CN115890622A - 一种具有大转角能力的多支链五自由度并联加工机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有大转角能力的多支链五自由度并联加工机器人，并联加工机器人包括作为装配基础的静平台、作为位姿调节的支链组、作为输出装配的动平台，动平台中设置作为输出单元的电主轴，支链组包括无约束支链组和第六支链，所述第六支链通过第三虎克铰与静平台活动连接，所述第六支链与静平台角度转动。本发明由五条无约束支链和一条约束支链并联而成，整机刚度高，五条无约束支链的支链结构能够便于多支链五自由度并联加工机器人的平面安装，且成本更低；第六支链作为约束支链，其中第二虎克铰与第三虎克铰通过独立或者配合实现五自由度并联机器人的AB两向转动，本发明多支链五自由度并联加工机器人还具有强大的转角输出能力。

Description

一种具有大转角能力的多支链五自由度并联加工机器人

技术领域

本发明属于加工机器人技术领域，具体涉及一种具有大转角能力的多支链五自由度并联加工机器人。

背景技术

目前，加工机器人在制造业发挥着重要作用，特别是高技术领域的关键设备中具有空间自由曲面特征的核心部件、复杂结构件的制造中，并联机器人具有举足轻重的作用。先进制造业对复杂曲面以及大动态负载类构件例如钢结构件以及航天构件等的加工需求日益广泛，所以设计研发一款高性能具有五轴加工能力的机器人是重点行业发展的必然趋势。

目前大部分五自由度加工机器人主要存在以下不足：

其一、机构灵活性不够，如专利CN113319828A所述的五自由度并联加工机器人结构，由于机构布置形式的特点，限制其末端执行机构的摆动范围，难以满足复杂曲面的高效加工。

其二、机构工作空间小，如专利CN102490187A所述的五自由度并联加工机器人结构，由于机构布置形式的特点，限制其末端执行机构的工作范围，难以满足大型结构件的高效加工。

其三、采用电机成本大，如专利CN103753235B所述的五自由度并联加工机器人结构，由于驱动副为中空无刷电机，机器人制作成本较大。

为解决上述五自由度并联加工机器人存在的不足，更好地满足对大型复杂零部件的加工需求，亟需发明一种具有高刚度、高精度、灵活性好、大工作空间、成本较低的五自由度并联加工机器人，并提出面向高技术装备中复杂曲面结构件高效高质量加工的解决方案。

发明内容

本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种具有大转角能力的多支链五自由度并联加工机器人。

本发明的技术方案是：一种具有大转角能力的多支链五自由度并联加工机器人，并联加工机器人包括作为装配基础的静平台、作为位姿调节的支链组、作为输出装配的动平台，动平台中设置作为输出单元的电主轴，支链组包括无约束支链组和第六支链，所述第六支链通过第三虎克铰与静平台活动连接，所述第六支链与静平台角度转动。

更进一步的，所述静平台中形成转角配合结构，所述转角配合结构为第六支链的转动提供支撑。

更进一步的，所述第三虎克铰与第二移动副的伸缩端相连，所述第二移动副设置在支链杆中。

更进一步的，所述支链杆的顶部设置有第二虎克铰，所述第二虎克铰与动平台活动相连。

更进一步的，所述动平台包括第一层动平台、第二层动平台、第三层动平台，第一层动平台、第二层动平台、第三层动平台相固定。

更进一步的，所述第二虎克铰与第三层动平台活动相连。

更进一步的，所述无约束支链组包括上层支链和中层支链，上层支链、中层支链、第六支链顶部与动平台为三层连接，从而进行电主轴的位姿调节。

更进一步的，所述上层支链、中层支链中均设置有能够伸缩的第一移动副。

更进一步的，第二移动副随动平台的位姿调节实现跟随滑动，在第六支链的约束下，控制无约束支链组中无约束支链的伸缩，实现动平台的五自由度运动。

本发明由五条无约束支链和一条约束支链并联而成，整机刚度高，五条无约束支链的支链结构能够便于多支链五自由度并联加工机器人的平面安装，且成本更低；第六支链作为约束支链，其中第二虎克铰与第三虎克铰通过独立或者配合实现五自由度并联机器人的AB两向转动，本发明多支链五自由度并联加工机器人还具有强大的转角输出能力。

本发明具有高刚度、高精度、灵活性好、大工作空间、成本较低的优点，可实现对高端装备中复杂曲面构件的高效加工。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中第一支链的结构示意图；

