CN113386113A - 一种四自由度并联机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四自由度并联机器人，包括第一直线模组、第二直线模组、动平台、第一运动支链和第二运动支链，第一直线模组包括第一滑块和第二滑块，第二直线模组包括第三滑块和第四滑块，动平台位于第一直线模组和第二直线模组之间，第一运动支链转动连接动平台和第一直线模组的两个滑块，第二运动支链转动连接动平台和第二直线模组的两个滑块。本发明通过四个滑块的线性输入运动，实现动平台三自由度的平动和绕竖直轴旋转的四自由度运动，且其构型简单，工作空间大，加工精度易保证，适合用于高速、高精运动场合。

Description

一种四自由度并联机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种四自由度并联机器人。

背景技术

平面四杆机构中有一种特殊的机构称为平行四边形机构，其相对的两杆平行且长度相等，最大的特点就是与机架相对的连杆在运动过程中始终是平动状态。基于此特点，平行四边形机构常应用于并联机构的运动支链中，例如CN112935897A中提出了一种并联机床进给机构，应用了平行四边形机构的平动特性实现了动平台两自由度的平动。

现阶段应用最广泛的并联机构是Delta并联机器人，其通过三条运动支链实现了动平台三个平动的自由度，广泛的应用于物料的快速拾取、分拣等场合。实际应用中由于物料的方向一般都需要调整，故一般在Delta机器人动平台上增加一个旋转轴用于对物料方向的调整，但其本质上并不是真正的四自由度并联机器人。而且Delta机器人工作空间并不大，其三条运动支链中都包含球副，加工要求高，难以达到较高的精度。CN205588291U中提出了一种四自由度并联机构，能实现动平台的三维平动和绕竖直轴的旋转功能，可替代Delta并联机器人应用于物料的快速分拣等场合，其运动支链全部为低副，可以得到较高的定位精度，其支链设计上多处应用到平行四边形机构。为了使结构紧凑，其多处平行四边形机构的短边需尽量设置短一些，由于连杆自身尺寸的影响，一方面，导致平行四边形机构的运动范围受到较大的限制，进而使机构整体工作空间受限；另一方面，工作空间距离机构的奇异位置较近，进而降低了机器人的灵巧度。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种四自由度并联机器人，从而克服现有技术的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

