CN113021303A - 四自由度并联机构及工业机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四自由度并联机构和工业机器人，包括动平台，安装座，第一伸缩杆、第二伸缩杆、第三伸缩杆和第一电机，三个伸缩杆中的任意两者间隔布置，三个伸缩杆第一端均与所述安装座相连且在第一方向上可摆动，三个伸缩杆均与动平台转动连接，所述第一电机设在所述三个伸缩杆的第一端，控制三个伸缩杆的摆动运动。本发明公开的工业机器人包括四自由度并联机构和导轨，可以实现5自由度运动。本发明的四自由度并联机构和工业机器人，避免了伴随运动的情况，易于运动控制，精度高。

Description

四自由度并联机构及工业机器人

技术领域

本发明属于机械制造领域，具体地，涉及一种四自由度并联机构和具有该四自由度并联机构的工业机器人。

背景技术

飞机、汽车等需要借助喷涂机器人进行喷涂作业，喷涂机器人的机械臂大都为串联机械臂，串联机械臂在使用过程中存在累计误差大、结构强度低的问题。为了避免上述问题，相关技术中，部分喷涂机器人也有采用并联机构的形式，但是，并联机构存在伴随运动的问题，当并联机构动作时，并联机构端部的喷涂装置容易随着并联机构同步移动，使得并联机构控制困难。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种四自由度并联机构，该四自由度并联机构运动中无伴随运动，精度易于保证。

本发明还提出一种具有上述四自由度并联机构的工业机器人。

根据本发明实施例的四自由度并联机构，包括：动平台，所述动平台设有用于安装作业设备的安装位；安装座，所述安装座与所述动平台间隔布置；第一伸缩杆、第二伸缩杆和第三伸缩杆，所述第一伸缩杆、所述第二伸缩杆、所述第三伸缩杆中的任意两者间隔布置，所述第一伸缩杆的第一端、所述第二伸缩杆的第一端、所述第三伸缩杆的第一端均与所述安装座相连且在第一方向上可摆动，所述第一伸缩杆的第二端与所述动平台转动相连并形成第一连接处，所述第二伸缩杆的第二端与所述动平台转动相连并形成第二连接处，所述第三伸缩杆的第二端与所述动平台转动相连并形成第三连接处，所述第二连接处和所述第三连接处的连线形成第一枢转轴线，与所述第一枢转轴线垂直并经过所述第一连接处的连线形成第二枢转轴线，所述动平台绕着所述第一枢转轴线和所述第二枢转轴线可转动，所述安装位设在所述第一枢转轴线和所述第二枢转轴线的交点处；第一电机，所述第一电机设在所述第一伸缩杆的第一端或第二伸缩杆的第一端或第三伸缩杆的第一端，以止转或释放所述第一伸缩杆、所述第二伸缩杆、所述第三伸缩杆在所述第一方向上的摆动。

根据本发明实施例的四自由度并联机构，避免了伴随运动的情况，易于运动控制，精度高。

在一些实施例中，所述安装座上设有旋转平台，所述旋转平台的转动轴线沿着所述第一方向延伸，所述第一伸缩杆的第一端连接在所述旋转平台上。

在一些实施例中，所述旋转平台上设有第一支架，所述第一伸缩杆的第一端转动连接在所述第一支架上。

在一些实施例中，所述第一伸缩杆的第一端与所述第一支架枢转连接，所述第一伸缩杆的第二端与所述动平台球铰连接。

在一些实施例中，所述安装座上设有第二支架，所述第二伸缩杆的第一端和所述第三伸缩杆的第一端均转动连接在所述第二支架上。

在一些实施例中，所述第二伸缩杆的第一端和所述第三伸缩杆的第一端均与所述第二支架枢转连接，所述第二伸缩杆的第二端和所述第三伸缩杆的第二端均通过虎克铰与所述动平台转动连接。

在一些实施例中，所述第二枢转轴线经过所述第一连接处和所述第二连接处的中点。

在一些实施例中，所述作业设备为喷涂装置。

根据本发明实施例的工业机器人包括上述任一实施例的四自由度并联机构。

在一些实施例中，所述的工业机器人还包括第一导轨和第二导轨，所述第一导轨和所述第二导轨并行间隔布置，所述安装座设在所述第一导轨和所述第二导轨上且沿着所述第一导轨和所述第二导轨的延伸方向可移动，所述第一导轨和所述第二导轨的一者上设有齿条，所述安装座上设有用于驱动所述安装座移动的第二电机，所述第二电机的输出轴上设有齿轮，所述齿轮与所述齿条啮合配合。

