CN112247963B - 四自由度大工作空间并联机器人机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种并联机器人机构，包括基座总成、上下臂杆组和末端组件。基座总成包括底座和固定在底座上的圆柱形的具有转轴的基柱。上下臂杆组包括上下主动臂组和上下从动杆组，其中，上下主动臂组与基柱以转动副连接，上主动臂与上从动杆以转动方式连接，下主动臂与下从动杆以转动方式连接。末端组件包括第一滑块和固定在该第一滑块上的立轴，所述的第一滑块被设置成沿空间上基本垂直于所述的转轴的方向线性运动，所述的立轴的轴线与所述的转轴在空间上基本平行。

Description

四自由度大工作空间并联机器人机构

技术领域

本发明涉及一种并联机器人机构，尤其涉及一种四自由度大工作空间并联机器人机构。本发明属于机构学以及机器人技术领域。

背景技术

在轻工、食品、药品及电子产品的分拣、包装和封装自动化生产线上，需借助机械手来完成高速拾放操作(即快速地将目标物体从一个位置搬运到另一个位置，这两个位置可能存在高度上的差异)。这样的操作往往还会伴随着目标物体姿态上的变化。所以，针对于此类操作较为理想的机械手末端执行器应当具备四个自由度(三平动和拾放平面内的转动)。现有的执行此类操作的机械手有串并联之分。现有的串联机器人惯量大、速度慢、精度低，但工作空间大。传统的并联机器人较之串联机器人有惯量小、速度大、精度高的优点。但传统的并联机器人工作空间相对较小。在近几年公开的专利中，提出了一些新型并联机器人克服这个缺点，但都很难完整的实现末端四自由度的运动能力。

发明内容

本发明提供一种并联机器人机构，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

本发明的技术方案为一种并联机器人机构。该并联机器人机构包括基座总成，该基座总成包括底座和固定在所述的底座上的圆柱形的具有转轴的基柱。

所述的并联机器人机构还包括：第一上主动臂，该第一上主动臂的第一端与所述的基柱通过转动副连接；第二上主动臂，该第二上主动臂的第一端与所述的基柱通过转动副连接；第一上从动杆，该第一上从动杆的第一端与所述的第一上主动臂的第二端转动地连接；第二上从动杆，该第二上从动杆的第一端与所述的第二上主动臂的第二端转动地连接；设置在所述的第一上主动臂和所述的第二上主动臂下方的第一下主动臂，该第一下主动臂的第一端与所述的基柱通过转动副连接；设置在所述的第一上主动臂和所述的第二上主动臂下方的第二下主动臂，该第二下主动臂的第一端与所述的基柱通过转动副连接；第一下从动杆，该第一下从动杆的第一端与所述的第一下主动臂的第二端转动地连接；第二下从动杆，该第二下从动杆的第一端与所述的第二下主动臂的第二端转动地连接；末端组件，该末端组件包括第一滑块和固定在该第一滑块上的立轴，所述的第一滑块被设置成沿空间上基本垂直于所述的转轴(A1)的方向线性运动，所述的立轴的轴线与所述的转轴在空间上基本平行，其中，所述的末端组件的一部分结构都与所述的第一下从动杆的第二端以及所述的第二下从动杆的第二端转动地连接，所述的立轴都与所述的第一上从动杆的第二端以及所述的第二上从动杆的第二端转动地连接。

在一些实施例中，所述的末端组件包括：L型架，该L型架的一部分竖向结构布置在所述的第一下从动杆的第二端和所述的第二下从动杆的第二端的内部；设置在所述的L型架的拐角处的角端件；转动地连接在所述的角端件上的滑轮；支撑在所述的L型架的第一平面上的并且用于引导所述的第一滑块进行线性运动的第一导轨，所述的第一平面与所述的转轴(A1)在空间上垂直；支撑在所述的L型架的第二平面上的第二导轨，该第二平面与所述的第一平面形成夹角；由所述的第二导轨限定进行线性运动的第二滑块；固定连接所述的第一滑块和所述的第二滑块的绳索，其中，所述的绳索绕所述的滑轮折弯后穿过所述的第一下从动杆的第二端和所述的第二下从动杆的第二端的内部。

