CN109278025B - 一种五自由度混联机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种五自由度混联机器人，包括定平台、动平台、复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、复杂支链Ⅲ、简单支链Ⅳ。本发明基于方位特征集理论和方法采用复杂支链Ⅰ、复杂支链Ⅲ和一条简单支链Ⅱ连接动平台和定平台来构建并联机构，该并联机构能实现空间三维移动。在该并联机构基础上串联两个转动副构成的串联链，该串联具有两个自由度，因此该混联机构的自由度为五，具有空间五维运动。该混联机构综合了串联机构工作空间大，运动灵活的特点，又结合了并联机构强度、刚度大的特点，因此其结构简单，易于控制，能实现空间三维移动和两维转动，可用于工业复杂曲面的加工和焊接作业，是一种新型的并联机构，可以为加工制造提供帮助。

Description

一种五自由度混联机器人

技术领域

本发明涉及一种五自由度混联机器人，属于混联机器人技术领域。

背景技术

串联机构的历史久远，研究其机构参数、运动学问题已经成为世界已经攻克的问题，必须承认其大的工作空间，较低的耦合度使得其一度成为机器人研究的热点和方向。目前这种串联臂依然在生产线上广泛的应用。然而因为其强度和刚度较低，因此导致其末端承载能力较差，精度较低。而近几十年来发展的并联机构因为其强度和刚度比较大，累积误差下而受到广泛的关注。然而其缺点是具有较小的工作空间和灵活度。

国内外一些学者认为将串联机器人的优点和并联机器人的优点结合起来构成混联机构。这种机构能克服串联和并联的缺点，因此混联机构成为现代机器人研究领域的热点。然而混联机构中的并联机构的选取是一个较大的难题，其主要性能也直接决定了混联机构的性能。

发明内容

本发明提供了一种五自由度混联机器人，通过采用复杂支链Ⅰ、复杂支链Ⅲ和一条简单支链Ⅱ连接动平台和定平台来构建并联机构，该并联机构能实现空间三维移动，在该并联机构基础上串联两个转动副构成的串联链，该串联具有两个自由度，使得整个混联机构的自由度为五，具有空间五维运动。

本发明的技术方案是：一种五自由度混联机器人，包括定平台P、动平台Q、复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、复杂支链Ⅲ、简单支链Ⅳ；

所述复杂支链Ⅰ对动平台Q产生三维移动和一维转动的作用；

所述简单支链Ⅱ为能实现空间6自由度运动的串联链，不对动平台Q运动产生约束；

所述复杂支链Ⅲ为对动平台Q产生三维移动和一维转动的作用；复杂支链Ⅲ采用的结构与复杂支链Ⅰ相同；

所述定平台P、动平台Q通过复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、复杂支链Ⅲ三条支链连接构成了并联机构，简单支链Ⅳ与动平台Q中心点连接，整体形成了混联机构；三条支链的复合运动构成了动平台Q的输出运动为三维移动，该三维移动与简单支链Ⅳ产生的空间二维转动共同构成简单支链Ⅳ的刀具8输出的末端运动为三维移动和两维转动。

所述动平台Q采用任意三角形形式配置；定平台P采用任意形式配置。

所述简单支链Ⅱ一端的运动副与动平台Q的一个角连接，复杂支链Ⅰ、复杂支链Ⅲ一端分别与动平台Q的另外两个角焊接连接，复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、复杂支链Ⅲ另一端通过运动副与定平台P连接，简单支链Ⅳ一端的转动副与动平台Q的中心点连接；复杂支链Ⅲ与定平台P连接的运动副、复杂支链Ⅰ与定平台P连接的运动副轴线垂直，使得复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、复杂支链Ⅲ这三条支链与定平台P的连接点构成直角三角形，三条支链互不相交。

与动平台Q的三个角连接的三条支链一端分别为：复杂支链Ⅰ、复杂支链Ⅲ的一端为连接杆，简单支链Ⅱ一端为球副或虎克铰；作为驱动副的与定平台P连接的复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、复杂支链Ⅲ另一端的运动副为转动副或者移动副。

