CN109366462A - 一种含集成铰链的五自由度混联机器人 - Google Patents

Abstract

一种含集成铰链的五自由度混联机器人，包括有定位头、动平台、第一长度调节装置、第二长度调节装置和第三长度调节装置，第一长度调节装置的中部贯穿的铰接在第一转动支架上，前端与动平台固定连接，第一转动支架的两侧端分别通过一自由度铰链旋转地连接第一固定轴座，第二长度调节装置和第三长度调节装置的中部均贯穿的铰接在第二转动支架上，第二转动支架的两侧端分别通过一自由度铰链旋转地连接第二固定轴座，第二长度调节装置和第三长度调节装置的前端分别通过第二铰接件和第三铰接件与第三转动支架铰接相连，第三转动支架铰接在动平台上。本发明具有大工作空间，能有效减少长度调节装置数目，降低制造成本，同时保持一定的刚度、精度和可重构模块化特性。

Description

一种含集成铰链的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。特别是涉及一种含集成铰链的五自由度混联机器人。

背景技术

专利ZL104985596 A所公开的一类含多轴转动支架的五自由度混联机器人，由定位头和并联机器人模块组成；并联机器人模块由四个可沿轴向伸长或缩短的长度调节装置、第一转动支架和第二转动支架组成；其中第二长度调节装置、第三长度调节装置、第四长度调节装置一端通过铰链与固定架相连，另一端通过铰链与动平台相连，仅为动平台提供驱动，不限制动平台自由度；第一长度调节装置为一端通过铰链与固定架相连，另一端与动平台固连，仅限制动平台的某几个自由度，不为动平台提供驱动。第一、二、三长度调节装置通过公用的第一转动支架与固定架连接，相对于专利GB2173472(或EP0200369、US4790718)所公开的带定位头的空间混联机器人而言，可有效减少铰链数目。然而此类机构中，仅限制动平台自由度的长度调节装置和仅为动平台提供驱动的长度调节装置是分开的，导致长度调节装置数目过多，结构复杂，增加制造成本和机器人质量，降低了机器人动特性。

专利ZL03144281.1所公开的一种非对称空间5自由度混联机器人，由定位头和并联机器人模块组成；并联机器人模块包括固定架、三个长度调节装置以及动平台；第一长度调节装置一端通过内外两个同心环结构构成的虎克铰链设置在固定架上，另一端与动平台固接；第二、第三长度调节装置的一端分别通过两个叉形结构构成的铰链对称设置在固定架一个端面的两侧，另一端与动平台铰链连接。由于其第一长度调节装置既为动平台提供驱动，又限制了动平台自由度，相对于专利ZL104985596 A公开的机器人，减少了长度调节装置的数目。然而安装此类机构的固定架结构复杂，体积庞大，加大了机器人模块的加工与装配难度、制造成本和整机质量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种既具有大工作空间，又能有效减少长度调节装置数目，降低制造成本，同时保持一定刚度和精度的可重构模块化的含集成铰链的五自由度混联机器人。

本发明所采用的技术方案是：一种含集成铰链的五自由度混联机器人，包括有定位头和末端与定位头串接的动平台，还设置有第一长度调节装置、第二长度调节装置和第三长度调节装置，所述第一长度调节装置的中部贯穿的铰接在第一转动支架上，前端与所述的动平台固定连接，所述第一转动支架的两侧端分别各通过一自由度铰链旋转地连接第一固定轴座，所述第二长度调节装置和第三长度调节装置的中部均贯穿的铰接在第二转动支架上，所述第二转动支架的两侧端分别各通过一自由度铰链旋转地连接第二固定轴座，所述第二长度调节装置和第三长度调节装置的前端分别对应的通过第二铰接件和第三铰接件与第三转动支架铰接相连，所述第三转动支架铰接在所述动平台上。

所述的动平台包括有前端与所述的定位头旋转相连、后端与所述的第一长度调节装置相连的平台主体，所述平台主体的上端向上凸出的形成有用于与所述第三转动支架铰接的前凸耳和后凸耳，所述前凸耳和后凸耳上同轴的分别形成有通孔。

