CN112454335B - 一种基于主动球副的六自由度机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及运动机器人技术领域，具体涉及一种基于主动球副的六自由度机器人，包括机架和操作器；所述机架上设置有间隔布置且均能够输出球面运动的两个主动球副组件；两个主动球副组件上均安装有原动杆和连杆；所述原动杆的首端与对应主动球副组件的运动输出端固定连接，所述原动杆的尾端通过设置的活动连接件与对应连杆的首端连接；两个主动球副组件的连杆尾端通过设置的过渡连接件连接在一起，以形成一个闭环结构的运动链；所述操作器固定连接在所述过渡连接件上。本发明中六自由度机器人的运动链为闭环结构且运动支链少，能够增大机器人的工作空间，并兼顾机器人的动力学性能和控制精确度。

Description

一种基于主动球副的六自由度机器人

技术领域

本发明涉及运动机器人技术领域，具体涉及一种基于主动球副的六自由度机器人。

背景技术

现有的空间六自由度机器人具有串联和并联两种形式。六自由度串联机器人具有结构简单、运动空间大和工作空间内部奇异较少等优点。常见的六自由度并联机器人具有六条独立的运动支链，其具有刚度大，承载能力强，精度高等优势，并且并联机器人的驱动装置可以安放在机架上或者靠近机架的位置，减小了机械系统的总体惯量，提升了机器人的动力学性能，所以其相比于六自由度串联机器人具有更高的运行速度。

公开号为CN105729462A的中国专利就公开了《一种三支链六自由度并联机器人机构》，其包括静平台、动平台和连接在静动平台之间均匀分布的三个结构相同的运动支链；每一个运动支链包括：一个五转动副平面运动链和上、下两个虎克铰；五转动副平面运动链是由四个下连杆和静平台组成的平面五杆机构；静平台固定作为机架，四个下连杆中包括两个连架杆和中间两杆，五个转动副的轴线相互平行，两个连架杆的转动作为该机构的驱动；下虎克铰安装在平面五杆机构的中间两杆的铰接处，并通过一个上连杆与上虎克铰连接，上虎克铰同时与动平台连接。

上述现有方案中的三支链六自由度并联机器人包括机架（静平台）、操作器（动平台），以及设置于机架和操作器之间的多个运动支链，每个支链都有两个连架杆连接在静平台上，使得该机构的刚度大、承载能力强。然而，申请人在实际研究中发现，现有的并联机器人存在多个运动支链，而各个运动支链之间很容易产生干涉，导致整个机器人的工作空间很小。对于串联机器人而言，虽然其工作空间大，但由于其运动链为开环结构，使得其存在承载能力弱和累积误差大的问题，导致整个机器人的动力学性能较差且控制精确度较低。因此，申请人想到设计一种运动链为闭环结构且运动支链少的六自由度机器人，以增大机器人的工作空间、并兼顾其动力学性能和控制精确度。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种运动链为闭环结构且运动支链少的六自由度机器人，以能够增大机器人的工作空间，并兼顾机器人的动力学性能和控制精确度。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种基于主动球副的六自由度机器人，包括机架和操作器；所述机架上设置有间隔布置且均能够输出球面运动的两个主动球副组件；

两个主动球副组件上均安装有原动杆和连杆；所述原动杆的首端与对应主动球副组件的运动输出端固定连接，所述原动杆的尾端通过设置的活动连接件与对应连杆的首端连接；两个主动球副组件的连杆尾端通过设置的过渡连接件连接在一起，以形成一个闭环结构的运动链；所述操作器固定连接在所述过渡连接件上。

优选的，所述活动连接件和所述过渡连接件均为虎克铰；所述操作器固定设置在所述过渡连接件的铰接中心点上。

优选的，所述活动连接件上靠近所述连杆首端的转动轴线和所述过渡连接件上靠近所述连杆尾端的转动轴线相互垂直。

优选的，所述活动连接件为虎克铰；所述过渡连接件包括过渡杆，所述过渡杆的两端通过转动关节分别与两个主动球副组件上安装的连杆尾端连接；所述操作器固定设置在所述过渡杆上。

优选的，所述活动连接件上靠近所述连杆首端的转动轴线和所述转动关节的轴线之间形成45°的夹角。

优选的，所述主动球副组件为共轴驱动并联球面运动发生器；所述原动杆的首端与对应共轴驱动并联球面运动发生器的动平台固定连接。

优选的，所述共轴驱动并联球面运动发生器具有三个共轴电机，且三个共轴电机能够并联驱动其动平台完成三自由度球面运动。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明中，六自由度机器人仅具有一个运动链便能够完成六个自由度的运动，与现有的六自由度并联机器人相比，极大地减少了运动支链的数量，解决了运动支链之间相互干涉的问题，从而能够增大六自由度机器人的工作空间。

