CN110181484B - 一种串并联组合的机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种串并联组合的机器人，包括机器人本体；所述机器人本体由底座组件以及作为活动部的前置部位和后置部位连接组成；所述前置部位采用双输入单输出的并联结构，且该并联结构形成反四边形机构；所述后置部位采用若干个关节串联结构；所述前置部位与底座组件可转动连接，前置部位与后置部位连接，实现通过串联和并联组合的方式组成机器人本体的活动部。本发明串并联组合的机器人具有灵活性较强和动作快捷的特点，其可灵活多变成不同形态，可适用于大范围距离和高度变化的场合。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，更具体地说，涉及一种串并联组合的机器人。
背景技术
目前，现代物流装卸领域，装卸设备形式单一，且装卸效率和自动化水平较低。使用码垛机器人代替人力将重物搬运或整齐码垛排列在工装板上，可以大幅度提高生产效率，降低劳动强度，保证操作的稳定性及防止重大安全事故发生。
传统的四轴码垛工业机器人仅适用于常规应用场合，对于有高度、深度、大跨度、重载作业范围及特殊运动规律要求的场合，以往的四轴码垛机器人很难满足在特定物流搬运、装卸领域发挥作用。而用多关节六轴或以上的机器人，不仅成本较高，而且末端可承载能力较低，在重载搬运、装卸中存在安全隐患。在安全、经济、实用、可靠的前提下，如何充分发挥码垛机器人连杆机构在重载和高刚度的优势，以及如何突出平面多关节机器人灵活多变、实现不同形态位姿及动作快捷等特点，成为现阶段工业机器人所需研究的重要课题之一。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种串并联组合的机器人，该机器人具有灵活性较强和动作快捷的特点，其可灵活多变成不同形态，可适用于大范围距离和高度变化的场合。
为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种串并联组合的机器人，其特征在于：包括机器人本体；所述机器人本体由底座组件以及作为活动部的前置部位和后置部位连接组成；所述前置部位采用双输入单输出的并联结构，且该并联结构形成反四边形机构；所述后置部位采用若干个关节串联结构；所述前置部位与底座组件可转动连接，前置部位与后置部位连接，实现通过串联和并联组合的方式组成机器人本体的活动部。
在上述方案中，本发明通过串联和并联组合的方式组成机器人本体的活动部，而且前置部位采用双输入单输出的并联结构，该并联结构形成反四边形机构，该结构的机器人充分发挥机器人连杆机构在重载和高刚度的优势，而且使得多关节机器人具有灵活多变不同形态及动作快捷的特点。本发明的前置部位实现运动轨迹上下大幅度摆动及前后大范围伸缩，后置部位适应不同位置姿态的要求实现腕部关节旋转、摆动和末端执行器微调，从而大大提高了机器人装卸货物的自动化水平，提高了货物装卸的效率。该串并联组合的机器人采用的新机构适应性和灵活性较强，可适用于大范围距离与高度变化的场合。
所述前置部位包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、驱动装置一和旋转支座组件；所述旋转支座组件与底座组件可转动连接，并分别通过驱动装置一与第一连杆和第四连杆连接；所述第二连杆前端与第一连杆铰接，末端与第三连杆铰接；所述第三连杆与第四连杆铰接。
所述前置部位采用双输入单输出的并联结构是指：第一连杆和第二连杆以及第四连杆和第三连杆分别通过驱动装置一的驱动作为并联形式的双输入，第二连杆的末端与第三连杆铰接作为单输出，实现构成双输入单输出的并联结构。
所述第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆和旋转支座组件形成反平行四边形机构；
所述第一连杆和第四连杆上均设置有限位块，以避免反平行四边形机构在运动学求解上出现奇点。这样可以确保机器人运动轨迹求解的唯一性。
所述驱动装置一包括第二伺服电机、第三伺服电机、第一肩关节减速器和第二肩关节减速器；所述第二伺服电机通过第一肩关节减速器与第一连杆连接；所述第三伺服电机通过第二肩关节减速器与第四连杆连接；
所述第二伺服电机和第三伺服电机对称安装于旋转支座组件的两侧，并相对设置。第二伺服电机和第三伺服电机对称安装于旋转支座组件的两侧，相比以往传统机构第三伺服电机安装在第二连杆上来说，可有效减少惯量变化，使得机器人运动更快。同时可以避免一般的六关节机器人把电机和减速器装在肩关节（前置部位）上，会导致肩关节（前置部位）需要力矩更大的电机，最终导致机器人的自重较大，价格也更高。