一种四自由度并联机器人，所述并联机器人包括：

第一直线模组，包括第一滑块和第二滑块，所述第一滑块和第二滑块可相向、同向或背向运动；

第二直线模组，与所述第一直线模组平行，其包括第三滑块和第四滑块，所述第三滑块和第四滑块可相向、同向或背向运动；

动平台，位于所述第一直线模组和第二直线模组之间；

第一运动支链，所述第一运动支链的一端与所述动平台转动连接，另一端与第一直线模组的两个滑块转动连接；

第二运动支链，所述第二运动支链的一端与所述动平台转动连接，另一端与第二直线模组的两个滑块转动连接；

所述动平台通过第一滑块、第二滑块、第三滑块和第四滑块相组合的线性输入运动，进行动平台三自由度的平动和绕竖直轴旋转的四自由度运动。

在一优选实施例中，所述第一直线模组和第二直线模组采用直线电机模组、齿轮齿条模组、滚珠丝杆模组或同步带模组。

在一优选实施例中，所述第一直线模组的两个滑块共用导轨、齿条或磁钢，所述第二直线模组的两个滑块共用直线导轨、齿条或磁钢。

在一优选实施例中，所述第一运动支链和第二运动支链均包括：

第一连接件；

第一平行四边形机构，其一端与所述第一滑块旋转连接，另一端与所述第一连接件旋转连接；

第二平行四边形机构，与所述第一平行四边形机构位于第一平面内，且其一端与所述第二滑块旋转连接，另一端与所述第一连接件旋转连接；

第二连接件，与所述动平台旋转连接；

第三平行四边形机构，位于与所述第一平面相垂直的第二平面内，且其一端与所述第一连接件旋转连接，另一端与所述第二连接件旋转连接。

在一优选实施例中，所述第一平行四边形机构包括：

第一连杆；

第二连杆，与所述第一连杆平行，且所述第一连杆和第二连杆的两端均分别与所述第一滑块和第一连接件相连接，构成所述第一平行四边形机构；

所述第二平行四边形机构包括：

第三连杆；

第四连杆，与所述第三连杆平行，且所述第三连杆和第四连杆的两端均分别与所述第二滑块和第一连接件相连接，构成所述第二平行四边形机构；

所述第三平行四边形机构包括：

第五连杆；

第六连杆，与所述第五连杆平行，且所述第五连杆和第六连杆的两端均分别与所述第一连接件和第二连接件相连接，构成所述第三平行四边形机构。

在一优选实施例中，

所述第一连杆的两端分别与第二连杆对应的两端相偏置设置；

所述第三连杆的两端分别与第四连杆对应的两端相偏置设置；

所述第五连杆的两端分别与第六连杆对应的两端相偏置设置。

在一优选实施例中，

所述第一连杆的两端在第一平面内分别与第二连杆对应的两端在第一方向和与第一方向相垂直的第二方向上均相偏置设置；

所述第三连杆的两端在第一平面内分别与第四连杆对应的两端在第一方向和与第一方向相垂直的第二方向上均相偏置设置；

所述第五连杆的两端在第二平面内分别与第六连杆对应的两端在第三方向和与第三方向相垂直的第二方向上均相偏置设置。

在一优选实施例中，所有连杆均采用至少两根相平行的杆组成，且两根杆之间通过至少一连接块相连接，形成框架式结构。

在一优选实施例中，所有连杆均采用空心铝管或空心碳纤维管。

在一优选实施例中，所述第一滑块和第二滑块在第一方向上前后分布，所述第三滑块和第四滑块也在第一方向上前后分布；

当所述第一滑块、第二滑块、第三滑块和第四滑块同步同向运动时，所述动平台沿第一方向平动；

当所述第一滑块和第二滑块同步背向运动，所述第三滑块和第四滑块同步相向运动时，所述动平台沿第二方向正向平动，反之，所述动平台沿第二方向反向平动；

当所述第一滑块和第二滑块同步相向或背向运动，同时所述第三滑块和第四滑块也同步相向或背向运动时，所述动平台沿第三方向平动；

当所述第一滑块和第二滑块同步同向运动，所述第三滑块和第四滑块同步朝反方向运动时，所述动平台绕第三方向所在的竖直轴旋转运动。

在一优选实施例中，所述动平台上连接有力传感器，使之具有力控功能。

与现有技术相比较，本发明的有益效果至少在于：

（1）本发明通过两条直线模组的四个线性输入运动实现了动平台的三自由度平动和绕竖直轴的转动，是真正意义上的四自由度并联机器人，其构型简单，结构对称，工作空间大，且所有运动副都是低副，加工精度易保证，适合用于高速、高精运动场合。

（2）本发明通过将支链中的平行四边形机构进行偏置设计，一方面，在保证结构紧凑的前提下，扩大了平行四边形机构的运动范围，使得机器人工作空间达到最大化；另一方面，改变了机构的奇异位置，使工作空间远离奇异点，提高了机器人的灵巧度。

（3）本发明双滑块直线模组可以共用导轨、磁钢、齿条等，结构紧凑，有利于降低成本。

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是本发明实施例的四自由度并联机器人的立体视图；

图2是本发明实施例的直线模组第一平面的主视图；

图3是本发明实施例的第一连接件处于最高极限位置视图；

图4是本发明实施例的第一连接件处于最低极限位置视图；

图5是本发明实施例的动平台处于X方向最极限位置立体视图；

图6是图5的侧视图；

图7是本发明实施例的动平台绕Z轴旋转一定角度的立体视图；

图8是图7的俯视图；

图9是同样尺寸下无偏置设计时第一连接件处于最低极限位置视图；

图10是同样尺寸下无偏置设计时动平台处于X方向最极限位置侧视图；

附图标记：

100、第一直线模组；200、第二直线模组；300、动平台；400、第一支链；500、第二支链；

10A、第一滑块；10B、第二滑块；20A、第三滑块；20B、第四滑块；11、连接块；12、第一连杆；13、第二连杆；14、第三连杆；15、第四连杆；16、第一连接件；17、第五连杆；18、第六连杆；19、第二连接件；10L、无偏置第一滑块；11L、无偏置第二滑块；16L、无偏置第一连接件；19L、无偏置第二连接件。

