CN116275762B - 基于并联机构的焊接机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及焊接机器人技术领域，尤其是一种基于并联机构的焊接机器人，包括并联机构，并联机构具有静平台、支链、动平台及线性驱动组件，支链至少具有三条，且围绕静平台的中心间隔分布，支链均包括平行架和驱动杆；其利用静平台及动平台均可与支链相对转动，并结合线性驱动组件沿直线方向带动驱动杆与杆三相互靠拢或远离，构成一个边长可伸长或缩短的平行四边形结构的设计，使得杆三与驱动杆之间的相对距离不断变化，从而实现动平台与静平台之间的位置不断的变化，进而实现在支链的约束及线性驱动组件的线性驱动下，从而实现动平台及其上的焊接工具具有三个平移自由度，能提高焊接范围；且负载能力强和精度高，能提高焊接的稳定性和焊接精度。

Description

基于并联机构的焊接机器人

技术领域

本发明涉及焊接机器人技术领域，尤其是一种基于并联机构的焊接机器人。

背景技术

为了提高焊接时的灵活性和稳定性，公开号为CN105834619A、CN105945470A、CN105834621A、CN205218354U及CN103722553A等专利中均提出了采用并联机构的焊接机器人方案。

对于CN205218354U所公开的这种采用DELTA并联机构类的焊接机器人其主要存在的缺点为：

A.活动范围小：该基于并联机构的焊接机器人的运动范围主要受摇臂长度的约束，其驱动范围是以旋转副为中心摇臂的长度为半径的圆，其运动范围较小。要想增大其运动范围必须加大摇臂的长度，但长度越大对驱动的要求越高，且随着长度的增大支链的惯量越大进而影响整个系统的运动性能。

B.负载能力差：该基于并联机构的焊接机器人的负载能力主要取决于结构性能与驱动性能，其第一拉杆和第二拉杆的上端与摇臂的连接处均设有万向转动头（相当于球头与球窝连接），第一拉杆和第二拉杆的下端与动平台的连接处也都设有万向转动头（相当于球头与球窝连接），导致其容易在负载较大时从球窝脱落，且其驱动为摆臂结构，驱动负载的能力受摆臂长度的限制，长度短负载能力强，长度长负载能力差。

C.精度差：该基于并联机构的焊接机器人由于机构采用非强制的约束故其容易从球窝脱落，故结构刚性差进而影响精度。

D.容易出现结构奇异：奇异是机器人非常忌讳的，它不仅影响机器人的运动性能，且有可能导致机构毁坏。该基于并联机构的焊接机器人在两个支链平行或接近平行时为奇异状态，该基于并联机构的焊接机器人由于支链的驱动采用摆臂的形式容易出现支链平行的状态导致结构奇异。

E.运动单一，该基于并联机构的焊接机器人为少自由度机器人，只拥有三个平移自由度，而对于要求有姿态的自由度的工况则难以胜任。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决现有技术中该基于并联机构的焊接机器人活动范围受限、负载能力差、精度差及容易出现结构奇异的问题，现提供一种基于并联机构的焊接机器人。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于并联机构的焊接机器人，包括并联机构，所述并联机构具有静平台、支链、动平台及线性驱动组件；

所述支链至少具有三条，且围绕静平台的中心间隔分布，所述支链均包括平行架和驱动杆；所述平行架包括分别分布在平行四边形四个拐角处且轴线彼此平行的转动副一、转动副二、转动副三及转动副四，转动副一和转动副二之间连接有杆一，转动副二和转动副三之间连接有杆二；转动副三和转动副四之间连接有杆三，转动副四和转动副一之间连接有杆四；所述驱动杆绕第一轴线与静平台转动连接，且驱动杆的两端分别滑动并转动的安装于杆二和杆四上；所述杆一的轴向、驱动杆的轴向及杆三的轴向相互平行；杆二的轴向与杆四的轴向平行；