进一步，所述的末端组件包括：设置在所述的角端件上的至少一个引导件，其中每个引导件具有缺口，缺口的宽度允许所述的绳索通过，以用于定位所述的绳索受限制地围绕所述的滑轮折弯。

进一步，所述的末端组件包括与所述的L型架的一部分竖向结构固定连接的套筒，其中：所述的套筒在外筒面与轴承配合；所述的套筒的边缘设有与轴承定位的筒肩；所述的套筒在外筒面成型出凹陷的安装部，用于通过螺丝与所述的L型架固定。

在一些实施例中，所述的末端组件包括：与所述的第一下从动杆配合的第一轴承；与所述的第二下从动杆配合的第二轴承。

进一步：所述的第一下从动杆的第二端和所述的第二下从动杆的第二端分别设有与所述的第一轴承和所述的第二轴承配合的圆柱孔，每个圆柱孔的底部设有与轴承定位的孔肩部；所述的第一下从动杆的第二端和所述的第二下从动杆的第二端之间设有平垫片，该平垫片由硬度都低于所述的第一下从动杆和所述的第二下从动杆的耐磨材料构成。

在一些实施例中，所述的末端组件包括：设置在所述的第一滑块和所述的角端件之间的第一弹簧；设置在所述的第二滑块和所述的角端件之间的第二弹簧，其中所述的绳索都穿过所述的第一弹簧和所述的第二弹簧。

在一些实施例中，所述的末端组件包括：设置在L型架两个末端的两个限位部，用于分别定位所述的第一导轨和所述的第二导轨。在一些实施例中，所述的第一上从动杆的第二端和所述的第二上从动杆的第二端都设有通孔，以同时配合一直线轴承；所述的立轴配合地穿过所述的直线轴承的内孔；所述的直线轴承分别通过轴承卡环与所述的第一上从动杆的顶面和所述的第二上从动杆的底面卡合。

进一步，所述的第一上从动杆的第二端和所述的第二上从动杆的第二端之间设有间隙垫片，该间隙垫片由硬度都低于所述的第一上从动杆和所述的第二上从动杆的耐磨材料构成。

本发明的有益效果为：

通过新的技术方案，也能实现机构整体的整周回转，以及机构末端的垂直运动，显著增大了机构工作空间和末端组件的运动灵活性；

末端组件在空间上可以具有三平动一转动的自由度，一共四个自由度，满足一般拾放操作的需求，能够对被操作物体进行平面姿态的任意调整；

利用绳索驱动的末端组件能够以机构摆臂的相对运动来实现末端的垂直运动，驱动方式新颖创新；

本发明的机器人机构可以广泛的应用于轻工、食品、药品和电子加工业的自动化生产线，而且相对于串联机器人机构，有速度大、加速度大、惯量小、精度高和刚度高的优点。

附图说明

图1是根据本发明实施例的并联机器人机构的总体示意图。

图2是根据本发明实施例的并联机器人机构的俯视示意图。

图3是图2的并联机器人机构沿剖切线A-A的局部剖视图。

图4是用于本发明实施例的并联机器人机构的末端组件的立体图，其中隐藏了滑块。

图5是图4的并联机器人机构的末端组件的剖视图。

图6是本发明实施例的并联机器人机构的运动范围示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右、前、后等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。

此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。

参照图1和图2，在一些实施例中，根据本发明的并联机器人机构包括基座总成100、上下臂杆组和末端组件300。其中，基座总成100包括底座102和固定在底座102上的圆柱形的具有转轴(A1)的基柱101。