所述第一肩关节减速器的安装固定端通过螺栓连接于所述的旋转支座组件的一侧，第一肩关节减速器的输出端与第一连杆连接，第一肩关节减速器的输入端一与第二伺服电机连接；第二伺服电机的旋转驱动第一连杆旋转运动；
所述第二肩关节减速器的安装固定端通过螺栓连接于所述的旋转支座组件的另一侧，第二肩关节减速器的输出端与第四连杆连接，第二肩关节减速器的输入端与第三伺服电机连接；第三伺服电机的旋转驱动第四连杆旋转运动。
本发明的前置部位通过第二伺服电机、第三伺服电机、第一肩关节减速器和第二肩关节减速器的驱动实现前置部位的上下大幅度摆动及前后大范围伸缩，改变机器人运动姿态及作业范围，前置部位的位置姿态由第二连杆的末端决定，前置部位构成机器人本体的轴二。
所述后置部位包括第一腕部组件、第二腕部组件、末端执行器和驱动装置二；所述后置部位采用若干个关节串联结构是指：第一腕部组件、第二腕部组件和末端执行器三个关节通过驱动装置二依次连接，形成串联结构。
所述驱动装置二包括第四伺服电机、第一腕关节减速器、第五伺服电机和第二腕关节减速器；
所述第一腕关节减速器的固定端通过法兰与第二连杆的末端连接，第一腕关节减速器的输入端与第四伺服电机连接，第一腕关节减速器的输出端与第一腕部组件连接，第四伺服电机的旋转带动第一腕部组件绕着第二连杆的轴线旋转；第一腕部组件构成机器人本体的轴三。
所述第二腕关节减速器的固定端与第一腕部组件的末端铰接，第二腕关节减速器的输入端与第五伺服电机连接，第二腕关节减速器的输出端与第二腕部组件连接，第五伺服电机的旋转带动第二腕部组件绕着第一腕部组件的轴线摆动。第二腕部组件构成机器人本体的轴四。
所述末端执行器由第六伺服电机、末端减速器和用于连接夹具的末端输出法兰连接构成。在第六伺服电机驱动下末端输出法兰可绕其轴线方向旋转，微调末端执行器的末端输出法兰上夹具的姿态，末端执行器构成机器人本体的轴五。
所述旋转支座组件与底座组件可转动连接是指：所述底座组件包括底座、第一伺服电机、一级齿轮减速机构和腰关节减速器；所述第一伺服电机安装在底座的顶面上，并与一级齿轮减速机构的输入端连接；所述腰关节减速器的安装固定端通过螺栓固定连接在底座的顶面，腰关节减速器的输入端与一级齿轮减速机构输出端连接，腰关节减速器的输出端与所述的旋转支座组件连接；所述第一伺服电机旋转经一级齿轮减速机构的转换输出，实现旋转支座组件绕着底座组件的垂线在水平面-170°~170°旋转。旋转支座组件与底座组件构成了机器人的腰关节轴一。
与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：本发明串并联组合的机器人具有灵活性较强和动作快捷的特点，其可灵活多变成不同形态，可适用于大范围距离和高度变化的场合。
附图说明
图1是本发明机器人本体三维模型；
图2是本发明机器人初始位置姿态一的示意图（连杆一垂直水平面）；
图3是本发明机器人初始位置姿态一的后置部分放大图；
图4是本发明机器人轨迹最高点姿态的示意图；
图5是本发明机器人轨迹最近点姿态的示意图；
图6是本发明机器人轨迹最远点姿态的示意图；
图7是本发明机器人轨迹最低点姿态的示意图；
图8是本发明机器人轨迹最低点姿态的侧视图；
图9是本发明机器人原理简图；
其中，1为底座组件、2为旋转支座组件、3为第一连杆、4为第二连杆、5为第三连杆、6为第四连杆、7为第一腕部组件、8为第二腕部组件、9为第一伺服电机、10为腰关节减速器、11为第二伺服电机、12为第一肩关节减速器、13为第三伺服电机、14为第二肩关节减速器、15为第四伺服电机、16为第一腕关节减速器、17为第五伺服电机、18为第二腕关节减速器、19为第六伺服电机、20为末端减速器、21为末端执行器、101为第一铰接轴、102为第二铰接轴、103为第三铰接轴。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。
实施例
如图1至图9所示，本发明的串并联组合的机器人包括机器人本体，该机器人本体由底座组件1以及作为活动部的前置部位和后置部位连接组成，其中，前置部位采用双输入单输出的并联结构，且该并联结构形成反四边形机构；而后置部位采用若干个关节串联结构，前置部位与底座组件1可转动连接，前置部位与后置部位连接，实现通过串联和并联组合的方式组成机器人本体的活动部。
