CN113561162A - 一种五自由度混联加工机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种五自由度混联加工机器人，包括三自由度串联机构和两自由度并联机构，所述串联机构包括依次连接的基座、转台、大臂和小臂，所述转台通过第一驱动件装配在基座上，所述大臂一端通过第二驱动件装配在转台上，另一端通过第三驱动件与所述小臂相连，所述并联机构安装于所述小臂的输出端，所述并联机构与小臂之间构成两个相互垂直的旋转自由度。本发明的机器人兼顾灵活性与成本，具有结构紧凑、易于装配、可靠性高、工作空间大、高精度、高刚性、高负载、位置求解简单等优点，适于完成大型复杂零件机加工等作业任务。

Description

一种五自由度混联加工机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其是指一种五自由度混联加工机器人。

背景技术

工业机器人是广泛用于工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，具有一定的自动性，可依靠自身的动力能源和控制能力实现各种工业加工制造功能。工业机器人被广泛应用于电子、物流、化工等各个工业生产领域之中，极大地提高了生产效率和人们生活的便捷性。其中，由于机器人的易用性，其在机加工领域的比重越来越高，相比于传统机床加工，机器人加工灵活性更高，能够适应各种复杂巨大的零部件的机械加工要求，此外，加工机器人工作时间长，更适合工业生产。

根据机器人构型的不同，现有机器人主要可以分为两类：串联机器人与并联机器人。六自由度机器人属于低速、重载、大跨度的典型串联型机器人，主要应用于自动装配、喷漆、搬运、焊接等工作。具有高的自由度，但其末端存在累加误差，所以误差大、精度低，很难满足机加工的高质要求，但是串联机器人在位置求解上存在正解容易的优点。Delta机器人属于高速、轻载、小跨度的典型并联机器人，主要应用于食品、药品和电子产品等行业。Delta机器人具有刚度大、重量轻、体积小、结构稳定的特点，因为并联机器人不存在末端累加误差，机器人运动学逆解较易，因此其还存在运动速度快、定位精确、效率高的特点，但其在工作空间受到限制以及需要较大的工作范围及很高的灵活性时就力不从心。

现有的机器人行业应用中，单一类型机器人或独立机器人已经越来越难以满足功能多样化的需求了，尤其是当在一个工位上需要进行多种作业时，独立机器人工作的效率就会比较低。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中独立机器人工作效率低的缺陷，提供一种灵活性高、定位准确、高效作业的五自由度混联加工机器人。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种五自由度混联加工机器人，包括三自由度串联机构和两自由度并联机构，所述串联机构包括依次连接的基座、转台、大臂和小臂，所述转台通过第一驱动件装配在基座上，所述大臂一端通过第二驱动件装配在转台上，另一端通过第三驱动件与所述小臂相连，所述并联机构安装于所述小臂的输出端，所述并联机构与小臂之间构成两个相互垂直的旋转自由度。

在本发明的一个实施例中，所述并联机构包括与所述小臂的输出端固定的第四驱动件和第五驱动件以及对应所述小臂轴心设置的末端执行件，所述第四驱动件通过第一腕部连杆连接所述末端执行件两侧，所述第一腕部连杆与所述末端执行件转动连接，所述末端执行件另外两侧转动连接第三腕部连杆，所述第五驱动件连接第二腕部连杆，所述第二腕部连杆通过连杆铰接轴连接所述第三腕部连杆。

在本发明的一个实施例中，所述小臂的输出端为对称四臂设计，所述第一腕部连杆和第二腕部连杆的两端分别与相对的两臂转动连接。

在本发明的一个实施例中，所述末端执行件包括输出安装件，所述输出安装件的一端设置有电主轴，所述输出安装件的另一端安装有质心配重件。

在本发明的一个实施例中，所述第一腕部连杆周向设置有若干线缆安装约束件。

在本发明的一个实施例中，所述第一驱动件的转轴与所述第二驱动件的转轴正交，所述第二驱动件和第三驱动件的转轴与所述第四驱动件的转轴平行，所述第五驱动件的转轴正交于所述第三驱动件的转轴。

在本发明的一个实施例中，所述第四驱动件和第五驱动件为驱动一体谐波减速模组。

在本发明的一个实施例中，所述第一驱动件、第二驱动件和第三驱动件均为驱动一体谐波减速模组，所述驱动一体谐波减速模组分别通过输入端转接件和输出端转接件连接相邻两轴臂。