具体实施方式

通过应连同所附图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。

如图1~图8为本实施例所揭示的一种四自由度并联机器人，主要包括第一直线模组100、第二直线模组200、动平台300、第一运动支链400、第二运动支链500，通过第一直线模组100和第二直线模组200这两条直线模组的四个线性输入运动实现了动平台300的三自由度平动和绕竖直轴（即Z轴）转动的四自由度运动。

其中，第一直线模组100和第二直线模组200均为双滑块直线模组，每个滑块可独立驱动。具体地，本实施例中，第一直线模组100包括第一滑块10A和第二滑块10B，第一滑块10A和第二滑块10B在第一方向（即Y方向）上前后分布；第二直线模组200与第一直线模组100相平行，其具体包括第三滑块20A和第四滑块20B，第三滑块20A和第四滑块20B同样也在第一方向（即Y方向）上前后分布。第一滑块10A和第二滑块10B可相向、同向、背向运动；第三滑块20A和第四滑块20B也可相向、同向、背向运动。动平台300位于第一直线模组100和第二直线模组200之间，通过第一运动支链400和第一直线模组100的两个滑块旋转连接，通过第二运动支链500和第二直线模组200的两个滑块旋转连接，形成空间闭环结构。本实施例中，两个直线模组均采用的是齿轮齿条式，即是齿轮齿条模组，但是不局限于这种形式，也可以是直线电机模组、滚珠丝杆模组、同步带模组等形式。优选地，每个直线模组的两个滑块可共用直线导轨、齿条或磁钢等，结构紧凑，有利于降低成本。所述动平台上还可连接有力传感器（图中未示出），使之具有力控功能。

结合图1、图2和图6所示，第一运动支链400和第二运动支链500两者结构相同，主要包括位于第一平面（即YOZ平面）内的第一平行四边形机构、第二平行四边形机构、第一连接件16、位于第二平面（即XOZ平面）内的第三平行四边形机构和第二连接件19。其中，第一平行四边形机构包括两组等长连杆，分别是位于第一平面内的第一连杆12和第二连杆13，第一连杆12和第二连杆13平行设置，且第一连杆12和第二连杆13的两端均分别和第一连接件16、第一滑块10A旋转连接，构成四组旋转副，且与第一连接件16、第一滑块10A连接形成第一平行四边形机构；第二平行四边形机构也包括两组等长连杆，分别是位于第一平面内的第三连杆14和第四连杆15，第三连杆14和第四连杆15平行设置，且第三连杆14和第四连杆15的两端均分别和第一连接件16、第二滑块10B旋转连接，构成四组旋转副，且与第一连接件16、第二滑块10B连接形成第二平行四边形机构。第一连接件16沿Y方向延伸设置，由于平行四边形机构运动的特点，第一连接件16在第一平面内运动状态始终为平动，其在第一滑块10A，第二滑块10B的驱动下，可在第一平面（即YOZ平面）内做二维（即Y方向和Z方向）的平面运动，具有两个自由度。第三平行四边形机构也包括两组等长连杆，分别是位于第二平面内的第五连杆17和第六连杆18，第五连杆17和第六连杆18平行设置，且第五连杆17和第六连杆18的两端均分别和第一连接件16、第二连接件19旋转连接，构成四组旋转副，且与第一连接件16、第二连接件19连接形成第三平行四边形机构。第二连接件19沿竖直方向（即Z向）延伸设置，同理，由于平行四边形机构运动的特点，第二连接件19在第二平面（即XOZ平面）内运动状态始终为平动，且在第二平面内做二维（即X方向和Z方向）的平面运动，其中，X方向即为第二方向，Z方向即为第三方向。动平台300与两条运动支链中的第二连接件19分别旋转连接，构成两组旋转副。

优选地，为了提高刚度，每组连杆均为双连杆结构，当然也可以是两个以上的多连杆结构，如图2所示，每组连杆的多根连杆之间可以通过至少一个连接块11连接。

本发明通过两条直线模组的四个滑块相组合的线性输入运动，可以实现动平台300三个自由度的平动和绕Z轴转动的共四个自由度的运动。具体为：当第一滑块10A、第二滑块10B、第三滑块20A、第四滑块20B同步同向运动时，动平台300沿Y向平动；当第一滑块10A和第二滑块10B同步相向或背向运动，同时第三滑块20A和第四滑块20B也同步相向或背向运动时，动平台300沿Z向平动；当第一滑块10A和第二滑块10B同步背向运动，第三滑块20A和第四滑块20B同步相向运动时，动平台300沿X正向平动，反之，动平台300沿X反向平动；当第一滑块10A和第二滑块10B同步同向运动，第三滑块20A和第四滑块20B同步朝反方向运动时，动平台300则绕Z轴旋转运动。结合图7和图8所示，当第一运动支链400的第二平面Ⅱ和第二运动支链500的第二平面Ⅰ错位距离P时，动平台将绕Z轴旋转一定的角度θ，其换算关系为COSθ=P/M，其中M为动平台300上两旋转副的中心距。当其错位距离P等于动平台300两旋转副中心距M时，θ达到最大角度90°。