所述动平台绕第二轴线与杆三转动连接，第一轴线与第二轴线平行；所述动平台用于连接焊接工具；

每条支链上均对应配置有线性驱动组件，所述线性驱动组件的一端转动安装于驱动杆上，另一端转动安装于杆三上，所述线性驱动组件用于带动驱动杆与杆三沿杆二的轴向相互靠拢或远离。

进一步地，所述杆二沿其轴向滑动安装有滑套，所述杆四沿其轴向也滑动安装有滑套；

所述驱动杆的一端与杆二上的滑套转动连接形成转动副五，另一端与杆四上的滑套转动连接形成转动副六，转动副一的轴线、转动副五的轴线及转动副六的轴线彼此平行，所述转动副五的轴线和转动副六的轴线均与第一轴线垂直；所述转动副三的轴线和转动副四的轴线均与第二轴线垂直；

所述转动副五的轴线与转动副六的轴线之间的间距、转动副一的轴线与转动副二的轴线之间的间距及转动副三的轴线与转动副四的轴线之间的间距相等，转动副五的轴线与转动副三的轴线之间的间距与转动副六的轴线与转动副四的轴线之间的间距相等。

进一步地，各支链与静平台连接的第一轴线均位于第一平面内，各支链与动平台连接的第二轴线均位于第二平面内，第一平面与第二平面平行。

进一步地，所述线性驱动组件的一端绕第三轴线转动安装于驱动杆上，另一端绕第四轴线转动安装于杆三上；

所述第三轴线、第四轴线、转动副三的轴线、转动副四的轴线、转动副五的轴线及转动副六的轴线彼此平行；

所述第三轴线与第一轴线垂直；所述第四轴线与第二轴线垂直。

进一步地，所述驱动杆上固定有机座，所述杆三上固定有底座；

所述线性驱动组件的一端绕第三轴线转动安装于机座中，所述线性驱动组件的另一端绕第四轴线转动安装于底座上。

进一步地，所述线性驱动组件为气缸、液压缸或电动推杆。

进一步地，还包括串联机构，所述串联机构安装在并联机构的动平台上，且串联机构的末端具有三个旋转自由度，分别为能够绕上下方向的旋转自由度、绕左右方向旋转自由度和绕前后方向的旋转自由度；所述焊接工具安装在末端上。

进一步地，所述串联机构包括驱动装置一、驱动装置二、驱动装置三、齿轮一、齿轮二、齿轮三、转架及末端；

所述驱动装置一安装在的动平台上，驱动装置一的输出端和转架固定连接，所述驱动装置二安装在转架内，齿轮一和驱动装置二的输出端固定连接，齿轮二转动安装在转架上，齿轮三与驱动装置三固定连接，齿轮一与齿轮二啮合，齿轮二与齿轮三啮合，末端与驱动装置三的输出端固定连接；

驱动装置一的输出端用于带动转架、驱动装置二、驱动装置三、齿轮一、齿轮二、齿轮三、转架及末端同步转动，驱动装置二的输出端用于通过齿轮一、齿轮二及齿轮三带动驱动装置三及末端同步转动，驱动装置三用于带动末端转动，以此使得末端具有够绕上下方向的旋转自由度、绕左右方向旋转自由度和绕前后方向的旋转自由度。

本发明的有益效果是：本发明的基于并联机构的焊接机器人其焊接工具的活动范围大，能提高焊接范围；负载能力强和精度高，能提高焊接的稳定性和焊接精度；且焊接工具能够产生六自由度运动，大幅度增加焊接时的灵活性；具体为：

a. 焊接工具的活动范围大：采用线性驱动组件代替摆臂驱动，相比与摆臂驱动，直线驱动拥有更大的运动范围和更高的驱动利用率。

b. 焊接时负载能力强：采用具有刚性约束的转动副代替传统并联机构的球头和球窝约束，其负载能力几乎取决于驱动的驱动力而结构对负载的影响几乎没有。

c. 焊接的精度高：由于采用具有刚性约束的旋转副代替传统的球头球窝约束，结构刚性大幅增强，为精度做出基本保证，且其运动由驱动直接驱动而不是传统结构的多级传动与误差累积。

