CN109531556B - 四自由度柱坐标并联机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四自由度柱坐标并联机器人，立柱限定出参考面，两个X轴驱动装置、两个Z轴驱动装置分别相对参考面对称。每个X轴主动臂上铰接有末端支架，立柱与每个X轴主动臂、对应的末端支架、加强杆构成平行四边形机构。四个子支链的一端均与动平台相连，四个子支链的另一端分别连接两个末端支架、两个Z轴主动臂。四个子支链分别为单杆，每个子支链的两端分别通过虎克铰连接。或者四个子支链分别为平行四边形复合链，每个复合链均包括：两个轴杆和两个链杆，同一复合链的两个轴杆中一个设在动平台上、另一个设在对应的末端支架或Z轴主动臂上。本发明的四自由度柱坐标并联机器人，不仅结构紧凑、运动灵活，而且运动学性能优异。

Description

四自由度柱坐标并联机器人

技术领域

本发明涉及并联机器人领域，尤其涉及一种四自由度柱坐标并联机器人。

背景技术

塑料工业、电子产品工业、药品工业和食品工业是我国国民工业体系中重要环节。为提高上述产业生产效率，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，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。我国上述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，具有大的工业空间和高的灵活度，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、动力学性能不好。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。

基于并联机构的优点，CLAVEL提出了由三条对称支链构成的可实现三维平动的Delta并联机构(US4976582)，具有高速运动特征，在此构型的基础上，ABB公司研发了“Flexpicker”并联机器人并应用于食品包装生产线中代替人工完成食品等的快速分拣操作；为进一步增加拾取动作的柔性和效率，PIERROT等提出了具有四条支链，双动平台部件特征的可实现SCARA运动的H4并联机构(US2009019960和EP1084802)；随后Adept公司成功将其商业化，典型代表有“Adept Quattrro”并联机器人。

对于以上部分设计的优缺点，有文献进行了点评，不足之处总结如下：

专利CN202592386指出专利US20090019960和EP1084802中H4机构动平台部件的多个部件处于同一平面内，导致动平台部件尺寸较大，不够紧凑，且相邻两条支链驱动动平台部件的一个部件，传力效果不好，不利于提高机构效率；专利CN101863024、CN10261201指出专利US20090019960和EP1084802中动平台部件尺寸较大，其上设置的放大机构增加了动平台部件，驱动部件相当于平行四边形的一组对边，结构不紧凑，活动不灵活，受力不均匀，不利于提高机构效率；专利CN102229141指出专利US20090019960和EP1084802中动平台部件受驱动的部件只有两个，这两个部件相当于平行四边形的一组对边，这样的驱动方式不灵活，受力情况不均匀，不利于机构的顺畅运行。

综上，设计研发性能优异的四自由度高速并联机器人仍是机器人领域关注的热点问题，一款结构紧凑、运动灵活的高性能四自由度高速并联机器人必将具有广阔的科研及应用前景。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提出一种四自由度柱坐标并联机器人，具有结构紧凑、运动灵活的优点。

根据本发明实施例的四自由度柱坐标并联机器人，包括：底座；立柱，所述立柱限定出YOZ参考面，所述立柱垂直于所述底座上并可以由电机驱动，所述立柱相对所述底座可实现绕Z轴的转动自由度；两个X轴驱动装置，每个所述X轴驱动装置包括一个X轴主动臂和用于驱动所述X轴主动臂转动的X轴驱动单元，所述X轴驱动单元设置在所述立柱上，两个所述X轴主动臂的转轴沿X轴方向同轴设置，且两个所述X轴主动臂相对所述YOZ参考面对称，每个所述X轴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立柱相连，所述立柱与每个所述X轴主动臂、对应的所述末端支架、所述加强杆构成平行四边形机构；两个Z轴驱动装置，每个所述Z轴驱动装置包括一个Z轴主动臂和用于驱动所述Z轴主动臂转动的Z轴驱动单元，所述Z轴驱动单元设置在所述立柱上，两个所述Z轴主动臂的转轴沿平行于Z轴的方向设置，两个所述Z轴主动臂相对所述YOZ参考面对称；动平台，所述动平台与所述立柱在沿Y轴方向上相错开；四个子支链，所述四个子支链的一端均与所述动平台相连，所述四个子支链的另一端分别连接两个所述末端支架、两个所述Z轴主动臂；其中，四个所述子支链分别为单链，每个所述单链均包括：一根单杆和两个十字轴，所述单杆的两端分别与两个所述十字轴通过转动连接，形成第一转动副和第二转动副，同一所述单链的两个所述十字轴中的一个转动连接在所述动平台上、另一个转动连接在对应的所述末端支架或者所述Z轴主动臂上，形成第三转动副和第四转动副，所述第三转动副和所述第四转动副的轴线平行于Z轴，所述第一转动副和所述第三转动副垂直相交，所述第二转动副和所述第四转动副垂直相交；或者，四个所述子支链分别为平行四边形复合链，每个所述平行四边形复合链均包括：两个轴杆和两个链杆，同一所述平行四边形复合链的两个所述轴杆中一个设在所述动平台上、另一个设在对应的所述末端支架或者所述Z轴主动臂上，同一所述平行四边形复合链的两个所述轴杆的轴线均平行于Z轴，同一所述平行四边形复合链的两个所述链杆两端分别与两个所述轴杆相连，每个所述轴杆与每个所述链杆之间为球面铰接。