参照图1的箭头上下位置所示，上下臂杆组包括：第一上主动臂201、第二上主动臂202、第一上从动杆211、第二上从动杆212、第一下主动臂221、第二下主动臂222、第一下从动杆231和第二下从动杆232。这些臂杆件二连杆结构，优选地在二连杆结构的两个远离的端部各设有枢转的连接端(为方便描述和结构限定，下称每个主动臂或从动杆的两个远离的连接端为第一端和第二端)。参照图2，在一实施例中：第一上主动臂201的第一端与基柱101通过转动副连接；第二上主动臂202的第一端与基柱101通过转动副连接；第一上从动杆211的第一端与第一上主动臂201的第二端转动地连接；第二上从动杆212的第一端与第二上主动臂202的第二端转动地连接；第一下主动臂221的第一端与基柱101通过转动副连接；第二下主动臂222的第一端与基柱101通过转动副连接；第一下从动杆231的第一端与第一下主动臂221的第二端转动地连接；第二下从动杆232的第一端与第二下主动臂222的第二端转动地连接。

参照图1和图3，末端组件300包括第一滑块311和固定在该第一滑块311上的立轴312。第一滑块311被设置成沿空间上基本垂直于转轴A1的方向线性运动。立轴312的轴线与转轴A1在空间上基本平行。在本实施例中，末端组件300的一部分结构(比如是杆状结构)都与第一下从动杆231的第二端以及第二下从动杆232的第二端转动地连接，并且立轴312都与第一上从动杆211的第二端以及第二上从动杆212的第二端转动地连接。由于末端组件300能够被限定在两个下从动杆的末端，因此当两个下主动臂带动两个下从动杆运动时，使得末端组件300做前后左右的二维运动。由于末端组件300能够被限定在两个下从动杆的末端做相对转动，因此当两个上主动臂带动两个上从动杆运动时，使得立轴312和第一滑块311带动末端组件300做自转运动。

参照图3至图5，在一个实施例中，末端组件300可以包括：具有横向结构和竖向结构的L型架301，该L型架301的一部分竖向结构(比如是竖杆结构)布置在第一下从动杆231的第二端和第二下从动杆232的第二端的内部；设置在L型架301的拐角处的角端件302；转动地连接在角端件302上的滑轮330；支撑在L型架301的第一平面上的并且用于引导第一滑块311进行线性运动的第一导轨310，第一平面与转轴A1在空间上垂直；支撑在L型架301的第二平面上的第二导轨320，该第二平面与第一平面形成夹角(优选为90度)；由第二导轨320限定进行线性运动的第二滑块321；固定连接第一滑块311和第二滑块321的绳索333。具体地，如图4所示，角端件302的侧面设有垂直柱，而滑轮330被滑轮卡环334限定在该垂直柱中转动。此外，在L型架301两个末端设有两个限位部304，用于分别定位第一导轨310和第二导轨320，还能方便安装。

具体地，固定连接第一滑块311的绳索333绕滑轮330的周边凹槽而折弯后穿过第一下从动杆231的第二端和第二下从动杆232的第二端的内部，然后再固定连接到第二滑块321。优选地，绳索333采用柔性折弯但不可弹性伸长材质，并且其长度使得第一滑块311和第二滑块321的移动距离都适合第一导轨310和第二导轨320的可用行程内。

参照图4，在一个实施例中，末端组件300包括设置在角端件302上的至少一个引导件303。优选为图示垂直布置的两个引导件303，每个引导件303具有缺口(或孔口)，缺口的宽度(或孔口的直径)略大于绳索333直径(例如大1毫米至2毫米)以允许绳索333顺利通过，并且缺口限定的绳索333引导方向与滑轮330的周边凹槽的引导方向一致，从而使绳索333穿过缺口后刚好能被引导到绕滑轮330的周边凹槽。优选地，绳索333与第一滑块311和第二滑块321的连接点、所有引导件303的缺口(或孔口)以及滑轮330折弯点都在同一平面内，从而使绳索333运动期间受到的摩擦更少。参照图3，在更优选的实施例中，在第一滑块311和角端件302之间设有第一弹簧331；在第二滑块321和角端件302之间设有第二弹簧332，其中绳索333都穿过第一弹簧331和第二弹簧332。第一弹簧331和第二弹簧332可以是压缩弹簧，由于弹簧力的作用让第一滑块311、第二滑块321和绳索333保持适度的张紧，提高滑块的运动响应效果，而且防止绳索333松脱。

