CN113246104A - 并联-串联-并联型高负载自重比机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并联‑串联‑并联型高负载自重比机械臂，包括基部二自由度并联机构、通过第三旋转副与所述基部二自由度并联机构串联的端部二自由度并联机构以及用于对所述第三旋转副提供旋转力矩的旋转驱动机构。本发明的并联‑串联‑并联型高负载自重比机械臂具有结构紧凑灵活、高负载自重比、高强度、高刚度和低惯量等特点，尤其适合于重载多自由度机械臂的应用领域；本发明中通过第一驱动机构和第二驱动机构两个动力源来驱动第三连杆工作，能够提供更大的驱动力，且可实现第三连杆的回转与俯仰调节功能；相较于使用单个功率相同的驱动机构，能够提供两倍的驱动力，且结构更加简单、紧凑。

Description

并联-串联-并联型高负载自重比机械臂

技术领域

本发明涉及机器人领域，特别涉及一种并联-串联-并联型高负载自重比机械臂。

背景技术

根据运动链的数目，运动机构可分为串联机构和并联机构。串联机构是指若干个单自由度的基本杆件顺序联接，每一个前置杆件的输出运动是后置杆件的输入，从基座到末端执行器之间只有一条运动链的开环机构；并联机构是指定平台(基座)和动平台(末端执行器)通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。

串联机构和并联机构各有优缺点：串联机构是典型的机械臂构型，具有工作空间大、运动灵活的特点，但由于其驱动机构安装在各个关节处，从而导致惯量大、负载自重比小等缺点。与串联机构相比，并联机构具有刚度大、负载自重比大、惯量小、精度高等优点，有效地弥补了串联机构的不足，但也存在工作空间小和运动耦合等缺点。

混联机构一般具有串联机构和并联机构的共同优点，性能更加优良。混联机构主要有三种类型：并联-串联，串联-并联，并联-串联-并联。上述三种类型有各自的应用特点。并联-串联构型的混联机构主要应用于机床领域，其中以3自由度并联机构和2自由度串联机构组合的混联机构应用最为成熟。这主要因为机床的末端执行器需要提供较大负载并且同时要兼顾执行器的灵活性，而3自由度并联机构可以提供执行器所需的负载要求并在一定程度上满足工作空间的需求。所以5自由度混联机床的核心部件一般都采用这种构型。串联-并联构型的混联机构主要应用于外科手术、大曲面抛光等领域，这主要因为串联机构能够提供足够大的工作空间并且运动灵活性高，末端的并联机构具有精细的姿态调整功能，更能适用于要求精细化操作的外科手术领域和连续曲率变化的曲面抛光领域。例如专利CN111469121B公开了一种混联型五自由度机械臂，包括：相互串联的一个三自由度串联机构和一个二自由度并联机构，其可实现五自由度的姿态调整，与纯并联机构相比，增大了工作空间，降低了前置驱动部件的功率，但其也存在一些不足：例如其中第三连杆13的俯仰运动是通过单个电机以及对应的驱动连接机构来实现，然后再通过单个电机及对应的驱动连接机构实现第三连杆13的回转运动，单个电机能提供的动力较小，导致末端驱动载荷较低，难以满足负载高的应用场景的需求。

所以，现在有必要提供一种更可靠的方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种并联-串联-并联型高负载自重比机械臂。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种并联-串联-并联型高负载自重比机械臂，包括基部二自由度并联机构、通过第三旋转副与所述基部二自由度并联机构串联的端部二自由度并联机构以及用于对所述第三旋转副提供旋转力矩的旋转驱动机构；

所述基部二自由度并联机构包括第一连杆、通过第一旋转副与所述第一连杆连接的第二连杆、通过第二旋转副与所述第二连杆连接的第三连杆、第一球铰副、第一端与所述第一球铰副连接的第一球杆、连接于所述第一球杆的第二端和所述第三连杆之间的第一万向副、第二球铰副、第一端与所述第二球铰副连接的第二球杆、连接于所述第二球杆的第二端和所述第三连杆之间的第二万向副、用于对所述第一球铰副提供驱动力的第一驱动机构以及用于对所述第二球铰副提供驱动力的第二驱动机构；

所述端部二自由度并联机构包括通过所述第三旋转副与所述第三连杆连接的第四连杆、通过第四旋转副与所述第四连杆连接的第五连杆、通过第五旋转副与所述第五连杆连接的第六连杆、第三球铰副、第一端与所述第三球铰副连接的第三球杆、连接于所述第三球杆的第二端和所述第六连杆之间的第三万向副、第四球铰副、第一端与所述第四球铰副连接的第四球杆、连接于所述第四球杆的第二端和所述第六连杆之间的第四万向副、用于对所述第三球铰副提供驱动力的第三驱动机构以及用于对所述第四球铰副提供驱动力的第四驱动机构；

