CN110103202B - 一种基于运动分岔机构的多模式混联机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于运动分岔机构的多模式混联机械臂，包括依次连接的末端执行器、臂部和并联基座，其中：所述臂部为8杆单环运动分岔机构，包括对称设置的两条臂支链，两条臂支链两端分别活动连接形成单环闭链结构，各所述臂支链包括四个依次活动连接的连杆；所述并联基座为两转动自由度空间并联机构；所述并联基座上安装有用于实现两条臂支链串联、并联转换的模式切换机构。与现有技术相比，本发明具有工作效率高、结构尺寸小、整体稳定性高优点。

Description

一种基于运动分岔机构的多模式混联机械臂

技术领域

本发明涉及机器人和机械制造领域，特别涉及一种基于运动分岔机构的多模式混联机械臂，可以实现臂部串并联切换。

背景技术

目前，机器人的应用场合多样化，特别是对于超大型机械设备、特殊环境作业、工位性质多样的生产流水线等应用场景，存在尺寸比普通的机械结构高大，工位性质多样，零部件样式多的工况，而传统的加工装配操作设备有操作模式单一的局限性。

以往的解决方案一种是通过使用并联机构，利用并联机构刚度高，精度高的特点提高工作效率和质量，但这些方案存在并联机构固有的缺点，即工作空间较小。另一种就是通过增加机器人的数目，对于性质不同的工位，需要使用不同的加工机器人去完成，该方案将大大增加生产投入成本，往往会限制机器人执行任务的能力，消耗工作时间，会降低工作效率。现有技术中也有由多个并联机构进一步串联而成的机械构型，但其系统中的运动副较多，坐标运动坐标的建立过程较为复杂。

为了有效提高对于大型机械结构的加工效率，更好地保证工作质量，使操作设备可以根据任务性质，需要选择更优的一种操作模式，而开发一种能同时提供几种不同操作模式、且操作方便的加工机器人，是亟待解决的一个技术问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于运动分岔机构的多模式混联机械臂。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于运动分岔机构的多模式混联机械臂，包括依次连接的末端执行器、臂部和并联基座，其中：

所述臂部为8杆单环运动分岔机构，包括对称设置的两条臂支链，两条臂支链两端分别活动连接形成单环闭链结构，各所述臂支链包括四个依次活动连接的连杆；

所述并联基座为两转动自由度空间并联机构；

所述并联基座上安装有用于实现两条臂支链串联、并联转换的模式切换机构。

进一步地，各所述臂支链的四个连杆的形状不同。

进一步地，各所述连杆间通过转动副连接，且部分连杆上布置有驱动电机。

进一步地，所述并联基座包括上平台、下平台、支链机构和支链驱动机构，所述支链机构活动连接于上平台和下平台之间，所述支链驱动机构与支链机构连接，所述模式切换机构安装于上平台上，所述下平台安装于一固定底板上。

进一步地，所述支链机构包括三条分支链和一条中间支链，所述三条分支链中间对称布置上平台和下平台边沿，各分支链包括两个活动连接的连杆，所述中间支链包括依次活动连接的固定杆Ⅰ、中间连接件和固定杆Ⅱ，固定杆Ⅰ与上平台固定连接，固定杆Ⅱ与下平台固定连接。

进一步地，各分支链的两个所述连杆间通过等效球面副连接。

进一步地，所述支链驱动机构设有三个，分别与三条分支链对应连接。

进一步地，所述支链驱动机构为丝杆驱动机构，该丝杆驱动机构固定于所述固定底板上。

进一步地，所述模式切换机构包括依次连接的伺服电机、齿轮组件和传动销，所述传动销与臂支链连接。

进一步地，所述模式切换机构设有两个，分别与两条臂支链对应连接，两个所述模式切换机构采用嵌套方式安装于并联基座上。

本发明区别于以往机械臂仅具有单一操作模式的特点，可以实现串联和平面并联两种操作模式，集串联构型工作空间大和并联机构刚度高的性能于一身，解决了串联构型、并联构型在性能上对偶互补，却不能同时兼顾的问题。与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：