在本发明的一个实施例中，所述第二驱动件和第三驱动件均设置于所述大臂内，所述转台的输出端和小臂的输入端均设计为对称双臂结构，所述第二驱动件和第三驱动件与所述转台和小臂的对称双臂的一侧相连，所述转台和小臂的另一侧通过辅助支撑转轴与所述大臂对应的另一侧相连。

在本发明的一个实施例中，所述基座上设置有限制所述转台转动角度的机械限位件，所述机械限位件为聚四氟乙烯。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明所述的机器人兼顾灵活性与成本，具有结构紧凑、易于装配、可靠性高、工作空间大、高精度、高刚性、高负载、位置求解简单等优点，适于完成大型复杂零件机加工等作业任务。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明整体结构式示意图；

图2是本发明的并联机构示意图；

图3是本发明小臂结构示意图；

图4是本发明并联机构侧视剖视图；

图5是本发明并联机构俯视剖视图；

图6是本发明串联机构侧视剖视图；

图7是本发明串联机构俯视剖视图；

图8是本发明转台结构示意图。

说明书附图标记说明：100、串联机构；110、基座；111、第一驱动件；112、输入端转接件；113、输出端转接件；120、转台；130、大臂；131、第二驱动件；132、第三驱动件；133、辅助支撑转轴；140、小臂；

200、并联机构；210、第四驱动件；211、第一腕部连杆；212、连杆转轴；220、第五驱动件；221、第二腕部连杆；222、第三腕部连杆；223、连杆铰接轴；230、末端执行件；231、输出安装件；232、电主轴；233、质心配重件；240、线缆安装约束件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

参照图1所示，为本发明的一种五自由度混联加工机器人整体结构示意图。本发明的混联加工机器人包括三自由度串联机构100和两自由度并联机构200，所述串联机构100包括依次连接的基座110、转台120、大臂130和小臂140，所述转台120通过第一驱动件111装配在基座110上，所述大臂130一端通过第二驱动件131装配在转台120上，另一端通过第三驱动件132与所述小臂140相连，所述并联机构200安装于所述小臂140的输出端，所述并联机构200与小臂140之间构成两个相互垂直的旋转自由度。

机器人中，前三轴控制机器人的大范围移动，后两轴控制机器人的精确动作，因此本实施例中采用将基座110固定于地面或其他平台上，转台120与基座110之间、大臂130与转台120之间、小臂140与大臂130之间分别有一个旋转自由，即前三轴串联的形式，后两轴为与小臂140之间构成两个相互垂直的旋转自由度的并联形式实现机器人的五自由度运动。此种机械结构中，前三轴的串联方式使得机器人灵活性高、工作空间大，后两轴的并联方式使得机器人位置求解简单且精度高，适用于大型复杂零件机加工等作业任务，成本低。

具体的，参照图2所示，为实现后两轴的并联，本实施例中所述并联机构200包括与所述小臂140的输出端固定的第四驱动件210和第五驱动件220以及对应所述小臂140轴心设置的末端执行件230，所述第四驱动件210通过第一腕部连杆211连接所述末端执行件230两侧，所述第一腕部连杆211与所述末端执行件230转动连接，所述末端执行件230另外两侧转动连接第三腕部连杆222，所述第五驱动件220连接第二腕部连杆221，所述第二腕部连杆221通过连杆铰接轴223连接所述第三腕部连杆222。从而第四驱动件210能够通过第一腕部连杆211驱动末端执行件230沿其转轴转动；第五驱动件220能够通过第二腕部连杆221和第三腕部连杆222驱动末端执行件230沿其转轴转动，实现末端执行件230在两个相互垂直的自由度上的并联旋转。本实施例中，为了提高机器人结构的紧凑性，第四驱动件210和第五驱动件220均采用驱动一体谐波减速模组，驱动一体谐波减速模组体积小，负载高，易于装配，可靠性高。与第一腕部连杆211相连时，小臂140上装配有第四输入端转接件112，第四驱动件210的输入端与第四输入端转接件112相连，第一腕部连杆211端部装配有第四输出端转接件113，第四驱动件210的输出端与第四输出转接件相连；与第二腕部连杆221相连时，小臂140上装配有第五输入端转接件112，第五驱动件220的输入端与第五输入端转接件112相连，第二腕部连杆221端部装配有第五输出端转接件113，第五驱动件220的输出端与第五输出转接件相连。实现小臂140、第四驱动件210、第一腕部连杆211、第二腕部连杆221和第五驱动件220的并联方式连接，形成两自由度并联机构200。

