CN114536307A - 一种三自由度并联机械臂装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三自由度并联机械臂装置，涉及机械臂技术领域，所述三自由度并联机械臂装置包括直线导轨、滑块机构、连杆机构及活动块，直线导轨设有三个且两两异面垂直，直线导轨上滑动设置有滑块机构，各滑块机构通过对应的连杆机构与同一活动块连接，当滑块机构沿直线导轨移动时，连杆机构带动活动块移动。该三自由度并联机械臂装置，可分别沿三根直线导轨所示方向设置X轴、Y轴、Z轴，建立空间笛卡尔坐标系，活动块在空间坐标系中的X、Y、Z轴分量分别等于三个滑块机构在对应坐标轴上的坐标值，无需坐标解算，降低成本与实现难度，通过人为拖动活动块移动到目标位置后，可直接得出对应位置的坐标，实现无需坐标解算的无动力拖动示教。

Description

一种三自由度并联机械臂装置

技术领域

本发明涉及机械臂技术领域，具体而言，涉及一种三自由度并联机械臂装置。

背景技术

随着工业的发展，机械臂得到了广泛的应用，现有的并联机械臂在进行工业生产或拖动示教时，需要根据输入-输出的解耦性，解算出输出端活动平台的位置，解算值为近似值易出现多解，操作过程复杂，使用成本高。

发明内容

本发明旨在提出一种三自由度并联机械臂装置，以解决现有并联机械臂其输出端活动平台的位置坐标需要解算，使用成本高的技术问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种三自由度并联机械臂装置，包括直线导轨、滑块机构、连杆机构及活动块，所述直线导轨设有三个且两两异面垂直，所述直线导轨上滑动设置有所述滑块机构，各所述滑块机构通过对应的所述连杆机构与同一所述活动块连接，当所述滑块机构沿所述直线导轨移动时，所述连杆机构带动所述活动块移动。

可选地，所述滑块机构包括滑块本体、偏心螺母及螺杆，所述螺杆穿过所述滑块本体并通过所述偏心螺母锁紧，所述直线导轨上设有凹槽，所述偏心螺母部分位于所述凹槽内，所述偏心螺母适于被旋转以与所述凹槽内壁抵接。

可选地，所述连杆机构包括相互铰接的第一连杆和第二连杆，所述滑块本体通过依次连接的所述第一连杆、所述第二连杆与所述活动块连接。

可选地，该三自由度并联机械臂装置还包括第一铰接结构，所述滑块本体通过所述第一铰接结构与所述第一连杆连接，所述第一铰接结构包括轴座、连接轴及第一轴承，两所述轴座固定在所述滑块本体上，所述连接轴穿过所述第一连杆，且两端分别通过所述第一轴承与对应的所述轴座固定。

可选地，所述第一铰接结构还包括套环，所述第一轴承与所述连接轴之间、所述第一连杆与所述连接轴之间均设有所述套环。

可选地，该三自由度并联机械臂装置还包括第二铰接结构，所述第一连杆通过所述第二铰接结构与所述第二连杆连接，所述第二铰接结构包括第二轴承和紧固件，所述紧固件穿过所述第一连杆、所述第二连杆及所述第二轴承。

可选地，所述第二铰接结构还包括铜套，所述第二连杆与所述紧固件之间设有所述铜套。

可选地，所述第二连杆与所述活动块铰接，所述活动块上适于设置机械爪或取料吸嘴。

可选地，该三自由度并联机械臂装置还包括驱动装置，所述驱动装置与所述滑块机构一一对应设置，所述驱动装置驱动连接所述滑块机构；

所述驱动装置包括驱动电机、同步带和传动轮，所述驱动电机设于对应的所述直线导轨的一端，所述直线导轨的另一端设有所述传动轮，所述驱动电机的输出端通过所述同步带与所述传动轮连接，所述同步带与所述滑块机构固定连接，所述驱动电机适于驱动所述同步带以带动所述滑块机构移动。