(1)本发明臂部采用单环8杆运动分叉机构，通过模式切换机构可以方便实现串联和平面并联两种模式的切换，功能上兼备串联机械臂工作空间大和并联机构刚度高等性能的优势，环境适应性强，工作效率高，解决了以往操作设备操作模式单一，环境适应能力差的问题，可满足超大型机械设备的加工装配、特殊环境作业、工位性质多样的生产流水线等情况，应对操作任务性质多样的应用需求，面对不同的工况可以从两种操作模式中挑选更适合的操作模式完成任务，使机械臂有更好的适应性，提高了工作效率和完成质量。

(2)本发明整体结构采用混联结构，一台设备即可以完成本来两台设备才可以完成的任务，明显地减小机械设备的生产投入成本，在结构上减小了产品结构尺寸，降低存储空间，方便运输，减少运输成本(特别对于航空运载)。

(3)本发明臂部将以往两种操作设备集成于一种结构，功能上兼顾了串联机械臂工作空间大和并联机构刚度高等性能优势，允许机械臂根据不同的工况，选择更优的操作模式执行任务，具有更好的环境适应性，从而可以提高工作效率、保证更好的完成质量。

(4)本发明采用二转动自由度3-RSR/S并联机构作为基座，充分利用了并联机构高刚度、高承载能力的特点，同时，增大了机械臂的工作空间，提高了机构的的稳定性、精度和刚度。

(5)本发明的3-RSR/S并联机构包含的四条支链的中间关节，均采用一种等效球面副替代一般的球副更易于润滑和维护，减小了物理干涉，扩大了活动范围。等效球面副具有3个转动副相交于一点的特征，一般的球面副很难润滑和维护，并且存在固有的物理干涉，最严重的缺陷是活动范围小，该等效球面副在以上性能上均有显著改善。

(6)本发明的臂部可切换至2-RRR平面六杆模式，该构型下平面并联机构为两支链的结构，有效减少了连杆间的物理干涉，具有更大的工作空间，不同于以往应用广泛的3-RRR机构，且与应用更为广泛的5杆平面操作机器人相比，可以提供更多的自由度，具有更好的灵活性。

(7)本发明臂部为3轴串联机械臂，本身具有3个自由度，臂部与上平台的连接方式增加了一个绕Z轴的转动自由度，3-RSR/S(R为转动副，S为球副)并联机构有2个转动自由度，混联机械臂整体具有6个自由度，灵活度高。

(8)从理论上讲，本发明依据8杆单环运动分叉机构的奇异位型，实现模式切换；从实际驱动方案上来讲，通过布置于上平台上的两个伺服电机分别驱动两组齿轮齿圈，进一步，通过两个传动销分别驱动臂部两个并联分支连的开合，实现对臂部的模式切换控制。

附图说明

图1为本发明总体结构立体图；

图2为末端执行器与臂部以及并联基座的上平台连接方式示意图；

图3为机械臂处于串联模式下的示意图，其中，(3a)为总体结构示意图，(3b)为整体机构简图；

图4为机械臂处于六杆平面并联模式下的示意图，其中，(4a)为总体结构示意图，(4b)为整体机构简图；

图5为臂部结构立体图；

图6为臂部驱动电机安装方式示意图；

图7为臂部处于并联模式下示意图，其中，(7a)为结构示意图，(7b)为整体机构简图；

图8为臂部处于串联模式下示意图，其中，(8a)为结构示意图，(8b)为整体机构简图；

图9为臂部模式切换过程各状态示意图，其中，(9a)为串联构型分支，(9b)为奇异位型Ⅰ，(9c)为过渡状态Ⅰ，(9d)为过渡状态Ⅱ，(9e)为过渡状态Ⅲ，(9f)为奇异位型Ⅱ，(9g)为平面六杆构型分支；