所述的第三转动支架包括有第一支架主体，所述第一支架主体前后两端分别沿轴向一体形成有用于与所述的动平台的前凸耳和后凸耳上的通孔铰接连接的第一前端销轴和第一后端销轴，所述第一支架主体的两侧对称的分别固定设置有一个用于分别通过所述的第二铰接件和第三铰接件对应连接第二长度调节装置和第三长度调节装置前端的第一U形连接件，所述第一U形连接件的两个侧边同轴的分别形成有用于铰接第二铰接件或第三铰接件的贯通孔。

所述的第二铰接件或第三铰接件均为能够分别与所述的第一U形连接件和第二长度调节装置或第三长度调节装置铰接连接的具有三个转动自由度的球铰链，且三个转动自由度的转动轴线不共线但相交于一点。

所述的第三转动支架包括有第二支架主体和分别铰接在所述第二支架主体左右两侧的两个结构相同的第二U形连接件，其中，所述第二支架主体前后两端分别沿轴向一体形成有用于与所述的动平台的前凸耳和后凸耳上的通孔铰接连接的第二前端销轴和第二后端销轴，所述第二支架主体的左右两侧对称的分别形成有用于与所述的第二U形连接件铰接连接的铰接孔，所述第二U形连接件的U形底端的外侧一体形成有用于插入到所述铰接孔内与所述的第二支架主体相铰接的插销，所述第二U形连接件的两个侧边上同轴的分别形成有用于与所述的第二铰接件或第三铰接件相铰接的轴孔。

所述的第二铰接件或第三铰接件结构相同，均为T形结构，所述T形结构的水平部分的两个端头分别铰接在所述第二U形连接件的两个轴孔内，所述T形结构的垂直部分的端部形成有用于与所述的第二长度调节装置或第三长度调节装置螺纹连接的外螺纹。

本发明的一种含集成铰链的五自由度混联机器人，既具有大工作空间，又能有效减少长度调节装置数目，降低制造成本，同时保持一定的刚度、精度和可重构模块化特性。本发明具有如下优点：

1、第一长度调节装置不仅限制了动平台的运动自由度，还为动平台提供一个驱动，与专利ZL104985596 A公开的机器人相比，机构中支链数目减少了1个，有效地减少了构件数目，降低制造成本。

2、本发明所述机器人的第一、二转动支架均可分别通过所述第一、二固定轴座连接到不同机架上，与专利ZL03144281.1公开的机器人相比，铰链数目最多减少1个，并节省了固定架的设计，可大幅降低质量，提高制造与装备工艺性。