2、本发明中，六自由度机器人通过一个闭环结构的运动链便能够完成六个自由度的运动，与现有的六自由度并联机器人相比，具有结构更简单，占用的安装空间更小、安装灵活度更高等优点。

3、本发明中，主动球副组件驱动整个空间连杆机构，与现有技术中采用多个单自由度的主动驱动转动副或者主动驱动移动副来驱动的方式相比，驱动器能安装得更紧凑，且能简化驱动器的安装定位，模块化程度更高，从加工制造的角度，机架上需要加工的定位面和定位孔更少，同时机器人的闭环机构也有利于提升其刚度。

附图说明

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为实施例一中六自由度机器人的结构示意图；

图2为实施例一中六自由度机器人应用于飞行器风洞试验时的结构示意图；

图3为实施例一中3-RRR并联机器人的机构简化结构示意图；

图4为实施例二中另一六自由度机器人应用于飞行器风洞试验时的结构示意图。

说明书附图中的附图标记包括：机架1、第一主动球副组件2、第二主动球副组件3、第一原动杆41、第一虎克铰42、第一连杆43、第二原动杆51、第二虎克铰52、第二连杆53、第三虎克铰6、过渡杆61、第一转动副62、第二转动副63、操作器7、共轴主动转动关节2a、近端驱动杆2b、远端曲杆2c、被动转动关节2d、动平台2e。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

实施例一：

本实施例公开了一种基于主动球副的六自由度机器人。

如图1所示：一种基于主动球副的六自由度机器人，包括机架1和操作器7；机架1上设置有间隔布置且均能够输出球面运动的两个主动球副组件；两个主动球副组件上均安装有原动杆和连杆；原动杆的首端与对应主动球副组件的运动输出端固定连接，原动杆的尾端通过设置的活动连接件与对应连杆的首端连接；两个主动球副组件的连杆尾端通过设置的过渡连接件连接在一起，以形成一个闭环结构的运动链；操作器7固定连接在过渡连接件上。

具体的，两个主动球副组件分别为第一主动球副组件2和第二主动球副组件3；第一主动球副组件2上安装有第一原动杆41和第一连杆43，第一原动杆41的首端与第一主动球副组件2的运动输出端固定连接，第一原动杆41的尾端通过第一活动连接件与第一连杆43的首端连接。第二主动球副组件3上设置有第二原动杆51和第二连杆53，第二原动杆51的首端与第二主动球副组件3的运动输出端固定连接，第二原动杆51的尾端通过设置的第二活动连接件与第二连杆53的首端连接。第一连杆43的尾端通过过渡连接件与第二连杆53的尾端连接在一起，使得第一主动球副组件2、第一原动杆41、第一连杆43、第二主动球副组件3、第二原动杆51和第二连杆53形成一个闭环结构的运动链。

实际使用过程中，两个主动球副组件输出的球面运动作为原动杆的输入，即作为整个六自由度机器人的输入，那么通过两个主动球副组件的协同配合，就能够控制原动杆和连杆完成相应动作，进而控制操作器7完成沿空间内全局坐标系坐标轴的三个平移和绕坐标轴的三个转动。

本发明中的六自由度机器人仅具有一个运动链便能够完成六个自由度的运动，与现有的六自由度并联机器人相比，极大地减少了运动支链的数量，解决了运动支链之间相互干涉的问题，从而能够增大六自由度机器人的工作空间。其次，本发明中的六自由度机器人通过一个闭环结构的运动链便能够完成六个自由度的运动，与现有的六自由度并联机器人相比，具有结构更简单，占用的安装空间更小、安装灵活度更高等优点；而本发明通过主动球副组件驱动整个空间连杆机构，与现有技术中采用多个单自由度的主动驱动转动副或者主动驱动移动副来驱动的方式相比，驱动器能安装得更紧凑，且能简化驱动器的安装定位，模块化程度更高，从加工制造的角度，机架1上需要加工的定位面和定位孔更少，同时机器人的闭环机构也有利于提升其刚度。

具体实施过程中，活动连接件和过渡连接件均为虎克铰，分别为第一虎克铰42、第二虎克铰52和第三虎克铰6。也就是，操作器7固定设置在第三虎克铰6的铰接中心点上。

本发明中，活动连接件和过渡连接件均为虎克铰，而虎克铰具有结构简单的优势，同时虎克铰的成本较低，能够在一定程度上降低六自由度机器人的制造成本。

具体实施过程中，活动连接件上靠近连杆首端的转动轴线和过渡连接件上靠近连杆尾端的转动轴线相互垂直。也就是，第一虎克铰42上靠近第一连杆43首端的转动轴线和第三虎克铰6上靠近第一连杆43尾端的转动轴线相互垂直；第二虎克铰52上靠近第二连杆53首端的转动轴线和第三虎克铰6上靠近第二连杆53尾端的转动轴线相互垂直。这样使得原动杆和连杆之间产生的误差更少，有利于提升六自由度机器人机构的控制精确度。