参照图3、图4和图5所示，为提高机器人刚度，保证末端执行件230在工作时的稳定，本实施例中，所述小臂140的输出端为对称四臂设计，所述第一腕部连杆211和第二腕部连杆221的两端分别与相对的两臂转动连接。即臂一与第四驱动件210的输出端相连，与臂一相对的臂三与第一腕部连杆211另一端通过连杆转轴212和轴承相连；与臂一相邻的臂二与第五驱动件220的输出端相连，与臂二相对的臂四与第二腕部连杆221的另一端通过连杆转轴212和轴承相连。此时，第一腕部连杆211和第二腕部连杆221的两端均存在支撑连接，因此能够保证与第一腕部连杆211、第二腕部连杆221相连的末端执行件230的稳定。

参照图6所示，为提高机器人的灵活性，所述末端执行件230包括输出安装件231，所述输出安装件231的一端设置有电主轴232，电主轴232自带一个旋转轴，为机器人另外提供了一个旋转自由度。由于电主轴232具有一定的重量，若电主轴232的质心与并联机构200的旋转中心不重合，则并联机构200旋转时受力不均匀，一方面影响电主轴232工作的精度，另一方面对并联机构200的转轴造成磨损，影响使用寿命。故本实施例中在所述输出安装件231的另一端安装有质心配重件233。进一步的，为防止连接线缆影响机器人的工作，本实施例中还在所述第一腕部连杆211周向设置有若干线缆安装约束件240，以固定线缆，保证机器人末端的清爽。

参照图1所示，本实施例中为获得大的活动范围，所述第一驱动件111的转轴与所述第二驱动件131的转轴正交，所述第二驱动件131和第三驱动件132的转轴与所述第四驱动件210的转轴平行。即第一驱动件111驱动转台120相对基座110转动，第二驱动件131驱动大臂130相对于转台120旋转，即第一驱动件111驱动转台120相对基座110转动，第二驱动件131驱动大臂130相对于转台120旋转，第三驱动件132驱动小臂140相对于大臂130旋转，第四驱动件210驱动末端执行件230相对小臂140旋转。所述第五驱动件220的转轴正交于所述第三驱动件132的转轴。即第五驱动件220驱动末端执行件230相对于小臂140旋转。各个关节的驱动件共同作用从而驱动机器人末端按预定的规划轨迹运动完成相应的机械加工作业任务。

参照图6所示，为提高机器人结构的紧凑性，提高机器人负载，所述第一驱动件111、第二驱动件131和第三驱动件132均为驱动一体谐波减速模组，所述驱动一体谐波减速模组分别通过输入端转接件112和输出端转接件113连接相邻两轴臂。本实施例中，第一驱动件111对应的第一输出端转接件113设置于基座110内，第一输入端转接件112与转台120安装，第一驱动件111的输出端和输入端分别连接第一输出端转接件113和第一输入端转接件112，第一驱动件111启动，驱动其输入端相对输出端转动，带动转台120相对基座110转动，实现一个自由度的运动。在旋转过程中，通过基座110上的机械限位件来控制第一驱动件111的运动范围为±175°，其中，机械限位件材质为聚四氟乙烯，能够防止谐波减速器等对密封要求比较高的零部件密封疲劳失效，较大程度地降低碰撞时所造成的机械损伤，提高机械限位件的寿命。第二驱动件131对应的第二输出端转接件113设置于转台120上，第二输入端转接件112与大臂130安装，第二驱动件131的输出端和输入端分别连接第二输出端转接件113和第二输入端转接件112，第二驱动件131启动，驱动其输入端相对输出端转动，带动大臂130相对转台120转动，实现第二个自由度的运动。第三驱动件132对应的第三输出端转接件113设置于小臂140上，第三输入端转接件112与大臂130安装，第三驱动件132的输出端和输入端分别连接第三输出端转接件113和第三输入端转接件112，第三驱动件132启动，驱动其输入端相对输出端转动，带动小臂140相对大臂130转动，实现第三个自由度的运动。