可选地，该三自由度并联机械臂装置还包括支撑框架，各所述直线导轨均设于所述支撑框架上。

本发明所述的三自由度并联机械臂装置，由于三根直线导轨空间两两相对垂直，可分别沿三根直线导轨所示方向设置X轴、Y轴、Z轴，建立空间笛卡尔坐标系，活动块在空间坐标系中的X、Y、Z轴分量分别等于三个滑块机构在对应坐标轴上的坐标值，无需坐标解算，降低成本与实现难度，通过人为拖动活动块移动到目标位置后，可直接得出对应位置的坐标，实现无需坐标解算的无动力拖动示教，而且由于滑块机构与直线导轨之间存在摩擦阻尼，当对活动块施加沿某一单轴方向(也即X、Y、Z轴中的一个方向)，或相对某一单轴具有较小倾角的作用力时，其他两个方向的拖动分力小于静摩擦力，使得活动块沿水平或竖直方向运动，产生较为平直的运动效果。

附图说明

图1为本发明实施例的三自由度并联机械臂装置的第一视角结构示意图；

图2为本发明实施例的三自由度并联机械臂装置的第二视角结构示意图；

图3为图2中A处的放大示意图；

图4为图2中B处的放大示意图；

图5为本发明实施例的三自由度并联机械臂装置的局部结构示意图。

附图标记说明：

1、直线导轨；11、凹槽；2、滑块机构；21、滑块本体；22、偏心螺母；23、螺杆；3、连杆机构；31、第一连杆；32、第二连杆；4、活动块；5、第一铰接结构；51、轴座；52、连接轴；53、第一轴承；6、第二铰接结构；61、第二轴承；62、紧固件；7、驱动装置；71、驱动电机；72、同步带；73、传动轮；8、支撑框架。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

需要说明的是，在本公开的描述中，采用了“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“前”、“后”、“内”和“外”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公开，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操控，因此不能理解为对本公开保护范围的限制。

在本发明的实施例中所提到的术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，并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一个或者更多个该特征。

本文中设置有坐标系XYZ轴，其中X轴的正向代表左方，X轴的反向代表右方，Y轴的正向代表前方，Y轴的反向代表后方，Z轴的正向代表上方，Z轴的反向代表下方。

如图1-2所示，本发明实施例的三自由度并联机械臂装置，包括直线导轨1、滑块机构2、连杆机构3及活动块4，所述直线导轨1设有三个且两两异面垂直，所述直线导轨1上滑动设置有所述滑块机构2，各所述滑块机构2通过对应的所述连杆机构3与同一所述活动块4连接，当所述滑块机构2沿所述直线导轨1移动时，所述连杆机构3带动所述活动块4移动。

在本实施例中，所述直线导轨1设有3根，分别沿X轴、Y轴及Z轴所示方向，每根直线导轨1上对应设有滑块机构2，滑块机构2在外力作用下可沿着所述直线导轨1的长度方向移动，滑块机构2通过连杆机构3带动其末端的活动块4移动，连杆机构3可采用多级连杆铰接的结构形式，提高对活动块4的运动自由度控制，各级连杆铰接的转动轴线与对应滑块机构2的移动方向相一致。

移动某单一方向的滑块机构2，其余两个方向的滑块机构2保持在对应的直线导轨1上不动，所述活动块4可沿着水平或竖直方向运动，产生较为平直的运动效果，相较于其他并联机械臂装置，避免在拖动单一滑块机构2时造成末端活动块4向着不可预测的方向运动的问题；由于各滑块机构2与直线导轨1之间存在摩擦阻尼，当拖动活动块4沿水平或者竖直方向运动时，与拖动方向运动一致的滑块机构2移动，其他两个方向的滑块机构2受到的拖动力小于静摩擦力，保持不动，实现对单一轴上滑块机构2的拖动。

