CN113664812A - 一种新型前驱式的模块化混联机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于重载加工领域，公开了一种新型前驱式的模块化混联机器人，包括加工并联机构和辅助伸缩筒，加工并联机构由加工静平台、加工动平台、二条平面旋移运动链以及一条空间旋移运动链构成，辅助伸缩筒形成第一移动副，移动组件包括移动滑块，将平面旋移运动链上的移动滑块形成的移动副作为第二移动副，第二移动副的导路与第一移动副的导路共面设置，移动滑块通过旋转框与加工静平台形成旋转轴垂直的第一铰接副和第二铰接副，辅助伸缩筒与加工静平台形成旋转轴垂直的第三铰接副和第四铰接副，平面旋移运动链的一端与加工动平台铰接，空间旋移运动链的一端与加工动平台球副连接，平面旋移运动链与辅助伸缩筒始终在同一平面运动。

Description

一种新型前驱式的模块化混联机器人

技术领域

本发明属于重载加工领域，具体涉及一种新型前驱式的模块化混联机器人。

背景技术

五自由度混联机器人融合了串联机器人和并联机器人的特点，具有精度高、工作空间大、承载能力强、响应速度快等优点，为大型复杂结构件的高精度加工制造提供了有效解决方案，目前已在航空航天和轨道交通的高精度钻铣加工、空间厚板搅拌摩擦焊和高精度装配等领域得到成功应用。

目前，混联机器人的驱动方式有两种：(1)将驱动电机布置于支链靠近定平台的一端(后置驱动)如Exchon、Trimule等新型前驱式的模块化混联机器人；(2)将驱动电机布置于支链靠近动平台的一端(前置驱动)。后置驱动的布置方式会使得支链的受力情况与悬臂梁相同，支链的受力方式不佳，导致新型前驱式的模块化混联机器人的精度变低。前置驱动的布置方式会将驱动电机的重量作为整机的负载，避免产生悬臂对机器人精度的影响。

专利CN102672709所公开的一种五自由度混联机器人，包括固定架、动平台、定位头以及三个结构相同可沿轴向移动的主动调节装置，所述主动支链的一端通过转动副与固定架连接，另一端通过转动副与动平台连接，伺服电机设置在连接臂上靠近固定架的一端。该机构的驱动位置选择为后驱，对整个新型前驱式的模块化混联机器人的精度存在较大的影响。

专利CN1439492公开了一种四自由度混联机器人，该机构是由具有两自由度的并联机构和与其串联的二自由度转头组成。然而该机构的并联部分仅能实现平面运动，需要串接平动或转动自由度的机构后，方能形成空间的运动。

专利CN101049692所公开的带定位头的五自由度混联机器人，包括固定架、动平台、定位头以及在固定架和动平台之间的三个可沿纵向移动的支链。每个支链的一端通过球铰连接于固定架上，另一端以转动副连接动平台，其不足是，设计困难且所需球铰的尺寸很大，并且难于装配。

综上，现有的混联机器人不能同时兼具高精度、高刚度以及便于进行实时控制的特性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种五自由度的新型前驱式的模块化混联机器人，同时具有精度高、刚度高、抗扭性能强、运动学正逆解具有解析解、便于实时控制的特点。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案为：

一种新型前驱式的模块化混联机器人，安装在外部的加工支架上，其特征在于，包括：加工并联机构，由加工静平台、加工动平台、二条平面旋移运动链以及一条空间旋移运动链构成；辅助伸缩筒，一端通过虎克铰与加工静平台铰接，另一端固设在加工动平台上，从而形成第一移动副，用于使加工静平台与加工动平台相向或相背运动；以及加工摆头，为设置在加工动平台上的AC摆头，其中，平面旋移运动链和空间旋移运动链均包括旋移臂和设置旋移臂上的移动组件以及旋转框，旋移臂在长度方向上穿设在加工静平台上，移动组件包括用于沿旋移臂的长度方向移动的移动滑块，将平面旋移运动链上的移动滑块形成的移动副作为第二移动副，第二移动副的导路与第一移动副的导路共面设置，移动滑块铰接在旋转框上，旋转框铰接在加工静平台上，从而移动滑块通过旋转框与加工静平台形成旋转轴垂直的第一铰接副和第二铰接副，辅助伸缩筒与加工静平台形成旋转轴垂直的第三铰接副和第四铰接副，所有第一铰接副与第三铰接副的旋转轴均相互平行，所有第二铰接副与第四铰接副的旋转轴均相互平行，平面旋移运动链的一端与加工动平台铰接，空间旋移运动链的一端与加工动平台球副连接。

