CN109531547A - 具有双闭环支链结构的三自由度并联机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有双闭环支链结构的三自由度并联机器人，包括：定平台；动平台；三个驱动装置和三个子支链。每个驱动装置包括主动臂和驱动单元，主动臂具有与其转轴相垂直且过参考线的参考面。每个主动臂上铰接有末端支架，定平台与每个主动臂、对应的末端支架、加强杆构成上平行四边形。每个末端支架与动平台之间连接有一个子支链，每个子支链中上轴杆设在末端支架上，下轴杆设在动平台上，两链杆与两轴杆形成下平行四边形，轴杆与链杆球面铰接。当动平台位于定平台正下方时，三个上平行四边形、三个下平行四边形分别相对参考线呈中心对称。每个上轴杆与对应参考面之间夹相同角度。本发明的三自由度并联机器人可实现高速高加速运动。

Description

具有双闭环支链结构的三自由度并联机器人

技术领域

本发明涉及并联机器人领域，尤其涉及一种具有双闭环支链结构的三自由度并联机器人。

背景技术

塑料工业、电子产品工业、药品工业和食品工业对我国国民经济有重要贡献。为提高这些产业生产效率，各种产品的生产流水线被不断开发使用。然而，我国目前所属产业的轻型生产流水线货品的包装、分拣、组合和拆解任务仍大部分采用人工劳动，这一方面导致人力生产成本居高不下，另一方面也不利于发挥出生产流水线的潜在生产效率。我国产业竞争力正在下降，产业自动化程度急需提高。引入工业机器人技术成为解决上述问题的不可或缺的重要手段。

早期用于轻型生产流水线货品的包装、分拣、组合和拆解任务的工业机器人由串联机构实现。串联机构通过运动副依次连接而成，为开环结构，具有大的工作空间和高的灵活度，但其也具有明显的缺点：各运动副误差累积导致末端精度低、刚度低、惯性大、难以保障高速状态下机器人的动态性能。并联机构是一种闭环结构，其动平台部件通过至少两个独立的运动链与定平台相连接。与串联机构相比，并联机构具有刚度高、精度高、动力学性能好、结构紧凑等优点。

具有三移动自由度的并联机构机器人在高速分拣领域有着广阔的应用前景，如何设计满足功能需求且机构组成简单的具有三移动自由度的高速并联机器人，是各国学者研究的重点之一。

发明内容

本发明旨在面向工业领域对具有三移动自由度的并联机构机器人的应用需求，提出一种具有双闭环支链结构的三自由度并联机器人，所述具有双闭环支链结构的三自由度并联机器人具有动态性能优异、结构紧凑且运动灵活等优点，可实现高速、高加速运动。

根据本发明实施例的一种具有双闭环支链结构的三自由度并联机器人，包括：定平台，所述定平台具有参考线；动平台；三个驱动装置，每个所述驱动装置包括一个主动臂和用于驱动所述主动臂转动的驱动单元，所述驱动单元设置在所述定平台上，每个所述主动臂均具有与其转轴相垂直且过所述参考线的参考面，每个所述主动臂上铰接有末端支架，所述末端支架通过加强杆与所述定平台相连，所述定平台与每个所述主动臂、对应的所述末端支架、所述加强杆构成上平行四边形；三个子支链，每个所述末端支架与所述动平台之间均连接有一个所述子支链，每个所述子支链均包括：两个轴杆和两个链杆，两个所述轴杆平行设置，两个所述轴杆分别为上轴杆和下轴杆，所述上轴杆设在所述末端支架上，所述下轴杆设在所述动平台上，两个所述链杆的两端分别与两个所述轴杆相连形成下平行四边形，每个所述轴杆与每个所述链杆之间为球面铰接；其中，三个所述主动臂沿所述定平台的周向均匀间隔设置，当三个所述主动臂相对所述参考线的转角一致时，三个所述上平行四边形相对所述参考线呈中心对称，三个所述下平行四边形相对所述参考线呈中心对称；所述定平台与每个所述主动臂、对应的所述末端支架、所述加强杆构成的所述上平行四边形，形成为第一闭环；两个所述链杆的两端分别与两个所述轴杆相连形成的所述下平行四边形，形成为第二闭环；所述第一闭环与所述第二闭环共同构成所述三自由度并联机器人的双闭环支链结构；另外，每个所述上轴杆与对应的所述主动臂的所述参考面之间呈固定夹角，该夹角大于0度且小于等于90度，该夹角在机器人设计之初可以根据机器人的应用条件进行适应性调整。