由于各直线导轨1空间异面垂直，各所述滑块机构2可分别沿着空间坐标系的三条轴线方向平行拖动，方便理解活动块4的运动轨迹，活动块4的空间坐标在X、Y、Z轴的分量分别等于三个滑块机构2在各自坐标轴上的坐标值，活动块4的坐标位置无需解算，使用方便。

这里，三自由度并联机械臂相较于三自由度串联机械臂而言，各滑块机构2的运动可采用多个驱动装置7分开单独控制，避免在串联时采用单一电机驱动实现不同方向的运动，使得驱动电机负载过大，不能快速运动的技术问题。

可选地，如图3所示，所述滑块机构2包括滑块本体21、偏心螺母22及螺杆23，所述螺杆23穿过所述滑块本体21并通过所述偏心螺母22锁紧，所述直线导轨1上设有凹槽11，所述偏心螺母22部分位于所述凹槽11内，所述偏心螺母22适于被旋转以与所述凹槽11内壁抵接。

在本实施例中，所述滑块本体21呈板状，所述滑块本体21适于沿着直线导轨1平行移动，为了避免滑块本体21在移动的过程中脱离所述直线导轨1，所述滑块本体21需要锁紧在直线导轨1上，且可调整滑块本体21相对直线导轨1的松紧程度。

直线导轨1的周向设有沿其轴线方向的凹槽11，所述滑块本体21在沿对应所述直线导轨1宽度方向的两侧分别设有两个螺杆23，螺杆23垂直穿过所述滑块本体21并在其上套有偏心螺母22，位于滑块本体21两侧的偏心螺母22的周向侧壁至少部分位于凹槽11内，旋转两侧的偏心螺母22使其分别抵紧在两侧凹槽11，以将所述滑块本体21锁紧在直线导轨1上。

可选地，如图4所示，所述连杆机构3包括相互铰接的第一连杆31和第二连杆32，所述滑块本体21通过依次连接的所述第一连杆31、所述第二连杆32与所述活动块4连接。

在本实施例中，所述连杆机构3采用两级连杆铰接的结构形式，所述第一连杆31可相对所述第二连杆32转动，增大所述活动块4的运动范围。

每个连杆机构3分别连接一滑块机构2，所述第一连杆31的两端分别与滑块本体21、第二连杆32的一端铰接，第二连杆32的另一端与活动块4铰接，第一连杆31与对应的所述滑块本体21的转动轴线与所述第二连杆32相对所述第一连杆31的转动轴线、第二连杆32相对所述活动块4的转动轴线相互平行。

三个连杆机构3可分别带动三个滑块机构2在对应的方向上运动。

可选地，如图3所示，该三自由度并联机械臂装置还包括第一铰接结构5，所述滑块本体21通过所述第一铰接结构5与所述第一连杆31连接，所述第一铰接结构5包括轴座51、连接轴52及第一轴承53，两所述轴座51固定在所述滑块本体21上，所述连接轴52穿过所述第一连杆31，且两端分别通过所述第一轴承53与对应的所述轴座51固定。

在本实施例中，两轴座51相对设置，且垂直固定在所述滑块本体21远离所述直线导轨1的一侧，两轴座51上分别设有连接孔，连接轴52穿过所述连接孔以将两所述轴座51连接固定，第一连杆31转动连接在两轴座51之间的连接轴52上，两轴座51可限制所述第一连杆31晃动。

所述第一轴承53可采用角接触球轴承，通过角接触球轴承实现轴座51与连接轴52之间的转动连接。

可选地，所述第一铰接结构5还包括套环，所述第一轴承53与所述连接轴52之间、所述第一连杆31与所述连接轴52之间均设有所述套环。

在本实施例中，第一连杆31在与所述滑块本体21连接的一端设有连接孔，连接轴52从连接孔穿过，在第一轴承53的内圈及连接孔内设套环，通过套环将连接轴52与第一轴承53及第一连杆31隔开，以此保证第一连杆31在受到沿连接轴52长度方向的作用力时不会发生形变转动，造成精度降低的问题。