继续参照图3至图5，在一实施例中，第一下从动杆231的第二端(或自由端)和第二下从动杆232的第二端(或自由端)分别设有与第一轴承341和第二轴承342配合的圆柱孔，每个圆柱孔的底部设有与轴承定位的孔肩部233。相应地，末端组件300包括：与L型架301的一部分竖向结构(比如是竖杆结构)固定连接的套筒340；与第一下从动杆231的圆柱孔壁以及与套筒340的外筒面配合的第一轴承341；与第二下从动杆232的圆柱孔壁以及与套筒340的外筒面配合的第二轴承342。

具体地，套筒340的上边缘设有与第一轴承341定位的筒肩；套筒340在外筒面成型出凹陷的安装部3402，用于通过螺丝与L型架301固定，而且不会让螺丝与轴承内壁干涉。基于第一下从动杆231的孔肩部233、套筒340的筒肩和第一轴承341的配合，加上套筒340与L型架301固定，因此可以实现L型架301的支撑。此外，套筒340中空，以容纳L型架301的竖杆结构，并且让绳索333在其中穿过和运动。第二弹簧332可以设置在套筒340的下边缘和第二滑块321之间。

优选地，第一下从动杆231的第二端和第二下从动杆232的第二端之间留有薄间隙，可以设有平垫片343，该平垫片343由硬度都低于第一下从动杆231和第二下从动杆232的耐磨且低摩擦系数的材料(比如PA66或POM塑料)构成。设置平垫片343可以减少机械磨损和增加从动杆以及末端组件300的运动稳定性。

本实施例的设计允许末端组件300的第二滑块321进行上下运动和自身旋转的两自由度运动。再加上上下两组主动臂带动末端组件300前后左右运动，在根据本发明的并联机器人机构中的末端组件300的第二滑块321总共可以实现四自由度的运动。

返回参照图3，在一实施例中，末端组件300的立轴312套接一直线轴承313，而第一上从动杆211的第二端和第二上从动杆212的第二端都设有通孔，以同时配合所述直线轴承313。直线轴承313分别通过轴承卡环315与第一上从动杆211的顶面和第二上从动杆212的底面卡合。其中，通孔、直线轴承313和立轴312的轴线与转轴A1平行。由于两个下从动杆和第一轴承341已经对末端组件300进行支撑，所以两个上从动杆和直线轴承313无需对立轴312进行支撑，以防止过度的运动限定。优选地，第一上从动杆211的第二端和第二上从动杆212的第二端之间可以设有间隙垫片314，该间隙垫片314由硬度都低于第一上从动杆211和第二上从动杆212的耐磨且低摩擦系数的材料(比如PA66或POM塑料)构成。设置平垫片343可以减少机械磨损和增加从动杆的运动稳定性。

参照图6，根据本发明的并联机器人机构的工作空间可以遍及360度范围。如图6中的虚线环C1的箭头所示，上下主动臂可以360度转动。相应连接的上下从动杆的自由端可以实现可扩展直径的360度运动轨迹，如虚线环C2及箭头所示。此外，上下从动杆的相对运动使得末端组件300可以转动，例如图6以虚线表示图1末端组件300的位姿和当前末端组件300位姿的对比，以表示末端组件300的转动变化。还通过第一滑块311拉动绳索333使得第二滑块321(或末端滑块)可以上下运动，如图6左下部分的多个箭头所示。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开保护的范围之内。都应属于本发明的保护范围。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (5)

1.一种并联机器人机构，包括基座总成（100），其特征在于，所述的基座总成（100）包括底座（102）和固定在所述的底座（102）上的圆柱形的具有转轴（A1）的基柱（101），所述的并联机器人机构还包括：