优选地，加工动平台为平面板或楔形板，安装有加工摆头的加工动平台的端面与辅助伸缩筒的夹角范围在90°-120°。

优选地，移动组件还包括驱动电机和驱动丝杠，驱动电机设置在旋移臂上，且驱动电机位于加工动平台的近旁，驱动丝杠设置在驱动电机的输出端且驱动丝杠沿旋移臂的长度方向设置，移动滑块可移动地设置在驱动丝杠上。

进一步地，旋移臂上还具有2个相互平行的移动导轨，移动导轨沿旋移臂的长度方向延伸，移动滑块的表面具有两个分别与移动导轨对应配合的移动通槽。

优选地，所有第二铰接副的旋转轴等距设置。

进一步地，加工静平台上具有呈“品”分布的三个旋转框安装通孔，旋转框对应设置在旋转框安装通孔内。

优选地，平面旋移运动链的旋移臂的一端与加工动平台铰接，空间旋移运动链还包括球副连接件，球副连接件包括第一构件和第二构件，第一构件与空间旋移运动链的旋移臂的一端铰接连接，第二构件与第一构件、加工动平台均铰接连接。

优选地，辅助伸缩筒包括嵌套设置的外筒和内筒，内筒的外表面具有沿自身长度方向延伸的伸缩滑轨，外筒的内表面具有与伸缩滑轨对应配合的伸缩滑槽。

优选地，加工静平台具有朝向加工动平台的第一平台端面、与第一平台端面相对的第二平台端面以及多个平台侧面，第二平台端面与至少一个平台侧面被作为安装基准面。

进一步地，加工支架为C型架、L型架和龙门架中的任意一种。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.因为本发明的新型前驱式的模块化混联机器人的辅助伸缩筒形成第一移动副，移动组件包括用于沿旋移臂的长度方向移动的移动滑块，将平面旋移运动链上的移动滑块形成的移动副作为第二移动副，第二移动副的导路与第一移动副的导路共面设置，移动滑块通过旋转框与加工静平台形成旋转轴垂直的第一铰接副和第二铰接副，辅助伸缩筒与加工静平台形成旋转轴垂直的第三铰接副和第四铰接副，平面旋移运动链的一端与加工动平台铰接，空间旋移运动链的一端与加工动平台球副连接，平面旋移运动链与辅助伸缩筒始终在同一平面运动，使得本发明的机构的运动学正逆解具有解析解，且简单的构件构成适于将机构模块化，因此，本发明便于实时控制，且能够通过模块化设计大大提高在不同加工环境下的适用性，从而提供机构精度。

2.因为本发明的加工动平台为平面板或楔形板，安装有加工摆头的加工动平台的端面与辅助伸缩筒的夹角范围在90°-120°，因此，本发明的辅助伸缩筒与加工动平台之间的初始夹角能够通过更换不同的作为加工动平台的板体进行调节，从而能够大大提供本发明的刚度性能。

3.因为本发明的移动组件还包括驱动电机和驱动丝杠，驱动电机设置在旋移臂上，且驱动电机位于加工动平台的近旁，驱动丝杠设置在驱动电机的输出端且驱动丝杠沿旋移臂的长度方向设置，移动滑块可移动地设置在驱动丝杠上，因此，本发明采用前驱式的驱动方式，从而具有很高的机构运行精度。

4.因为本发明的旋移臂上还具有2个相互平行的移动导轨，移动导轨沿旋移臂的长度方向延伸，移动滑块的表面具有两个分别与移动导轨对应配合的移动通槽，因此，平行的移动导轨使得本发明的机构抗扭性能大大提高，从而本发明具有很强的抗干扰能力，进而能够更一进步地提高机构运行的稳定性。

