CN112008755A - 一种柔性关节及双驱龙门直角坐标平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性关节及双驱龙门直角坐标平台。所述柔性关节包括第一连接块、第二连接块、连接结构及偏移连接工装，第一连接块的一端通过连接结构与第二连接块的一端相连，连接结构整体呈轮式交叉状，第一连接块的另一端与第一物体固定连接，第二连接块的另一端与所述偏移连接工装相连，偏移连接工装与第二物体固定连接，且第二连接块与偏移连接工装的连接位置偏移第二物体的中心线。本发明可以有效缓冲关节应力，并能通过解析模型实现横梁转角的精准检测。

Description

一种柔性关节及双驱龙门直角坐标平台

技术领域

本发明属于直角坐标机器人技术领域，具体涉及一种柔性关节及双驱龙门直角坐标平台。

背景技术

结合图1和图2所示，传统双驱龙门直角坐标平台的关节都是通过横梁两端直接采用螺栓紧固的刚性连接，通过优化控制器或提出更优的控制算法，来降低双驱电机同步误差，减小关节应力，提升平台的高速、高加速动态特性与运行稳定性。但是，这种方法存在：成本高且容易受到外界导轨非线性摩檫力，末端执行器负载扰动，运行工况等因素干扰。

柔性关节具有无摩擦、无噪声、结构紧凑、传递精度高等优点，一般应用在微/纳级宏微运动平台、高精度多稳态运动系统、航天遥感与精准测量光学系统等方面。传统柔性关节都是通过串联、并联、混连的方式配合安装在小尺寸小质量体上，从而保证柔性单轴或多轴的弯曲精度，很少有应用在大行程大负载的直角坐标运动平台上。目前，在大行程直角坐标平台方面，如图3所示，如专利号CN201510124409.9中公开了一种面向冗余驱动的自适应柔性连接机构及XY-Z直角坐标机器人，结合图1所示，只有通过相互垂直交叉的两张独立簧片作为柔性关节，其工程应用范围较小。

因此，如何提供一种可以有效缓冲关节应力且可拓展工程应用范围的，是一个急需解决的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种柔性关节，通过采用轮式交叉柔性机构，能够提供较高的非功能旋转方向刚度，有效提升了柔性机构的旋转精度，从而克服现有技术的不足。

本发明的另一目的在于提供一种双驱龙门直角坐标平台，可以有效缓冲双驱龙门式直角坐标平台关节的集中应力。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：一种柔性关节，包括第一连接块、第二连接块、连接结构及偏移连接工装，所述第一连接块的一端通过连接结构与所述第二连接块的一端相连，所述连接结构整体呈轮式交叉状，所述第一连接块的另一端与第一物体固定连接，所述第二连接块的另一端与所述偏移连接工装相连，所述偏移连接工装与第二物体固定连接，且所述第二连接块与偏移连接工装的连接位置偏移第二物体的中心线。

在一优选实施例中，所述连接结构包括第一簧片、第二簧片和第三簧片，所述第一簧片、第二簧片和第三簧片的两端均分别连接第一连接块和第二连接块的端部，且所述第一簧片和第二簧片相交叉，所述第三簧片位于第一簧片和第二簧片之间，且所述第一簧片、第二簧片和第三簧片相交于同一点。

在一优选实施例中，所述第三簧片的厚度大于第一簧片和第二簧片的厚度，且三个簧片的厚度均可调。

在一优选实施例中，所述第一物体位于第一方向上，所述第二物体位于与第一方向相垂直的第二方向上，所述第二物体的两端各设置一柔性关节和一第一物体。

在一优选实施例中，所述第一簧片、第二簧片和第三簧片在第一方向上连接第一连接块和第二连接块，且三个簧片均在与第一方向和第二方向均垂直的第三方向上沿第一连接块或第二连接块的一端一直延伸到另一端。