3、本发明所述机器人还可以作为一个整体模块，根据需要搭配不同的机架形成面向不同应用的单机制造单元或多机制造系统。

附图说明

图1是本发明一种含集成铰链的五自由度混联机器人的第一实施例的结构示意图；

图2是本发明一种含集成铰链的五自由度混联机器人的第二实施例的结构示意图；

图3a是本发明中第二转动支架的结构示意图；

图3b是A-A的剖视图；

图4是本发明中第一长度调节装置的结构示意图；

图5是本发明中第二长度调节装置或第三长度调节装置的结构示意图；

图6是本发明中动平台的结构示意图；

图7是本发明中第三转动支架第一实施例的结构示意图；

图8是本发明中第二铰接件或第三铰接件第一实施例的结构示意图；

图9是本发明中第三转动支架第二实施例中第二支架主体的结构示意图；

图10是图9的B-B剖视图；

图11是本发明中第三转动支架第二实施例中第二U形连接件的结构示意图；

图12是本发明中第二铰接件或第三铰接件第二实施例的结构示意图。

图中

1：第一长度调节装置 2：第二长度调节装置

3：第三长度调节装置 4：第三转动支架

5：动平台 6：定位头

7：第一转动支架 8：第一固定轴座

9：第二转动支架 10：第二固定轴座

11：第二铰接件 12：第三铰接件

51：平台主体 52：前凸耳

53：后凸耳 521/531：通孔

91：第二侧孔 92：第三侧孔

93：第二侧端销轴 94：第三侧端销轴

101：伺服电机 102：第一推杆

103：丝杠 104：螺母

105：内圈 106：导轨

107：滑块 108：第一连接销轴

109：长槽 112/122：U形主体

113/123：连接轴 111/121：销轴

114/124：水平部分 115/125：垂直部分

201/301：伺服电机 202/302：第二外管

203/303：第二连接销轴 204/304：丝杠

205/305：螺母 206/306：导向键

207/307：键槽 208/308：第二推杆

411：第一支架主体 412：第一前端销轴

413：第一后端销轴 414/415：第一U形连接件

416：贯通孔 421：第二支架主体

422：第二U形连接件 4211：第二前端销轴

4212：第二后端销轴 4213：铰接孔

4221：插销 4222：轴孔

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种含集成铰链的五自由度混联机器人做出详细说明。

如图1、图2所示，本发明的一种含集成铰链的五自由度混联机器人，包括有定位头6和末端与定位头6串接的动平台5，还设置有第一长度调节装置1、第二长度调节装置2和第三长度调节装置3，所述第一长度调节装置1的中部贯穿的铰接在第一转动支架7上，前端与所述的动平台5固定连接，所述第一转动支架7的两侧端分别各通过一自由度铰链旋转地连接第一固定轴座8，所述第二长度调节装置2和第三长度调节装置3的中部均贯穿的铰接在第二转动支架9上，所述第二转动支架9的两侧端分别各通过一自由度铰链旋转地连接第二固定轴座10，所述第二长度调节装置2和第三长度调节装置3的前端分别对应的通过第二铰接件11和第三铰接件12与第三转动支架4铰接相连，所述第三转动支架4铰接在所述动平台5上。

如图1所示，所述第二铰链11与所述第三铰链12为具有三个转动自由度的球铰链，且三个转动自由度的转动轴线不共线但相交于一点。

如图2所示，所述第二铰链11与所述第三铰链12均和所述第二U形连接件422共同组成具有二个转动自由度的铰链，且两个转动自由度的转动轴线不共线但相交于一点。

所述第一固定轴座8和第一转动支架7之间的转动副轴线与所述第一转动支架7和第一长度调节装置1之间的转动副轴线垂直相交；所述第二固定轴座10和第二转动支架9之间的转动副轴线与所述第二转动支架9和第二长度调节装置2之间的转动副轴线垂直相交，所述第二固定轴座10和第二转动支架9之间的转动副轴线与所述第二转动支架9和第三长度调节装置3之间的转动副轴线垂直相交；所述第二长度调节装置2和第三长度调节装置3与所述第二转动支架9之间的转动副轴线相互平行，所述第二长度调节装置2、第三长度调节装置3的运动平面为同一平面。

如图3a、图3b所示，所述第二转动支架9上包含两个轴和两组安装孔，包括与第二长度调节装置2和第三长度调节装置3组成转动副的第二侧孔91和第三侧孔92，以及位于第二转动支架9两端用于与两个第二固定轴座10组成转动副连接的第二侧端销轴93和第三侧端销轴94；所述第二侧端销轴93、第三侧端销轴94同轴，轴线为第二纵轴axis1；所述第二侧孔91、第三侧孔92的轴线分别为第二横轴axis2、第三横轴axis3，两条轴线相互平行，并且关于第二转动支架9垂直于第二纵轴axis1的对称面对称；所述第二纵轴axis1与第二横轴axis2、第三横轴axis3均垂直相交。

如图4所示，所述的第一长度调节装置1包括有：伺服电机101、第一推杆102以及套在所述第一推杆102上的内圈105，所述内圈105的外周面有用于与所述第一转动支架7形成一转动副连接的第一连接销轴108，所述第一推杆102上沿轴向固定设置有导轨106，所述内圈105内周面固定有沿所述内圈105轴线方向的滑块107，可与所述导轨106构成移动副，所述丝杠103一端与固定在所述内圈105内部的螺母104相连，另一端与固定在所述第一推杆102末端的所述伺服电机101的驱动相连，所述螺母104与所述丝杠103通过螺纹连接构成螺旋移动副，实现所述第一推杆102相对于所述内圈105前后移动，所述第一推杆102两侧面各设置有长槽109，可避免所述内圈105移动时与所述第一推杆102发生干涉，所述第一推杆102另一端与所述动平台5固连。