5.因为本发明的加工静平台具有朝向加工动平台的第一平台端面、与第一平台端面相对的第二平台端面以及多个平台侧面，第二平台端面与至少一个平台侧面被作为安装基准面，因此，本发明能够便利地安装在多种加工支架上，配合模块化设计，能够更进一步地提高加工的效率。

附图说明

图1为本发明的实施例的新型前驱式的模块化混联机器人的示意图；

图2为本发明的实施例的加工静平台的示意图；

图3为本发明的实施例的新型前驱式的模块化混联机器人配合C型架的实施图；

图4为本发明的实施例的新型前驱式的模块化混联机器人配合龙门架的实施图；

图5为本发明的实施例的呈楔形板的加工动平台与辅助伸缩筒的配合示意图；

图6为本发明的实施例的平面旋移运动链的示意图；

图7为本发明的实施例的空间旋移运动链的示意图；以及

图8为本发明的实施例的辅助伸缩筒的示意图。

图中：100、新型前驱式的模块化混联机器人，L、L型架，C、C型架，D、龙门架10、加工并联机构，11、加工静平台，11a、第一平台端面，11b、平台侧面，111、旋转框安装通孔，112、虎克铰安装通孔，12、加工动平台，13、平面旋移运动链，131、旋移臂，131a、铰接部，1311、移动导轨，132、移动组件，1321、驱动电机，1322、驱动丝杠，1323、移动滑块，133、旋转框，1331、铰接外凸杆，A1、第一预定方向，A2、第二预定方向，14、空间旋移运动链，141、球副连接件，1411、第一构件，1412、第二构件，20、辅助伸缩筒，21、外筒，22、内筒，221、伸缩滑轨，30、加工摆头。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的一种新型前驱式的模块化混联机器人作具体阐述，需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。

如图1-4所示，本实施例中的新型前驱式的模块化混联机器人100，安装在外部的加工支架上。

新型前驱式的模块化混联机器人100包括加工并联结构10、辅助伸缩筒20以及加工摆头30。

加工并联机构10由加工静平台11、加工动平台12、二条平面旋移运动链13以及一条空间旋移运动链14构成。

如图2所示，加工静平台11呈板状，具有相对的第一平台端面11a和第二平台端面(附图中未标出)、多个平台侧面11b、旋转框安装通孔111以及虎克铰安装通孔112。

第一平台端面11a朝向加工动平台12，第二平台端面与至少一个平台侧面11b被作为安装基准面，从而加工静平台11能够适用安装的加工支架为C型架、L型架和龙门架中的任意一种，即如图1、图3以及图4所示。

旋转框安装通孔111和虎克铰安装通孔112为完全通孔或者不完全通孔，旋转框安装通孔111的数量为三个且呈“品”分布，虎克铰安装通孔112位于两个旋转框安装通孔111的中部，在第一平台端面11a的虎克铰安装通孔112的孔心与旋转框安装通孔111的孔心分别位于同个等腰三角形的三个角点及底边的中点，在本实施例中，旋转框安装通孔111和虎克铰安装通孔112均为方孔，两个旋转框安装通孔111及虎克铰安装通孔112均为通孔设置，并且该两个旋转框安装通孔111及虎克铰安装通孔112在第一平台端面11a上的孔心对应同个等腰三角形的两个底角点及底边的中点。

如图1和图5所示，加工动平台12为平面板或楔形板，通过更换不同的加工动平台12能够改变加工动平台12对应加工摆头30的端面与第一平台端面11a间的初始夹角，即改变机器人的初始位置，从而适配多种加工环境。

平面旋移运动链13的一端与加工动平台12铰接，空间旋移运动链14的一端与加工动平台12球副连接。

如图6和图7所示，平面旋移运动链13和空间旋移运动链14均包括旋移臂131、移动组件132以及旋转框133；空间旋移运动链14还包括球副连接件141。

平面旋移运动链13的旋移臂131的一端与加工动平台12铰接，在本实施例中，旋移臂131具有铰接部131a，对应平面旋移运动链13，旋移臂131通过铰接部131a铰接在加工动平台12上；对应空间旋移运动链14，旋移臂131通过铰接部131a铰接在球副连接件141上，从而通过球副连接件141与加工动平台12球副连接。