图10为3-RSR/S并联机构示意图，其中，(10a)为结构示意图，(10b)为整体机构简图；

图11为3-RSR/S并联机构上平台上表面局部细节放大图；

图12为3-RSR/S并联机构上平台下表面局部细节放大图；

图13为电机固定底板下部局部细节放大图；

图14为3-RSR/S并联机构中间3R支链爆炸结构示意图；

图15为模式切换机构结构示意图；

图16为支链驱动机构爆炸结构示意图。

图中标号说明：

1.连杆Ⅰ，2.连杆Ⅱ，3.连杆Ⅲ，4.连杆Ⅳ，5.连杆Ⅴ，6.连杆Ⅵ，7.连杆Ⅶ，8.连杆Ⅷ，9.上支链连杆，10.下支链连杆，11.下平台，12.上平台，13.内侧齿圈，14.外侧齿圈，15.外侧齿轮，16.内侧齿轮，17.传动销Ⅰ，18.传动销Ⅱ，19.螺纹孔Ⅰ，20.双头连接螺栓，21.从动锥齿轮，22.螺纹孔Ⅱ，23.主动锥齿轮，24.螺栓，25.传动轴Ⅰ，26.滑块，27.固定底板，28.丝杠，29.螺栓Ⅰ，30.转动轴承座，31.转动轴承，32.丝杆螺母，33.丝杆电机，34.直线轴承，35.螺栓Ⅱ，36.滑动杆，37.连接销，38.中心支链连杆Ⅰ，39.中心支链连杆Ⅱ，40.转动轴承Ⅰ，41.固定杆Ⅰ，42.固定杆Ⅱ，43.转动轴承Ⅱ，44.传动轴Ⅱ，45.传动轴Ⅲ，46.螺栓Ⅲ，47.末端执行器，48.螺栓，49.孔Ⅰ，50.孔Ⅱ，51伺服电机，M1～M3驱动电机，R1～R13转动运动副。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1-图2所示，本实施例提供一种基于运动分岔机构的多模式混联机械臂，包括依次连接的末端执行器47、臂部和并联基座，所述臂部为8杆单环运动分岔机构，包括对称设置的两条臂支链，两条臂支链两端分别活动连接形成单环闭链结构，各所述臂支链包括四个依次活动连接的连杆，臂部与并联基座通过螺栓Ⅲ46起到限定的作用；并联基座为两转动自由度空间并联机构；并联基座上安装有用于实现两条臂支链串联、并联转换的模式切换机构。如图3和图4所示，该机械臂可在模式切换机构的作用下快速实现串联和平面并联模式。该机械臂创新性地将一种8杆单环运动分岔机构应用于机械臂的设计，实现了机械臂的两种模式，设计成一种臂部可实现串/并联切换的混联机械臂，解决了以往机械臂操作模式单一的问题。

从功能上来讲：本发明机械臂的臂部兼具了串联机构工作空间大和并联机构刚度高、精度高的性能优势，面对不同的工况可以从两种操作模式中挑选更合适的操作模式，这使得机械臂具有更好的适应性，从而提高了工作效率和完成质量。

从结构上来讲：本发明借助8杆单环运动分叉机构将两种构型集于一身，一方面一台设备即可以完成本来两台设备才可以完成的任务，将明显的减小机械设备的生产投入成本；另一方面，减小了结构尺寸，降低存储空间(例如：存储空间对航空运载设备来讲是一项极其重要的设计指标)，方便运输，降低运输成本。同时，整体结构采用混联结构，以并联机构作为基座，充分利用了并联机构承载能力高的特点，也增大了机械臂的工作空间，提高了机构的工作性能。

臂部包括左右对称的两条臂支链，即4对形状不同的连杆通过转动副连接，形成一单环闭链结构，且部分连杆上布置有驱动电机，位于两臂支链的6个转动副轴线相互平行，并于首端和末端的两个转动副垂直。