根据本发明实施例的四自由度柱坐标并联机器人，通过控制立柱相对于底座绕Z轴方向的转动以及两个X轴驱动装置和两个Z轴驱动装置的驱动，可以实现动平台在柱坐标工作空间内的沿X、Y、Z轴的三维移动自由度和绕Z轴的一维转动自由度。四自由度柱坐标并联机器人不仅结构紧凑、运动灵活，而且运动学性能优异。

在本发明的一些实施例中，所述动平台包括：基台和连接在所述基台两侧的连接耳，四个所述子支链连接在所述连接耳上。

在本发明的一些实施例中，所述X轴主动臂和所述Z轴主动臂上设有减重孔。

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是本发明实施例一的四自由度柱坐标并联机器人的结构示意图。

图2是本发明实施例二的四自由度柱坐标并联机器人的结构示意图。

附图标记：

四自由度柱坐标并联机器人100、

立柱11、底座12、

X轴驱动装置2、X轴主动臂22、X轴驱动单元21、

Z轴驱动装置3、Z轴主动臂31、Z轴驱动单元32、

动平台4、基台41、连接耳42、连接环43、

子支链5、单链51、单杆511、十字轴512、第一转动副a、第二转动副b、第三转动副c、第四转动副d、平行四边形复合链53、轴杆531、链杆532、抗扭杆533、第一轴杆e、第二轴杆f、

末端支架6、加强杆7。

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-图2描述根据本发明实施例的四自由度柱坐标并联机器人100。

根据本发明实施例的四自由度柱坐标并联机器人100，如图1和图2所示，包括：立柱11、底座12、两个X轴驱动装置2、两个Z轴驱动装置3、动平台4和四个子支链5。

其中，立柱11限定出YOZ参考面。这里提出的参考面是虚拟的面，而不是说立柱11上必须某个表面称为参考面，参考面的引用仅为了描述另外的其他部件的相互位置关系。本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轴以及三轴交点O构成的柱坐标系，并且在限定构件时也引用柱坐标作为定语限定构件，其目的主要是为了体现构件的运动自由度，但是对机器人在实际生产中的方位不具限制。

具体地，立柱11垂直于底座12上，并且立柱11可以由电机(图未示出)驱动，立柱11相对底座12可实现绕Z轴的转动自由度。本文中上述电机的旋转轴沿Z轴设置。本文中YOZ参考面假设是相对立柱11固定不变的参考面，因此当立柱11相对底座12绕Z轴转动时，X轴、Y轴、Z轴以及三轴交点O构成的坐标系也随立柱11同步转动，转动后坐标系相对立柱11位姿不变。

具体地，每个X轴驱动装置2包括一个X轴主动臂22和X轴驱动单元21，X轴驱动单元21设在立柱11上，X轴主动臂22的转轴连接在立柱11上，X轴驱动单元21用于驱动X轴主动臂22转动。两个X轴主动臂22的转轴沿X轴方向同轴设置，且两个X轴主动臂22相对YOZ参考面对称。