根据本发明实施例的具有双闭环支链结构的三自由度并联机器人，通过在三个并联的运动链上设置上下两个平行四边形杆组，且下平行四边形杆组上的上轴杆与主动臂的参考面之间呈固定夹角的布局设计，使得末端动平台可实现沿X轴、Y轴和Z轴三个方向的移动自由度，该机器人运动学简洁、动态性能良好，可实现高速高加速运动。

可选地，每个所述上轴杆与对应的所述主动臂的所述参考面之间的夹角为45度。

在一些实施例中，所述定平台包括中心盘和三个连接板，所述三个连接板一体形成在所述中心盘的外周上，三个所述驱动装置分别连接在三个所述连接板上。

具体地，所述中心盘为圆形环，三个所述连接板均匀间隔开地沿切向连接在所述中心盘上。

在一些实施例中，每个所述子支链中，两个所述链杆之间连接有至少一个抗扭杆，所述抗扭杆与所述轴杆相平行设置。

具体地，每个所述链杆上均设有沿其长度方向延伸的滑孔，所述抗扭杆的转轴穿设在所述滑孔内。

在一些实施例中，所述动平台包括中心板和多对耳板，所述中心板为三角形，每对所述耳板连接在所述中心板的一个边上，每对所述耳板包括间隔开的设有耳孔的两个耳板，每个所述下轴杆连接在一对所述耳板的所述耳孔上。

在一些实施例中，所述主动臂上设有减重孔。

在一些实施例中，所述末端支架包括：支板，所述主动臂铰接在所述支板上；一对上延伸耳，一对所述上延伸耳设在所述支板的一侧，所述加强杆铰接在一对所述上延伸耳之间；两对下延伸耳，两对所述下延伸耳连接在所述支板的另一侧，每对所述下延伸耳上连接一个所述子支链的所述上轴杆。

在一些实施例中，所述加强杆两端与所述末端支架的所述上延伸耳以及所述定平台的所述连接板之间均通过鱼眼球头螺栓连接。由此能够使所述加强杆在装配时允许小范围误差。

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是本发明实施例的具有双闭环支链结构的三自由度并联机器人的结构示意图。

附图标记：

三自由度并联机器人100、

定平台1、参考线101、中心盘11、连接板12、

驱动装置2、主动臂21、减重孔211、驱动单元22、

子支链3、轴杆31、上轴杆311、下轴杆312、链杆32、滑孔321、抗扭杆33、

动平台4、中心板41、耳板42、耳孔421、

末端支架5、支板51、上延伸耳52、下延伸耳53、

加强杆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。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，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”、“竖直”、“水平”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，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据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描述根据本发明实施例的具有双闭环支链结构的三自由度并联机器人100。

根据本发明实施例的一种具有双闭环支链结构的三自由度并联机器人100，包括：定平台1、动平台4、三个驱动装置2和三个子支链3，定平台1具有参考线101。

其中，三个驱动装置2设在定平台1上。每个驱动装置2包括一个主动臂21和用于驱动主动臂21转动的驱动单元22，驱动单元22设置在定平台1上，每个主动臂21的转轴连接在定平台1上，每个主动臂21均具有参考面，每个主动臂21的参考面过参考线101且与该主动臂21的转轴相垂直。这里要说明的是，参考线101、参考面均是为了限定各部件的位置关系而引用的参考特征，他们对定平台1、主动臂21的形状并没有限制。例如下文中提到三个部件相对参考线101呈中心对称，此时引用参考线101是为描述三个部件相互位置关系，但是并不限定参考线101一定是过定平台1型心的中心线。同样，参考面的引用在于体现每个主动臂21是平行于其参考面转动的，并不是限定主动臂21的型心一定在参考面上。

具体地，如图1所示，每个主动臂21上铰接有末端支架5，末端支架5通过加强杆6与定平台1相连，定平台1与每个主动臂21、对应的末端支架5、加强杆6构成上平行四边形。由平行四边形对边平行且相等原理可知，末端支架5的姿态始终与定平台1保持一致，末端支架5的位置随主动臂21的转动角度变化而变化，且变化关系唯一、确定。

如图1所示，每个末端支架5与动平台4之间均连接有一个子支链3，每个子支链3是平行四边形杆组。

每个子支链3均包括：两个轴杆31和两个链杆32，两个轴杆31平行设置，两个轴杆31分别为上轴杆311和下轴杆312，上轴杆311设在末端支架5上，下轴杆312设在动平台4上。两个链杆32的两端分别与两个轴杆31相连，两个链杆32与两个轴杆31形成下平行四边形。这里，每个轴杆31与每个链杆32之间为球面铰接，以保证下平行四边形形状变化时的灵活性，避免转动卡死的现象。