所述第一旋转副和第二旋转副中的一个与Z轴平行，另一个与Y轴平行；所述第三旋转副和第四旋转副中的一个与Z轴平行，另一个与Y轴平行；所述第四连杆通过所述第三旋转副与所述第三连杆连接，所述第六连杆作为输出端。

优选的是，所述第一球杆两端的第一球铰副与第一万向副位置互换，和/或所述第二球杆两端的第二球铰副与第二万向副位置互换，和/或所述第三球杆两端的第三球铰副与第三万向副位置互换，和/或所述第四球杆两端的第四球铰副与第四万向副位置互换。

优选的是，所述第一万向副替换为球铰副，和/或所述第二万向副替换为球铰副，和/或所述第三万向副替换为球铰副，和/或所述第四万向副替换为球铰副。

优选的是，所述第一万向副通过两个等效的旋转副替换，和/或第二万向副通过两个等效的旋转副替换，和/或所述第三万向副通过两个等效的旋转副替换，和/或第四万向副通过两个等效的旋转副替换。

优选的是，所述第一旋转副和第二旋转副的旋转轴线相交时，所述第二连杆省去，所述第一旋转副和第二旋转副由一个第五万向副代替，使得所述第一连杆和第三连杆之间直接通过所述第五万向副连接；

所述第四旋转副和第五旋转副的旋转轴线相交时，所述第五连杆省去，所述第四旋转副和第五旋转副由一个第六万向副代替，使得所述第四连杆和第六连杆之间直接通过所述第六万向副连接。

优选的是，所述第三连杆通过第五万向副与所述第一连杆连接，所述第二连杆省去；

所述第一驱动机构包括设置在所述第一连杆上的第一电机和可转动设置在所述第一连杆上且与所述第一电机驱动连接的第一大曲柄；所述第一球杆的第一端通过第一万向副与所述第一大曲柄连接，所述第一球杆的第二端通过第一球铰副与第三连杆连接；

所述第二驱动机构包括设置在所述第一连杆上的第二电机和可转动设置在所述第一连杆上且与所述第二电机驱动连接的第二大曲柄；所述第二球杆的第一端通过第二万向副与所述第二大曲柄连接，所述第二球杆的第二端通过第二球铰副与第三连杆连接。

优选的是，所述第三连杆通过第五万向副与所述第一连杆连接，所述第二连杆省去；

所述第一驱动机构包括设置在所述第一连杆上的第一直线驱动机构和与所述第一直线驱动机构驱动连接的第一直线推杆，所述第一球杆的第一端通过第一万向副与所述第一直线推杆连接，所述第一球杆的第二端通过第一球铰副与第三连杆连接；

所述第二驱动机构包括设置在所述第一连杆上的第二直线驱动机构和与所述第二直线驱动机构驱动连接的第二直线推杆，所述第二球杆的第一端通过第二万向副与所述第二直线推杆连接，所述第二球杆的第二端通过第二球铰副与第三连杆连接。

优选的是，所述第一连杆上设置有转台架，所述旋转驱动机构包括连接在所述转台架上的旋转电机以及一端与所述旋转电机的输出轴驱动连接且另一端与所述第四连杆可转动连接的俯仰连杆组件；

所述俯仰连杆组件包括与所述旋转电机的输出轴驱动连接的第一小臂曲柄、与所述第一小臂曲柄可转动连接的第一小臂连杆以及与所述第一小臂连杆的另一端可转动连接且固定设置在所述第四连杆上的小臂连接块。

优选的是，所述第三驱动机构包括连接在所述转台架上的第三电机以及一端与所述第三电机的输出轴驱动连接且另一端与所述第三球杆连接的第一末端连杆组件；

所述第一末端连杆组件包括与所述第三电机的输出轴驱动连接的第一末端驱动曲柄、与所述第一末端驱动曲柄可转动连接的第一末端前连杆、可转动设置在所述第三连杆上且第一端与所述第一末端前连杆的末端可转动连接的第一三角曲柄、与所述第一三角曲柄的第二端可转动连接的第一末端后连杆以及可转动设置在所述第四连杆上且与所述第一末端后连杆的末端可转动连接的第一小曲柄；

