CN110524514A - 一种带能量回收间接驱动的高速并联机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带能量回收间接驱动的高速并联机器人，其技术特点在于：包括定平台、主动臂、从动臂、动平台和驱动电机；在定平台上均布安装有三个驱动电机，每个驱动电机的输出端均连接一主动臂，每个主动臂均连接一从动臂，三个从动臂下端共同连接于动平台；所述主动臂包括依次连接的主动输出臂、副主动臂和从动主臂；所述驱动电机驱动所述主动输出臂的主动端，该主动输出臂的从动端驱动所述副主动臂的主动端，该副主动臂从动端驱动从动主臂的中端，该从动主臂的前端与静平台铰接，末端驱动从动臂的主动端，该从动臂的从动端带动定平台作运动。本发明能够实现并联机器人速度的提升。

Description

一种带能量回收间接驱动的高速并联机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及高速并联机器人，尤其是一种带能量回收间接驱动的高速并联机器人。

背景技术

随着劳动力成本的不断增加，工业生产中对机器人的速度依赖越来越大，因此并联机器人的运行速度成为了该系列机器人性能的重要指标，传统的并联机器人由定平台-主动臂-从动臂-动平台组成，如果主动臂的质量过大则导致了动平台速度无法提升，如果主动臂质量过小则无法具备良好的刚性，由于传统的并联机器人受机械结构和自身运动特点的限制，导致即使使用高速及大功率电机仍然无法突破性的提升其运行速度，并且无法解决电机散热，及往复运动时导致电流过大的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、免维护、低功耗且高速高稳定的带能量回收间接驱动的高速并联机器人。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种带能量回收间接驱动的高速并联机器人，包括定平台、主动臂、从动臂、动平台和驱动电机；在定平台上均布安装有三个驱动电机，每个驱动电机的输出端均连接一主动臂，每个主动臂均连接一从动臂，三个从动臂下端共同连接于动平台；所述主动臂包括依次连接的主动输出臂、副主动臂和从动主臂；所述驱动电机驱动所述主动输出臂的主动端，该主动输出臂的从动端驱动所述副主动臂的主动端，该副主动臂从动端驱动从动主臂的中端，该从动主臂的前端与静平台铰接，末端驱动从动臂的主动端，该从动臂的从动端带动定平台作运动。

而且，所述从动主臂末端通过虎克铰与从动臂的主动端铰装在一起，其具体安装方式为：在所述从动主臂末端转动安装有垂直于该从动主臂的从动主臂末端轴，在该从动主臂末端轴两端分别套装有从动主臂末端轴连接座，在该从动主臂末端轴连接座上穿装有从动臂旋转轴，该从动臂旋转轴和轴主动臂末端轴互相垂直，在从动臂旋转轴上套装有从动臂旋转轴固定座，在从动臂旋转轴固定座内套装有同轴转动的从动臂；

而且，在所述从动主臂的前端与静平台的铰接轴两侧分别套装有旋向相反的两个能量回收扭簧，该能量回收扭簧的一端固定连接在定平台上，另一端固定在所述铰接轴上。

而且，所述驱动电机上安装有电机罩，电机罩固装在定平台上，在电机罩与驱动电机形成的空腔内安装有涡旋管，且涡旋管固装在电机罩内壁上，所述涡旋管包括高压气体进气口、热气流出口和冷气流出口；所述高压进气口和气泵连通，所述热气流出口与设置在电机罩上部的散热格栅连通；所述冷气流出口通入电机罩和驱动电机之间形成的空腔内，在热气流出口处还安装有温度调节阀，用于调节电机的制冷温度。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明通过改变传统的机械结构提高速度，并为电机设计制冷系统降低电机散热问题，加装能量回收及释放系统避免电机电流过大。本发明针对性解决了并联机器人在高速运行中，主动臂受力集中，摩擦系数高，运动特性能量浪费严重，电机过热等技术难题，并在测试中取得了良好的效果，通过改变机械结构及对电机采取降温保护措施实现并联机器人速度的提升。