每个X轴主动臂22上铰接有末端支架6，末端支架6通过加强杆7与立柱11相连，立柱11与每个X轴主动臂22、对应的末端支架6、加强杆7构成平行四边形机构。由平行四边形对边平行且相等原理可知，末端支架6的姿态始终与立柱11与X轴主动臂22、加强杆7的连接连线保持一致，末端支架6的位置随X轴主动臂22的转动角度变化而变化，且变化关系唯一、确定。

具体地，每个Z轴驱动装置3包括一个Z轴主动臂31和Z轴驱动单元32，Z轴驱动单元32设在立柱11上，Z轴主动臂31的转轴连接在立柱11上，Z轴驱动单元32用于驱动Z轴主动臂31转动。两个Z轴主动臂31的转轴沿平行于Z轴的方向设置，两个Z轴主动臂31相对YOZ参考面对称。

动平台4与立柱11在沿Y轴方向上相错开。

参照图1和图2，四个子支链5的一端均与动平台4相连，四个子支链5中两个子支链5的另一端与两个末端支架6分别相连，另两个子支链5的另一端与两个Z轴主动臂31相连。

在本发明实施例中，每个子支链5可以为单链51，每个子支链5也可以是平行四边形复合链53。

如图2所示，当四个子支链5分别为单链51时，每个单链51均包括：一根单杆511和两个十字轴512。单杆511的两端分别与两个十字轴512通过转动连接，形成第一转动副a和第二转动副b。具体地，单杆511一端与一个十字轴512之间的转动关系副为第一转动副a，单杆511另一端与另一个十字轴512之间的转动关系副为第二转动副b。

同一单链51的两个十字轴512中的一个转动连接在动平台4上，另一个转动连接在对应的末端支架6或者Z轴主动臂31上，形成第三转动副c和第四转动副d。具体地，连接在末端支架6上的单链51上，一个十字轴512与末端支架6之间的转动关系副为第三转动副c，另一个十字轴512与动平台4之间的转动关系副为第四转动副d。连接在Z轴主动臂31上的单链51上，一个十字轴512与Z轴主动臂31之间的转动关系副为第三转动副c，另一个十字轴512与动平台4之间的转动关系副为第四转动副d。

其中，第三转动副c和第四转动副d的轴线平行于Z轴，第一转动副a和第三转动副c垂直相交，第二转动副b和第四转动副d垂直相交。

在图2所示的实施例中，利用十字轴512转动连接单杆51、末端支架6或者Z轴主动臂31，十字轴512相当于虎克铰。

如图1所示，当四个子支链5分别为平行四边形复合链53时，每个平行四边形复合链53均包括：两个轴杆531和两个链杆532。同一平行四边形复合链53的两个轴杆531中，一个轴杆531设在动平台4上，另一个轴杆531设在对应的末端支架6或者Z轴主动臂31上，同一平行四边形复合链53的两个链杆532两端分别与两个轴杆531相连，每个轴杆531与每个链杆532之间为球面铰接。

如图1所示，每个平行四边形复合链53的两个轴杆531中，连接动平台4的轴杆531为第一轴杆e，另一个轴杆531即为第二轴杆f。四个平行四边形复合链53中，两个第二轴杆f连接在末端支架6上，两个第二轴杆f连接在Z轴主动臂31上。

其中，每个平行四边形复合链53的两个轴杆531均与Z轴平行。

无论是图1所示的带平行四边形复合链53的机器人结构，还是图2所示带单链51的机器人结构，根据本发明实施例的四自由度柱坐标并联机器人100，都能实现平稳四自由度的控制要求。具体而言，通过控制立柱11相对于底座12绕Z轴方向的转动，以及两个X轴驱动装置2和两个Z轴驱动装置3的驱动，可以实现动平台4在柱坐标工作空间内的沿X、Y、Z轴的三维移动自由度和绕Z轴的一维转动自由度。四自由度柱坐标并联机器人100不仅结构紧凑、运动灵活，而且运动学性能优异。

在本发明的一些实施例中，动平台4包括：基台41和连接在基台41两侧的连接耳42，四个子支链5连接在连接耳42上。这样设置使，两个X轴主动臂22相连的子支链5相互不干涉、不易卡死；两个Z轴主动臂31相连的子支链5相互不干涉，不易卡死。