所述第四驱动机构包括连接在所述转台架上的第四电机以及一端与所述第四电机的输出轴驱动连接且另一端与所述第四球杆连接的第二末端连杆组件；

所述第二末端连杆组件包括与所述第四电机的输出轴驱动连接的第二末端驱动曲柄、与所述第二末端驱动曲柄可转动连接的第二末端前连杆、可转动设置在所述第三连杆上且第一端与所述第二末端前连杆的末端可转动连接的第二三角曲柄、与所述第二三角曲柄的第二端可转动连接的第二末端后连杆以及可转动设置在所述第五连杆上且与所述第二末端后连杆的末端可转动连接的第二小曲柄。

优选的是，所述第六连杆通过第六万向副与所述第四连杆连接，所述第五连杆省去；

所述第三球杆的第一端通过第三万向副与所述第一小曲柄连接，所述第三球杆的第二端通过第三球铰副与第六连杆连接；

所述第四球杆的第一端通过第四万向副与所述第二小曲柄连接，所述第四球杆的第二端通过第四球铰副与第六连杆连接。

本发明的有益效果是：

本发明的并联-串联-并联型高负载自重比机械臂具有结构紧凑灵活、高负载自重比、高强度、高刚度和低惯量等特点，尤其适合于重载多自由度机械臂的应用领域；

本发明中通过第一驱动机构和第二驱动机构两个动力源来驱动第三连杆工作，能够提供更大的驱动力，且可实现第三连杆的回转与俯仰调节功能；相较于使用单个功率相同的驱动机构，能够提供两倍的驱动力；

本发明中所有的驱动部件都固定安装在机械臂的基部(第一连杆或第二连杆)，可以大幅减轻机械臂杆件的重量和转动惯量、提升负载自重比，降低电机的驱动功率，从而成本，使整个机械臂结构更紧凑；

本发明的机械臂杆件上不用铺设任何电缆或管道，更便于维护，避免了传统机械臂因关节运动而导致电缆或管道反复折弯断裂的隐患，提升了设备使用的可靠性，尤其在喷涂等防爆领域，安全性更高。

附图说明

图1为本发明的并联-串联-并联型高负载自重比机械臂的原理结构示意图；

图2为本发明的实施例1中的并联-串联-并联型高负载自重比机械臂的结构示意图；

图3为本发明的实施例1中的并联-串联-并联型高负载自重比机械臂的另一个视角的结构示意图；

图4为本发明的实施例1中的并联-串联-并联型高负载自重比机械臂的俯视图；

图5为本发明的实施例1中的并联-串联-并联型高负载自重比机械臂的另一个视角的结构示意图；

图6为本发明的实施例1中的基部二自由度并联机构的局部结构示意图；

图7为本发明的实施例1中的端部二自由度并联机构的局部结构示意图；

图8为本发明的实施例2中的并联-串联-并联型高负载自重比机械臂的结构示意图。

附图标记说明：

1—基部二自由度并联机构；101—第一连杆(L₁)；102—第一旋转副(R₁)；103—第二连杆(L₂)；101—第二旋转副(R₂)；105—第三连杆(L₃)；111—第一球铰副(S₁)；112—第一球杆(l₁)；113—第一万向副(U₁)；121—第二球铰副(S₂)；122—第二球杆(l₂)；123—第二万向副(U₂)；131—第五万向副；

2—第三旋转副(R₃)；

3—端部二自由度并联机构；301—第四连杆(L₄)；302—第四旋转副(R₄)；303—第五连杆(L₅)；304—第五旋转副(R₅)；305—第六连杆(L₆)；311—第三球铰副(S₃)；312—第三球杆(l₃)；313—第三万向副(U₃)；321—第四球铰副(S₄)；322—第四球杆(l₄)；323—第四万向副(U₄)；331—第六万向副；

4—旋转驱动机构(M₃)；41—旋转电机；42—俯仰连杆组件；421—第一小臂曲柄；422—第一小臂连杆；423—小臂连接块；

5—第一驱动机构(F₁)；51—第一电机；52—第一大曲柄；53—链/带传动机构；54—第一直线驱动机构；55—第一直线推杆；

6—第二驱动机构(F₂)；61—第二电机；62—第二大曲柄；63—第二直线驱动机构；64—第二直线推杆；

7—第三驱动机构(F₃)；71—第三电机；72—第一末端连杆组件；721—第一末端驱动曲柄；722—第一末端前连杆；723—第一三角曲柄；724—第一末端后连杆；725—第一小曲柄；

8—第四驱动机构(F₄)；81—第四电机；82—第二末端连杆组件；821—第二末端驱动曲柄；822—第二末端前连杆；823—第二三角曲柄；824—第二末端后连杆；825—第二小曲柄；