这里为方便说明，称与末端支架5相连的轴杆31为上轴杆311，称与动平台4相连的轴杆31为下轴杆312。参照图1所示方向，假设动平台4位于定平台1的下方。后文中也均借鉴图1所示方向，对各部件的位置进行说明，当然图1仅是用于示例，并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。除此之外，下文中为便于参照附图描述并联机器人的工作原理，还引入了图1所示的由X轴、Y轴、Z轴构成的笛卡尔坐标系。该笛卡尔坐标系中的Z轴方向，相当于在全文描述中参考的上下方向。

三个主动臂21沿定平台1的周向均匀间隔设置，即每两个参考面之间的夹角为120度，三个参考面的交线恰好为参考线101。

当三个主动臂21相对参考线101的转角一致时，三个上平行四边形相对参考线101呈中心对称，三个下平行四边形相对参考线101呈中心对称。也就是说，三个上平行四边形不仅绕参考线101每间隔120度设置，而且三个上平行四边形的尺寸也均是对应一致的。同样的，三个下平行四边形不仅绕参考线101每间隔120度设置，而且三个下平行四边形的尺寸也均是对应一致的。

另外在本发明实施例中，如图1所示，每个上轴杆311与对应的主动臂21的参考面之间呈固定夹角，该夹角大于0度且小于等于90度，该夹角在机器人设计之初可以根据机器人的应用条件进行适应性调整。

本发明实施例中，定平台1与每个主动臂21、对应的末端支架5、加强杆6构成的上平行四边形，形成为第一闭环。每个子支链3，由两个链杆32与两个轴杆31形成的下平行四边形，形成为第二闭环。第一闭环与第二闭环共同构成三自由度并联机器人100的双闭环支链结构。

本发明实施例中，利用呈中心对称设置的三个上平行四边形杆组、三个下平行四边形杆组，且将上轴杆与对应的参考面之间夹角设置成固定夹角，各部件相互约束，从而使得动平台4不仅具备沿X轴、Y轴和Z轴三个方向的移动自由度，且该三自由度并联机器人100运动学简洁、动态性能良好，可实现高速高加速运动。

可选地，每个上轴杆311与对应的主动臂21的参考面之间的夹角为45度。

在一些实施例中，定平台1包括中心盘11和三个连接板12，三个连接板12一体形成在中心盘11的外周上，三个驱动装置2分别连接在三个连接板12上。由此，方便定位安装，可提高机器人的装配效率。

具体地，每个连接板12在末端连接主动臂21和驱动单元22，每个连接板12在末端向上凸起以连接加强杆6。

具体地，中心盘11为圆形环，三个连接板12均匀间隔开地沿切向连接在中心盘11上。

优选地，驱动单元22以电机为佳，当然本发明其他实施例中，也可以采用液压驱动机构替代电机。例如，在生产线上多台三自由度并联机器人100操作时，可采用液压缸(通过活塞、齿轮系统等)对各主动臂21传输动力，联动设置成本可得到有效控制。

具体地，每个链杆32的两端均形成有铰接孔，铰接孔内壁面为球面，轴杆31的两端均形成为球头，轴杆31两端的球头配合在两个链杆32上的铰接孔中，从而形成球面铰接。

在一些实施例中，如图1所示，每个子支链3中，两个链杆32之间连接有至少一个抗扭杆33，抗扭杆33与轴杆31平行设置。抗扭杆33可以更有效地避免子支链3发生扭转，保证子支链3工作的稳定。

可选地，抗扭杆33为抗扭弹性件，抗扭弹性件与轴杆31平行设置，抗扭弹性件处于伸长状态且两端与两个链杆32可枢转地相连，由此，抗扭弹性件对子支链3具有弹性力作用，可以避免子支链3发生扭转，结构简单，控制方便。

具体地，每个链杆32上均设有沿其长度方向延伸的滑孔321，抗扭杆33的转轴穿设在滑孔321内。有了滑孔321的设置，可以提高子支链3在各角度的自适应性，提高灵活度。

在一些实施例中，动平台4包括中心板41和多对耳板42，中心板41为三角形，每对耳板42连接在中心板41的一个边上，每对耳板42包括间隔开的设有耳孔421的两个耳板42，每个下轴杆312连接在一对耳板42的耳孔421上。由此，动平台4结构简单，装配容易。

在一些实施例中，主动臂21上设有减重孔211。减重孔211的设置可以降低主动臂21的重量，增强机器人的动态特性。

在一些实施例中，如图1所示，末端支架5包括：支板51、一对上延伸耳52和三对下延伸耳53。主动臂21铰接在支板51上，一对上延伸耳52设在支板51的一侧，加强杆6铰接在一对上延伸耳52之间。三对下延伸耳53连接在支板51的另一侧，每对下延伸耳53上连接一个子支链3的轴杆31。这样的末端支架5，三侧杆件互不干涉，不易出现卡死的情况。