具体地说，前置部位包括第一连杆3、第二连杆4、第三连杆5、第四连杆6、驱动装置一和旋转支座组件2，其中，旋转支座组件2与底座组件1可转动连接，并分别通过驱动装置一与第一连杆3和第四连杆6连接，第二连杆4前端通过第一铰接轴101与第一连杆3铰接，末端通过第二铰接轴102与第三连杆5铰接，第三连杆5通过第三铰接轴103与第四连杆6铰接。第一铰接轴101、第二铰接轴102和第三铰接轴103均水平设置，且相互平行。
该前置部位采用双输入单输出的并联结构是指：第一连杆3和第二连杆4以及第四连杆6和第三连杆5分别通过驱动装置一的驱动作为并联形式的双输入，第二连杆4的末端与第三连杆5铰接作为单输出，实现构成双输入单输出的并联结构。
本发明的驱动装置一包括第二伺服电机11、第三伺服电机13、第一肩关节减速器12和第二肩关节减速器14，该第二伺服电机11通过第一肩关节减速器12与第一连杆3连接，第三伺服电机13通过第二肩关节减速器14与第四连杆6连接。第二伺服电机11和第三伺服电机13对称安装于旋转支座组件2的两侧，并相对设置，相比以往传统机构第三伺服电机13安装在第二连杆4上来说，可有效减少惯量变化，使得机器人运动更快。
本发明的第一连杆3、第二连杆4、第三连杆5、第四连杆6和旋转支座组件2形成反平行四边形机构ABCD。第一连杆3和第四连杆6上均设置有限位块，以避免反平行四边形机构ABCD在运动学求解上出现奇点，这样可以确保机器人运动轨迹求解的唯一性。该反平行四边形机构ABCD的活动构件由第一连杆3、第二连杆4、第三连杆5和第四连杆6构成，活动构件数量为4个，各个连杆间的转动副数量为5个，自由度为P=4×3-5×2=2，需要第二伺服电机11和第三伺服电机13约束前置部位才有唯一确定的运动轨迹。
本发明的第一肩关节减速器12的安装固定端通过螺栓连接于旋转支座组件2的一侧，第一肩关节减速器12的输出端与第一连杆3连接，第一肩关节减速器12的输入端一与第二伺服电机11连接，第二伺服电机11的旋转驱动第一连杆3旋转运动。同样，第二肩关节减速器14的安装固定端通过螺栓连接于旋转支座组件2的另一侧，第二肩关节减速器14的输出端与第四连杆6连接，第二肩关节减速器14的输入端与第三伺服电机13连接，第三伺服电机13的旋转驱动第四连杆6旋转运动。本发明的前置部位通过第二伺服电机11、第三伺服电机13、第一肩关节减速器12和第二肩关节减速器14的驱动实现前置部位的上下大幅度摆动及前后大范围伸缩，改变机器人运动姿态及作业范围，前置部位的位置姿态由第二连杆4的末端决定，前置部位构成机器人本体的轴二。
本发明的后置部位包括第一腕部组件7、第二腕部组件8、末端执行器21和驱动装置二，上述后置部位采用若干个关节串联结构是指：第一腕部组件7、第二腕部组件8和末端执行器21三个关节，即图8中的E、F、G，通过驱动装置二依次连接，形成串联结构。
具体地说，驱动装置二包括第四伺服电机15、第一腕关节减速器16、第五伺服电机17和第二腕关节减速器18，其中，第一腕关节减速器16的固定端通过法兰与第二连杆4的末端连接，第一腕关节减速器16的输入端与第四伺服电机15连接，第一腕关节减速器16的输出端与第一腕部组件7连接，第四伺服电机15的旋转带动第一腕部组件7绕着第二连杆4的轴线旋转；第一腕部组件7构成机器人本体的轴三。
第二腕关节减速器18的固定端与第一腕部组件7的末端铰接，第二腕关节减速器18的输入端与第五伺服电机17连接，第二腕关节减速器18的输出端与第二腕部组件8连接，第五伺服电机17的旋转带动第二腕部组件8绕着第一腕部组件7的轴线摆动。第二腕部组件8构成机器人本体的轴四。
末端执行器21由第六伺服电机19、末端减速器20和用于连接夹具的末端输出法兰连接构成。在第六伺服电机19驱动下末端输出法兰可绕其轴线方向旋转，微调末端执行器21的末端输出法兰上夹具的姿态，末端执行器21构成机器人本体的轴五。
本发明的旋转支座组件2与底座组件1可转动连接是指：底座组件1包括底座、第一伺服电机9、一级齿轮减速机构和腰关节减速器10，其中，第一伺服电机9安装在底座的顶面上，并与一级齿轮减速机构的输入端连接，腰关节减速器10的安装固定端通过螺栓固定连接在底座的顶面，腰关节减速器10的输入端与一级齿轮减速机构输出端连接，腰关节减速器10的输出端与旋转支座组件2连接，第一伺服电机9旋转经一级齿轮减速机构的转换输出，实现旋转支座组件2绕着底座组件1的垂线在水平面-170°~170°旋转。旋转支座组件2与底座组件1构成了机器人的腰关节轴一。