9—转台架；

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

参照图1，本实施例提供一种并联-串联-并联型高负载自重比机械臂，包括基部二自由度并联机构1、通过第三旋转副2(R₃)与基部二自由度并联机构1串联的端部二自由度并联机构3以及用于对第三旋转副2(R₃)提供旋转力矩的旋转驱动机构4(M₃)；

基部二自由度并联机构1包括第一连杆101(L₁)、通过第一旋转副102(R₁)与第一连杆101(L₁)连接的第二连杆103(L₂)、通过第二旋转副101(R₂)与第二连杆103(L₂)连接的第三连杆105(L₃)、第一球铰副111(S₁)、第一端与第一球铰副111(S₁)连接的第一球杆112(l₁)、连接于第一球杆112(l₁)的第二端和第三连杆105(L₃)之间的第一万向副113(U₁)、第二球铰副121(S₂)、第一端与第二球铰副121(S₂)连接的第二球杆122(l₂)、连接于第二球杆122(l₂)的第二端和第三连杆105(L₃)之间的第二万向副123(U₂)、用于对第一球铰副111(S₁)提供驱动力的第一驱动机构5(F₁)以及用于对第二球铰副121(S₂)提供驱动力的第二驱动机构6(F₂)；

端部二自由度并联机构3包括通过第三旋转副2(R₃)与第三连杆105(L₃)连接的第四连杆301(L₄)、通过第四旋转副302(R₄)与第四连杆301(L₄)连接的第五连杆303(L₅)、通过第五旋转副304(R₅)与第五连杆303(L₅)连接的第六连杆305(L₆)、第三球铰副311(S₃)、第一端与第三球铰副311(S₃)连接的第三球杆312(l₃)、连接于第三球杆312(l₃)的第二端和第六连杆305(L₆)之间的第三万向副313(U₃)、第四球铰副321(S₄)、第一端与第四球铰副321(S₄)连接的第四球杆322(l₄)、连接于第四球杆322(l₄)的第二端和第六连杆305(L₆)之间的第四万向副323(U₄)、用于对第三球铰副311(S₃)提供驱动力的第三驱动机构7(F₃)以及用于对第四球铰副321(S₄)提供驱动力的第四驱动机构8(F₄)。

第一旋转副102和第二旋转副101中的一个与Z轴平行，另一个与Y轴平行；

第三旋转副2和第四旋转副302中的一个与Z轴平行，另一个与Y轴平行；第四连杆301通过第三旋转副2与第三连杆105连接，第六连杆305作为输出端。

通过第一驱动机构5和第二驱动机构6分别对第一球铰副111、第二球铰副121提供驱动力，控制第一球铰副111、第二球铰副121的位置，即可控制第三连杆105的旋转姿态；通过第四驱动机构8和第五驱动机构分别对第二球铰副121、第三球铰副311提供驱动力，控制第二球铰副121、第三球铰副311的位置，即可控制第六连杆305的旋转姿态；通过旋转驱动机构4能控制端部二自由度并联机构3相对基部二自由度并联机构1进行俯仰调节。

第一连杆101与机械臂基座固定连接，则机械臂可以实现基部回转(R₁)、基部俯仰(R₂)、中部俯仰(R₃)、端部回转(R₄)和端部俯仰(R₅)五个自由度的姿态调整；末端的第六连杆305作为机械臂的输出端，则第六连杆305可以实现X轴、Y轴和Z轴平移，以及回转(绕Z轴旋转)和俯仰(绕Y轴旋转)五个自由度的姿态调整。

其中，通过连杆传动机构进行旋转驱动机构4、第三驱动机构7、第四驱动机构8的动力传输，将旋转驱动机构4、第三驱动机构7、第四驱动机构8的动力源(电机、减速器、电动缸、液压缸或液压马达等)都安装在机械臂基座附近(第一连杆101上)，从而能大幅减轻机械臂杆件的质量，降低了驱动部件的功率，更便于维护。

其中，端部二自由度并联机构3和基部二自由度并联机构1的位置可互换。

其中，第一球杆112两端的第一球铰副111与第一万向副113位置可互换，第二球杆122两端的第二球铰副121与第二万向副123位置可互换，第三球杆312两端的第三球铰副311与第三万向副313位置可互换，第四球杆322两端的第四球铰副321与第四万向副323位置可互换。