具体地，加强杆6的两端分别与末端支架5的上延伸耳52以及定平台1的连接板12之间，均通过鱼眼球头螺栓连接。由此，能够使加强杆6在装配时允许小范围误差，从而降低装配难度。

根据本发明实施例的具有空间子支链的三自由度并联机器人100的其他构成例如电机等以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

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 (10)

1.一种具有双闭环支链结构的三自由度并联机器人，其特征在于，包括：

定平台，所述定平台具有参考线；

动平台；

三个驱动装置，每个所述驱动装置包括一个主动臂和用于驱动所述主动臂转动的驱动单元，所述驱动单元设置在所述定平台上，每个所述主动臂均具有与其转轴相垂直且过所述参考线的参考面，每个所述主动臂上铰接有末端支架，所述末端支架通过加强杆与所述定平台相连，所述定平台与每个所述主动臂、对应的所述末端支架、所述加强杆构成上平行四边形；

三个子支链，每个所述末端支架与所述动平台之间均连接有一个所述子支链，每个所述子支链均包括：两个轴杆和两个链杆，两个所述轴杆平行设置，两个所述轴杆分别为上轴杆和下轴杆，所述上轴杆设在所述末端支架上，所述下轴杆设在所述动平台上，两个所述链杆的两端分别与两个所述轴杆相连形成下平行四边形，每个所述轴杆与每个所述链杆之间为球面铰接；其中，

三个所述主动臂沿所述定平台的周向均匀间隔设置，当三个所述主动臂相对所述参考线的转角一致时，三个所述上平行四边形相对所述参考线呈中心对称，三个所述下平行四边形相对所述参考线呈中心对称；所述定平台与每个所述主动臂、对应的所述末端支架、所述加强杆构成的所述上平行四边形，形成为第一闭环；两个所述链杆的两端分别与两个所述轴杆相连形成的所述下平行四边形，形成为第二闭环；所述第一闭环与所述第二闭环共同构成所述三自由度并联机器人的双闭环支链结构；另外，

每个所述上轴杆与对应的所述主动臂的所述参考面之间呈固定夹角，该夹角大于0度且小于等于90度。

2.根据权利要求1所述的具有双闭环支链结构的三自由度并联机器人，其特征在于，每个所述上轴杆与对应的所述主动臂的所述参考面之间的夹角为45度。

3.根据权利要求1所述的具有双闭环支链结构的三自由度并联机器人，其特征在于，所述定平台包括中心盘和三个连接板，所述三个连接板一体形成在所述中心盘的外周上，三个所述驱动装置分别连接在三个所述连接板上。

4.根据权利要求3所述的具有双闭环支链结构的三自由度并联机器人，其特征在于，所述中心盘为圆形环，三个所述连接板均匀间隔开地沿切向连接在所述中心盘上。

5.根据权利要求1所述的具有双闭环支链结构的三自由度并联机器人，其特征在于，每个所述子支链中，两个所述链杆之间连接有至少一个抗扭杆，所述抗扭杆与所述轴杆相平行设置。

6.根据权利要求5所述的具有双闭环支链结构的三自由度并联机器人，其特征在于，每个所述链杆上均设有沿其长度方向延伸的滑孔，所述抗扭杆的转轴穿设在所述滑孔内。

7.根据权利要求1所述的具有双闭环支链结构的三自由度并联机器人，其特征在于，所述动平台包括中心板和多对耳板，所述中心板为三角形，每对所述耳板连接在所述中心板的一个边上，每对所述耳板包括间隔开的设有耳孔的两个耳板，每个所述下轴杆连接在一对所述耳板的所述耳孔上。

8.根据权利要求1所述的具有双闭环支链结构的三自由度并联机器人，其特征在于，所述主动臂上设有减重孔。

9.根据权利要求3所述的具有双闭环支链结构的三自由度并联机器人，其特征在于，所述末端支架包括：

支板，所述主动臂铰接在所述支板上；

一对上延伸耳，一对所述上延伸耳设在所述支板的一侧，所述加强杆铰接在一对所述上延伸耳之间；

两对下延伸耳，两对所述下延伸耳连接在所述支板的另一侧，每对所述下延伸耳上连接一个所述子支链的所述上轴杆。

10.根据权利要求9所述的具有双闭环支链结构的三自由度并联机器人，其特征在于，所述加强杆两端与所述末端支架的所述上延伸耳、所述定平台的所述连接板之间均通过鱼眼球头螺栓连接。