结合图2和图6所示，第一运动支链400和第二运动支链500的第一平行四边形机构、第二平行四边形机构、第三平行四边形机构均通过将旋转副设置偏置距离L，具体为：第一平行四边形机构、第二平行四边形机构的两端均在Z向偏置距离L，第三平行四边形机构的两端在X向偏置距离L。在保证结构紧凑的前提下，扩大了平行四边形机构的运动范围，使第一连接件16在第一平面（YOZ平面）内的运动范围达到最大化，进一步地，使动平台300在第二平面（XOZ平面）内的工作空间达到最大化。图3和图4分别为第一平行四边形机构和第二平行四边形机构进行偏置设计后，第一连接件16能达到的最高和最低极限位置；图9为同样尺寸情况下，平行四边形机构未进行偏置设计时，第一连接件16能达到的最低极限位置（最高极限位置不变）。从两者对比可知，未进行偏置设计时，由于平行四边形机构运动范围受限，导致第一连接件16运动空间受限；而进行偏置设计后，在不增加结构尺寸的情况下，使第一连接件16在第一平面（YOZ平面）内的工作空间达到最大化。

结合图5和图6所示，图5为当第二运动支链500中的第一连接件16处于最高位置时，动平台300在X方向能达到的极限位置立体图；图6中阴影部分为动平台300的中心点在第二平面（XOZ平面）内能到达到的运动空间，其中，运动空间的有效高度尺寸H和有效宽度尺寸W由支链中第一连接件16能达到的极限位置和第三平行四边形机构的运动范围综合决定。从图6中可知，由于第三平行四边形机构的偏置设计，动平台300在X方向的工作空间能覆盖第一直线模组100和第二直线模组200之间的全部范围。图10为同样尺寸下，第三平行四边形机构未进行偏置设计时，动平台300在X方向能达到的极限位置视图，阴影部分为其在第二平面（XOZ平面）内能到达到的运动空间。从两者对比可知，由于未偏置时，第三平行四边形机构运动范围受限，导致动平台300在X方向工作空间很小，不能满足实际需求。

另一方面，从机构的奇异性角度来看，结合图6和图10所示，当第三平行四边形机构的连杆和两旋转副在同一直线时，平行四边形机构发生奇异。图10中无偏置设计时，第三平行四边形机构动平台300的奇异位置在图中C点和D点处(即位于两直线模组之间)，此时，即使通过别的办法，比如增加第三平行四边形机构短边的尺寸或将第三平行四边形机构的连杆空间上错位等设计，能将工作空间增大，但是由于奇异位置在图中C点和D点处，距离工作空间近，导致机器人灵巧度降低。而图6中通过将第三平行四边形机构进行偏置设计，使动平台300的奇异位置外延至图中A点和B点处(位于两直线模组外侧)，在使动平台300工作空间达到最大化的同时，还能提高机器人的灵巧度。

综上，本发明所揭示的一种四自由度并联机器人，基于偏置平行四边形机构，通过四个滑块的线性输入运动，实现了动平台三个自由度的平动和绕Z轴转动的共四个自由度的运动。其构型简单，结构对称，且所有运动副都是低副，精度易保证，适合用于高速高精运动场合。进一步地，通过将运动支链中的平行四边形机构进行偏置设计，在保证结构紧凑的前提下，扩大了平行四边形机构的运动范围，使得机器人工作空间达到最大化；同时，还改变了机构的奇异位置，使机构奇异位置外延至工作空间外，提高了机器人的灵巧度。

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。

Claims (8)