其中，第一万向副113、第二万向副123、第三万向副313、第四万向副323均可替换为球铰副，即球杆两端可以都是球铰副。

其中，第一万向副113、第二万向副123、第三万向副313、第四万向副323均可分别通过两个等效的旋转副替换。

其中，第一旋转副102和第二旋转副101的旋转轴线相交时，第二连杆103省去，第一旋转副102和第二旋转副101由一个第五万向副131代替，使得第一连杆101和第三连杆105之间直接通过第五万向副131连接；若将第五万向副131换为球铰副时，则第一球杆112和第二球杆122的两端均可使用万向副连接；

第四旋转副302和第五旋转副304的旋转轴线相交时，第五连杆303省去，第四旋转副302和第五旋转副304由一个第六万向副331代替，使得第四连杆301和第六连杆305之间直接通过第六万向副331连接；若将第六万向副331换为球铰副时，则第三球杆312和第四球杆322的两端均可使用万向副连接。

以上为本发明的总体构思，以下在其基础上提供更为具体的实施例，以对本发明做进一步说明。

实施例1

参照图2-7，本实施例中，第一球杆112、第二球杆122两端的球铰副与万向副位置均进行了互换；且第一万向副113、第二万向副123均分别通过两个等效的旋转副(两个相互连接的旋转铰链，两个旋转铰链的旋转轴相互垂直，为了全文统一且便于描述，在以下内容中仍以第一万向副113、第二万向副123进行描述说明)。第三万向副313、第四万向副323均替换为了球铰副(为了全文统一且便于描述，在以下内容中仍以第三万向副313、第四万向副323进行描述说明)。进一步的，本实施例中，第三连杆105通过第五万向副131与第一连杆101连接，第二连杆103省去；第六连杆305通过第六万向副331与第四连杆301连接，第五连杆303省去。

本实施例中，第一驱动机构5包括设置在第一连杆101上的第一电机51和可转动设置在第一连杆101上且与第一电机51驱动连接的第一大曲柄52；第一球杆112的第一端通过第一万向副113与第一大曲柄52连接，第一球杆112的第二端通过第一球铰副111与第三连杆105连接；

第二驱动机构6包括设置在第一连杆101上的第二电机61和可转动设置在第一连杆101上且与第二电机61驱动连接的第二大曲柄62；第二球杆122的第一端通过第二万向副123与第二大曲柄62连接，第二球杆122的第二端通过第二球铰副121与第三连杆105连接。

进一步的，在更优选的实施例中，第一电机51和第二电机61均通过链/带传动机构53与对应的大曲柄驱动连接。

本实施例中，第一连杆101上设置有转台架9，旋转驱动机构4包括连接在转台架9上的旋转电机41以及一端与旋转电机41的输出轴驱动连接且另一端与第四连杆301可转动连接的俯仰连杆组件42；

俯仰连杆组件42包括与旋转电机41的输出轴驱动连接的第一小臂曲柄421、与第一小臂曲柄421可转动连接的第一小臂连杆422以及与第一小臂连杆422的另一端可转动连接且固定设置在第四连杆301上的小臂连接块423。

本实施例中，第三驱动机构7包括连接在转台架9上的第三电机71以及一端与第三电机71的输出轴驱动连接且另一端与第三球杆312连接的第一末端连杆组件72；

第一末端连杆组件72包括与第三电机71的输出轴驱动连接的第一末端驱动曲柄721、与第一末端驱动曲柄721可转动连接的第一末端前连杆722、可转动设置在第三连杆105上且第一端与第一末端前连杆722的末端可转动连接的第一三角曲柄723、与第一三角曲柄723的第二端可转动连接的第一末端后连杆724以及可转动设置在第四连杆301上且与第一末端后连杆724的末端可转动连接的第一小曲柄725；

其中，第四驱动机构8包括连接在转台架9上的第四电机81以及一端与第四电机81的输出轴驱动连接且另一端与第四球杆322连接的第二末端连杆组件82；

第二末端连杆组件82包括与第四电机81的输出轴驱动连接的第二末端驱动曲柄821、与第二末端驱动曲柄821可转动连接的第二末端前连杆822、可转动设置在第三连杆105上且第一端与第二末端前连杆822的末端可转动连接的第二三角曲柄823、与第二三角曲柄823的第二端可转动连接的第二末端后连杆824以及可转动设置在第五连杆303上且与第二末端后连杆824的末端可转动连接的第二小曲柄825。

本实施例中，第三球杆312的第一端通过第三万向副313与第一小曲柄725连接，第三球杆312的第二端通过第三球铰副311与第六连杆305连接；

第四球杆322的第一端通过第四万向副323与第二小曲柄825连接，第四球杆322的第二端通过第四球铰副321与第六连杆305连接。

在优选的实施例中，第一、第二、第三、第四、第五电机均配置有减速器，且均设置在第一连杆101上。对于小负载可以电机直接驱动，对于较大负载，优选采用电机配合减速器驱动。