在一优选实施例中，所述第一连接块和第一物体之间、所述第二连接块和偏移连接工装之间为可拆卸式连接。

在一优选实施例中，所述第一连接块与连接结构相连的端部及所述第二连接块与连接结构相连的端部呈弧面。

在一优选实施例中，所述第一簧片和第二簧片连接分别弧面的两侧，所述第三簧片连接弧面的中部。

在一优选实施例中，所述第一簧片、第二簧片和第三簧片均为柔性的。

本发明实施例提供了一种双驱龙门直角坐标平台，包括横梁、上述柔性关节和直驱电机，所述横梁位于第二方向上，所述横梁的两端各设置一柔性关节和直驱电机，所述柔性关节和直驱电机位于与第二方向相垂直的第一方向上，所述横梁的一端通过柔性关节与直驱电机相连。

与现有技术相比较，本发明的有益效果至少在于：

1、本发明的柔性关节由可变厚度轮式交叉柔性机构结合偏移连接的方式组成，能够提供较高的非功能旋转方向刚度，有效提升了柔性机构的旋转精度。

2、轮式交叉柔性机构采用3片式结构，在满足了较高旋转精度的同时，减少簧片数量，使结构更加简单，降低成本。且在簧片交叉汇合处，通过增加中间簧片厚度，能够有效改善簧片交叉处的应力集中现象。

3、本发明通过在横梁和直驱电机的关节处，采用基于偏移连接方式的可变厚度轮式交叉柔性机构的柔性关节连接，该柔性关节能够在双驱直线电机产生同步误差时，通过柔性关节的形变来缓冲集中应力；也能够通过运动静力学建模，精准检测双驱直线电机的同步误差值与横梁转角，从而提高了双驱龙门直角坐标机器人的可靠稳定性，并拓展了其工程应用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是传统双驱龙门式直角坐标平台的结构示意图；

图2是传统刚性关节的结构示意图；

图3是传统柔性机构的结构示意图；

图4是本发明一实施方式中的柔性关节的结构示意图；

图5是图4的俯视结构示意图；

图6是本发明一实施方式中双驱龙门直角坐标平台的结构示意图；

图7是图6中的局部放大结构示意图；

图8是本发明一实施方式中偏移连接柔性关节的平台示意图；

图9是本发明一实施方式中偏移连接柔性关节在同步误差下的运行示意图；

图10是本发明一实施方式中直连柔性关节在同步误差下的运行示意图。

附图标记：

1、柔性关节，11、第一连接块，12、第二连接块，13、连接结构，131、第一簧片，132、第二簧片，133、第三簧片，134、弧面，14、偏移连接工装，15、连接位置，2、第一物体，3、第二物体，2′、直驱电机，3′、横梁，4、末端执行器。

具体实施方式

通过应连同所附图式一起阅读的以下具体实施方式将更完整地理解本发明。本文中揭示本发明的详细实施例；然而，应理解，所揭示的实施例仅具本发明的示范性，本发明可以各种形式来体现。因此，本文中所揭示的特定功能细节不应解释为具有限制性，而是仅解释为权利要求书的基础且解释为用于教示所属领域的技术人员在事实上任何适当详细实施例中以不同方式采用本发明的代表性基础。

本发明所揭示的一种柔性关节及双驱龙门直角坐标平台，适用于高速重载直角坐标平台，其可以有效缓冲关节应力，并能通过解析模型实现横梁转角的精准检测。

结合图4～图8所示，本发明实施例所揭示的一种柔性关节1，包括：第一连接块11、第二连接块12、连接结构13及偏移连接工装14，其中，第一连接块11的一端通过连接结构13与第二连接块12的一端相连。连接结构13整体呈轮式交叉状。第一连接块11的另一端与第一物体2固定连接，第二连接块12的另一端与偏移连接工装14相连，偏移连接工装14与第二物体3固定连接，且第二连接块12与偏移连接工装14的连接位置偏移第二物体3的中心线。第一物体2位于第一方向上，第二物体3位于与第一方向相垂直的第二方向上，为了便于描述，定义第一方向为Y方向，第二方向为X方向，与第一方向和第二方向均垂直的第三方向为Z方向。