图3是本发明中第四支链的结构示意图；

图4是本发明中第六支链的结构示意图；

图5是本发明中第六支链的又一结构示意图；

图6是本发明中实施例二的结构示意图；

图7是本发明中实施例三的结构示意图；

图8是本发明中实施例四的结构示意图；

其中：

1  静平台             2   电主轴

3  动平台             4   球铰

31 第一层动平台       32  第二层动平台

33 第三层动平台

L1 第一支链           L2  第二支链

L3 第三支链           L4  第四支链

L5 第五支链           L6  第六支链

P1 第一移动副         P2  第二移动副

U1 第一虎克铰         U2  第二虎克铰

U3 第三虎克铰。

具体实施方式

以下，参照附图和实施例对本发明进行详细说明：

如图1至图8所示，一种具有大转角能力的多支链五自由度并联加工机器人，并联加工机器人包括作为装配基础的静平台1、作为位姿调节的支链组、作为输出装配的动平台3，动平台3中设置作为输出单元的电主轴2，支链组包括无约束支链组和第六支链L6，所述第六支链L6通过第三虎克铰U3与静平台1活动连接，所述第六支链L6与静平台1角度转动。

所述静平台1中形成转角配合结构，所述转角配合结构为第六支链L6的转动提供支撑。

所述第三虎克铰U3与第二移动副P2的伸缩端相连，所述第二移动副P2设置在支链杆中。

所述支链杆的顶部设置有第二虎克铰U2，所述第二虎克铰U2与动平台3活动相连。

所述动平台3包括第一层动平台31、第二层动平台32、第三层动平台33，第一层动平台31、第二层动平台32、第三层动平台33相固定。

所述第二虎克铰与第三层动平台33活动相连。

所述无约束支链组包括上层支链和中层支链，上层支链、中层支链、第六支链L6顶部与动平台3为三层连接，从而进行电主轴2的位姿调节。

所述上层支链、中层支链中均设置有能够伸缩的第一移动副。

所述第一移动副P1由电机通过同步带带动丝杠驱动。

第二移动副P2随动平台3的位姿调节实现跟随滑动，在第六支链L6的约束下，控制无约束支链组中无约束支链的伸缩，实现动平台3的五自由度运动。

具体的，所述第六支链L6对动平台3的下端进行调整，所述无约束支链组对动平台3的外壁进行关节支撑，第六支链L6、无约束支链组组合对动平台3进行位姿调节。

具体的，电主轴2与动平台3固定，从而实现第六支链L6、无约束支链组组合对电主轴2进行位姿调节。

本发明中的加工输出可以但不限于电主轴2。

具体的，所述支链杆的外壁处形成导向槽，所述导向槽中设置有沿其滑动的伸缩端连接部，所述第三虎克铰U3与伸缩端连接部相连。

具体的，所述静平台1中形成安装位，所述第三虎克铰U3与安装位活动相连，从而实现第六支链L6与静平台1角度转动。

具体的，所述上层支链的一端与第一层动平台31的外壁关节连接，上层支链的另一端与静平台1关节连接。

所述中层支链与第二层动平台32的外壁关节连接，中层支链的另一端与静平台1关节连接。

具体的，所述关节连接为球铰连接或虎克铰连接。

所述上层支链、中层支链中均设置有第一移动副P1，所述第一移动副P1驱动自身沿长度方向的伸缩。

具体的，所述第六支链L6对动平台3的下端进行调整，所述无约束支链组对动平台3的外壁进行关节支撑，第六支链L6、无约束支链组组合对动平台3进行位姿调节。

具体的，所述第一层动平台31、第二层动平台32、第三层动平台33为分体固定或者一体成型。

具体的，所述第一层动平台31、第二层动平台32外壁处形成与上层支链、中层支链对应的装配孔。

具体的，无约束支链组包括五根无约束支链，即第一支链L1、第二支链L2、第三支链L3、第四支链L4、第五支链L5。

实施例一

如图1至图4所示，一种具有大转角能力的多支链五自由度并联加工机器人，包括静平台1、电主轴2、动平台3、第一支链L1、第二支链L2、第三支链L3、第四支链L4、第五支链L5、第六支链L6。

具体的，第一支链L1、第二支链L2、第三支链L3、第四支链L4、第五支链L5和第六支链L6两端分别连接静平台1和动平台3，动平台3由第一层动平台31、第二层动平台32以及第三层动平台33组成，且相邻平台之间固定连接，电主轴2固定安装在动平台3中，共同构成了多支链五自由度并联加工机器人。