本实施例中臂部的立体结构图如图5所示，连杆Ⅰ1与连杆Ⅴ5、连杆Ⅲ3与连杆Ⅳ4、连杆Ⅳ4与连杆Ⅷ8、连杆Ⅷ8与连杆Ⅶ7、连杆Ⅶ7与连杆Ⅵ6依次通过转动副R1、R2、R3、R4、R5连接；连杆Ⅰ1与连杆Ⅱ2、连杆Ⅱ2与连杆Ⅲ3、连杆Ⅴ5与连杆Ⅵ6之间依次布置驱动电机M1、M2、M3通过转动副连接，驱动电机通过四个螺栓48固定于连杆，具体如图6所示。

臂部可以利用奇异位型实现串联和平面并联两种模式，在平面并联模式下，臂部具有两移动一转动的自由度，在串联模式下，臂部具有3个自由度。在如图7所示的奇异位型下，转动副R1与R3共线，M1、M2、M3、R2、R4、R5所在轴线均相互平行，并且转动副R1与R3所在轴线与M1、M2、M3、R2、R4、R5所在轴线相互垂直。如图9所示为臂部模式切换过程各状态示意图。

并联基座采用3-RSR/S并联机构，该并联机构可提供两个转动自由度，在此作为基座起到增大工作空间的作用，并充分利用了并联机构高承载能力的特点。如图10-14所示，并联基座包括上平台12、下平台11、支链机构和支链驱动机构，支链机构通过转动副活动连接于上平台12和下平台11之间，所述支链驱动机构与支链机构连接，所述模式切换机构安装于上平台12上，所述下平台11通过双头连接螺栓20安装于一固定底板27上。

支链机构包括三条分支链和一条中间支链。三条分支链中间对称布置上平台和下平台边沿，即依次间隔120°均匀布置于上下平台之间，三条分支链结构相同。各分支链包括两个活动连接的连杆，上支链连杆9通过转动副R6与上平台12连接，下支链连杆10通过转动副R10与下平台11连接，连杆9与连杆10通过一种3转动副轴线R7、R8、R9相交于一点的等效球面副连接。

如图14所示，中间支链包括依次活动连接的固定杆Ⅰ41、中间连接件和固定杆Ⅱ42，固定杆Ⅰ41通过螺纹孔Ⅰ19与上平台12固定连接，固定杆Ⅱ42通过螺纹孔Ⅱ22与下平台11固定连接。中间连接件包括通过连接销37连接的中心支链连杆Ⅰ38和中心支链连杆Ⅱ39，中心支链连杆Ⅰ38(中心支链连杆Ⅱ39)与固定杆Ⅱ42(固定杆Ⅰ41)通过转动副R11(转动副R13)连接，中间装入转动轴承Ⅱ43(转动轴承Ⅰ40)，起到固定、支撑、降低摩擦的作用。

支链驱动机构设有三个，分别与三条分支链对应连接，作为3-RSR/S并联机构的三个输入变量。本实施例中，支链驱动机构为丝杆驱动机构，该丝杆驱动机构固定于所述固定底板上。如图16所示，丝杆驱动机构包括驱动电机33、固定底板27、丝杆28、丝杆螺母32、滑块26、滑动杆36、转动轴承31、直线轴承34和转动轴承座30，丝杆电机33通过螺栓Ⅱ35固定于固定底板27底面，通过丝杆输出转动，末端通过装于转动轴承座30的转动轴承31，起到支撑丝杆的作用，转动轴承座通过螺栓Ⅰ29固定于固定底板27上；丝杆螺母32装于丝杆28上，并与滑块26固定连接，滑块26与滑动杆36通过装于滑块中的直线轴承34连接，滑动杆36与下支链连杆10通过转动副R13连接。另外两条支链的驱动以相同的方式实现。

模式切换机构可设置一个或两个，分别与两条臂支链对应连接，实现臂支链一个或两个可动作。模式切换机构设有两个时，两个模式切换机构采用嵌套方式安装于并联基座上。模式切换机构包括依次连接的伺服电机、齿轮组件和传动销，传动销与臂支链连接。