d.没有结构奇异，本发明由于采用线性驱动组件代替摆臂驱动，故不会产生传统结构在两支链相互平行时出现奇异的现象。

e.焊接时运动齐全，由于采用并联与串联结合的方式，并联机构产生3个自由度的平移自由度，串联机构产生3个自由度的旋转自由度，共同构成三维空间的6个自由度。具有并联结构的高刚性、高精度、高响应的特点，同时具有串联机构的运动灵活，空间利用率的双重优点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明基于并联机构的焊接机器人的三维示意图；

图2是本发明中单条支链与线性驱动组件配合的示意图；

图3是图2中A的局部放大示意图；

图4是图2中B的局部放大示意图；

图5是本发明中平行架与驱动杆的配合示意图；

图6是静平台的三维示意图；

图7是动平台和串联机构的配合示意图。

图中：1、静平台；

2、支链，21、杆一，22、杆二，23、杆三，24、杆四；25、转动副一，26、转动副二，27、转动副三，28、转动副四；

3、驱动杆，31、滑套，32、转动副五，33、转动副六；

4、第一轴线；

5、第二轴线；

6、线性驱动组件，61、机座，62、底座，63、第三轴线，64、第四轴线；

7、动平台；

8、串联机构，81、驱动装置一，82、驱动装置二，83、驱动装置三，84、齿轮一，85、齿轮二，86、齿轮三，87、转架，88、末端。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成，方向和参照(例如，上、下、左、右、等等） 可以仅用于帮助对附图中的特征的描述。因此，并非在限制性意义上采用以下具体实施方式，并且仅仅由所附权利要求及其等同形式来限定所请求保护的主题的范围。

如图1-6所示，一种基于并联机构的焊接机器人，包括静平台1、支链2、动平台7及线性驱动组件6；

支链2至少具有三条，且围绕静平台1的中心间隔分布，支链2均包括平行架和驱动杆3；平行架包括分别分布在平行四边形四个拐角处且轴线彼此平行的转动副一25、转动副二26、转动副三27及转动副四28，转动副一25和转动副二26之间连接有杆一21，转动副二26和转动副三27之间连接有杆二22；转动副三27和转动副四28之间连接有杆三23，转动副四28和转动副一25之间连接有杆四24；驱动杆3绕第一轴线4与静平台1转动连接，具体地，第一轴线4可与驱动杆3的轴线重合，驱动杆3的两端分别滑动并转动的安装于杆二22和杆四24上；杆一21的轴向、驱动杆3的轴向及杆三23的轴向相互平行；杆二22的轴向与杆四24的轴向平行；

动平台7绕第二轴线5与杆三23转动连接，具体地，第二轴线5可与杆三23的轴线重合，第一轴线4与第二轴线5平行；动平台7用于连接焊接工具，焊接工具可为但不限定于焊枪；

每条支链2上均对应配置有线性驱动组件6，线性驱动组件6的一端转动安装于驱动杆3上，另一端转动安装于杆三23上，线性驱动组件6用于带动驱动杆3与杆三23沿杆二22的轴向（相当于杆四24的轴向）相互靠拢或远离。

该并联机构利用静平台1及动平台7均可与支链2相对转动，并结合线性驱动组件6沿直线方向带动驱动杆3与杆三23相互靠拢或远离，构成一个边长可伸长或缩短的平行四边形结构的设计，杆三23与驱动杆3之间的相对距离不断变化，从而使动平台7与静平台1之间的位置不断的变化，进而实现在支链2的约束及线性驱动组件6的线性驱动下，使动平台7及其上的焊接工具拥有三个平移自由度。