可选地，如图4所示，该三自由度并联机械臂装置还包括第二铰接结构6，所述第一连杆31通过所述第二铰接结构6与所述第二连杆32连接，所述第二铰接结构6包括第二轴承61和紧固件62，所述紧固件62穿过所述第一连杆31、所述第二连杆32及所述第二轴承61。

在本实施例中，所述第二轴承61为双推力球轴承，也即包括第一推力球轴承和第二推力球轴承，第一连杆31的端部与第二连杆32的端部呈层叠连接，两个推力球轴承分别位于第二连杆32的两侧，紧固件可为锁紧螺栓，紧固件依次穿过第一连杆31的端部、第一推力球轴承、第二连杆32的端部及第二推力球轴承，实现第一连杆31与第二连杆32之间的铰接。

可选地，所述第二铰接结构6还包括铜套，所述第二连杆32与所述紧固件62之间设有所述铜套。

在本实施例中，第二连杆32上设有供所述紧固件62穿过的固定孔，在固定孔内设铜套，通过铜套将第二连杆32与所述紧固件62隔开，避免所述第二连杆32在受到沿紧固件62长度方向的作用力时发生形变转动，造成精度降低的问题。

可选地，所述第二连杆32与所述活动块4铰接，所述活动块4上适于设置机械爪或取料吸嘴。

在本实施例中，所述第二连杆32与所述活动块4之间的连接方式与所述第二连杆32与第一连杆31之间的连接方式相同，均通过双推力球轴承实现转动连接。

滑块机构2在直线导轨1上滑动，以通过连杆机构3带动活动块4移动，可在活动块4上集成一些功能设计，诸如将活动块4设置成取料吸嘴或机械爪结构，通过移动活动块4以实现芯片等物料的吸取或抓取功能。或者直接在活动块4上附加辅料吸嘴、机械爪，其作用及实现方式与上面描述相同，在此不再赘述。

可选地，如图5所示，该三自由度并联机械臂装置还包括驱动装置7，所述驱动装置7与所述滑块机构2一一对应设置，所述驱动装置7驱动连接所述滑块机构2；

所述驱动装置7包括驱动电机71、同步带72和传动轮73，所述驱动电机71设于对应的所述直线导轨1的一端，所述直线导轨1的另一端设有所述传动轮73，所述驱动电机71的输出端通过所述同步带72与所述传动轮73连接，所述同步带72与所述滑块机构2固定连接，所述驱动电机71适于驱动所述同步带72以带动所述滑块机构2移动。

在本实施例中，所述驱动电机71的输出端设有带轮，带轮、传动轮分别位于对应的直线导轨1的两端，同步带72设于带轮、传动轮之间，在直线导轨1的周向侧壁上设有卡槽，同步带72沿卡槽周向绕过所述直线导轨1，所述同步带72在缠绕的过程中经过所述滑块本体21时，可将所述同步带断开，所述滑块本体21固定在同步带72的断裂处。或者所述同步带为完整封闭结构，将所述滑块本体21采取其他方式固定在同步带72上，也可实现相同的作用。

驱动电机71驱动所述带轮运动，进而带动所述同步带72传动，所述同步带72带动与其连接的所述滑块本体21动作，使得所述滑块本体21沿着直线导轨1长度方向来回运动，继而带到调整所述活动块4位置的作用。

在利用该三自由度并联机械臂装置进行示教时，先将驱动电机71反使能，人为拖动活动块4，为拖动示教提供移动轨迹，同时可在空间坐标系内记录活动块4的位置坐标；接着将驱动电机71使能，驱动电机71通过同步带72带动滑块机构2移动，滑块机构2再通过连杆机构3带动其末端的活动块4移动，实现刚记录位置坐标的复现。