如图15所示，以一个模式切换机构为例说明其结构。伺服电机51通过螺栓24固定于上平台12底面，输出轴与主动锥齿轮23通过销连接实现固定，从动锥齿轮和外侧齿轮15均固定连接与传动轴42，从动锥齿轮21与主动锥齿轮23之间为齿轮传动；如图11所示的上平台12的上面，外侧齿轮15通过齿轮传动驱动外侧齿圈14实现转动，外侧齿圈14上装有传动销17，传动销17可插入孔Ⅰ49通过转动副连接，输出转矩，起到驱动的作用，实现臂部两分支链的开合，完成两种模式之间的切换。

两种模式特点介绍及模式切换原理说明：

多模式混联机械臂，臂部基于单环运动分叉机构实现串联、并联两种操作模式，串联构型具有工作空间大，结构简单的特性；并联构型具有刚度高、精度高的优势。本发明兼具了两种构型的优良特性，使机械臂面对不同性质的工作时，可以选择更适合的一种，提高了机构的性能。

串联模式：串联模式如图8所示，可用于执行操作目标重量相对轻，并且精度要求不高，工作范围要求大的任务。该构型下为3轴串联机械臂，本身具有3个自由度，作为臂部通过如图2所示的方式与上平台连接，这就增加了一个绕Z轴的转动自由度，基座3-RSR/S并联机构自身有两个转动自由度，该构型下混联机械臂整体具有6个自由。

平面并联模式：如图7所示，平面并联结构与串联构型相比，有更大的刚度，承载能力更高，并且并联结构没有累积误差，具有更好的精度，可用于执行对于精度要求高，重量相对大，特别针对在二维平面空间内执行操作的任务，例如：拣选、装配作业。该构型为2-RRR平面六杆结构，由左右对称的两个相同的分支链组成，形成一单环闭链。所述构型具有在平面内的两个移动和一个垂直于平面内的转动自由度。常见的平面五杆并联机构具有2个移动自由度，所述构型提供了更好的灵活度；应用较为广泛的3-RRR平面并联机构有三个支链，所述构型仅具有2条支链，有效避免了连杆间的物理干涉，，并进一步利用并联机构基座扩大工作空间范围。

以下以臂部从串联模式到平面并联模式的切换为例，从理论和实际驱动两方面说明切换的具体过程：

1.从理论层面说明：

如图9所示，从(9a)～(9g)为所述机械臂从串联构型分支逐渐通过两个奇异位型实现模式切换的过程，为简化说明，规定以下数学表达方式：

①用R1～R5、M1～M3表示所在转动关节转动副的轴线；

②用R1≠R2表示对应的两轴线不共线；用π1、π2表示两分支链所在平面；

③用α表示π1与π2之间的夹角；用β表示R1与R3之间的夹角；

(9a)为机构进入串联构型分支内。转动副R1与R3轴线成一定角度，R1≠R3，α＝0°；

(9b)机构此时处于奇异位型Ⅰ，两支链各对应连杆重合，轴线M1与M2、M3与R5、R3与R4重合，所述位型下：α＝0°，R1＝R3；机构此时处于一种临界状态，既可以进入串联构型，亦可以通过增大α直至180度，进入另一奇异位型Ⅱ；

(9c)～(9e)为机构逐渐增大α直至180度的奇异位型Ⅱ的过渡状态；

(9f)为机构的另一奇异位型Ⅱ，两支链各对应连杆共面，所述位型下：α＝180°，R1＝R3，M1∥M2∥M3∥R5∥R3∥R4；机构处于另一临界状态，既可以进入如图(9g)所示的平面六杆构型分支，亦可以通过逐渐减小α直至0度，进入另一奇异位型Ⅰ。