所述复杂支链Ⅰ由转动副R11、转动副R12、转动副R13、四个转动副构成的平行四边形机构ABCD、第一连接杆1、第二连接杆2组成；其中，第一连接杆1的一端与动平台Q的一个角焊接，第一连接杆1另一端通过转动副R11与平行四边形机构ABCD的一条边中点连接，平行四边形机构ABCD该条边的另一对边中点通过转动副R12与第二连接杆2一端连接，第二连接杆2的另一端直接通过转动副R13与定平台P连接，作为驱动副的转动副R13能由移动副替代，转动副R11、转动副R12、转动副R13的轴线平行，该复杂支链Ⅰ能实现空间三维移动和一维转动运动。

所述复杂支链Ⅲ由转动副R31、转动副R32、转动副R33、四个转动副构成的平行四边形机构EFGH、第五连接杆5、第六连接杆6组成；其中，第五连接杆5的一端直接与动平台Q的一个角焊接，第五连接杆另一端通过转动副R31与平行四边形机构EFGH的一条边中点连接，平行四边形机构EFGH该条边的另一对边中点通过转动副R32与第六连接杆6一端连接，第六连接杆6的另一端直接通过转动副R33与定平台P连接，作为驱动副的转动副R33能由移动副替代，转动副R31、转动副R32、转动副R33的轴线平行，该复杂支链Ⅲ能实现空间三维移动移和一维转动运动。

所述简单支链Ⅱ由转动副R23、球副S22、球副S21、第三连接杆3、第四连接杆4组成；其中，第三连接杆3一端通过球副S21与动平台Q一个角连接，第三连接杆3另一端通过球副S22与第四连接杆4一端连接，第四连接杆4的另一端通过转动副R23与定平台P连接，作为驱动副的转动副R23能由移动副替代，球副S21能由虎克铰代替。

所述简单支链Ⅳ由转动副R41、转动副R42、第七连接杆7、刀具8组成；其中，第七连接杆7一端通过转动副R41与动平台Q中心点连接，第七连接杆7另一端通过转动副R42与刀具8连接，转动副R41的轴线与动平台Q垂直，转动副R41的轴线与转动副R42轴线垂直。

本发明的有益效果是：本发明基于方位特征集理论和方法采用复杂支链Ⅰ、复杂支链Ⅲ和一条简单支链Ⅱ连接动平台和定平台来构建并联机构，该并联机构能实现空间三维移动。在该并联机构基础上串联两个转动副构成的串联链，该串联具有两个自由度，因此该混联机构的自由度为五，具有空间五维运动。该混联机构综合了串联机构工作空间大，运动灵活的特点，又结合了并联机构（特别是三自由度并联机器人）强度、刚度大的特点，因此其结构简单，易于控制，能实现空间三维移动和两维转动，可用于工业复杂曲面的加工和焊接作业，是一种新型的并联机构，可以为加工制造提供帮助。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图中各标号为：P-定平台、Q-动平台、1-第一连接杆、2-第二连接杆、3-第三连接杆、4-第四连接杆、5-第五连接杆、6-第六连接杆、7-第七连接杆、8-刀具。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明，但本发明的内容并不限于所述范围。

实施例1：如图1所示，一种五自由度混联机器人，包括定平台P、动平台Q、复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、复杂支链Ⅲ、简单支链Ⅳ；所述复杂支链Ⅰ对动平台Q产生三维移动和一维转动的作用；所述简单支链Ⅱ为能实现空间6自由度运动的串联链，不对动平台Q运动产生约束；所述复杂支链Ⅲ为对动平台Q产生三维移动和一维转动的作用；复杂支链Ⅲ采用的结构与复杂支链Ⅰ相同；所述定平台P、动平台Q通过复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、复杂支链Ⅲ三条支链连接构成了并联机构，简单支链Ⅳ与动平台Q中心点连接，整体形成了混联机构；三条支链的复合运动构成了动平台Q的输出运动为三维移动，该三维移动与简单支链Ⅳ产生的空间二维转动共同构成简单支链Ⅳ的刀具8输出的末端运动为三维移动和两维转动。