在一些示例中，杆二22沿其轴向滑动安装有滑套31，该滑套31可为但不限定于套设于杆二22上，也可与滑套31之间设置直线轴承，以提高移动的灵活性，对此本实施例不作限定；同样，杆四24沿其轴向也滑动安装有滑套31，滑套31可为但不限定于套设于杆四24上，也可与滑套31之间设置直线轴承，以提高移动的灵活性，对此本实施例不作限定；

驱动杆3的一端与杆二22上的滑套31转动连接形成转动副五32，驱动杆3的另一端与杆四24上的滑套31转动连接形成转动副六33，转动副一25的轴线、转动副五32的轴线及转动副六33的轴线彼此平行，转动副五32的轴线和转动副六33的轴线均与第一轴线4垂直，故而转动副五32与驱动杆3之间为虎克副，转动副六33与驱动杆3之间为虎克副；转动副三27的轴线和转动副四28的轴线均与第二轴线5垂直，故而转动副三27与杆三23之间为虎克副，转动副四28与杆三23之间为虎克副；

转动副五32的轴线与转动副六33的轴线之间的间距、转动副一25的轴线与转动副二26的轴线之间的间距及转动副三27的轴线与转动副四28的轴线之间的间距相等，转动副五32的轴线与转动副二26的轴线之间的间距与转动副六33的轴线与转动副一25的轴线之间的间距相等；同样，转动副五32的轴线与转动副三27的轴线之间的间距与转动副六33的轴线与转动副四28的轴线之间的间距相等，从而在驱动杆3、杆二22、杆三23及杆四24之间构成一个边长可伸长或缩短的平行四边形结构；

具体地，杆一21的长度、驱动杆3的长度及杆三23的长度相等，杆二22的长度等于杆四24的长度。

在一些示例中，各支链2与静平台1连接的第一轴线4均位于第一平面内，各支链2与动平台7连接的第二轴线5均位于第二平面内，第一平面与第二平面平行；由于驱动杆3与静平台1平行，故而杆一21及杆三23均与静平台1平行，在所有支链2的约束下，动平台7与静平台1始终平行。

在一些示例中，线性驱动组件6的一端绕第三轴线63转动安装于驱动杆3上，另一端绕第四轴线64转动安装于杆三23上；

第三轴线63、第四轴线64、转动副三27的轴线、转动副四28的轴线、转动副五32的轴线及转动副六33的轴线彼此平行，第三轴线63与第一轴线4垂直，第四轴线64与第二轴线5垂直；以此使得线性驱动组件6与平行架更加兼容。

在一些示例中，驱动杆3上固定有机座61，杆三23上固定有底座62；

线性驱动组件6的一端绕第三轴线63转动安装于机座61中，线性驱动组件6的另一端绕第四轴线64转动安装于底座62上；以此便于线性驱动组件6的安装。

具体地，线性驱动组件6可为但不限定于为气缸、液压缸或电动推杆；也可为其他丝杆直线往复运动机构；以线性驱动组件6具体为气缸为例，气缸的缸体绕第三轴线63转动安装于机座61中，气缸的活塞杆绕第四轴线64转动安装于底座62上。

该基于并联机构的焊接机器人的工作原理为：

在三条支链2的约束下，动平台7与静平台1始终平行，在线性驱动组件6的驱动下驱动杆3与杆三23之间的相对距离沿直线方向不断变化，使得动平台7及其上的焊接工具的位置相对静平台1不断变化，从而实现动平台7及其上的焊接工具具有三个平移自由度，分别为沿上下方向的平移自由度、左右方向的平移自由度及前后方向的平移自由度；