参照图2-7，本实施例的并联-串联-并联型高负载自重比机械臂的工作原理为：

1、基部二自由度并联机构1

参照图3-5，基部二自由度并联机构1中是通过第一驱动机构5、第二驱动机构6分别驱动第一万向副113、第二万向副123进行位置移动来实现第三连杆105以及其上的第四连杆301、端部二自由度并联机构3进行整体的回转姿态(绕Z轴旋转)和俯仰姿态(绕Y轴旋转)调节的，具体的：

当第一电机51和第二电机61工作，分别通过第一大曲柄52、第二大曲柄62带动第一万向副113、第二万向副123共同向前移动或共同向后移动时，实现第三连杆105的俯仰姿态调节；具体的，共同向前移动时，第三连杆105绕第五万向副131仰向旋转；共同向后移动时，第三连杆105绕第五万向副131俯向旋转；

当第一电机51和第二电机61工作，使得第一万向副113、第二万向副123一个向前移动一个向后移动时，实现第三连杆105的回转姿态调节；具体的，第一万向副113向前、第二万向副123向后移动时，第三连杆105绕第五万向副131顺时针转动；第一万向副113向后、第二万向副123向前移动时，第三连杆105绕第五万向副131逆时针转动。

2、第三旋转副2与旋转驱动机构4

通过旋转驱动机构4与第三旋转副2配合，能控制端部二自由度并联机构3相对基部二自由度并联机构1进行俯仰调节，具体的：旋转电机41工作，带动第一小臂曲柄421转动，在通过第一小臂连杆422对小臂连接块423施加拉力或推力作用，使得第四连杆301、其上的端部二自由度并联机构3绕第三旋转副2旋转(绕Y轴)；且小臂曲柄顺时针旋转时，第四连杆301绕第三旋转副2俯向旋转，小臂曲柄逆时针旋转时，第四连杆301绕第三旋转副2仰向旋转。

3、端部二自由度并联机构3

端部二自由度并联机构3的工作原理与基部二自由度并联机构1基本相同，不同之处在于：端部二自由度并联机构3中，是通过第一末端连杆组件72、第二末端连杆组件82来传递动力，以实现第三万向副313、第四万向副323进行位置移动的。通过控制第三万向副313、第四万向副323的位置移动实现第六连杆305的回转姿态(绕Z轴旋转)和俯仰姿态(绕Y轴旋转)的调节。

与基部二自由度并联机构1原理类似，第三万向副313、第四万向副323共同向前移动时，第六连杆305绕第五万向副131仰向旋转，共同向后移动时，第六连杆305绕第五万向副131俯向旋转；第三万向副313、第四万向副323一个向前一个向后时，实现回转姿态调节。

第一末端连杆组件72、第二末端连杆组件82原理相同，以第二末端连杆组件82为例进行说明：参照图5和图7，第四电机81工作带动第二末端驱动曲柄821转动，通过第二末端前连杆822带动第二三角曲柄823转动，然后通过第二末端后连杆824带动第二小曲柄825转动，使得与第二小曲柄825连接的第四万向副323进行位置移动。

通过对并联-串联-并联型高负载自重比机械臂的工作原理分析可知，基部二自由度并联机构1可实现回转姿态和俯仰姿态的调节，端部二自由度并联机构3也可实现回转姿态和俯仰姿态的调节，旋转驱动机构4与第三旋转副2配合能控制端部二自由度并联机构3相对基部二自由度并联机构1进行俯仰调节，五个自由度的叠加使得该机械臂能够对第六连杆305进行X轴、Y轴和Z轴平移，以及回转和俯仰五个自由度的姿态调整。

本实施例中，通过第一驱动机构5和第二驱动机构6两个动力源来驱动第三连杆105工作，能够提供更大的驱动力，且可实现第三连杆105的回转与俯仰调节功能；相较于使用单个功率相同的驱动机构，能够提供两倍的驱动力。端部二自由度并联机构3和第四连杆301均连接在第三连杆105上，通过两个驱动机构对第三连杆105提供更大的驱动力，使得末端的第六连杆305上设置的末端功能机构具有更多的选择，且利于第三连杆105上的各机构的设计与布置。