第一上主动臂（201），该第一上主动臂（201）的第一端与所述的基柱（101）通过转动副连接；

第二上主动臂（202），该第二上主动臂（202）的第一端与所述的基柱（101）通过转动副连接；

第一上从动杆（211），该第一上从动杆（211）的第一端与所述的第一上主动臂（201）的第二端转动地连接；

第二上从动杆（212），该第二上从动杆（212）的第一端与所述的第二上主动臂（202）的第二端转动地连接；

设置在所述的第一上主动臂（201）和所述的第二上主动臂（202）下方的第一下主动臂（221），该第一下主动臂（221）的第一端与所述的基柱（101）通过转动副连接；

设置在所述的第一上主动臂（201）和所述的第二上主动臂（202）下方的第二下主动臂（222），该第二下主动臂（222）的第一端与所述的基柱（101）通过转动副连接；

第一下从动杆（231），该第一下从动杆（231）的第一端与所述的第一下主动臂（221）的第二端转动地连接；

第二下从动杆（232），该第二下从动杆（232）的第一端与所述的第二下主动臂（222）的第二端转动地连接；

末端组件（300），该末端组件（300）包括第一滑块（311）和固定在该第一滑块（311）上的立轴（312），所述的第一滑块（311）被设置成沿空间上基本垂直于所述的转轴（A1）的方向线性运动，所述的立轴（312）的轴线与所述的转轴（A1）在空间上基本平行，其中，

所述的末端组件（300）的一部分结构都与所述的第一下从动杆（231）的第二端以及所述的第二下从动杆（232）的第二端转动地连接，所述的立轴（312）都与所述的第一上从动杆（211）的第二端以及所述的第二上从动杆（212）的第二端转动地连接；

所述的末端组件（300）包括：

L型架（301），该L型架（301）的一部分竖向结构布置在所述的第一下从动杆（231）的第二端和所述的第二下从动杆（232）的第二端的内部；

设置在所述的L型架（301）的拐角处的角端件（302）；

转动地连接在所述的角端件（302）上的滑轮（330）；

支撑在所述的L型架（301）的第一平面上的并且用于引导所述的第一滑块（311）进行线性运动的第一导轨（310），所述的第一平面与所述的转轴（A1）在空间上垂直；

支撑在所述的L型架（301）的第二平面上的第二导轨（320），该第二平面与所述的第一平面形成夹角；

由所述的第二导轨（320）限定进行线性运动的第二滑块（321）；

固定连接所述的第一滑块（311）和所述的第二滑块（321）的绳索（333），其中，

所述的绳索（333）绕所述的滑轮（330）折弯后穿过所述的第一下从动杆（231）的第二端和所述的第二下从动杆（232）的第二端的内部。

2.根据权利要求1所述的并联机器人机构，其特征在于，所述的末端组件（300）包括：

设置在所述的第一滑块（311）和所述的角端件（302）之间的第一弹簧（331）；

设置在所述的第二滑块（321）和所述的角端件（302）之间的第二弹簧（332），

其中所述的绳索（333）都穿过所述的第一弹簧（331）和所述的第二弹簧（332）。

3.根据权利要求1所述的并联机器人机构，其特征在于，所述的末端组件（300）包括：

设置在L型架（301）两个末端的两个限位部（304），用于分别定位所述的第一导轨（310）和所述的第二导轨（320）。

4.根据权利要求1所述的并联机器人机构，其特征在于：

所述的第一上从动杆（211）的第二端和所述的第二上从动杆（212）的第二端都设有通孔，以同时配合一直线轴承（313）；

所述的立轴（312）配合地穿过所述的直线轴承（313）的内孔；

所述的直线轴承（313）分别通过轴承卡环（315）与所述的第一上从动杆（211）的顶面和所述的第二上从动杆（212）的底面卡合。

5.根据权利要求4所述的并联机器人机构，其特征在于，

所述的第一上从动杆（211）的第二端和所述的第二上从动杆（212）的第二端之间设有间隙垫片（314），该间隙垫片（314）由硬度都低于所述的第一上从动杆（211）和所述的第二上从动杆（212）的耐磨材料构成。

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