本实施例中，连接结构13具体包括第一簧片131、第二簧片132和第三簧片133，其中，三个簧片在Y方向上一端连接第一连接块11，另一端连接第二连接块12，且第一簧片131和第二簧片132相交叉，第三簧片133位于第一簧片131和第二簧片132之间，且与第一簧片131和第二簧片132均相交于同一点。另外，三个簧片在Z方向上，自第一连接块11或第二连接块12的顶端一直延伸至底端。这样，三个簧片形成轮式交叉状的连接结构。

优选地，第三簧片133的厚度大于第一簧片131和第二簧片132的厚度，且三个簧片的厚度均可调。

另外，第一连接块11与连接结构13相连的端部及第二连接块12与连接结构13相连的端部呈弧面134。其中，第一簧片131和第二簧片132连接分别弧面的两侧，第三簧片133连接弧面的中部。

优选地，第一连接块11和第一物体2之间、第二连接块12和偏移连接工装14之间为可拆卸式连接，可根据不同需求更换不同种类和刚度的柔性关节。

第二物体3的两端各设置一第一物体2和柔性关节1，每端的第一物体2均通过相应的偏移连接工装14将柔性关节1与第二物体2的端部相连，连接后，第二连接块12与偏移连接工装14的连接位置15偏移第二物体3的中心线。本实施例中，第一物体2为直驱电机，第二物体3为横梁。

结合图6和图8所示，本发明实施例所揭示的一种双驱龙门直角坐标平台，为大行程大负载双驱龙门式直角坐标平台，其具体包括：横梁3′、柔性关节1和直驱电机2′，其中，横梁3′的两端各设置一柔性关节1和直驱电机2′，柔性关节1和直驱电机2′位于与第二方向相垂直的第一方向上，横梁3′的一端通过柔性关节1与直驱电机2′相连。

具体地，柔性关节1的一端与直驱电机2′螺栓固连，另一端与偏移连接工装14的连接位置15与横梁3′的中心线保持一定距离的偏移量。两个直驱电机2′(即双驱电机)分别分布于横梁3′的两端，可以有效平衡横梁3′负载，使运行更加稳定。

结合图8和图9所示，本发明通过偏移连接工装14将横梁3′和柔性关节1间接连接，且将柔性关节1与偏移连接工装14的连接位置15与横梁3′中心线保持一定的偏移量时，可以使柔性关节1在一定转角内，体现为无拐点的一段式弯曲，具有相对简单的单轴旋转形变，增强了柔性关节1使用寿命与可靠性。若将横梁3′和柔性关节1直接连接，则如图10所示，柔性关节1的连接结构13的中间的柔性簧片(即第三簧片133)中则体现为含有拐点的两段式的复杂弯曲形态。

本发明采用3片式的可变厚度轮式交叉柔性关节1，可取得以下技术效果：1、横梁3′空载运行时，柔性关节1处所受到的力和力矩是可以简化为平面力系的，但是在末端执行器4进行抓取工作时，抓手的负载会对柔性关节1产生非平面力系的负载，轮式交叉柔性关节1能够提供较高的非功能旋转方向刚度，有效提升了柔性关节的旋转精度。2、本平台的柔性关节1在垂直运行平面的Z轴上具有较高的形变刚度，能够有效承载横梁3′与末端执行器4等大质量体。3、当双驱直线电机不产生同步误差时，柔性关节1在Y轴向有较高的传递刚度，能有效满足传统直角坐标平台高速高加速的优势。4、在簧片交叉汇合处，通过增加中间簧片厚度，能够有效改善簧片交叉处的应力集中现象。5、轮式交叉柔性关节采用3片式结构，在满足了较高旋转精度同时，减少簧片数量，使结构更加简单，降低成本。6、本平台的柔性关节1为局部可置换安装方式，可根据不同需求更换不同种类和刚度的柔性关节。如在横梁3′与末端抓手的重量负载不大时，可以选取最简单的片簧式柔性关节。