本实施例的并联-串联-并联型高负载自重比机械臂与传统机械臂相比，具有结构紧凑灵活、高负载自重比、高强度、高刚度和低惯量等特点，尤其适合于重载多自由度机械臂的应用领域；本实施例中所有的驱动部件都固定安装在机械臂的基部(第一连杆101)，可以大幅减轻机械臂杆件的重量和转动惯量、提升负载自重比，降低电机的驱动功率，从而成本，使整个机械臂结构更紧凑。此外，本实施例的机械臂杆件上不用铺设任何电缆或管道，更便于维护，避免了传统机械臂因关节运动而导致电缆或管道反复折弯断裂的隐患，提升了设备使用的可靠性，尤其在喷涂等防爆领域，安全性更高。

实施例2

参照图8，本实施例与实施例1的不同之处仅在于第一驱动机构5和第二驱动机构6的结构，实施例1中第一驱动机构5和第二驱动机构6采用旋转驱动机构4，而本实施例中采用直线驱动机构，使得本实施例的机械臂在具备实施例1的优点的前提下，驱动力可以进一步提升，而且结构更紧凑。

具体的，本实施例中，第一驱动机构5包括设置在第一连杆101上的第一直线驱动机构54和与第一直线驱动机构54驱动连接的第一直线推杆55，第一球杆112的第一端通过第一万向副113与第一直线推杆55连接，第一球杆112的第二端通过第一球铰副111与第三连杆105连接；

第二驱动机构6包括设置在第一连杆101上的第二直线驱动机构63和与第二直线驱动机构63驱动连接的第二直线推杆64，第二球杆122的第一端通过第二万向副123与第二直线推杆64连接，第二球杆122的第二端通过第二球铰副121与第三连杆105连接。

其中，第一直线驱动机构54和第二直线驱动机构63可采用电动缸和液压缸等常规的直线驱动件。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (10)

1.一种并联-串联-并联型高负载自重比机械臂，其特征在于，包括基部二自由度并联机构、通过第三旋转副与所述基部二自由度并联机构串联的端部二自由度并联机构以及用于对所述第三旋转副提供旋转力矩的旋转驱动机构；

所述基部二自由度并联机构包括第一连杆、通过第一旋转副与所述第一连杆连接的第二连杆、通过第二旋转副与所述第二连杆连接的第三连杆、第一球铰副、第一端与所述第一球铰副连接的第一球杆、连接于所述第一球杆的第二端和所述第三连杆之间的第一万向副、第二球铰副、第一端与所述第二球铰副连接的第二球杆、连接于所述第二球杆的第二端和所述第三连杆之间的第二万向副、用于对所述第一球铰副提供驱动力的第一驱动机构以及用于对所述第二球铰副提供驱动力的第二驱动机构；

所述端部二自由度并联机构包括通过所述第三旋转副与所述第三连杆连接的第四连杆、通过第四旋转副与所述第四连杆连接的第五连杆、通过第五旋转副与所述第五连杆连接的第六连杆、第三球铰副、第一端与所述第三球铰副连接的第三球杆、连接于所述第三球杆的第二端和所述第六连杆之间的第三万向副、第四球铰副、第一端与所述第四球铰副连接的第四球杆、连接于所述第四球杆的第二端和所述第六连杆之间的第四万向副、用于对所述第三球铰副提供驱动力的第三驱动机构以及用于对所述第四球铰副提供驱动力的第四驱动机构；

所述第一旋转副和第二旋转副中的一个与Z轴平行，另一个与Y轴平行；所述第三旋转副和第四旋转副中的一个与Z轴平行，另一个与Y轴平行；所述第四连杆通过所述第三旋转副与所述第三连杆连接，所述第六连杆作为输出端。

2.根据权利要求1所述的并联-串联-并联型高负载自重比机械臂，其特征在于，所述第一球杆两端的第一球铰副与第一万向副位置互换，和/或所述第二球杆两端的第二球铰副与第二万向副位置互换，和/或所述第三球杆两端的第三球铰副与第三万向副位置互换，和/或所述第四球杆两端的第四球铰副与第四万向副位置互换。

3.根据权利要求1所述的并联-串联-并联型高负载自重比机械臂，其特征在于，所述第一万向副替换为球铰副，和/或所述第二万向副替换为球铰副，和/或所述第三万向副替换为球铰副，和/或所述第四万向副替换为球铰副。

4.根据权利要求2所述的并联-串联-并联型高负载自重比机械臂，其特征在于，所述第一万向副通过两个等效的旋转副替换，和/或第二万向副通过两个等效的旋转副替换，和/或所述第三万向副通过两个等效的旋转副替换，和/或第四万向副通过两个等效的旋转副替换。