由于线性驱动组件6的驱动方向与平行架的杆二22的轴向平行，故而可提高结构的紧凑性，拥有更大的运动范围和更高的驱动利用率，提高焊接工具的活动范围；

采用平行架与线性驱动组件6的配合设计，可使得支链2能够摈弃球副而采用具有刚性约束的转动副，从而提高焊接时的负载能力和移动精度，且没有奇异结构，焊接过程稳定。

如图1和7所示，在一些示例中，上述基于并联机构的焊接机器人还包括串联机构8，串联机构8安装在并联机构的动平台7上，且串联机构8的末端88具有三个旋转自由度，分别为能够绕上下方向的旋转自由度、绕左右方向旋转自由度和绕前后方向的旋转自由度；焊接工具安装在末端88上。

串联机构8包括驱动装置一81、驱动装置二82、驱动装置三83、齿轮一84、齿轮二85、齿轮三86、转架87及末端88；

驱动装置一81安装在的动平台7上，驱动装置一81的输出端和转架87固定连接，驱动装置二82安装在转架87内，齿轮一84和驱动装置二82的输出端固定连接，齿轮二85转动安装在转架87上，齿轮三86与驱动装置三83固定连接，驱动装置三83与转架87转动连接，齿轮一84与齿轮二85啮合，齿轮二85与齿轮三86啮合，末端88与驱动装置三83的输出端固定连接；

驱动装置一81的输出端用于带动转架87、驱动装置二82、驱动装置三83、齿轮一84、齿轮二85、齿轮三86、转架87及末端88同步转动，驱动装置二82的输出端用于通过齿轮一84、齿轮二85及齿轮三86带动驱动装置三83及末端88同步转动，驱动装置三83用于带动末端88转动，以此使得末端88具有三个旋转自由度，分别为绕上下方向的旋转自由度、绕左右方向的旋转自由度和绕前后方向的旋转自由度；

该基于并联机构的焊接机器人主要由并联机构及串联机构8构成，并联机构可产生上下、左右、前后三个平移自由度；串联机构8安装在并联机构的动平台7上可产生绕上下、左右、前后的旋转自由度，以形成为六自由度的焊接机器人；

由于采用并联与串联结合的方式，并联机构产生3个自由度的平移自由度，串联机构8产生3个自由度的旋转自由度，共同构成三维空间的6个自由度，因此，该基于并联机构的焊接机器人运动齐全，具有高刚性、高精度、高响应的特点，可提高焊接效率和焊接质量，同时具有串联机构8的运动灵活，空间利用率的双重优点，可提高焊接范围。

上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (4)

1.一种基于并联机构的焊接机器人，其特征在于：包括并联机构，所述并联机构具有静平台（1）、支链（2）、动平台（7）及线性驱动组件（6）：

所述支链（2）至少具有三条，且围绕静平台（1）的中心间隔分布，所述支链（2）均包括平行架和驱动杆（3）；所述平行架包括分别分布在平行四边形四个拐角处且轴线彼此平行的转动副一（25）、转动副二（26）、转动副三（27）及转动副四（28），转动副一（25）和转动副二（26）之间连接有杆一（21），转动副二（26）和转动副三（27）之间连接有杆二（22）；转动副三（27）和转动副四（28）之间连接有杆三（23），转动副四（28）和转动副一（25）之间连接有杆四（24）；所述驱动杆（3）绕第一轴线（4）与静平台（1）转动连接，且驱动杆（3）的两端分别滑动并转动的安装于杆二（22）和杆四（24）上；所述杆一（21）的轴向、驱动杆（3）的轴向及杆三（23）的轴向相互平行；杆二（22）的轴向与杆四（24）的轴向平行；

所述动平台（7）绕第二轴线（5）与杆三（23）转动连接，第一轴线（4）与第二轴线（5）平行；所述动平台（7）用于连接焊接工具；

每条支链（2）上均对应配置有线性驱动组件（6），所述线性驱动组件（6）的一端转动安装于驱动杆（3）上，另一端转动安装于杆三（23）上，所述线性驱动组件（6）用于带动驱动杆（3）与杆三（23）沿杆二（22）的轴向相互靠拢或远离；