附图说明

图1是根据本发明实施例的四自由度并联机构结构示意图。

图2是根据本发明实施例的安装座结构示意图。

图3是根据本发明实施例的动平台的结构示意图。

附图标记：

四自由度并联机构100；

动平台1；第一连接处101；第二连接处102；第三连接处103；安装位104；

安装座2；旋转平台201；第一支架202；第二支架203；

第一伸缩杆3；

第二伸缩杆4；

第三伸缩杆5；

第一电机6；

第一导轨7；

第二导轨8；

作业设备9；

第二电机10。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1至图3所示，根据本发明实施例的四自由度并联机构100包括动平台1、安装座2、第一伸缩杆3、第二伸缩杆4、第三伸缩杆5和第一电机6。

动平台1设有用于安装作业设备9的安装位104。如图3所示，动平台1可以为一块平板，动平台1上设有安装作业设备9的安装孔，安装孔构成安装位104。作业设备9可以为喷涂装置，在其他实施例中，作业设备9也可以为焊接装置、机械爪等。

安装座2与动平台1间隔布置，安装座2与动平台1之间设有第一伸缩杆3、第二伸缩杆4和第三伸缩杆5。如图1所示，安装座2和动平台1前后间隔布置，动平台1位于安装座2的前侧，第一伸缩杆3、第二伸缩杆4、第三伸缩杆5设在动平台1和安装座2之间，第一伸缩杆3、第二伸缩杆4、第三伸缩杆5中间隔布置。可以理解的是，在其他一些实施例中，动平台1和安装座2也可以沿着左右方向、上下方向等其他方向间隔布置。

第一伸缩杆3、第二伸缩杆4、第三伸缩杆中5的任意两者间隔布置，，第一伸缩杆3的第一端、第二伸缩杆3的第一端、第三伸缩杆3的第一端均与安装座1相连且在第一方向上可摆动，第一伸缩杆3的第二端与动平台1转动相连并形成第一连接处101，第二伸缩杆4的第二端与动平台1转动相连并形成第二连接处102，第三伸缩杆5的第二端与动平台1转动相连并形成第三连接处103，第二连接处102和第三连接处103的连线形成第一枢转轴线，与第一枢转轴线垂直并经过第一连接处101的连线形成第二枢转轴线，动平台1绕着第一枢转轴线和第二枢转轴线可转动，安装位104设在第一枢转轴线和第二枢转轴线的交点处。

具体地，如图1所示，第二伸缩杆4位于第三伸缩杆5的上方，且第二伸缩杆4和第三伸缩杆5间隔布置，第一伸缩杆位3于第二伸缩杆4和第三伸缩杆5的右侧。

第一伸缩杆3的第一端、第二伸缩杆4的第一端、第三伸缩杆5的第一端分别为第一伸缩杆3的后端、第二伸缩杆4的后端、第三伸缩杆5的后端。第一伸缩杆3的后端、第二伸缩杆4的后端、第三伸缩杆5的后端均通过枢轴与安装座2枢转连接，第一伸缩杆3后端的枢轴、第二伸缩杆4后端的枢轴、第三伸缩杆5后端的枢轴均沿着左右方向延伸布置且第二伸缩杆3后端的枢轴与第三伸缩杆4后端的枢轴平行，即第一伸缩杆3可以绕着其后端的枢轴在上下方向上摆动，第二伸缩杆4可以绕着其后端的枢轴在上下方向上摆动，第三伸缩杆5可以绕着其后端的枢轴在上下方向上摆动。需要说明的是，本实施例中第一方向为上下方向，在其他一些实施例中，第一方向也可以为前后方向、左右方向等。

由于第一伸缩杆3、第二伸缩杆4、第三伸缩杆5均与安装座2枢转连接，第一伸缩杆3、第二伸缩杆4、第三伸缩杆5可以在上下方向摆动，从而实现对动平台1的上下摆动驱动。需要说明的是，在第一伸缩杆3、第二伸缩杆4、第三伸缩杆5上下摆动的过程中，第一伸缩杆3的长度、第二伸缩杆4的长度、第三伸缩杆5的长度会进行适应性调整，从而避免了干涉的情况。

