉环(16)，每端的两个主动臂拉环(16)之间通过主动臂拉簧(15)连接，保持双杆的运动协调一致性；从动臂(9)与动平台(7)的连接方式和支链主动臂(1)与从动臂(9)的连接方式相同；
所述气动驱动装置(2)包括气动肌肉(20)、气动肌肉上接头(22)、气动肌肉下接头(21)和链条(18)；链条(18)的两端分别通过气动肌肉上接头(22)与两根气动肌肉(20)连接，两根气动肌肉(20)的另一端分别通过气动肌肉下接头(21)固定在支架(6)上，气动肌肉(20)伸缩使链条(18)带动链轮(19)转动，从而带动与链轮(19)连接的支链主动臂(1)转动，支链主动臂(1)将运动通过从动臂(9)传递到动平台(7)，实现Delta机器人的旋转；
所述安全制动装置(3)包括制动器(23)、减速器(26)、传动轴(31)、轴承座(27)、套筒(29)和挡圈(30)；制动器(23)通过减制轴(25)与减速器(26)连接；减速器(26)通过轴承座(27)固定在支架(6)上；传动轴(31)一端穿过轴承座(27)与减速器(26)连接，另一端穿过链轮(19)固定在支架(6)上，传动轴(31)外套套筒(29)，套筒(29)实现链轮(19)与支链主动臂(1)的轴向定位；挡圈(30)固定在套筒(29)的外侧端，用于轴向定位传动轴(31)，防止传动轴(31)由套筒(29)中滑出；链轮(19)与传动轴(31)通过键(32)连接，键(32)实现该支链主动臂(1)与链轮(19)的径向定位，减速器(26)通过控制传动轴(31)的转动，进而控制链轮(19)的转动，实现气动驱动装置(2)的安全制动；
所述中转机构(8)包括中转气动肌肉(12)、中转拉簧(17)、滑轮(11)、钢丝绳(10)、中转轴(36)和伸缩装置(34)；中转轴(36)下端通过万向节Ⅱ(35)与伸缩装置(34)连接，伸缩装置(34)通过万向节Ⅰ(33)与动平台(7)连接；中转轴(36)上端固定滑轮(11)；中转气动肌肉(12)与中转拉簧(17)通过钢丝绳(10)连接，钢丝绳(10)绕过滑轮(11)，中转气动肌肉(12)伸缩带动滑轮(11)转动，从而带动中转轴(36)旋转与伸缩装置(34)的伸缩。
2.如权利要求1所述的一种气动肌肉驱动的Delta机器人，其特征在于，所述伸缩装置(34)包括二阶伸缩端件Ⅰ(37)、二阶伸缩端件Ⅱ(38)、二阶伸缩端件Ⅲ(39)、二阶伸缩端件Ⅳ(40)、二阶伸缩端件Ⅴ(41)、伸缩杆对Ⅰ(42)、伸缩杆对Ⅱ(43)和伸缩杆(44)；二阶伸缩端件Ⅰ(37)和二阶伸缩端件Ⅳ(40)与伸缩杆对Ⅰ(42)构成盒状结构1；二阶伸缩端件Ⅱ(38)与二阶伸缩端件Ⅴ(41)与伸缩杆对Ⅱ(43)构成盒状结构2，盒状结构2置于盒状结构1内部；伸缩杆(44)置于盒状结构1内部；二阶伸缩端件Ⅱ(38)置于伸缩杆对Ⅰ(42)和伸缩杆对Ⅱ(43)之间，二阶伸缩端件Ⅱ(38)在伸缩杆对Ⅰ(42)上自由滑动；二阶伸缩端件Ⅲ(39)置于伸缩杆对Ⅱ(43)和伸缩杆(44)之间，二阶伸缩端件Ⅲ(39)在伸缩杆对Ⅱ(43)上滑动；二阶伸缩端件Ⅴ(41)在伸缩杆(44)上滑动。
3.如权利要求1或2所述的一种气动肌肉驱动的Delta机器人，其特征在于，
中转轴(36)、伸缩装置(34)、万向节Ⅱ(35)和万向节Ⅰ(33)沿同一轴线，且垂直于动平台(7)，静平台(4)与动平台(7)平行。
4.如权利要求1或2所述的一种气动肌肉驱动的Delta机器人，其特征在于，所述的支链结构至少2组，均与动平台(7)连接。
5.如权利要求3所述的一种气动肌肉驱动的Delta机器人，其特征在于，所述的支链结构至少2组，均与动平台(7)连接。
6.如权利要求1或2所述的一种气动肌肉驱动的Delta机器人，其特征在于，所述支链结构有3组，以动平台(7)的竖直轴线每隔120度设置一组。
7.如权利要求1或2或5所述的一种气动肌肉驱动的Delta机器人，其特征在于，所述支链结构有3组，以动平台(7)的竖直轴线每隔120度设置一组。
8.如权利要求3所述的一种气动肌肉驱动的Delta机器人，其特征在于，所述支链结构有3组，以动平台(7)的竖直轴线每隔120度设置一组。
9.如权利要求4所述的一种气动肌肉驱动的Delta机器人，其特征在于，所述支链结构有3组，以动平台(7)的竖直轴线每隔120度设置一组。
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