如图5所示，所述的第一长度调节装置2和第三长度调节装置3结构相同，均包括：伺服电机201/301，第二外管202/302和第二推杆208/308，所述第二外管202/302的外周面有用于与所述第二转动支架9形成转动副连接的第二连接销轴203/303，所述第二推杆208/308上沿轴向设置有键槽207/307，所述第二外管202/302上设置有能嵌入到所述键槽207/307内，并与键槽207/307配合，使第二外管202/302和第二推杆208/308组成移动副的导向键206/306，所述第二推杆208/308插入到所述第二外管202/302内的一端与螺母205/305固连，另一端对应连接到所述第二铰链11和第三铰链12，所述丝杠204/304一端与所述伺服电机201/301的驱动连接，另一端与螺母205/305组成螺旋移动副，实现第二推杆208/308与第二外管202/302之间的相对移动。

如图6所示，所述的动平台5包括有前端与所述的定位头6旋转相连、后端与所述的第一长度调节装置1相连的平台主体51，所述平台主体51的上端向上凸出的形成有用于与所述第三转动支架4铰接的前凸耳52和后凸耳53，所述前凸耳52和后凸耳53上同轴的分别形成有通孔521/531。

当所述第二铰链11与所述第三铰链12为三转动自由度铰链，且三个转动自由度的转动轴线不共线但相交于一点时，如图7所示，所述的第三转动支架4包括有第一支架主体411，所述第一支架主体411前后两端分别沿轴向一体形成有用于与所述的动平台5的前凸耳52和后凸耳53上的通孔521/531铰接连接的第一前端销轴412和第一后端销轴413，所述第一支架主体411的两侧对称的分别固定设置有一个用于分别通过所述的第二铰接件11和第三铰接件12对应连接第二长度调节装置2和第三长度调节装置3前端的第一U形连接件414/415，所述第一U形连接件414/415的两个侧边同轴的分别形成有用于铰接第二铰接件11或第三铰接件12的贯通孔416。所述第一前端销轴412和第一后端销轴413同轴，轴线为斜轴axis41，所述贯通孔416的轴线为横轴axis42或横轴axis43且两条轴线相互平行，所述斜轴axis41与所述横轴axis42和横轴axis43形成的平面具有一定张角。

所述的第二铰接件11或第三铰接件12均为能够分别与所述的第一U形连接件414/415和第二长度调节装置2或第三长度调节装置3铰接连接的具有三个转动自由度的球铰链，且三个转动自由度的转动轴线不共线但相交于一点。具体如图8所示，有U形主体112/122，一体连接在U形主体112/122底端的用于与所述的第二长度调节装置2或第三长度调节装置3铰接连接的连接轴113/123，两侧分别铰接连接在所述U形主体112/122内侧的销轴111/121，所述销轴111/121的上下两端分别与所述的第一U形连接件414/415的贯通孔416铰接连接。

当所述第二铰链11与所述第三铰链12均和所述第二U形连接件422共同组成二转动自由度铰链，且两个转动自由度的转动轴线不共线但相交于一点时，如图9、图10、图11所示，所述的第三转动支架4包括有第二支架主体421和分别铰接在所述第二支架主体421左右两侧的两个结构相同的第二U形连接件422，其中，如图9、图10所示，所述第二支架主体421前后两端分别沿轴向一体形成有用于与所述的动平台5的前凸耳52和后凸耳53上的通孔521/531铰接连接的第二前端销轴4211和第二后端销轴4212，所述第二支架主体421的左右两侧对称的分别形成有用于与所述的第二U形连接件422铰接连接的铰接孔4213，如图11所示，所述第二U形连接件422的U形底端的外侧一体形成有用于插入到所述铰接孔4213内与所述的第二支架主体421相铰接的插销4221，所述第二U形连接件422的两个侧边上同轴的分别形成有用于与所述的第二铰接件11或第三铰接件12相铰接的轴孔4222。所述第二前端销轴4211和第二后端销轴4212同轴，轴线为斜轴axis44，所述第二支架主体421两侧的铰接孔4213同轴，轴线为纵轴axis45，所述斜轴axis44与纵轴axis45垂直相交。

如图12所示，所述的第二铰接件11或第三铰接件12结构相同，均为T形结构，所述T形结构的水平部分114/124的两个端头分别铰接在所述第二U形连接件422的两个轴孔4222内，所述T形结构的垂直部分115/125的端部形成有用于与所述的第二长度调节装置2或第三长度调节装置3螺纹连接的外螺纹。