第一伸缩杆3的第二端、第二伸缩杆4的第二端、第三伸缩杆5的第二端分别为第一伸缩杆3的前端、第二伸缩杆4的前端、第三伸缩杆5的前端。第一伸缩杆3的前端和动平台1的连接处形成第一连接处101，第二伸缩杆4的前端和动平台1的连接处形成第二连接处102，第三伸缩杆5的前端和动平台1的连接处形成第三连接处103。如图3所示，第一连接处101、第二连接处102、第三连接处103呈三角形排布，第二连接处102位于第三连接处103的上方，第一连接处101位于第二连接处102和第三连接处103的右侧。

第一伸缩杆3通过球铰与动平台1连接，第二伸缩杆4和第三伸缩杆5均通过虎克铰与动平台1连接，由此，第一伸缩杆3、第二伸缩杆4、第三伸缩杆5相对于动平台1既可以在上下方向摆动，也可以在左右方向摆动。可以理解的是，在其他一些实施例中，第一伸缩杆3、第二伸缩杆4、第三伸缩杆5可以均通过球铰与动平台1连接。

本实施例中过第二连接处102、第三连接处103的直线形成第一枢转轴线，垂直于第一枢转轴线并过第一连接处101的直线形成第二枢转轴线，动平台1可以绕着第一枢转轴线摆动，动平台1也可以绕着第二枢转轴线摆动。安装位104设在第一枢转轴线和第二枢转轴线的交点位置，由此，当动平台1绕着第一枢转轴线和第二枢转轴线摆动时，安装位104在空间上始终保持不变，从而避免了作业设备9伴随运动的情况。

第一电机6设在第一伸缩杆3的第一端或第二伸缩杆4的第一端或第三伸缩杆5的第一端，以止转或释放第一伸缩杆3、第二伸缩杆4、第三伸缩杆5在上下方向上的摆动。

如图1和图2所示，第一电机6设在第一伸缩杆3的后端(第一端)，第一电机6能够驱动第一伸缩杆3后端的枢轴转动，从而实现对第一伸缩杆3的上下摆动驱动。由于第一伸缩杆3、第二伸缩杆4、第三伸缩杆5均与动平台1相连，第二伸缩杆4、第三伸缩杆5会随着第一伸缩杆3上下摆动。需要说明的是，第一电机6具有自锁功能，当第一电机6不运行时，第一伸缩杆3能够通过第一电机6保持在设定位置处。需要说明的是，在其他一些实施例中，第一电机6也可以设在第二伸缩杆4后端的枢轴处，第一电机6也可以设在第三伸缩杆5后端的枢轴处。

根据本发明实施例的四自由度并联机构100，由于作业设备9设在第一枢转轴线和第二枢轴轴线的交点位置，当动平台1绕着第一枢转轴线和第二枢转轴线转动时，作业设备9的空间方位保持不变，从而避免了作业设备9伴随运动的情况，保证了作业精度。

优选地，第一伸缩杆3、第二伸缩杆4、第三伸缩杆5均为电动推杆。电动推杆包括第一连杆、第二连杆和电机。电机驱动第二连杆沿第一连杆方向移动，通过控制第二连杆的移动实现伸缩杆的伸缩运动，调整伸缩杆的长度。

在一些实施例中，安装座上设有旋转平台201，旋转平台201的转动轴线沿着上下方向延伸。如图2所示，旋转平台201可以是圆形平台，旋转平台201的转动轴线沿着上下方向延伸，旋转平台201可以在水平方向转动。第一伸缩杆3的第一端通过枢轴转动连接在旋转平台201上。当动平台1摆动调整时，第一伸缩杆3可以随着旋转平台201在水平方向进行小幅度适应性摆动调整，避免了第一伸缩杆3、第二伸缩杆4、第三伸缩杆5的长度调整不协调而造成干涉的情况，保障了动平台1调整的稳定性。可以理解的是，在其他的一些实施例中，旋转平台201可以是矩形平台，也可以是星形平台。

在一些实施例中，旋转平台上201设有第一支架202，第一伸缩杆3的第一端转动连接在第一支架上202。具体地，第一支架202由两个支撑架组成，支撑架对称地固定在旋转平台201上且与旋转平台201的上平面垂直，第一伸缩杆3的第一端通过枢轴转动装配在两个支撑架的上端部。