旋移臂131为矩形板，在长度方向上穿设在加工静平台11上，旋移臂131的同个表面上具有2个相互平行的移动导轨1311，移动导轨1311沿旋移臂131的长度方向延伸，在本实施例中，两个移动导轨1311分别位于旋移臂131的两侧边缘。

移动组件132设置旋移臂131上，移动组件132包括驱动电机1321、驱动丝杠1322以及移动滑块1323。

驱动电机1321设置在旋移臂131上，且驱动电机1321位于加工动平台12的近旁，驱动丝杠1322设置在驱动电机1321的输出端且驱动丝杠1322沿旋移臂131的长度方向设置，移动滑块1323可移动地设置在驱动丝杠1322上，从而当驱动电机1321转动时，驱动丝杠1322能够带动移动滑块1323沿旋移臂131的长度方向移动，并且移动滑块1323的表面具有两个分别与移动导轨1311对应配合的移动通槽(附图中未标出)，将平面旋移运动链13上的移动滑块1323形成的移动副作为第二移动副，在本实施例中，驱动电机1323位于铰接部131a的近旁。

旋转框133对应设置在旋转框安装通孔111内，并铰接在加工静平台11上，移动滑块1323铰接在旋转框133上，从而移动滑块1323通过旋转框133与加工静平台11形成旋转轴垂直的第一铰接副和第二铰接副，第一铰接副的旋转轴线与第二预定方向A2平行，第二铰接副的旋转轴线与第一预定方向A1平行，具体地，所有第二铰接副的旋转轴等距设置，在本实施例中，旋转框133为配合嵌入设置在旋转框安装通孔111内的方框，旋移臂131通过穿过旋转框133穿过加工静平台11，旋转框133的外表面具有铰接外凸杆1331、内表面具有铰接内凸杆(附图中未标出)，对应平面旋移运动链13，铰接外凸杆1331与运动静平台铰接形成第二铰接副，铰接内凸杆与移动滑块1323铰接形成第一铰接副；对应空间旋移运动链14，铰接外凸杆1331与运动静平台铰接形成第一铰接副，铰接内凸杆与移动滑块1323铰接形成第二铰接副。

球副连接件14包括第一构件1411和第二构件1412。

第一构件1411与空间旋移运动链14的旋移臂131的一端铰接连接，第二构件1412与第一构件1411、加工动平台12均铰接连接，在本实施例中，第一构件1411呈“U”形并与铰接部131a铰接，第二构件1412嵌入并铰接于第一构件1411的凹入部分，并且第二构件1412具有与加工动平台12铰接的铰接凸杆，球副连接件14与相关部件形成的三个旋转副的旋转轴互相正交。

辅助伸缩筒20的一端通过虎克铰(附图中未标出)与加工静平台11铰接，另一端固设在加工动平台12上，从而形成第一移动副，并且第二移动副的导路与第一移动副的导路共面设置，通过第一移动副，加工静平台11与加工动平台12相向或相背运动，具体地，辅助伸缩筒20包括嵌套设置的外筒21和内筒22，内筒22的外表面具有沿自身长度方向延伸的伸缩滑轨221，外筒21的内表面具有与伸缩滑轨221对应配合的伸缩滑槽(附图中未标出)，在本实施例中，外筒21的端部通过虎克铰与加工静平台11铰接，内筒22的端部与加工动平台12固接。

辅助伸缩筒20与加工静平台11形成旋转轴垂直的第三铰接副和第四铰接副，所有第一铰接副与第三铰接副的旋转轴均相互平行，所有第二铰接副与第四铰接副的旋转轴均相互平行，即第四铰接副的旋转轴始终与第一预定方向A1平行。

加工摆头30为设置在加工动平台12上的AC摆头，安装有加工摆头的加工动平台的端面与辅助伸缩筒的夹角范围在90°-120°，在本实施例中，加工摆头30为具有两个自由度的串联转头接头的AC摆头。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围，本领域普通技术人员在所附权利要求范围内不需要创造性劳动就能做出的各种变形或修改仍属本专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种新型前驱式的模块化混联机器人，安装在外部的加工支架上，其特征在于，包括：