具体实施过程中，主动球副组件为共轴驱动并联球面运动发生器；原动杆的首端与对应共轴驱动并联球面运动发生器的动平台固定连接。结合图2所示，本实施例中的六自由度机器人可应用于飞行器风洞试验，而在其他优选实施例中还可应用于机械手移动、抓取等场景。

本发明中的主动球副组件为共轴驱动并联球面运动发生器，共轴驱动并联球面运动发生器具有结构简单紧凑，加工制造成本低，占用安装空间小等优点。同时，由于本发明中六自由度机器人的杆件较少，对风场的干扰小，可以提高测量精度，特别是当杆平面平行于风吹动方向时，此受力方向刚好刚度也较高(相比于其它受力方向)。

具体实施过程中，共轴驱动并联球面运动发生器具有三个共轴电机，且三个共轴电机能够并联驱动其动平台完成三自由度球面运动。本实施例中，共轴驱动并联球面运动发生器可选用球电机或者是其他球面运动发生器，例如3-RRR并联机器人。结合图3所示，3-RRR并联机器人包括共轴主动转动关节2a、近端驱动杆2b、远端曲杆2c、被动转动关节2d和动平台2e等部件。

实施例二：

本实施例与实施例一相比，六自由度机器人的过渡连接件结构不同。

结合图4所示：本实施例中的活动连接件为虎克铰，分别为第一虎克铰42和第二虎克铰52；过渡连接件包括过渡杆61，过渡杆61的两端通过转动关节分别与两个主动球副组件上安装的连杆尾端连接；操作器7固定设置在过渡杆61上。本实施例中的转动关节为转动副，分别为第一转动副62和第二转动副63。

本发明中，过渡连接件包括过渡杆61和第一转动副62、第二转动副63，这种结构的过渡连接件使得操作器更易安装，提升了其运动性能。同时，过渡杆61的设置形成了形成六杆机构，不仅能够实现六自由度机器人的对称布局，还能够提升六自由度机器人的各向协同性。

具体实施过程中，活动连接件上靠近连杆首端的转动轴线和转动关节的轴线之间形成45°的夹角。也就是，第一虎克铰42上靠近第一连杆43首端的转动轴线和第一转动副62的轴线之间形成45°的夹角；第二虎克铰52上靠近第二连杆53首端的转动轴线和第二转动副63的轴线之间形成45°的夹角；目的是为了避免出现平面四杆机构型奇异的问题。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (6)

1.一种基于主动球副的六自由度机器人，包括机架和操作器；其特征在于：所述机架上设置有间隔布置且均能够输出球面运动的两个主动球副组件；

两个主动球副组件上均安装有原动杆和连杆；所述原动杆的首端与对应主动球副组件的运动输出端固定连接，所述原动杆的尾端通过设置的活动连接件与对应连杆的首端连接；两个主动球副组件的连杆尾端通过设置的过渡连接件连接在一起，以形成一个闭环结构的运动链；所述操作器固定连接在所述过渡连接件上；

所述活动连接件和所述过渡连接件均为虎克铰；所述操作器固定设置在所述过渡连接件的铰接中心点上。

2.如权利要求1所述的基于主动球副的六自由度机器人，其特征在于：所述活动连接件上靠近所述连杆首端的转动轴线和所述过渡连接件上靠近所述连杆尾端的转动轴线相互垂直。

3.如权利要求1所述的基于主动球副的六自由度机器人，其特征在于：所述活动连接件为虎克铰；所述过渡连接件包括过渡杆，所述过渡杆的两端通过转动关节分别与两个主动球副组件上安装的连杆尾端连接；所述操作器固定设置在所述过渡杆上。

4.如权利要求3所述的基于主动球副的六自由度机器人，其特征在于：所述活动连接件上靠近所述连杆首端的转动轴线和所述转动关节的轴线之间形成45°的夹角。

5.如权利要求1所述的基于主动球副的六自由度机器人，其特征在于：所述主动球副组件为共轴驱动并联球面运动发生器；所述原动杆的首端与对应共轴驱动并联球面运动发生器的动平台固定连接。

6.如权利要求5所述的基于主动球副的六自由度机器人，其特征在于：所述共轴驱动并联球面运动发生器具有三个共轴电机，且三个共轴电机能够并联驱动其动平台完成三自由度球面运动。

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