可选地，如图1-2所示，该三自由度并联机械臂装置还包括支撑框架8，各所述直线导轨1均设于所述支撑框架8上。

在本实施例中，所述支撑框架8可呈立方体结构，立方体的底面与左侧面交界处、前面与顶面的交界处、右侧面与后面的交界处各设有一直线导轨1。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种三自由度并联机械臂装置，其特征在于，包括直线导轨(1)、滑块机构(2)、连杆机构(3)及活动块(4)，所述直线导轨(1)设有三个且两两异面垂直，所述直线导轨(1)上滑动设置有所述滑块机构(2)，各所述滑块机构(2)通过对应的所述连杆机构(3)与同一所述活动块(4)连接，当所述滑块机构(2)沿所述直线导轨(1)移动时，所述连杆机构(3)带动所述活动块(4)移动。

2.根据权利要求1所述的三自由度并联机械臂装置，其特征在于，所述滑块机构(2)包括滑块本体(21)、偏心螺母(22)及螺杆(23)，所述螺杆(23)穿过所述滑块本体(21)并通过所述偏心螺母(22)锁紧，所述直线导轨(1)上设有凹槽(11)，所述偏心螺母(22)部分位于所述凹槽(11)内，所述偏心螺母(22)适于被旋转以与所述凹槽(11)内壁抵接。

3.根据权利要求2所述的三自由度并联机械臂装置，其特征在于，所述连杆机构(3)包括相互铰接的第一连杆(31)和第二连杆(32)，所述滑块本体(21)通过依次连接的所述第一连杆(31)、所述第二连杆(32)与所述活动块(4)连接。

4.根据权利要求3所述的三自由度并联机械臂装置，其特征在于，还包括第一铰接结构(5)，所述滑块本体(21)通过所述第一铰接结构(5)与所述第一连杆(31)连接，所述第一铰接结构(5)包括轴座(51)、连接轴(52)及第一轴承(53)，两所述轴座(51)固定在所述滑块本体(21)上，所述连接轴(52)穿过所述第一连杆(31)，且两端分别通过所述第一轴承(53)与对应的所述轴座(51)固定。

5.根据权利要求4所述的三自由度并联机械臂装置，其特征在于，所述第一铰接结构(5)还包括套环，所述第一轴承(53)与所述连接轴(52)之间、所述第一连杆(31)与所述连接轴(52)之间均设有所述套环。

6.根据权利要求3所述的三自由度并联机械臂装置，其特征在于，还包括第二铰接结构(6)，所述第一连杆(31)通过所述第二铰接结构(6)与所述第二连杆(32)连接，所述第二铰接结构(6)包括第二轴承(61)和紧固件(62)，所述紧固件(62)穿过所述第一连杆(31)、所述第二连杆(32)及所述第二轴承(61)。

7.根据权利要求6所述的三自由度并联机械臂装置，其特征在于，所述第二铰接结构(6)还包括铜套，所述第二连杆(32)与所述紧固件(62)之间设有所述铜套。

8.根据权利要求3所述的三自由度并联机械臂装置，其特征在于，所述第二连杆(32)与所述活动块(4)铰接，所述活动块(4)上适于设置机械爪或取料吸嘴。

9.根据权利要求1所述的三自由度并联机械臂装置，其特征在于，还包括驱动装置(7)，所述驱动装置(7)与所述滑块机构(2)一一对应设置，所述驱动装置(7)驱动连接所述滑块机构(2)；

所述驱动装置(7)包括驱动电机(71)、同步带(72)和传动轮(73)，所述驱动电机(71)设于对应的所述直线导轨(1)的一端，所述直线导轨(1)的另一端设有所述传动轮(73)，所述驱动电机(71)的输出端通过所述同步带(72)与所述传动轮(73)连接，所述同步带(72)与所述滑块机构(2)固定连接，所述驱动电机(71)适于驱动所述同步带(72)以带动所述滑块机构(2)移动。

10.根据权利要求1所述的三自由度并联机械臂装置，其特征在于，还包括支撑框架(8)，各所述直线导轨(1)均设于所述支撑框架(8)上。

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