2、本发明将主动臂分成了三个结构：主动输出臂，副主动臂和从动主臂，主动输出臂的主动端和减速机相连，该主动输出臂的从动端和副主动臂的主动端铰接，副主动臂的从动端和从动主臂的主动端铰接从而共同构成了主动臂组件；其中，从动主臂的末端承受负载，中部由副主动臂驱动，前部和静平台铰接，使得从动主臂受力变得更加均匀，从而在刚性不变的前提下大幅减轻主动臂质量，即通过间接驱动主动臂的方式达到了主动臂惯量降低从而提升运行速度的效果。

3、本发明根据并联机器人主轴电机需要频繁往复运动的特点，设计了一套机械式扭簧能量回收系统，通过在从动主臂前端和静平台铰接处安装一正一反两组扭转弹簧，分别回收零点以上上扬和零点以下下摆的能量，从而在机器人拾放过程中减速阶段回收动能，在机器人加速阶段释放动能，辅助电机加减速的同时降低电机的峰值电流，以发挥出电机的最佳性能。如图分别为能量回收前及能量回收介入后电机的力矩状态波形，可以看到力矩的峰值段有了明显的降低。

4、本发明通过陶瓷轴承配合虎克铰的形式替代传统的球头球碗结构，将滑动摩擦替换成了滚动摩擦，摩擦系数从0.2降低到了0.004，由于摩擦阻力造成的能量损耗大幅降低，且陶瓷轴承无需添加润滑脂，方便整套结构的维护和保养。

5、本发明将涡旋管制冷技术引入电机散热中，首先为主轴电机设计相对封闭的护罩，并将涡旋管产生的低温气流导入电机护罩中，从而有效降低电机和电机护罩空腔中的温度，相对于传统风扇及水冷散热，涡旋管产生的低温气流流量低温差大，散热效率更高。本发明解决了由于并联机器人主轴电机频繁启停往复高转速的运动特性，造成机器人在高速运行时电机温升过大而报警，直接导致机器人不能持续高速运行的技术难题。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的虎克铰连接结构局部放大图；

图3为本发明的能量回收弹簧弹簧连接结构局部放大图；

图4为本发明的涡流管的连接结构示意图；

图5为本发明的能量回收前驱动电机的力矩状态波形图；

图6为本发明的能量回收扭簧介入后驱动电机的力矩状态波形图。

附图标记说明：

1-主动输出臂；2-副主动臂；3-从主动臂；4-从主动臂末端轴连接座；5-主动臂末端轴；6-从动臂旋转轴；7-从动臂旋转轴固定座；8-左旋能量回收扭簧；9-右旋能量回收扭簧；10-电机罩；11-定平台；12-动平台；13-调节阀及热气流出口；14-电机罩；15-高压气体进气口；16-冷气流出口；17-伺服电机；18-冷气流流向。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

一种带能量回收间接驱动的高速并联机器人，如图1所示，包括定平台、主动臂、从动臂、动平台和驱动电机；在定平台上均布安装有三个驱动电机，每个驱动电机的输出端均连接一主动臂，每个主动臂均连接一从动臂，三个从动臂下端共同连接于动平台；所述主动臂包括依次连接的主动输出臂、副主动臂和从动主臂；所述驱动电机驱动所述主动输出臂的主动端，该主动输出臂的从动端驱动所述副主动臂的主动端，该副主动臂从动端驱动从动主臂的中端，该从动主臂的前端与静平台铰接，末端驱动从动臂的主动端，该从动臂的从动端带动定平台作运动。

在本实施例中，所述驱动电机的减速机输出端和主动输出臂相连，主动输出臂和副主动臂铰接，副主动臂在从动主臂的二分之一处和从动主臂铰接，从动主臂前端和静平台铰接，从动主臂末端和从动臂铰接；主动输出臂、副主动臂和从动主臂共同组成主动臂组件，主动输出臂在上扬和下摆的过程中带动从动主臂上扬和下摆，进而带动从动臂上扬和下摆，同理其它两组机构也进行类似运动及三组机构协同实现动平台在空间范围内移动。