进一步地，可以设置所述动平台Q采用任意三角形形式配置（如锐角三角形、钝角三角形、直角三角形等等）；定平台P采用任意形式配置。

进一步地，可以设置所述简单支链Ⅱ一端的运动副与动平台Q的一个角连接，复杂支链Ⅰ、复杂支链Ⅲ一端分别与动平台Q的另外两个角焊接连接，复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、复杂支链Ⅲ另一端通过运动副与定平台P连接，简单支链Ⅳ一端的转动副与动平台Q的中心点连接；复杂支链Ⅲ与定平台P连接的运动副、复杂支链Ⅰ与定平台P连接的运动副轴线垂直（即R13、R33轴线垂直），使得复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、复杂支链Ⅲ这三条支链与定平台P的连接点构成直角三角形，三条支链互不相交。

进一步地，可以设置与动平台Q的三个角连接的三条支链一端分别为：复杂支链Ⅰ、复杂支链Ⅲ的一端为连接杆，简单支链Ⅱ一端为球副或虎克铰；作为驱动副的与定平台P连接的复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、复杂支链Ⅲ另一端的运动副为转动副或者移动副。

进一步地，可以设置所述复杂支链Ⅰ由转动副R11、转动副R12、转动副R13、四个转动副构成的平行四边形机构ABCD、第一连接杆1、第二连接杆2组成；其中，第一连接杆1的一端与动平台Q的一个角焊接，第一连接杆1另一端通过转动副R11与平行四边形机构ABCD的一条边AB中点连接，平行四边形机构ABCD该条边的另一对边CD中点通过转动副R12与第二连接杆2一端连接，第二连接杆2的另一端直接通过转动副R13与定平台P连接，作为驱动副的转动副R13能由移动副替代，不影响复杂支链Ⅰ的作用效果，转动副R11、转动副R12、转动副R13的轴线平行，该复杂支链Ⅰ能实现空间三维移动和一维转动运动。

进一步地，可以设置所述复杂支链Ⅲ由转动副R31、转动副R32、转动副R33、四个转动副构成的平行四边形机构EFGH、第五连接杆5、第六连接杆6组成；其中，第五连接杆5的一端直接与动平台Q的一个角焊接，第五连接杆另一端通过转动副R31与平行四边形机构EFGH的一条边EF中点连接，平行四边形机构EFGH该条边的另一对边GH中点通过转动副R32与第六连接杆6一端连接，第六连接杆6的另一端直接通过转动副R33与定平台P连接，作为驱动副的转动副R33能由移动副替代，不影响复杂支链Ⅲ的作用效果，转动副R31、转动副R32、转动副R33的轴线平行，该复杂支链Ⅲ能实现空间三维移动移和一维转动运动。

进一步地，可以设置所述简单支链Ⅱ由转动副R23、球副S22、球副S21、第三连接杆3、第四连接杆4组成；其中，第三连接杆3一端通过球副S21与动平台Q一个角连接，第三连接杆3另一端通过球副S22与第四连接杆4一端连接，第四连接杆4的另一端通过转动副R23与定平台P连接，作为驱动副的转动副R23能由移动副替代，使得该支链为PSS结构，该机构的作用效果与RSS支链作用效果等价，球副S21能由虎克铰代替。

进一步地，可以设置所述简单支链Ⅳ由转动副R41、转动副R42、第七连接杆7、刀具8组成；其中，第七连接杆7一端通过转动副R41与动平台Q中心点连接，第七连接杆7另一端通过转动副R42与刀具8连接，转动副R41的轴线与动平台Q垂直，转动副R41的轴线与转动副R42轴线垂直。

本发明的工作原理是：

该混联机构的支链Ⅰ末端作用在动平台Q上，其末端最终的输出运动为三维移动和一维转动。支链Ⅲ末端作用在动平台Q上，其末端最终的输出运动为三维移动和一维转动。因为转动副R13和转动副R33的轴线垂直，因此支链Ⅰ和支链Ⅲ共同约束了机构的一维转动，最终动平台Q的输出运动为三维移动（3T）。支链Ⅱ是自由度为6的空间运动链，其不对动平台Q产生任何作用，其存在是产生输入驱动和增加机构强度，根据并联机构的求交运算，可以得出动平台输出运动为三维移动。因为支链Ⅳ是由两个转动副构成的串联链，其能够产生空间二维转动。所以整个混联机构的刀具输出的末端运动为三维移动和两维转动。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (4)

1.一种五自由度混联机器人，其特征在于：包括定平台（P）、动平台（Q）、复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、复杂支链Ⅲ、简单支链Ⅳ；