具体的，无约束支链为五条，即第一支链L1、第二支链L2、第三支链L3、第四支链L4、第五支链L5，无约束支链均包括第一移动副P1、球铰4和第一虎克铰U1。其中，第一移动副P1布置在球铰4和第一虎克铰U1中间。

具体的，第六支链L6包括第二移动副P2、第二虎克铰U2和第三虎克铰U3。其中，第二移动副P2布置在第二虎克铰U2和第三虎克铰U3中间。

具体的，无约束支链的上部关节与动平台3活动相连，无约束支链的下部关节与静平台1活动相连，第六支链L6顶部与动平台3活动连接，第六支链L6的底部与静平台1活动连接。

具体的，五条无约束支链分为上层支链和中层支链，上层支链由第一支链L1、第二支链L2、第三支链L3组成，上层支链的每条支链结构如图2中所示，中层支链由第四支链L4、第五支链L5组成， 中层支链每条支链结构如图3中所示。上层支链的上部关节在第一层动平台31的周向间隔布置，上层支链的下部关节与静平台1周向处的三个安装平台一一对应相连，所述安装平台间隔布设，且安装平台向上倾斜，即第一支链L1、第二支链L2、第三支链L3中相邻两条支链成三角形状。第四支链L4、第五支链L5的上部关节在第二层动平台32的周向间隔布置，第四支链L4、第五支链L5的下部关节在静平台1下层沿周向间隔布置，第四支链L4、第五支链L5成三角形状。第六支链L6与第三层动平台33连接，第六支链L6通过无约束支链下部关节在静平台1上围合形成图形的中心。

在本实施例中第二虎克铰U2或第三虎克铰U3为中空结构，第二移动副P2是中空的圆筒形，电主轴2可在动平台和第六支链L6结构内部走线。

具体的，第一支链L1、第二支链L2、第三支链L3、第四支链L4、第五支链L5分别由电机独立驱动。第一支链L1、第二支链L2、第三支链L3、第四支链L4、第五支链L5中包含的第一移动副P1通过电机独立驱动完成伸缩运动，第一移动副P1两端连接的球铰4和第一虎克铰U1配合其完成动平台3的预定位姿；第六支链L6中包含的第二移动副P2随动平台3的运动完成滑动运动，第二移动副P2两端的第二虎克铰U2和的第三虎克铰U3亦配合使其满足动平台3的预定位姿，从而实现动平台3实现五自由度运动。

第一支链L1、第二支链L2、第三支链L3中第一移动副P1的套筒结构中空，且保证组成第一移动副P1的伸缩杆与地面始终保持一定的距离。

具体的，本实施例中转角配合结构为中空的安装框，所述安装框位于三个安装平台的中心处，所述静平台1包括底部支撑体，所述第四支链L4、第五支链L5的下部关节设置在底部支撑体上。

更为具体的，所述底部支撑体与安装框通过倾斜的连接板相连，所述安装框为第六支链L6的转动提供转动空间。

实施例二

如图5与图6所示，一种具有大转角能力的多支链五自由度并联加工机器人与实施例一的运动形式相同，各运动副、支链等组成形式完全相同。

本实施例中第六支链L6包括两个转动关节，即第二虎克铰U2、第三虎克铰U3，第六支链L6与动平台3相连的关节为上部关节，第六支链L6与静平台相连的关节为下部关节，上部关节、下部关节的转动轴线空间垂直。即上部关节、下部关节的两个铰接轴线始终垂直交错。由于第二虎克铰U2或第三虎克铰U3的结构，电主轴2需要在动平台3侧壁打孔进行走线。

第一支链L1、第二支链L2、第三支链L3中第一移动副P1的套筒结构中空，且保证组成第一移动副P1的伸缩杆与地面始终保持一定的距离。

实施例三

如图7所示，一种具有大转角能力的多支链五自由度并联加工机器人与实施例一中的运动形式相同，各运动副、支链等组成形式完全相同。

本实施例中第一支链L1、第二支链L2、第三支链L3、第四支链L4、第五支链L5分为上层支链和中层支链，上层支链由第一支链L1、第二支链L2组成，上层支链每条支链结构如图2中所示，中层支链由第三支链L3、第四支链L4、第五支链L5组成，中层支链每条支链结构如图3中所示。第一支链L1、第二支链L2的上部关节在第一层动平台31的周向间隔布置，第一支链L1、第二支链L2的下部关节与静平台1周向向上伸出两个安装平台一一对应相连；第一支链L1、第二支链L2的成三角形状。第三支链L3、第四支链L4、第五支链L5的上部关节在第二层动平台32的周向间隔布置，第三支链L3、第四支链L4、第五支链L5的下部关节在静平台1下层沿周向间隔布置。即相邻中层支链成三角形状，第三支链L3、第四支链L4、第五支链L5在静平台1上的三个下部关节为三角形状；第六支链L6的下部通过五个下部关节围成图形的中心线。