本发明将主动臂分成了三个组成结构：主动输出臂、副主动臂和从动主臂；主动输出臂和减速机相连，同时和主动副臂铰接，主动副臂和从动主臂铰接从而共同构成了主动臂组件，其中从动主臂末端承受负载，中部由主动副臂驱动，前部和静平台铰接，使得从动主臂受力变得更加均匀，从而在刚性不变的前提下大幅减轻主臂质量，即通过间接驱动主动臂的方式达到了主动臂惯量降低从而提升运行速度的效果。

所述从动主臂末端通过虎克铰与从动臂的主动端铰装在一起，其具体安装方式为：在所述从动主臂末端转动安装有垂直于该从动主臂的从动主臂末端轴，在该从动主臂末端轴两端分别套装有从动主臂末端轴连接座，在该从动主臂末端轴连接座上穿装有从动臂旋转轴，该从动臂旋转轴和轴主动臂末端轴互相垂直，在从动臂旋转轴上套装有从动臂旋转轴固定座，在从动臂旋转轴固定座内套装有同轴转动的从动臂；

所述三个从动臂末端分别通过虎克铰与动平台铰装在一起。

三个驱动电机间隔120°分布在静平台上。

如图2所示，在本实施例中，采用虎克铰替代球头球碗的方式，从动主臂末端轴连接座安装在主动臂末端轴上并且可通过绕主动臂末端轴实现旋转，从动主臂末端轴连接座和从动臂旋转轴固定座通过轴从动臂旋转轴相连，从动臂旋转轴固定座可绕轴从动臂旋转轴实现旋转，从动臂旋转轴和主动臂末端轴互相垂直构成虎克铰从而实现替代球头球碗的自由度，并在从动臂旋转轴和主动臂末端轴上分别装有两组陶瓷轴承，即在整个转动过程中均为滚动摩擦。

本发明通过陶瓷轴承配合虎克铰的形式替代传统的球头球碗结构，将滑动摩擦替换成了滚动摩擦，摩擦系数从0.2降低到了0.004，由于摩擦阻力造成的能量损耗大幅降低，且陶瓷轴承无需添加润滑脂，使得整套结构无需维护和保养。

在所述从动主臂的前端与静平台的铰接轴两侧分别套装有旋向相反的两个能量回收扭簧，该能量回收扭簧的一端固定连接在定平台上，另一端固定在所述铰接轴上。

如图3所示，在本实施例中，本发明根据并联机器人主轴电机需要频繁往复运动的特点，设计了一套机械式扭簧能量回收系统，通过在从动主臂前端和静平台铰接处安装一正一反两组扭转弹簧，分别回收零点以上上扬和零点以下下摆的能量，从而在机器人拾放过程中减速阶段回收动能，在机器人加速阶段释放动能，辅助电机加减速的同时降低电机的峰值电流，以发挥出电机的最佳性能。

其能量回收实施方式为：旋向相反并共同作用在从动主臂和静平台铰接轴上的扭簧，一端固定在静平台上，另一端固定在从动主臂的铰接轴上，根据扭簧特性，从动主臂下摆到水平以下时左旋能量回收扭簧开始工作，发生扭转储存能量并在从动主臂下摆停止开始上摆时释放储存的能量，分别起到刹车和加速的作用同理，上摆至零平面以上时右旋能量回收扭簧发挥作用。

如图5和图6分别为能量回收前及能量回收介入后电机的力矩状态波形，可以看到力矩的峰值段有了明显的降低。

所述驱动电机上安装有电机罩，电机罩通过螺丝固定在定平台上在电机罩与驱动电机形成的空腔内安装有涡旋管，且涡旋管固装在电机罩内壁上，所述涡旋管包括高压气体进气口、热气流出口和冷气流出口；所述高压进气口通过气管和气泵连通(气泵为外接装置或者压缩空气气源)所述热气流出口与设置在电机罩上部的散热格栅连通；冷气流出口通入电机罩和驱动电机之间形成的空腔内，在热气流出口处还安装有温度调节阀，用于调节电机的制冷温度。

