CN111906764B - 一种模块化可重构串并联机械臂系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模块化可重构串并联机械臂系统，它由以下七个基本模块组成：转动关节、L形连杆、I形连杆、大臂连杆、小臂连杆、底座A、底座B，以及包括其他的一些附件：如铰链，机械手爪A、机械手爪B、连接法兰。本发明以这些模块作为基本单元，重构出不同类型的串、并联式机械臂。其中典型的串联式机械臂构型有4种，分别是三自由度、四自由度、五自由度、六自由度；并联式机械臂构型有2种，分别是二自由度、三自由度。相比于传统的机械臂，模块化可重构串并联的设计在结构上具有很大的优势，传统的机械臂的功能专一化，通用性差，接口与接口之间的依赖性强，所以对于提高机械臂的通用性能以实现多样化的作业有很大的限制。增多，可以适应多样化作业。
Description
技术领域
本发明专利属于机器人技术领域，具体来讲涉及的是一种模块化可重构串并联机械臂系统。
背景技术
进入21世纪，科学技术的发展日新月异，我国工业化进程的不断加快；愈加彰显了工业制造对于我国发展的重要性，而机械臂作为工业制造领域的重要装置，应用范围也越来越广泛，同时对其功能要求也随之不断提高。模块化、高精度化、机电一体化、是未来机械臂发展的必然趋势，其中模块化是未来机械臂发展的重要方向。对于传统的机械臂，其功能往往是固定不变的，一个机械臂只能完成一种或者几种固定的操作，这意味着机械臂的通用性较弱，某些机械臂甚至功能高度专一化而不具有通用性。因此导致传统机械臂的应用范围很窄，可拓展性不强，难以适应多样化的作业。模块化可重构的设计能够很好地解决这一问题，所谓模块指的是具有一定功能的独立单元，是构成系统的基本单元，模块之间互不影响、彼此独立。模块化系统的优点是各个模块的独立性很强，当其中几个模块损坏以后，只需更换即可，而不会影响系统的整体功能。模块化的设计理念极大提高了机械臂的通用性能，通过不同模块的组合、改变模块之间的连接方式，就能实现多样化的功能。因此，模块化和可重构设计能够极大地改善机械臂的总体性能。
在日本、美国、英国等一些国家，模块化机械臂的相关研究已经有了较高的水平，并且在一些领域，模块化机械臂已经投入了实际的应用中。美国卡内基梅隆大学的Paredis和Khosla研制的模块化机械臂RMMS，被认为是世界上最早的模块化机械臂。RMMS结构上由一些标准化的连接模块和旋转模块组成，在模块内部高度集成了驱动模块、控制模块、电气模块等，能够实现快速的重构组合，以实现不同的功能。日本东京科学大学的Fukuda等人提出了一种仿生的新型模块化机械臂系统，命名为DRRS（动力可重构系统）。这种系统是由许许多多的基本单元——“细胞”（Cell）组成，通过“细胞”的组合和分离实现重构。国内对于模块化机械臂的研究相对起步较晚，主要是一些高校和科研单位做了相关研究，也取得了许多重大的研究成果。东北大学在2004年对模块化机械臂的可重构构型做了详细的研究，总结出了机械臂的七种不同的功能模块。由哈尔滨理工大学研制的MRRES（模块化可重构机器人系统），由转动模块、基座模块和连接模块等组成，主要用以面向科研领域用途。北京邮电大学基于旋量理论对模块化机械臂的运动学做了建模研究，提出了一种基于旋量理论的正运动学建模的方法，这种方法是在传统的D-H矩阵法之上的改进，更加简洁明了。
从整体上来看，国内外模块化机械臂领域的许多方面已经有了较为深入的研究，也取得了许多成果。但目前还存在许多问题，首先是机械臂的模块化程度不高，重构性能一般，难以得到广泛的应用；此外，随着模块的增多与结构上的重构，将会导致模块化机器人的精度降低，影响其作业；模块化机器人的承载能力也较差，无法用于承受较重载荷。由于以上几个方面的原因，模块化可重构机器人难以得到广泛的实际应用。要解决模块化重构存在的问题，可以从以下几个方面改进：一、模块的数目应尽可能少；二、可重构的能力要增强，方便装配；三、增加或者减少一些模块、进行模块重构时，机械臂的精度保持不变或者在允许范围内发生很小的变化。
发明内容