第一支架202的设置方便了将第一伸缩杆3支撑至设定高度位置处，避免了旋转平台201需要整体加高的情况。

在一些实施例中，第一伸缩杆3的第一端与第一支架202枢转连接，第一伸缩杆3的第二端与动平台1球铰连接。第一伸缩杆3的第一端与第一支架202枢转连接，实现了第一伸缩杆3沿上下方向的摆动，第一伸缩杆3的第二端与动平台1球铰连接，使动平台1和第一伸缩杆3的铰接处具有较高的自由度，方便动平台1的位置调整。可以理解的是，第一伸缩杆3和动平台1可以用虎克铰铰接。

在一些实施例中，安装座2上设有第二支架203，第二伸缩杆4的第一端和第三伸缩杆5的第一端枢转连接在第二支架203上。

具体地，第二支架203由两个支撑板组成，两个支撑板对称地固定在安装座2上且与安装座2的顶面垂直，第二伸缩杆4的后端(第一端)通过枢轴转动装配在两个支撑板之间。第三伸缩杆5的后端(第一端)通过枢轴转动装配在两个支撑板之间，第三伸缩杆5与第二支架203的枢转位置位于第二伸缩杆4与第二支架203的枢转位置的下方。

可以理解的是，在其他的一些实施例中，旋转平台201可以设在第二支架203的下方，第一支架202则直接与安装座2连接固定。

在一些实施例中，第二伸缩杆4的第一端和第三伸缩杆5的第一端均与第二支架203枢转连接，第二伸缩杆4的第二端和第三伸缩杆5的第二端均通过虎克铰与动平台1转动连接。虎克铰的连接方式使得动平台1与第二伸缩杆4的铰接处、动平台1与第三伸缩杆5的铰接处具有较高的自由度，方便了动平台1的位置调整。第二伸缩杆4与第二支架203枢转连接的枢轴和第三伸缩杆5与第二支架203枢转连接的枢轴平行，实现了第二伸缩杆4和第三伸缩杆5沿上下方向摆动且第二伸缩杆4和第三伸缩杆5同步摆动。可以理解的是，在其他的一些实施例中，第二伸缩杆4与动平台1的铰接处、第三伸缩杆5与动平台1铰接处均可以为球铰。

优选地，第二枢转轴线经过第二连接处102和第三连接处103的中点。第一连接处101、第二连接处102和第三连接处103在动平台1上以等腰三角形分布，即第一连接处101到第二连接处102的距离和第一连接处101到第三连接处103的距离相同。当动平台1转动时，第二伸缩杆4和第三伸缩杆5受力均匀，提高了四自由度并联机构100的使用寿命。

下面描述根据本发明实施例的工业机器人。

如图1所示，根据本发明实施例的工业机器人包括四自由度并联机构100，四自由度并联机构100可以为上述实施例中描述的四自由度并联机构100，作业设备9安装在动平台的安装位104上，作业设备9可以是喷涂设备，机械爪等。

优选地，本发明实施例的工业机器人还包括第一导轨7和第二导轨8，第一导轨7和第二导轨8并行间隔布置，安装座2设在第一导轨7和第二导轨5上且沿着第一导轨7和第二导轨8的延伸方向可移动，第一导轨7和第二导轨8的一者上设有齿条，安装座2上设有用于驱动安装座2移动的第二电机10，第二电机10的输出轴上设有齿轮，齿轮与齿条啮合配合。

具体地，如图1所示，第一导轨7和第二导轨8均为直线导轨。第一导轨7和第二导轨8在前后方向间隔布置且均沿着左右方向延伸。可以理解的是，在其他的一些实施例中，直线导轨也可以是弧形导轨。

第一导轨7上设有齿条。第二电机10设在安装座2左侧，通过电机支架固定在安装座2上。第二电机10的输出轴上设有齿轮，齿轮与第一导轨7上的齿条啮合。第二电机10通过驱动齿轮转动带动四自由度并联机构100沿第一导轨7和第二导轨8的延伸方向移动由此，实现了四自由度并联机构100在左右方向的平移，增大了四自由度并联机构100的工作空间。可以理解的是，在其他的一些实施例中，齿条也可以设在第二导轨8上。