所述的第一长度调节装置1、第二长度调节装置2、第三长度调节装置3还能够采用液压或气压驱动结构替换伺服电机101/201/301。

以上对本发明及其实施方式的描述是示意性的，没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施优选方案之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用其它固定架布局、长度调节装置、铰链以及定位头等不同的结构方式所做出的实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种含集成铰链的五自由度混联机器人，包括有定位头(6)和末端与定位头(6)串接的动平台(5)，还设置有第一长度调节装置(1)、第二长度调节装置(2)和第三长度调节装置(3)，所述第一长度调节装置(1)的中部贯穿的铰接在第一转动支架(7)上，前端与所述的动平台(5)固定连接，所述第一转动支架(7)的两侧端分别各通过一自由度铰链旋转地连接第一固定轴座(8)，所述第二长度调节装置(2)和第三长度调节装置(3)的中部均贯穿的铰接在第二转动支架(9)上，所述第二转动支架(9)的两侧端分别各通过一自由度铰链旋转地连接第二固定轴座(10)，其特征在于，所述第二长度调节装置(2)和第三长度调节装置(3)的前端分别对应的通过第二铰接件(11)和第三铰接件(12)与第三转动支架(4)铰接相连，所述第三转动支架(4)铰接在所述动平台(5)上。

2.根据权利要求1所述的一种含集成铰链的五自由度混联机器人，其特征在于，所述的动平台(5)包括有前端与所述的定位头(6)旋转相连、后端与所述的第一长度调节装置(1)相连的平台主体(51)，所述平台主体(51)的上端向上凸出的形成有用于与所述第三转动支架(4)铰接的前凸耳(52)和后凸耳(53)，所述前凸耳(52)和后凸耳(53)上同轴的分别形成有通孔(521/531)。

3.根据权利要求1所述的一种含集成铰链的五自由度混联机器人，其特征在于，所述的第三转动支架(4)包括有第一支架主体(411)，所述第一支架主体(411)前后两端分别沿轴向一体形成有用于与所述的动平台(5)的前凸耳(52)和后凸耳(53)上的通孔(521/531)铰接连接的第一前端销轴(412)和第一后端销轴(413)，所述第一支架主体(411)的两侧对称的分别固定设置有一个用于分别通过所述的第二铰接件(11)和第三铰接件(12)对应连接第二长度调节装置(2)和第三长度调节装置(3)前端的第一U形连接件(414/415)，所述第一U形连接件(414/415)的两个侧边同轴的分别形成有用于铰接第二铰接件(11)或第三铰接件(12)的贯通孔(416)。

4.根据权利要求3所述的一种含集成铰链的五自由度混联机器人，其特征在于，所述的第二铰接件(11)或第三铰接件(12)均为能够分别与所述的第一U形连接件(414/415)和第二长度调节装置(2)或第三长度调节装置(3)铰接连接的具有三个转动自由度的球铰链，且三个转动自由度的转动轴线不共线但相交于一点。

5.根据权利要求1所述的一种含集成铰链的五自由度混联机器人，其特征在于，所述的第三转动支架(4)包括有第二支架主体(421)和分别铰接在所述第二支架主体(421)左右两侧的两个结构相同的第二U形连接件(422)，其中，所述第二支架主体(421)前后两端分别沿轴向一体形成有用于与所述的动平台(5)的前凸耳(52)和后凸耳(53)上的通孔(521/531)铰接连接的第二前端销轴(4211)和第二后端销轴(4212)，所述第二支架主体(421)的左右两侧对称的分别形成有用于与所述的第二U形连接件(422)铰接连接的铰接孔(4213)，所述第二U形连接件(422)的U形底端的外侧一体形成有用于插入到所述铰接孔(4213)内与所述的第二支架主体(421)相铰接的插销(4221)，所述第二U形连接件(422)的两个侧边上同轴的分别形成有用于与所述的第二铰接件(11)或第三铰接件(12)相铰接的轴孔(4222)。

6.根据权利要求5所述的一种含集成铰链的五自由度混联机器人，其特征在于，所述的第二铰接件(11)或第三铰接件(12)结构相同，均为T形结构，所述T形结构的水平部分(114/124)的两个端头分别铰接在所述第二U形连接件(422)的两个轴孔(4222)内，所述T形结构的垂直部分(115/125)的端部形成有用于与所述的第二长度调节装置(2)或第三长度调节装置(3)螺纹连接的外螺纹。