为了解决上述不足，本发明在此提供一种模块化可重构串并联机械臂系统。由于传统的机械臂的功能专一，通用性差，导致机械臂只能完成某些特定的动作，难以实现多样化的功能。故此本发明提供了一种模块化的设计方案，将机械臂分为转动模块、连接模块和基座模块，只需通过改变不同模块之间的连接方式和模块的数量，就能实现不同的功能，模块化机械臂具有通用性强、可重构性能好、可拓展性强、低成本的特点。
本发明是这样实现的，构造一种模块化可重构串并联机械臂系统，其特征在于；该系统由以下七个基本模块组成：转动关节，L形连杆，I形连杆，大臂连杆，小臂连杆，底座A，底座B，以及包括其他的一些附件：如铰链，机械手爪A、机械手爪B、连接法兰；
转动关节是模块化可重构串并联机械臂系统的核心组成部分，它主要作一个自由度的旋转运动，旋转轴线与圆柱关节的轴线重合；重构主要有两种方式：（1）改变相邻两转动关节的连接方式；（2）改变转动关节的数量；
对于串联式机械臂，采用方式（1）和方式（2）进行重构，即改变连接方式的同时改变转动关节的数量；转动关节之间的连接方式主要有两种：A-A型连接和A-B型连接。对于并联式机械臂，采用方式（2）进行重构，通过改变模块的数目以达到改变支链的数目的目的。
根据本发明所述一种模块化可重构串并联机械臂系统，其特征在于；所述系统具有以下六种系统重构模式，其中串联式机械臂系统有四种，并联式机械臂系统有两种：具体实施为；
方式一：在三自由度串联重构模式下，机械臂的构型为A-B-A，其中包含三个转动关节，机械臂具有三个转动自由度；
该实施方案的重构设计过程：先确定机械臂的构型，再将三个转动关节用两个L形连杆依次相连接，首端的转动关节与连接法兰连接后再与底座A相连接，末端的转动关节与机械手爪A相连接，通过转动关节的转动就能实现机械臂整体的运动；
以三自由度串联模式对机械臂进行重构设计，机械臂具有三个转动自由度，可以应用于焊接、喷涂等，该模式称为三自由度串联重构模式；
方式二：在四自由度串联重构模式下，机械臂的构型为A-B-B-A，其中包含四个转动关节，机械臂具有四个转动自由度；
该实施方案的重构设计过程：先确定机械臂的构型，再将两个转动关节分别与另外两个转动关节通过两个L形连杆相连接，构成两个A-B构型，再通过一个I形连杆连接，和实施例一中类似，最后再连接机械手爪A和底座A，就完成了四自由度串联机械臂的重构；
以四自由度串联模式对机械臂进行重构设计，机械臂具有四个转动自由度，可以应用于简单搬运、码垛等，该模式称为四自由度串联重构模式；
方式三：在五自由度串联重构模式下，机械臂的构型为A-B-A-B-A，其中包含四个转动关节，机械臂具有四个转动自由度；
该实施方案的重构设计过程：先确定机械臂的构型，通过四个L形连杆将五个转动关节相连接，和实施例一中类似，最后再连接机械手爪A和底座A，就完成了五自由度串联机械臂的重构；
以五自由度串联模式对机械臂进行重构设计，机械臂具有五个转动自由度，可以应用于搬运材料、组装零件等，该模式称为五自由度串联重构模式；
方式四：在六自由度串联重构模式下，机械臂的构型为A-B-B-A-B-A，其中包含六个转动关节，机械臂具有六个转动自由度。
该实施方案的重构设计过程：先确定机械臂的构型，再将四个转动关节依次通过三个L形连杆相连接，构成两B-A-B-A构型，同理再完成A-B构型的连接，再通过一个I形连杆将两部分构型相连接，和实施例一中类似，最后连接机械手爪A和底座A，就完成了六自由度串联机械臂的重构。
以六自由度串联模式对机械臂进行重构设计，机械臂具有六个转动自由度，可以应用于较为复杂的场合，如复杂设备的装配等，该模式称为六自由度串联重构模式；
方式五：在二自由度并联重构模式下，机械臂有两条支链，其中包含两个转动关节，机械臂具有两个移动自由度；
该实施方案的重构设计过程：先确定机械臂的构型，再将两个转动关节呈对称位置连接在底座B上，再将两个大臂连杆分别连接在转动关节上，然后通过普通铰链与两组小臂连杆并排连接，最后再将两组小臂连杆的另一端与机械手爪B相连接，就完成了二自由度并联机械臂的重构；
以二自由度并联模式对机械臂进行重构设计，机械臂具有两个移动自由度，可以应用于搬运、抓取物品等，该模式称为二自由度并联重构模式；
方式六：在三自由度并联重构模式下，机械臂有四条支链，其中包含四个转动关节，机械臂具有三个移动自由度（此外还包含一个局部转动自由度）；