所述杆二（22）沿其轴向滑动安装有滑套（31），所述杆四（24）沿其轴向也滑动安装有滑套（31）；

所述驱动杆（3）的一端与杆二（22）上的滑套（31）转动连接形成转动副五（32），另一端与杆四（24）上的滑套（31）转动连接形成转动副六（33），转动副一（25）的轴线、转动副五（32）的轴线及转动副六（33）的轴线彼此平行，所述转动副五（32）的轴线和转动副六（33）的轴线均与第一轴线（4）垂直；所述转动副三（27）的轴线和转动副四（28）的轴线均与第二轴线（5）垂直；

所述转动副五（32）的轴线与转动副六（33）的轴线之间的间距、转动副一（25）的轴线与转动副二（26）的轴线之间的间距及转动副三（27）的轴线与转动副四（28）的轴线之间的间距相等，转动副五（32）的轴线与转动副三（27）的轴线之间的间距与转动副六（33）的轴线与转动副四（28）的轴线之间的间距相等；

各支链（2）与静平台（1）连接的第一轴线（4）均位于第一平面内，各支链（2）与动平台（7）连接的第二轴线（5）均位于第二平面内，第一平面与第二平面平行；

所述线性驱动组件（6）的一端绕第三轴线（63）转动安装于驱动杆（3）上，另一端绕第四轴线（64）转动安装于杆三（23）上；

所述第三轴线（63）、第四轴线（64）、转动副三（27）的轴线、转动副四（28）的轴线、转动副五（32）的轴线及转动副六（33）的轴线彼此平行；

所述第三轴线（63）与第一轴线（4）垂直；所述第四轴线（64）与第二轴线（5）垂直；

所述驱动杆（3）上固定有机座（61），所述杆三（23）上固定有底座（62）；

所述线性驱动组件（6）的一端绕第三轴线（63）转动安装于机座（61）中，所述线性驱动组件（6）的另一端绕第四轴线（64）转动安装于底座（62）上。

2.根据权利要求1所述的基于并联机构的焊接机器人，其特征在于：所述线性驱动组件（6）为气缸、液压缸或电动推杆。

3.根据权利要求1所述的基于并联机构的焊接机器人，其特征在于：还包括串联机构（8），所述串联机构（8）安装在并联机构的动平台（7）上，且串联机构（8）的末端（88）具有三个旋转自由度，分别为能够绕上下方向的旋转自由度、绕左右方向旋转自由度和绕前后方向的旋转自由度；所述焊接工具安装在末端（88）上。

4.根据权利要求3所述的基于并联机构的焊接机器人，其特征在于：所述串联机构（8）包括驱动装置一（81）、驱动装置二（82）、驱动装置三（83）、齿轮一（84）、齿轮二（85）、齿轮三（86）及转架（87）；

所述驱动装置一（81）安装在的动平台（7）上，驱动装置一（81）的输出端和转架（87）固定连接，所述驱动装置二（82）安装在转架（87）内，齿轮一（84）和驱动装置二（82）的输出端固定连接，齿轮二（85）转动安装在转架（87）上，齿轮三（86）与驱动装置三（83）固定连接，齿轮一（84）与齿轮二（85）啮合，齿轮二（85）与齿轮三（86）啮合，末端（88）与驱动装置三（83）的输出端固定连接；

驱动装置一（81）的输出端用于带动转架（87）、驱动装置二（82）、驱动装置三（83）、齿轮一（84）、齿轮二（85）、齿轮三（86）、转架（87）及末端（88）同步转动，驱动装置二（82）的输出端用于通过齿轮一（84）、齿轮二（85）及齿轮三（86）带动驱动装置三（83）及末端（88）同步转动，驱动装置三（83）用于带动末端（88）转动，以此使得末端（88）具有够绕上下方向的旋转自由度、绕左右方向旋转自由度和绕前后方向的旋转自由度。