1.一种四自由度并联机器人，其特征在于，所述并联机器人包括：

第一直线模组，包括第一滑块和第二滑块，所述第一滑块和第二滑块可相向、同向或背向运动；

第二直线模组，与所述第一直线模组平行，其包括第三滑块和第四滑块，所述第三滑块和第四滑块可相向、同向或背向运动；

动平台，位于所述第一直线模组和第二直线模组之间；

第一运动支链，所述第一运动支链的一端与所述动平台转动连接，另一端与第一直线模组的两个滑块转动连接；

第二运动支链，所述第二运动支链的一端与所述动平台转动连接，另一端与第二直线模组的两个滑块转动连接；

所述动平台通过第一滑块、第二滑块、第三滑块和第四滑块相组合的线性输入运动，进行动平台三自由度的平动和绕竖直轴旋转的四自由度运动；

所述第一运动支链和第二运动支链均包括：

第一连接件；

第一平行四边形机构，其一端与所述第一滑块旋转连接，另一端与所述第一连接件旋转连接；

第二平行四边形机构，与所述第一平行四边形机构位于第一平面内，且其一端与所述第二滑块旋转连接，另一端与所述第一连接件旋转连接；

第二连接件，与所述动平台旋转连接；

第三平行四边形机构，位于与所述第一平面相垂直的第二平面内，且其一端与所述第一连接件旋转连接，另一端与所述第二连接件旋转连接；

所述第一平行四边形机构包括：

第一连杆；

第二连杆，与所述第一连杆平行，且所述第一连杆和第二连杆的两端均分别与所述第一滑块和第一连接件相连接，构成所述第一平行四边形机构；

所述第二平行四边形机构包括：

第三连杆；

第四连杆，与所述第三连杆平行，且所述第三连杆和第四连杆的两端均分别与所述第二滑块和第一连接件相连接，构成所述第二平行四边形机构；

所述第三平行四边形机构包括：

第五连杆；

第六连杆，与所述第五连杆平行，且所述第五连杆和第六连杆的两端均分别与所述第一连接件和第二连接件相连接，构成所述第三平行四边形机构；

所述第一连杆的两端分别与第二连杆对应的两端相偏置设置；

所述第三连杆的两端分别与第四连杆对应的两端相偏置设置；

所述第五连杆的两端分别与第六连杆对应的两端相偏置设置。

2.根据权利要求1所述的四自由度并联机器人，其特征在于，所述第一直线模组和第二直线模组采用直线电机模组、齿轮齿条模组、滚珠丝杆模组或同步带模组。

3.根据权利要求2所述的四自由度并联机器人，其特征在于，所述第一直线模组的两个滑块共用导轨、齿条或磁钢，所述第二直线模组的两个滑块共用直线导轨、齿条或磁钢。

4.根据权利要求1所述的四自由度并联机器人，其特征在于，

所述第一连杆的两端在第一平面内分别与第二连杆对应的两端在第一方向和与第一方向相垂直的第二方向上均相偏置设置；

所述第三连杆的两端在第一平面内分别与第四连杆对应的两端在第一方向和与第一方向相垂直的第二方向上均相偏置设置；

所述第五连杆的两端在第二平面内分别与第六连杆对应的两端在第三方向和与第三方向相垂直的第二方向上均相偏置设置。

5.根据权利要求1所述的四自由度并联机器人，其特征在于，所有连杆均采用至少两根相平行的杆组成，且两根杆之间通过至少一连接块相连接，形成框架式结构。

6.根据权利要求1所述的四自由度并联机器人，其特征在于，所有连杆均采用空心铝管或空心碳纤维管。

7.根据权利要求1所述的四自由度并联机器人，其特征在于，

所述第一滑块和第二滑块在第一方向上前后分布，所述第三滑块和第四滑块也在第一方向上前后分布；

当所述第一滑块、第二滑块、第三滑块和第四滑块同步同向运动时，所述动平台沿第一方向平动；

当所述第一滑块和第二滑块同步背向运动，所述第三滑块和第四滑块同步相向运动时，所述动平台沿第二方向正向平动，反之，所述动平台沿第二方向反向平动；

当所述第一滑块和第二滑块同步相向或背向运动，同时所述第三滑块和第四滑块也同步相向或背向运动时，所述动平台沿第三方向平动；

当所述第一滑块和第二滑块同步同向运动，所述第三滑块和第四滑块同步朝反方向运动时，所述动平台绕第三方向所在的竖直轴旋转运动。

8.根据权利要求1所述的四自由度并联机器人，其特征在于，所述动平台上还连接有力传感器。

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