本发明通过串联和并联组合的方式组成机器人本体的活动部，而且前置部位采用双输入单输出的并联结构，该并联结构形成反四边形机构，该结构的机器人充分发挥机器人连杆机构在重载和高刚度的优势，而且使得多关节机器人具有灵活多变不同形态及动作快捷的特点。本发明的前置部位实现运动轨迹上下大幅度摆动及前后大范围伸缩，后置部位适应不同位置姿态的要求实现腕部关节旋转、摆动和末端执行器微调，从而大大提高了机器人装卸货物的自动化水平，提高了货物装卸的效率。该串并联组合的机器人采用的新机构适应性和灵活性较强，可适用于大范围距离与高度变化的场合。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种串并联组合的机器人，其特征在于：包括机器人本体；所述机器人本体由底座组件以及作为活动部的前置部位和后置部位连接组成；所述前置部位采用双输入单输出的并联结构，且该并联结构形成反四边形机构；所述后置部位采用若干个关节串联结构；所述前置部位与底座组件可转动连接，前置部位与后置部位连接，实现通过串联和并联组合的方式组成机器人本体的活动部；
所述前置部位包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、驱动装置一和旋转支座组件；所述旋转支座组件与底座组件可转动连接，并分别通过驱动装置一与第一连杆和第四连杆连接；所述第二连杆前端与第一连杆铰接，末端与第三连杆铰接；所述第三连杆与第四连杆铰接；
所述前置部位采用双输入单输出的并联结构是指：第一连杆和第二连杆以及第四连杆和第三连杆分别通过驱动装置一的驱动作为并联形式的双输入，第二连杆的末端与第三连杆铰接作为单输出，实现构成双输入单输出的并联结构；
所述驱动装置一包括第二伺服电机、第三伺服电机、第一肩关节减速器和第二肩关节减速器；所述第二伺服电机通过第一肩关节减速器与第一连杆连接；所述第三伺服电机通过第二肩关节减速器与第四连杆连接；
所述第二伺服电机和第三伺服电机对称安装于旋转支座组件的两侧，并相对设置；
所述后置部位包括第一腕部组件、第二腕部组件、末端执行器和驱动装置二；所述后置部位采用若干个关节串联结构是指：第一腕部组件、第二腕部组件和末端执行器三个关节通过驱动装置二依次连接，形成串联结构；
所述驱动装置二包括第四伺服电机、第一腕关节减速器、第五伺服电机和第二腕关节减速器；
所述第一腕关节减速器的固定端通过法兰与第二连杆的末端连接，第一腕关节减速器的输入端与第四伺服电机连接，第一腕关节减速器的输出端与第一腕部组件连接，第四伺服电机的旋转带动第一腕部组件绕着第二连杆的轴线旋转；
所述第二腕关节减速器的固定端与第一腕部组件的末端铰接，第二腕关节减速器的输入端与第五伺服电机连接，第二腕关节减速器的输出端与第二腕部组件连接，第五伺服电机的旋转带动第二腕部组件绕着第一腕部组件的轴线摆动。
2.根据权利要求1所述的串并联组合的机器人，其特征在于：所述第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆和旋转支座组件形成反平行四边形机构；
所述第一连杆和第四连杆上均设置有限位块，以避免反平行四边形机构在运动学求解上出现奇点。
3.根据权利要求1所述的串并联组合的机器人，其特征在于：所述第一肩关节减速器的安装固定端通过螺栓连接于所述的旋转支座组件的一侧，第一肩关节减速器的输出端与第一连杆连接，第一肩关节减速器的输入端一与第二伺服电机连接；第二伺服电机的旋转驱动第一连杆旋转运动；
所述第二肩关节减速器的安装固定端通过螺栓连接于所述的旋转支座组件的另一侧，第二肩关节减速器的输出端与第四连杆连接，第二肩关节减速器的输入端与第三伺服电机连接；第三伺服电机的旋转驱动第四连杆旋转运动。
4.根据权利要求1所述的串并联组合的机器人，其特征在于：所述末端执行器由第六伺服电机、末端减速器和用于连接夹具的末端输出法兰连接构成。
5.根据权利要求1所述的串并联组合的机器人，其特征在于：所述旋转支座组件与底座组件可转动连接是指：所述底座组件包括底座、第一伺服电机、一级齿轮减速机构和腰关节减速器；所述第一伺服电机安装在底座的顶面上，并与一级齿轮减速机构的输入端连接；所述腰关节减速器的安装固定端通过螺栓固定连接在底座的顶面，腰关节减速器的输入端与一级齿轮减速机构输出端连接，腰关节减速器的输出端与所述的旋转支座组件连接；所述第一伺服电机旋转经一级齿轮减速机构的转换输出，实现旋转支座组件绕着底座组件的垂线在水平面-170°~170°旋转。
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