具体地，动平台4还包括至少一个连接环43，连接环43通过连接耳42与基台41相连。这样使动平台4能够固定的目标物可以卡在连接环43内。

在本发明的一些实施例中，如图1和图2所示，X轴主动臂22和Z轴主动臂31上设有减重孔。减重孔的设置可以降低X轴主动臂22、Z轴主动臂31的重量，增强机器人的动态特性。

具体地，立柱11的下端设有基座12，立柱11安装在基座12上。

可选地，立柱11为方形空心管。由此，方便制造与装配，并且机器人的稳定性好，还可以节约材料，减轻机器人的重量。

优选地，X轴驱动单元21、Z轴驱动单元32均以电机为佳，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，在生产线上多台四自由度柱坐标并联机器人100操作时，可采用液压缸(通过活塞、齿轮系统等)对各主动臂传输动力，联动设置成本可得到有效控制。

具体地，每个链杆532的两端均形成有铰接孔，铰接孔内壁面为球面，轴杆531的两端均形成为球头，轴杆531两端的球头配合在两个链杆532上的铰接孔中，从而形成球面铰接。当然，将铰接孔、球头的位置在轴杆531、链杆532上互换也是可行的。

在一些实施例中，如图1所示，每个平行四边形复合链53中，两个链杆532之间连接有至少一个抗扭杆533，抗扭杆533与轴杆531等长度设置。抗扭杆533可以更有效地避免平行四边形复合链53发生扭转，保证平行四边形复合链53工作的稳定。

根据本发明实施例的四自由度柱坐标并联机器人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 (3)

1.一种四自由度柱坐标并联机器人，其特征在于，包括：

底座；

立柱，所述立柱限定出YOZ参考面，所述立柱垂直于所述底座上并可以由电机驱动，所述立柱相对所述底座可实现绕Z轴的转动自由度；

两个X轴驱动装置，每个所述X轴驱动装置包括一个X轴主动臂和用于驱动所述X轴主动臂转动的X轴驱动单元，所述X轴驱动单元设置在所述立柱上，两个所述X轴主动臂的转轴沿X轴方向同轴设置，且两个所述X轴主动臂相对所述YOZ参考面对称，每个所述X轴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立柱相连，所述立柱与每个所述X轴主动臂、对应的所述末端支架、所述加强杆构成平行四边形机构；

两个Z轴驱动装置，每个所述Z轴驱动装置包括一个Z轴主动臂和用于驱动所述Z轴主动臂转动的Z轴驱动单元，所述Z轴驱动单元设置在所述立柱上，两个所述Z轴主动臂的转轴沿平行于Z轴的方向设置，两个所述Z轴主动臂相对所述YOZ参考面对称；

动平台，所述动平台与所述立柱在沿Y轴方向上相错开；

四个子支链，所述四个子支链的一端均与所述动平台相连，所述四个子支链的另一端分别连接两个所述末端支架、两个所述Z轴主动臂；其中，

四个所述子支链分别为单链，每个所述单链均包括：一根单杆和两个十字轴，所述单杆的两端分别与两个所述十字轴通过转动连接，形成第一转动副和第二转动副，同一所述单链的两个所述十字轴中的一个转动连接在所述动平台上、另一个转动连接在对应的所述末端支架或者所述Z轴主动臂上，形成第三转动副和第四转动副，所述第三转动副和所述第四转动副的轴线平行于Z轴，所述第一转动副和所述第三转动副垂直相交，所述第二转动副和所述第四转动副垂直相交；

或者，四个所述子支链分别为平行四边形复合链，每个所述平行四边形复合链均包括：两个轴杆和两个链杆，同一所述平行四边形复合链的两个所述轴杆中一个设在所述动平台上、另一个设在对应的所述末端支架或者所述Z轴主动臂上，同一所述平行四边形复合链的两个所述轴杆的轴线均平行于Z轴，同一所述平行四边形复合链的两个所述链杆两端分别与两个所述轴杆相连，每个所述轴杆与每个所述链杆之间为球面铰接。

2.根据权利要求1所述的四自由度柱坐标并联机器人，其特征在于，所述动平台包括：基台和连接在所述基台两侧的连接耳，四个所述子支链连接在所述连接耳上。

3.根据权利要求1所述的四自由度柱坐标并联机器人，其特征在于，所述X轴主动臂和所述Z轴主动臂上设有减重孔。

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