第一支链L1、第二支链L2中第一移动副P1的套筒结构中空，第一移动副P1的伸缩杆与地面始终保持一定的距离。

实施例四

如图8所示，一种具有大转角能力的多支链五自由度并联加工机器人与实施例一的运动形式相同，各运动副、支链等组成形式完全相同。

本实施例中五条无约束支链的结构完全相同，无约束支链的结构均为图3所示结构。

五条无约束支链中的四条支链即第一支链L1、第二支链L2、第三支链L3、第四支链L4分为两组A组和B组，A组支链由第一支链L1、第二支链L1组成，B组支链由第三支链L1、第四支链L4组成；第一支链L1、第二支链L2再第一层动平台31处临近布置成组，第三支链L1、第四支链L4在第一层动平台31处临近布置成组，第五支链L5在第一层动平台31处独立布置成组，三组铰接点之间构成三角形。

第一支链L1、第二支链L2、第三支链L3、第四支链L4、第五支链L5的下部关节在静平台1上间隔布置。相邻的无约束支链成三角形状。第六支链L6的顶部与第三层动平台33活动连接。第一支链L1、第二支链L2、第三支链L3、第四支链L4、第五支链L5的下部关节在同一平面内，第六支链L6的下部通过下部关节围合的中心轴线。

以上描述了本发明的基本原理、主要特征和有益效果，也已经示出和扫描本发明的几种具体实施方式，在不脱离本发明的远离和宗旨的情况下，对这些实施进行的任何变化、修改、替换和变型，皆属于本发明的权利要求范围。

Claims (9)

1.一种具有大转角能力的多支链五自由度并联加工机器人，其特征在于：并联加工机器人包括作为装配基础的静平台（1）、作为位姿调节的支链组、作为输出装配的动平台（3），动平台（3）中设置作为输出单元的电主轴（2），支链组包括无约束支链组和第六支链，所述第六支链通过第三虎克铰与静平台（1）活动连接，所述第六支链与静平台（1）角度转动。

2.根据权利要求1所述的一种具有大转角能力的多支链五自由度并联加工机器人，其特征在于：所述静平台（1）中形成转角配合结构，所述转角配合结构为第六支链的转动提供支撑。

3.根据权利要求1所述的一种具有大转角能力的多支链五自由度并联加工机器人，其特征在于：所述第三虎克铰与第二移动副的伸缩端相连，所述第二移动副设置在支链杆中。

4.根据权利要求3所述的一种具有大转角能力的多支链五自由度并联加工机器人，其特征在于：所述支链杆的顶部设置有第二虎克铰，所述第二虎克铰与动平台（3）活动相连。

5.根据权利要求4所述的一种具有大转角能力的多支链五自由度并联加工机器人，其特征在于：所述动平台（3）包括第一层动平台（31）、第二层动平台（32）、第三层动平台（33），第一层动平台（31）、第二层动平台（32）、第三层动平台（33）相固定。

6.根据权利要求5所述的一种具有大转角能力的多支链五自由度并联加工机器人，其特征在于：所述第二虎克铰与第三层动平台（33）活动相连。

7.根据权利要求1所述的一种具有大转角能力的多支链五自由度并联加工机器人，其特征在于：所述无约束支链组包括上层支链和中层支链，上层支链、中层支链、第六支链顶部与动平台（3）为三层连接，从而进行电主轴（2）的位姿调节。

8.根据权利要求7所述的一种具有大转角能力的多支链五自由度并联加工机器人，其特征在于：所述上层支链、中层支链中均设置有能够伸缩的第一移动副。

9.根据权利要求8所述的一种具有大转角能力的多支链五自由度并联加工机器人，其特征在于：第二移动副随动平台（3）的位姿调节实现跟随滑动，在第六支链的约束下，控制无约束支链组中无约束支链的伸缩，实现动平台（3）的五自由度运动。

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