该实施方案的重构设计过程：先确定机械臂的构型，再将四个转动关节分别连接在底座B上，再将四个大臂连杆分别连接在转动关节上，然后通过十字铰链与四组小臂连杆并排连接，最后再将四组小臂连杆的另一端与机械手爪B相连接（也是通过十字铰链连接），就完成了三自由度并联机械臂的重构；
以三自由度并联模式对机械臂进行重构设计，机械臂具有三个移动自由度（和一个局部转动自由度），可以应用于3D打印、重物搬运等，该模式称为三自由度并联重构模式。
本发明具有如下优点：本发明提供一种模块化可重构串并联机械臂系统，它由以下七个基本模块组成：转动关节、L形连杆、I形连杆、大臂连杆、小臂连杆、底座A、底座B，以及包括其他的一些附件：如铰链，机械手爪A、机械手爪B、连接法兰。本发明以这些模块作为基本单元，重构出不同类型的串、并联式机械臂。其中典型的串联式机械臂构型有4种，分别是三自由度、四自由度、五自由度、六自由度；并联式机械臂构型有2种，分别是二自由度、三自由度。相比于传统的机械臂，模块化可重构串并联的设计在结构上具有很大的优势，传统的机械臂的功能专一化，通用性差，接口与接口之间的依赖性强，所以对于提高机械臂的通用性能以实现多样化的作业有很大的限制。本发明的设计较好地弥补了以上的不足之处，可重构的设计提高了机械臂的通用性，功能大大增多，可以适应多样化作业。另外，由于机械臂只是基本模块的组合，损坏时只需更换相应模块即可，使用寿命得到了提高，也降低了生产制造成本。
综上所述，模块化的设计较大地提高了机械臂的通用性能。相同的基本模块，只需改变重构模式，就能构造出不同自由度的机械臂，具有不同的功能，应用领域大大增加。与功能专一化的传统机械臂相比较，模块化可重构串并联机械臂具有许多优势，通用性强、互换性强、功能多样化、使用寿命长、低成本等，具有一定的实用价值。
附图说明
图1是本发明串联的构型整体示意图；
图2是本发明并联的构型整体示意图；
图3是本发明中转动关节示意图；
图4是本发明中L形连杆示意图；
图5是本发明中I形连杆示意图；
图6是本发明中底座A示意图；
图7是本发明中大臂连杆示意图；
图8是本发明中铰链示意图；
图9是本发明中底座B示意图；
图10-图13是本发明实施例1对应示意图；
图14-图17是本发明实施例2对应示意图；
图18-图21是本发明实施例3对应示意图；
图22-图25是本发明实施例4对应示意图；
图26-图29是本发明实施例5对应示意图；
图30-图33是本发明实施例6对应示意图。
其中：机械手爪A1，转动关节2，L形连杆3，I形连杆4，连接法兰5，底座A6，大臂连杆7，铰链8，小臂连杆9，底座B10，机械手爪B11。
具体实施方式
下面将结合附图1-图33对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明通过改进在此提供一种该系统由以下七个基本模块组成：转动关节2，L形连杆3，I形连杆4，大臂连杆7，小臂连杆9，底座A6，底座B10，以及包括其他的一些附件：如铰链8、机械手爪A1、机械手爪B11、连接法兰5。
本发明中，转动关节2是模块化可重构串并联机械臂系统的核心组成部分，它主要作一个自由度的旋转运动，旋转轴线与圆柱关节的轴线重合；重构主要有两种方式：（1）改变相邻两转动关节的连接方式；（2）改变转动关节的数量；
对于串联式机械臂，采用方式（1）和方式（2）进行重构，即改变连接方式的同时改变转动关节的数量；转动关节之间的连接方式主要有两种：A-A型连接和A-B型连接。对于并联式机械臂，采用方式（2）进行重构，通过改变模块的数目以达到改变支链的数目的目的。
本发明所述的一种模块化串并联机械臂可重构系统具有六种系统重构模式，其中串联式机械臂系统有四种，并联式机械臂系统有两种：
实施例一：在三自由度串联重构模式下，机械臂的构型为A-B-A，其中包含三个转动关节，机械臂具有三个转动自由度。
该实施方案的重构设计过程：如附图2所示，先确定机械臂的构型，再将三个转动关节2用两个L形连杆3依次相连接，首端的转动关节2与连接法兰5连接后再与底座A6相连接，末端的转动关节2与机械手爪A1相连接，通过转动关节2的转动就能实现机械臂整体的运动。