在本实施例中，本发明的涡旋管电机散热系统如图4所示，通过给电机部分设计外壳的形式使电机和外壳之间形成一个相对封闭的空腔，将涡旋管固定在该空腔中，当给涡旋管通入高压气体时，冷气流沿着空腔壁吹向空腔下侧，热气流从壳体上部的散热格栅流出，从而在空腔中形成环形冷气流实现了对电机散热的最佳效果，制冷温度则可根据电机的使用情况调整调节阀来实现，避免过冷或制冷效果不佳等情况

其中，涡旋管的工作原理是：将具有一定压力的压缩空气进入涡流管喷嘴后膨胀加速，当加速后的气流进入一个圆柱型涡流发生器，旋转的气流以1,000,000rpm的旋转速度沿热管壁进入热管内部，热管内气流经涡流交换后产生能量的分离,气流被分割成两股气流——一股是热气流，另一股是冷气流。在热管的终端，一部分压缩空气通过调节阀以热空气的方式泻出,剩余的压缩空气以较低速度通过进入热管旋转气流的中心返回，这股冷气流通过发生器中心形成超低温冷气汇集到冷气端排出。

本发明采用涡旋管的优点在于：

1、无运动零部件、便携、轻巧、廉价；

2、无需用电，无氟利昂和其他化学冷媒物质，只需经过滤的工厂用压缩空气；

3、无火花闪现的危险，没有磁线/射频干扰；

4、及时开/关，易于控制，制冷不产生任何废弃物；5、无残留物需要清理，没有需要清洗的零部件。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种带能量回收间接驱动的高速并联机器人，其特征在于：包括定平台、主动臂、从动臂、动平台和驱动电机；在定平台上均布安装有三个驱动电机，每个驱动电机的输出端均连接一主动臂，每个主动臂均连接一从动臂，三个从动臂下端共同连接于动平台；所述主动臂包括依次连接的主动输出臂、副主动臂和从动主臂；所述驱动电机驱动所述主动输出臂的主动端，该主动输出臂的从动端驱动所述副主动臂的主动端，该副主动臂从动端驱动从动主臂的中端，该从动主臂的前端与静平台铰接，末端驱动从动臂的主动端，该从动臂的从动端带动定平台作运动。

2.根据权利要求1所述的一种带能量回收间接驱动的高速并联机器人，其特征在于：所述从动主臂末端通过虎克铰与从动臂的主动端铰装在一起，其具体安装方式为：在所述从动主臂末端转动安装有垂直于该从动主臂的从动主臂末端轴，在该从动主臂末端轴两端分别套装有从动主臂末端轴连接座，在该从动主臂末端轴连接座上穿装有从动臂旋转轴，该从动臂旋转轴和轴主动臂末端轴互相垂直，在从动臂旋转轴上套装有从动臂旋转轴固定座，在从动臂旋转轴固定座内套装有同轴转动的从动臂。

3.根据权利要求1所述的一种带能量回收间接驱动的高速并联机器人，其特征在于：在所述从动主臂的前端与静平台的铰接轴两侧分别套装有旋向相反的两个能量回收扭簧，该能量回收扭簧的一端固定连接在定平台上，另一端固定在所述铰接轴上。

4.根据权利要求1所述的一种带能量回收间接驱动的高速并联机器人，其特征在于：所述驱动电机上安装有电机罩，电机罩固装在定平台上，在电机罩与驱动电机形成的空腔内安装有涡旋管，且涡旋管固装在电机罩内壁上，所述涡旋管包括高压气体进气口、热气流出口和冷气流出口；所述高压进气口和气泵连通，所述热气流出口与设置在电机罩上部的散热格栅连通；所述冷气流出口通入电机罩和驱动电机之间形成的空腔内，在热气流出口处还安装有温度调节阀，用于调节电机的制冷温度。