加工并联机构，由加工静平台、加工动平台、二条平面旋移运动链以及一条空间旋移运动链构成；

辅助伸缩筒，一端通过虎克铰与所述加工静平台铰接，另一端固设在所述加工动平台上，从而形成第一移动副，用于使所述加工静平台与所述加工动平台相向或相背运动；以及

加工摆头，为设置在所述加工动平台上的AC摆头，

其中，所述平面旋移运动链和所述空间旋移运动链均包括旋移臂和设置该旋移臂上的移动组件以及旋转框，所述旋移臂在长度方向上穿设在所述加工静平台上，

所述移动组件包括用于沿所述旋移臂的长度方向移动的移动滑块，将所述平面旋移运动链上的移动滑块形成的移动副作为第二移动副，该第二移动副的导路与所述第一移动副的导路共面设置，

所述移动滑块铰接在所述旋转框上，该旋转框铰接在所述加工静平台上，从而所述移动滑块通过所述旋转框与所述加工静平台形成旋转轴垂直的第一铰接副和第二铰接副，

所述辅助伸缩筒与所述加工静平台形成旋转轴垂直的第三铰接副和第四铰接副，

所有所述第一铰接副与所述第三铰接副的旋转轴均相互平行，所有所述第二铰接副与所述第四铰接副的旋转轴均相互平行，

所述平面旋移运动链的一端与所述加工动平台铰接，所述空间旋移运动链的一端与所述加工动平台球副连接。

2.根据权利要求1所述的新型前驱式的模块化混联机器人，其特征在于：

其中，所述加工动平台为平面板或楔形板，安装有所述加工摆头的所述加工动平台的端面与所述辅助伸缩筒的夹角范围在90°-120°。

3.根据权利要求1所述的新型前驱式的模块化混联机器人，其特征在于：

其中，所述移动组件还包括驱动电机和驱动丝杠，

所述驱动电机设置在所述旋移臂上，且所述驱动电机位于所述加工动平台的近旁，所述驱动丝杠设置在所述驱动电机的输出端且所述驱动丝杠沿所述旋移臂的长度方向设置，所述移动滑块可移动地设置在所述驱动丝杠上。

4.根据权利要求3所述的新型前驱式的模块化混联机器人，其特征在于：

其中，所述旋移臂上还具有2个相互平行的移动导轨，该移动导轨沿所述旋移臂的长度方向延伸，

所述移动滑块的表面具有两个分别与所述移动导轨对应配合的所述移动通槽。

5.根据权利要求1所述的新型前驱式的模块化混联机器人，其特征在于：

其中，所有所述第二铰接副的旋转轴等距设置。

6.根据权利要求5所述的新型前驱式的模块化混联机器人，其特征在于：

其中，所述加工静平台上具有呈“品”分布的三个旋转框安装通孔，所述旋转框对应设置在所述旋转框安装通孔内。

7.根据权利要求1所述的新型前驱式的模块化混联机器人，其特征在于：

其中，所述平面旋移运动链的旋移臂的一端与所述加工动平台铰接，

所述空间旋移运动链还包括球副连接件，该球副连接件包括第一构件和第二构件，所述第一构件与所述空间旋移运动链的旋移臂的一端铰接连接，所述第二构件与所述第一构件、所述加工动平台均铰接连接。

8.根据权利要求1所述的新型前驱式的模块化混联机器人，其特征在于：

其中，所述辅助伸缩筒包括嵌套设置的外筒和内筒，

所述内筒的外表面具有沿自身长度方向延伸的伸缩滑轨，所述外筒的内表面具有与所述伸缩滑轨对应配合的伸缩滑槽。

9.根据权利要求1所述的新型前驱式的模块化混联机器人，其特征在于：

其中，所述加工静平台具有朝向所述加工动平台的第一平台端面、与该第一平台端面相对的第二平台端面以及多个平台侧面，

所述第二平台端面与至少一个所述平台侧面被作为安装基准面。

10.根据权利要求9所述的新型前驱式的模块化混联机器人，其特征在于：

其中，所述加工支架为C型架、L型架和龙门架中的任意一种。

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