参照图7、图8和图3所示，为减小机器人的惯性，本实施例中设置所述第二驱动件131和第三驱动件132均设置于所述大臂130内，此时第一驱动件111、第二驱动件131和第三驱动件132均位于机器人的下部，使得机器人的重心较低，惯性小，利于设备的安全运行。同时由于驱动一体谐波减速模组的输入端和输出端位于同一侧，工作时各轴臂转动的扭矩集中于驱动一体谐波减速器上，为提高相应关节的刚度，与所述大臂130相连的所述转台120的输出端和小臂140的输入端均设计为对称双臂结构，所述第二驱动件131和第三驱动件132与所述转台120和小臂140的对称双臂的一侧相连，所述转台120和小臂140的另一侧通过辅助支撑转轴133与所述大臂130对应的另一侧相连。转台120双臂结构中的臂一与第二驱动件131和大臂130一侧相连，转台120双臂结构中的臂二通过辅助支撑转轴133和轴承连接大臂130另一侧。小臂140双臂结构中的臂一与第三驱动件132和大臂130一侧相连，小臂140双臂结构中的臂二通过辅助支撑转轴133和轴承连接大臂130另一侧。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种五自由度混联加工机器人，其特征在于：包括三自由度串联机构和两自由度并联机构，所述串联机构包括依次连接的基座、转台、大臂和小臂，所述转台通过第一驱动件装配在基座上，所述大臂一端通过第二驱动件装配在转台上，另一端通过第三驱动件与所述小臂相连，所述并联机构安装于所述小臂的输出端，所述并联机构与小臂之间构成两个相互垂直的旋转自由度。

2.根据权利要求1所述的一种五自由度混联加工机器人，其特征在于：所述并联机构包括与所述小臂的输出端固定的第四驱动件和第五驱动件以及对应所述小臂轴心设置的末端执行件，所述第四驱动件通过第一腕部连杆连接所述末端执行件两侧，所述第一腕部连杆与所述末端执行件转动连接，所述末端执行件另外两侧转动连接第三腕部连杆，所述第五驱动件连接第二腕部连杆，所述第二腕部连杆通过连杆铰接轴连接所述第三腕部连杆。

3.根据权利要求2所述的一种五自由度混联加工机器人，其特征在于：所述小臂的输出端为对称四臂设计，所述第一腕部连杆和第二腕部连杆的两端分别与相对的两臂转动连接。

4.根据权利要求2所述的一种五自由度混联加工机器人，其特征在于：所述末端执行件包括输出安装件，所述输出安装件的一端设置有电主轴，所述输出安装件的另一端安装有质心配重件。

5.根据权利要求2所述的一种五自由度混联加工机器人，其特征在于：所述第一腕部连杆周向设置有若干线缆安装约束件。

6.根据权利要求2所述的一种五自由度混联加工机器人，其特征在于：所述第一驱动件的转轴与所述第二驱动件的转轴正交，所述第二驱动件和第三驱动件的转轴与所述第四驱动件的转轴平行，所述第五驱动件的转轴正交于所述第三驱动件的转轴。

7.根据权利要求2所述的一种五自由度混联加工机器人，其特征在于：所述第四驱动件和第五驱动件为驱动一体谐波减速模组。

8.根据权利要求1所述的一种五自由度混联加工机器人，其特征在于：所述第一驱动件、第二驱动件和第三驱动件均为驱动一体谐波减速模组，所述驱动一体谐波减速模组分别通过输入端转接件和输出端转接件连接相邻两轴臂。

9.根据权利要求7所述的一种五自由度混联加工机器人，其特征在于：所述第二驱动件和第三驱动件均设置于所述大臂内，所述转台的输出端和小臂的输入端均设计为对称双臂结构，所述第二驱动件和第三驱动件与所述转台和小臂的对称双臂的一侧相连，所述转台和小臂的另一侧通过辅助支撑转轴与所述大臂对应的另一侧相连。

10.根据权利要求1所述的一种五自由度混联加工机器人，其特征在于：所述基座上设置有限制所述转台转动角度的机械限位件，所述机械限位件为聚四氟乙烯。

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