四自由度并联机构100工作时，第一电机6驱动第一伸缩杆3做上下摆动，带动第二伸缩杆4和第三伸缩杆5上下摆动，实现动平台1上作业设备9的上下移动。通过第一伸缩杆3、第二伸缩杆4和第三伸缩杆5的伸缩运动可以实现动平台1上作业设备9绕第一枢转轴线、第二枢转轴线的转动和前后方向的移动。例如，当第一伸缩杆3的长度不变时，通过调节第二伸缩杆4和第二伸缩杆4的长度可以实现动平台1绕第二枢转轴线的转动；当第二伸缩杆4和第三伸缩杆5的长度不变时，通过调节第一伸缩杆3的长度可以实现动平台1绕第一枢转轴线的转动。

当动平台1需要向左或向右移动时，启动第二电机10，第二电机10会驱动齿轮转动，在齿轮和齿条的啮合作用下，安装座2会向左或向右平移，从而实现动平台1的向左或向右移动。

根据本发明实施例的工业机器人，结构强度高，结构简单易模块化，易于制造，精度高，无伴随运动，运动控制简单。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体地限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种四自由度并联机构，其特征在于，包括：

动平台，所述动平台设有用于安装作业设备的安装位；

安装座，所述安装座与所述动平台间隔布置；

第一伸缩杆、第二伸缩杆和第三伸缩杆，所述第一伸缩杆、所述第二伸缩杆、所述第三伸缩杆中的任意两者间隔布置，所述第一伸缩杆的第一端、所述第二伸缩杆的第一端、所述第三伸缩杆的第一端均与所述安装座相连且在第一方向上可摆动，所述第一伸缩杆的第二端与所述动平台转动相连并形成第一连接处，所述第二伸缩杆的第二端与所述动平台转动相连并形成第二连接处，所述第三伸缩杆的第二端与所述动平台转动相连并形成第三连接处，所述第二连接处和所述第三连接处的连线形成第一枢转轴线，与所述第一枢转轴线垂直并经过所述第一连接处的连线形成第二枢转轴线，所述动平台绕着所述第一枢转轴线和所述第二枢转轴线可转动，所述安装位设在所述第一枢转轴线和所述第二枢转轴线的交点处；

第一电机，所述第一电机设在所述第一伸缩杆的第一端或第二伸缩杆的第一端或第三伸缩杆的第一端，以止转或释放所述第一伸缩杆、所述第二伸缩杆、所述第三伸缩杆在所述第一方向上的摆动。

2.根据权利要求1所述的四自由度并联机构，其特征在于，所述安装座上设有旋转平台，所述旋转平台的转动轴线沿着所述第一方向延伸，所述第一伸缩杆的第一端连接在所述旋转平台上。

3.根据权利要求2所述的四自由度并联机构，其特征在于，所述旋转平台上设有第一支架，所述第一伸缩杆的第一端转动连接在所述第一支架上。

4.根据权利要求3所述的四自由度并联机构，其特征在于，所述第一伸缩杆的第一端与所述第一支架枢转连接，所述第一伸缩杆的第二端与所述动平台球铰连接。

5.根据权利要求1所述的四自由度并联机构，其特征在于，所述安装座上设有第二支架，所述第二伸缩杆的第一端和所述第三伸缩杆的第一端均转动连接在所述第二支架上。

6.根据权利要求5所述的四自由度并联机构，其特征在于，所述第二伸缩杆的第一端和所述第三伸缩杆的第一端均与所述第二支架枢转连接，所述第二伸缩杆的第二端和所述第三伸缩杆的第二端均通过虎克铰与所述动平台转动连接。

7.根据权利要求1所述的四自由度并联机构，其特征在于，所述第二枢转轴线经过所述第一连接处和所述第二连接处的中点。

8.根据权利要求1-8中任一项所述的四自由度并联机构，其特征在于，所述作业设备为喷涂装置。

9.一种工业机器人，其特征在于，包括权利要求1-8中任一项所述的四自由度并联机构。

10.根据权利要求9所述的工业机器人，其特征在于，还包括第一导轨和第二导轨，所述第一导轨和所述第二导轨并行间隔布置，所述安装座设在所述第一导轨和所述第二导轨上且沿着所述第一导轨和所述第二导轨的延伸方向可移动，所述第一导轨和所述第二导轨的一者上设有齿条，所述安装座上设有用于驱动所述安装座移动的第二电机，所述第二电机的输出轴上设有齿轮，所述齿轮与所述齿条啮合配合。

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