该实例中，以三自由度串联模式对机械臂进行重构设计，机械臂具有三个转动自由度，可以应用于焊接、喷涂等，该模式称为三自由度串联重构模式。
实施例二：在四自由度串联重构模式下，机械臂的构型为A-B-B-A，其中包含四个转动关节，机械臂具有四个转动自由度。
该实施方案的重构设计过程：如附图3所示，先确定机械臂的构型，再将两个转动关节2分别与另外两个转动关节2通过两个L形连杆3相连接，构成两个A-B构型，再通过一个I形连杆4连接，和实施例一中类似，最后再连接机械手爪A1和底座A6，就完成了四自由度串联机械臂的重构。
该实例中，以四自由度串联模式对机械臂进行重构设计，机械臂具有四个转动自由度，可以应用于简单搬运、码垛等，该模式称为四自由度串联重构模式。
实施例三：在五自由度串联重构模式下，机械臂的构型为A-B-A-B-A，其中包含四个转动关节，机械臂具有四个转动自由度。
该实施方案的重构设计过程：如附图4所示，先确定机械臂的构型，通过四个L形连杆3将五个转动关节2相连接，和实施例一中类似，最后再连接机械手爪A1和底座A6，就完成了五自由度串联机械臂的重构。
该实例中，以五自由度串联模式对机械臂进行重构设计，机械臂具有五个转动自由度，可以应用于搬运材料、组装零件等，该模式称为五自由度串联重构模式。
实施例四：在六自由度串联重构模式下，机械臂的构型为A-B-B-A-B-A，其中包含六个转动关节，机械臂具有六个转动自由度。
该实施方案的重构设计过程：如附图5所示，先确定机械臂的构型，再将四个转动关节2依次通过三个L形连杆3相连接，构成两B-A-B-A构型，同理再完成A-B构型的连接，再通过一个I形连杆4将两部分构型相连接，和实施例一中类似，最后连接机械手爪A1和底座A6，就完成了六自由度串联机械臂的重构。
该实例中，以六自由度串联模式对机械臂进行重构设计，机械臂具有六个转动自由度，可以应用于较为复杂的场合，如复杂设备的装配等，该模式称为六自由度串联重构模式。
实施例五：在二自由度并联重构模式下，机械臂有两条支链，其中包含两个转动关节，机械臂具有两个移动自由度。
该实施方案的重构设计过程：如附图6所示，先确定机械臂的构型，再将两个转动关节2呈对称位置连接在底座B10上，再将两个大臂连杆7分别连接在转动关节2上，然后通过普通铰链与两组小臂连杆9并排连接，最后再将两组小臂连杆9的另一端与机械手爪B11相连接，就完成了二自由度并联机械臂的重构。
该实例中，以二自由度并联模式对机械臂进行重构设计，机械臂具有两个移动自由度，可以应用于搬运、抓取物品等，该模式称为二自由度并联重构模式。
实施例六：在三自由度并联重构模式下，机械臂有四条支链，其中包含四个转动关节，机械臂具有三个移动自由度（此外还包含一个局部转动自由度）。
该实施方案的重构设计过程：如附图7所示，先确定机械臂的构型，再将四个转动关节2分别连接在底座B10上，再将四个大臂连杆7分别连接在转动关节2上，然后通过十字铰链与四组小臂连杆9并排连接，最后再将四组小臂连杆9的另一端与机械手爪B11相连接（也是通过十字铰链连接），就完成了三自由度并联机械臂的重构。
该实例中，以三自由度并联模式对机械臂进行重构设计，机械臂具有三个移动自由度（和一个局部转动自由度），可以应用于3D打印、重物搬运等，该模式称为三自由度并联重构模式。
综上所述，模块化的设计较大地提高了机械臂的通用性能。相同的基本模块，只需改变重构模式，就能构造出不同自由度的机械臂，具有不同的功能，应用领域大大增加。与功能专一化的传统机械臂相比较，模块化可重构串并联机械臂具有许多优势，通用性强、互换性强、功能多样化、使用寿命长、低成本等，具有一定的实用价值。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (1)
1.一种模块化可重构串并联机械臂系统，其特征在于；该系统由以下七个基本模块组成：转动关节（2）、L形连杆（3）、I形连杆（4）、大臂连杆（7）、小臂连杆（9）、底座A（6）、底座B（10），以及还包括如下附件：铰链（8）、机械手爪A（1）、机械手爪B（11）、连接法兰（5）；