所述复杂支链Ⅰ对动平台（Q）产生三维移动和一维转动的作用；

所述简单支链Ⅱ为能实现空间6自由度运动的串联链，不对动平台（Q）运动产生约束；

所述复杂支链Ⅲ为对动平台（Q）产生三维移动和一维转动的作用；复杂支链Ⅲ采用的结构与复杂支链Ⅰ相同；

所述定平台（P）、动平台（Q）通过复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、复杂支链Ⅲ三条支链连接构成了并联机构，简单支链Ⅳ与动平台（Q）中心点连接，整体形成了混联机构；三条支链的复合运动构成了动平台（Q）的输出运动为三维移动，该三维移动与简单支链Ⅳ产生的空间二维转动共同构成简单支链Ⅳ的刀具（8）输出的末端运动为三维移动和两维转动；

所述简单支链Ⅱ一端的运动副与动平台（Q）的一个角连接，复杂支链Ⅰ、复杂支链Ⅲ一端分别与动平台（Q）的另外两个角焊接连接，复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、复杂支链Ⅲ另一端通过运动副与定平台（P）连接，简单支链Ⅳ一端的转动副与动平台（Q）的中心点连接；复杂支链Ⅲ与定平台（P）连接的运动副、复杂支链Ⅰ与定平台（P）连接的运动副轴线垂直，使得复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、复杂支链Ⅲ这三条支链与定平台（P）的连接点构成直角三角形，三条支链互不相交；

所述复杂支链Ⅰ由转动副R11、转动副R12、转动副R13、四个转动副构成的平行四边形机构ABCD、第一连接杆（1）、第二连接杆（2）组成；其中，第一连接杆（1）的一端与动平台（Q）的一个角焊接，第一连接杆（1）另一端通过转动副R11与平行四边形机构ABCD的一条边中点连接，平行四边形机构ABCD该条边的另一对边中点通过转动副R12与第二连接杆（2）一端连接，第二连接杆（2）的另一端直接通过转动副R13与定平台（P）连接，转动副R11、转动副R12、转动副R13的轴线平行，该复杂支链Ⅰ能实现空间三维移动和一维转动运动；

所述简单支链Ⅱ由转动副R23、球副S22、球副S21、第三连接杆（3）、第四连接杆（4）组成；其中，第三连接杆（3）一端通过球副S21与动平台（Q）一个角连接，第三连接杆（3）另一端通过球副S22与第四连接杆（4）一端连接，第四连接杆（4）的另一端通过转动副R23与定平台（P）连接；

所述简单支链Ⅳ由转动副R41、转动副R42、第七连接杆（7）、刀具（8）组成；其中，第七连接杆（7）一端通过转动副R41与动平台（Q）中心点连接，第七连接杆（7）另一端通过转动副R42与刀具（8）连接，转动副R41的轴线与动平台（Q）垂直，转动副R41的轴线与转动副R42轴线垂直。

2.根据权利要求1所述的五自由度混联机器人，其特征在于：所述动平台（Q）采用三角形形式配置。

3.根据权利要求1所述的五自由度混联机器人，其特征在于：与动平台（Q）的三个角连接的三条支链一端分别为：复杂支链Ⅰ、复杂支链Ⅲ的一端为连接杆，简单支链Ⅱ一端为球副或虎克铰；作为驱动副的与定平台（P）连接的复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、复杂支链Ⅲ另一端的运动副为转动副或者移动副。

4.根据权利要求1所述的五自由度混联机器人，其特征在于：所述复杂支链Ⅲ由转动副R31、转动副R32、转动副R33、四个转动副构成的平行四边形机构EFGH、第五连接杆（5）、第六连接杆（6）组成；其中，第五连接杆（5）的一端直接与动平台（Q）的一个角焊接，第五连接杆另一端通过转动副R31与平行四边形机构EFGH的一条边中点连接，平行四边形机构EFGH该条边的另一对边中点通过转动副R32与第六连接杆（6）一端连接，第六连接杆（6）的另一端直接通过转动副R33与定平台（P）连接，转动副R31、转动副R32、转动副R33的轴线平行，该复杂支链Ⅲ能实现空间三维移动移和一维转动运动。