(9g)为机构进入平面六杆构型分支内。转动副R1与R3轴线成一定角度，R1≠R3，α＝180°。

由以上的(9a)～(9g)的过程，机构逐步实现了从串联操作模式至平面六杆操作模式的模式切换。

2.从实际驱动层面说明：

假定平面并联机构的一条支链固定，仅驱动另一条支链实现模式变换，实际上两条支链均可以同时转动，以提高响应速度，快速实现模式切换。机构初始位型如图(9a)所示的串联构型，伺服电机51启动，并带动固定于其输出轴上的主动锥齿轮23，进一步通过齿轮传动带动从动锥齿轮21，进一步通过传动轴25带动固定于其上的齿轮15转动，进一步齿轮15带动外侧齿圈13转动，齿圈上装有传动销Ⅰ，传动销插入位于连杆1底部的孔49，输出力矩，带动支链转动，逐步经过如图(9c)～(9e)的过程，α由0°增大至180°，最终状态如图(9f)所示的平面并联模式，实现由串联模式至平面并联模式的切换。

使用具有类似功能或相似结构的机构替换本发明包含的某一机构，以实现本发明所述的方案思想的情况，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

通过改变杆件的结构外观或使用具有相同性能特点的机构替换本发明某一部分，并将其应用于其他应用领域(非机械臂)的情况，例如：用作仿生机器人变形腿以及其他生物肢体的机构设计的情况，同样包含在本申请权利要求所限定的范围内。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于运动分岔机构的多模式混联机械臂，其特征在于，包括依次连接的末端执行器、臂部和并联基座，其中：

所述臂部为8杆单环运动分岔机构，包括对称设置的两条臂支链，两条臂支链两端分别活动连接形成单环闭链结构，各所述臂支链包括四个依次活动连接的连杆；

所述并联基座为两转动自由度空间并联机构；

所述并联基座上安装有用于实现两条臂支链串联、并联转换的模式切换机构。

2.根据权利要求1所述的基于运动分岔机构的多模式混联机械臂，其特征在于，各所述臂支链的四个连杆的形状不同。

3.根据权利要求1所述的基于运动分岔机构的多模式混联机械臂，其特征在于，各所述连杆间通过转动副连接，且部分连杆上布置有驱动电机。

4.根据权利要求1所述的基于运动分岔机构的多模式混联机械臂，其特征在于，所述并联基座包括上平台、下平台、支链机构和支链驱动机构，所述支链机构活动连接于上平台和下平台之间，所述支链驱动机构与支链机构连接，所述模式切换机构安装于上平台上，所述下平台安装于一固定底板上。

5.根据权利要求4所述的基于运动分岔机构的多模式混联机械臂，其特征在于，所述支链机构包括三条分支链和一条中间支链，所述三条分支链中心对称布置于上平台和下平台边沿，各分支链包括两个活动连接的连杆，所述中间支链包括依次活动连接的固定杆Ⅰ、中间连接件和固定杆Ⅱ，固定杆Ⅰ与上平台固定连接，固定杆Ⅱ与下平台固定连接。

6.根据权利要求5所述的基于运动分岔机构的多模式混联机械臂，其特征在于，各分支链的两个所述连杆间通过等效球面副连接。

7.根据权利要求4所述的基于运动分岔机构的多模式混联机械臂，其特征在于，所述支链驱动机构设有三个，分别与三条分支链对应连接。

8.根据权利要求4所述的基于运动分岔机构的多模式混联机械臂，其特征在于，所述支链驱动机构为丝杆驱动机构，该丝杆驱动机构固定于所述固定底板上。

9.根据权利要求1所述的基于运动分岔机构的多模式混联机械臂，其特征在于，所述模式切换机构包括依次连接的伺服电机、齿轮组件和传动销，所述传动销与臂支链连接。

10.根据权利要求8所述的基于运动分岔机构的多模式混联机械臂，其特征在于，所述模式切换机构设有两个，分别与两条臂支链对应连接，两个所述模式切换机构采用嵌套方式安装于并联基座上。

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