5.根据权利要求4所述的并联-串联-并联型高负载自重比机械臂，其特征在于，所述第一旋转副和第二旋转副的旋转轴线相交时，所述第二连杆省去，所述第一旋转副和第二旋转副由一个第五万向副代替，使得所述第一连杆和第三连杆之间直接通过所述第五万向副连接；

所述第四旋转副和第五旋转副的旋转轴线相交时，所述第五连杆省去，所述第四旋转副和第五旋转副由一个第六万向副代替，使得所述第四连杆和第六连杆之间直接通过所述第六万向副连接。

6.根据权利要求5所述的并联-串联-并联型高负载自重比机械臂，其特征在于，所述第三连杆通过第五万向副与所述第一连杆连接，所述第二连杆省去；

所述第一驱动机构包括设置在所述第一连杆上的第一电机和可转动设置在所述第一连杆上且与所述第一电机驱动连接的第一大曲柄；所述第一球杆的第一端通过第一万向副与所述第一大曲柄连接，所述第一球杆的第二端通过第一球铰副与第三连杆连接；

所述第二驱动机构包括设置在所述第一连杆上的第二电机和可转动设置在所述第一连杆上且与所述第二电机驱动连接的第二大曲柄；所述第二球杆的第一端通过第二万向副与所述第二大曲柄连接，所述第二球杆的第二端通过第二球铰副与第三连杆连接。

7.根据权利要求5所述的并联-串联-并联型高负载自重比机械臂，其特征在于，所述第三连杆通过第五万向副与所述第一连杆连接，所述第二连杆省去；

所述第一驱动机构包括设置在所述第一连杆上的第一直线驱动机构和与所述第一直线驱动机构驱动连接的第一直线推杆，所述第一球杆的第一端通过第一万向副与所述第一直线推杆连接，所述第一球杆的第二端通过第一球铰副与第三连杆连接；

所述第二驱动机构包括设置在所述第一连杆上的第二直线驱动机构和与所述第二直线驱动机构驱动连接的第二直线推杆，所述第二球杆的第一端通过第二万向副与所述第二直线推杆连接，所述第二球杆的第二端通过第二球铰副与第三连杆连接。

8.根据权利要求6或7所述的并联-串联-并联型高负载自重比机械臂，其特征在于，所述第一连杆上设置有转台架，所述旋转驱动机构包括连接在所述转台架上的旋转电机以及一端与所述旋转电机的输出轴驱动连接且另一端与所述第四连杆可转动连接的俯仰连杆组件；

所述俯仰连杆组件包括与所述旋转电机的输出轴驱动连接的第一小臂曲柄、与所述第一小臂曲柄可转动连接的第一小臂连杆以及与所述第一小臂连杆的另一端可转动连接且固定设置在所述第四连杆上的小臂连接块。

9.根据权利要求8所述的并联-串联-并联型高负载自重比机械臂，其特征在于，所述第三驱动机构包括连接在所述转台架上的第三电机以及一端与所述第三电机的输出轴驱动连接且另一端与所述第三球杆连接的第一末端连杆组件；

所述第一末端连杆组件包括与所述第三电机的输出轴驱动连接的第一末端驱动曲柄、与所述第一末端驱动曲柄可转动连接的第一末端前连杆、可转动设置在所述第三连杆上且第一端与所述第一末端前连杆的末端可转动连接的第一三角曲柄、与所述第一三角曲柄的第二端可转动连接的第一末端后连杆以及可转动设置在所述第四连杆上且与所述第一末端后连杆的末端可转动连接的第一小曲柄；

所述第四驱动机构包括连接在所述转台架上的第四电机以及一端与所述第四电机的输出轴驱动连接且另一端与所述第四球杆连接的第二末端连杆组件；

所述第二末端连杆组件包括与所述第四电机的输出轴驱动连接的第二末端驱动曲柄、与所述第二末端驱动曲柄可转动连接的第二末端前连杆、可转动设置在所述第三连杆上且第一端与所述第二末端前连杆的末端可转动连接的第二三角曲柄、与所述第二三角曲柄的第二端可转动连接的第二末端后连杆以及可转动设置在所述第五连杆上且与所述第二末端后连杆的末端可转动连接的第二小曲柄。

10.根据权利要求9所述的并联-串联-并联型高负载自重比机械臂，其特征在于，所述第六连杆通过第六万向副与所述第四连杆连接，所述第五连杆省去；

所述第三球杆的第一端通过第三万向副与所述第一小曲柄连接，所述第三球杆的第二端通过第三球铰副与第六连杆连接；

所述第四球杆的第一端通过第四万向副与所述第二小曲柄连接，所述第四球杆的第二端通过第四球铰副与第六连杆连接。

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