转动关节（2）是模块化可重构串并联机械臂系统的核心组成部分，它作一个自由度的旋转运动，旋转轴线与圆柱关节的轴线重合；重构有两种方式：（1）改变相邻两转动关节的连接方式；（2）改变转动关节的数量；
对于串联式机械臂，采用方式（1）和方式（2）进行重构，即改变连接方式的同时改变转动关节的数量；转动关节之间的连接方式有两种：A-A型连接和A-B型连接；
对于并联式机械臂，采用方式（2）进行重构，通过改变模块的数目以达到改变支链的数目的目的；
所述系统具有以下六种系统重构模式，其中串联式机械臂系统有四种，并联式机械臂系统有两种：具体实施为；
方式一：在三自由度串联重构模式下，机械臂的构型为A-B-A，其中包含三个转动关节，机械臂具有三个转动自由度；
该实施方案的重构设计过程：先确定机械臂的构型，再将三个转动关节（2）用两个L形连杆（3）依次相连接，首端的转动关节（2）与连接法兰（5）连接后再与底座A（6）相连接，末端的转动关节（2）与机械手爪A（1）相连接，通过转动关节（2）的转动就能实现机械臂整体的运动；
以三自由度串联模式对机械臂进行重构设计，机械臂具有三个转动自由度，能够应用于焊接、喷涂，该模式称为三自由度串联重构模式；
方式二：在四自由度串联重构模式下，机械臂的构型为A-B-B-A，其中包含四个转动关节，机械臂具有四个转动自由度；
该实施的重构设计过程：先确定机械臂的构型，再将两个转动关节（2）分别与另外两个转动关节（2）通过两个L形连杆（3）相连接，构成两个A-B构型，再通过一个I形连杆（4）连接，最后再连接机械手爪A（1）和底座A（6），就完成了四自由度串联机械臂的重构；
以四自由度串联模式对机械臂进行重构设计，机械臂具有四个转动自由度，能够应用于简单搬运、码垛，该模式称为四自由度串联重构模式；
方式三：在五自由度串联重构模式下，机械臂的构型为A-B-A-B-A，其中包含四个转动关节，机械臂具有四个转动自由度；
该实施方案的重构设计过程：先确定机械臂的构型，通过四个L形连杆（3）将五个转动关节（2）相连接，最后再连接机械手爪A（1）和底座A（6），就完成了五自由度串联机械臂的重构；
以五自由度串联模式对机械臂进行重构设计，机械臂具有五个转动自由度，能够应用于搬运材料、组装零件，该模式称为五自由度串联重构模式；
方式四：在六自由度串联重构模式下，机械臂的构型为A-B-B-A-B-A，其中包含六个转动关节，机械臂具有六个转动自由度；
该实施方案的重构设计过程：先确定机械臂的构型，再将四个转动关节（2）依次通过三个L形连杆（3）相连接，构成两B-A-B-A构型，同理再完成A-B构型的连接，再通过一个I形连杆（4）将两部分构型相连接，最后连接机械手爪A（1）和底座A（6），就完成了六自由度串联机械臂的重构；
以六自由度串联模式对机械臂进行重构设计，机械臂具有六个转动自由度，能够应用于较为复杂的场合，该模式称为六自由度串联重构模式；
方式五：在二自由度并联重构模式下，机械臂有两条支链，其中包含两个转动关节，机械臂具有两个移动自由度；
该实施方案的重构设计过程：先确定机械臂的构型，再将两个转动关节（2）呈对称位置连接在底座B（10）上，再将两个大臂连杆（7）分别连接在转动关节（2）上，然后通过普通铰链与两组小臂连杆（9）并排连接，最后再将两组小臂连杆（9）的另一端与机械手爪B（11）相连接，就完成了二自由度并联机械臂的重构；
以二自由度并联模式对机械臂进行重构设计，机械臂具有两个移动自由度，能够应用于搬运、抓取物品，该模式称为二自由度并联重构模式；
方式六：在三自由度并联重构模式下，机械臂有四条支链，其中包含四个转动关节，机械臂具有三个移动自由度；
该实施方案的重构设计过程：先确定机械臂的构型，再将四个转动关节（2）分别连接在底座B（10）上，再将四个大臂连杆（7）分别连接在转动关节（2）上，
然后通过十字铰链与四组小臂连杆（9）并排连接，最后再将四组小臂连杆（9）的另一端与机械手爪B（11）相连接，就完成了三自由度并联机械臂的重构；
以三自由度并联模式对机械臂进行重构设计，机械臂具有三个移动自由度，能够应用于3D打印、重物搬运，该模式称为三自由度并联重构模式。
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