本发明基于局部可置换柔性关节的双驱龙门直角坐标平台，具有更强的运行稳定性，可实现复杂的空间轨迹控制，能应用在焊接、搬运、上下料、包装、码垛、检测、探伤、装配、喷涂、目标跟随等领域。

本发明的各方面、实施例、特征及实例应视为在所有方面为说明性的且不打算限制本发明，本发明的范围仅由权利要求书界定。在不背离所主张的本发明的精神及范围的情况下，所属领域的技术人员将明了其它实施例、修改及使用。

在本发明案中标题及章节的使用不意味着限制本发明；每一章节可应用于本发明的任何方面、实施例或特征。

除非另外具体陈述，否则术语“包含(include、includes、including)”、“具有(have、has或having)”的使用通常应理解为开放式的且不具限制性。

尽管已参考说明性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将理解，在不背离本发明的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外，可在不背离本发明的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教示。因此，本文并不打算将本发明限制于用于执行本发明的所揭示特定实施例，而是打算使本发明将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。此外，除非具体陈述，否则术语第一、第二等的任何使用不表示任何次序或重要性，而是使用术语第一、第二等来区分一个元素与另一元素。

Claims (10)

1.一种柔性关节，其特征在于，包括第一连接块、第二连接块、连接结构及偏移连接工装，所述第一连接块的一端通过连接结构与所述第二连接块的一端相连，所述连接结构整体呈轮式交叉状，所述第一连接块的另一端与第一物体固定连接，所述第二连接块的另一端与所述偏移连接工装相连，所述偏移连接工装与第二物体固定连接，且所述第二连接块与偏移连接工装的连接位置偏移第二物体的中心线。

2.根据权利要求1所述的柔性关节，其特征在于，所述连接结构包括第一簧片、第二簧片和第三簧片，所述第一簧片、第二簧片和第三簧片的两端均分别连接第一连接块和第二连接块的端部，且所述第一簧片和第二簧片相交叉，所述第三簧片位于第一簧片和第二簧片之间，且所述第一簧片、第二簧片和第三簧片相交于同一点。

3.根据权利要求2所述的柔性关节，其特征在于，所述第三簧片的厚度大于第一簧片和第二簧片的厚度，且三个簧片的厚度均可调。

4.根据权利要求2所述的柔性关节，其特征在于，所述第一物体位于第一方向上，所述第二物体位于与第一方向相垂直的第二方向上，所述第二物体的两端各设置一柔性关节和一第一物体。

5.根据权利要求4所述的柔性关节，其特征在于，所述第一簧片、第二簧片和第三簧片在第一方向上连接第一连接块和第二连接块，且三个簧片均在与第一方向和第二方向均垂直的第三方向上沿第一连接块或第二连接块的一端一直延伸到另一端。

6.根据权利要求1所述的柔性关节，其特征在于，所述第一连接块和第一物体之间、所述第二连接块和偏移连接工装之间为可拆卸式连接。

7.根据权利要求2所述的柔性关节，其特征在于，所述第一连接块与连接结构相连的端部及所述第二连接块与连接结构相连的端部呈弧面。

8.根据权利要求7所述的柔性关节，其特征在于，所述第一簧片和第二簧片连接分别弧面的两侧，所述第三簧片连接弧面的中部。

9.根据权利要求2所述的柔性关节，其特征在于，所述第一簧片、第二簧片和第三簧片均为柔性的。

10.一种双驱龙门直角坐标平台，其特征在于，包括横梁、柔性关节和直驱电机，所述横梁位于第二方向上，所述横梁的两端各设置一柔性关节和直驱电机，所述柔性关节和直驱电机位于与第二方向相垂直的第一方向上，所述横梁的一端通过柔性关节与直驱电机相连，所述柔性关节为上述权利要求1～9任意一项所述的柔性关节。

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