CN117001645A - 一种二自由度平面并联机器人机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二自由度平面并联机器人机构，包括基座，所述基座用于安装第一电机、第二电机，第一电机的输出端通过第一主支链与动平台连接，第二电机的输出端通过第二主支链与动平台连接，安装在第一主支链和第二主支链之间的被动支链用于连接基座、动平台；其中，第一主支链、第二主支链、被动支链位于同一平面。本发明通过电机驱动主动臂转动来实现动平台的运动，同时采用简单的平行四边形结构作为被动支链来连接基座与动平台，既约束了动平台的转动自由度，又提高了本机器人机构的运行精度；被动支链安装于第一主动支链和第二主动支链中间位置，且位于同一平面上，既节省了整个机器人机构所占用的空间，又能使两条主动支链的动力学特性具有对称性；可在基座上方安装水平进给机构或旋转机构，进一步提高本机器人机构工作空间。
Description
技术领域
本发明涉及一种二自由度平面并联机器人机构，属于工业机器人技术领域。
背景技术
目前常见的并联机器人有Stewart并联机构和Delta并联机器人，Stewart并联机构多用于飞行模拟器、汽车测试台、雷达天线等领域，该机构显著特点是动平台位于基座上方，两者通过六个分支相连，并利用移动副作为动力输出来改变各分支长度和角度，以此来控制动平台的运动。Delta并联机器人多用于货物分拣、包装等领域，其动平台位于基座下方，两者通过三或四条支链相连，并利用转动副作为动力输出来控制动平台。然而，在轻工、医药和食品等自动化生产流水线上，常常需要一个高速度、高精度的机械手来完成加工、分拣等可以在一个平面内完成的工作，此时，像上述的空间机器人结构显得冗余且复杂。
发明内容
本发明提供了一种二自由度平面并联机器人机构，该机构通过电机驱动主动臂转动来实现动平台的运动，同时采用被动支链来约束动平台在运行时的转动，从而来保持动平台的姿态稳定性。
本发明的技术方案是：一种二自由度平面并联机器人机构，包括基座，所述基座用于安装第一电机10、第二电机14，第一电机10的输出端通过第一主支链与动平台6连接，第二电机14的输出端通过第二主支链与动平台6连接，安装在第一主支链和第二主支链之间的被动支链用于连接基座、动平台6；其中，第一主支链、第二主支链、被动支链位于同一平面。
所述基座由基板1、第一减速器安装法兰11、第二减速器安装法兰12、导轨3构成，基板1上用于安装第一减速器安装法兰11、第二减速器安装法兰12、导轨3，位于第一减速器安装法兰11、第二减速器安装法兰12之间的导轨3用于与被动支链移动配合，第一减速器安装法兰11一侧用于固定第一减速器9，第二减速器安装法兰12上与第一减速器安装法兰11安装第一减速器9呈相对的一侧用于固定第二减速器13，通过第一减速器9连接第一电机10、第一主动链，通过第二减速器13连接第二电机14、第二主动链。
所述第一主支链和第二主支链结构相同，以第一主动链进行描述，包括第一从动臂7、第一主动臂8，第一电机10的输出端通过第一主动臂8与第一从动臂7一端转动连接，第一从动臂7另一端通过转动副与动平台6连接。
所述被动支链包括滑块2、第一辅助连杆4、第二辅助连杆5；滑块2、第一辅助连杆4、第二辅助连杆5与动平台6呈平行四边行结构，滑块2与基座中基板1上的导轨3滑动配合，安装在滑块2两侧的第一辅助连杆4、第二辅助连杆5一端与滑块2通过转动副连接，第一辅助连杆4、第二辅助连杆5另一端与动平台6通过转动副连接。
本发明的有益效果是：本发明通过电机驱动主动臂转动来实现动平台的运动，同时采用简单的平行四边形结构作为被动支链来连接基座与动平台，既约束了动平台的转动自由度，又提高了本机器人机构的运行精度；被动支链安装于第一主动支链和第二主动支链中间位置，且位于同一平面上，既节省了整个机器人机构所占用的空间，又能使两条主动支链的动力学特性具有对称性；可在基座上方安装水平进给机构或旋转机构，进一步提高本机器人机构工作空间。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的使用状态示意图；
图3是主动臂的结构示意图；
图4是本发明机构简图；
图中各标号为：1-基板、2-滑块、3-导轨、4-第一辅助连杆、5-第二辅助连杆、6-动平台、7-第一从动臂、8-第一主动臂、9-第一减速器、10-第一电机、11-第一减速器安装法兰、12-第二减速器安装法兰、13-第二减速器、14-第二电机、15-第二主动臂、16-第二从动臂。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对发明作进一步的说明，但本发明的内容并不限于所述范围。
实施例1：如图1-4所示，一种二自由度平面并联机器人机构，包括基座，所述基座用于安装第一电机10、第二电机14，第一电机10的输出端通过第一主支链与动平台6连接，第二电机14的输出端通过第二主支链与动平台6连接，安装在第一主支链和第二主支链之间的被动支链用于连接基座、动平台6；其中，第一主支链、第二主支链、被动支链位于同一平面，该平面为动平台的工作面。
进一步地，所述基座由基板1、第一减速器安装法兰11、第二减速器安装法兰12、导轨3构成，基板1上用于安装第一减速器安装法兰11、第二减速器安装法兰12、导轨3，位于第一减速器安装法兰11、第二减速器安装法兰12之间的导轨3用于与被动支链移动配合，第一减速器安装法兰11一侧用于固定第一减速器9，第二减速器安装法兰12上与第一减速器安装法兰11安装第一减速器9呈相对的一侧用于固定第二减速器13，通过第一减速器9连接第一电机10、第一主动链，通过第二减速器13连接第二电机14、第二主动链。
进一步地，所述第一主支链和第二主支链结构相同，以第一主动链进行描述，包括第一从动臂7、第一主动臂8，第一电机10的输出端通过第一主动臂8与第一从动臂7一端转动连接，第一从动臂7另一端通过转动副与动平台6连接。同理，第二主动链包括第二主动臂15、第二从动臂16，第二电机14的输出端通过第二主动臂15与第二从动臂16一端转动连接。第二从动臂16另一端通过转动副与动平台6连接。
进一步地，所述被动支链包括滑块2、第一辅助连杆4、第二辅助连杆5；滑块2、第一辅助连杆4、第二辅助连杆5与动平台6呈平行四边行结构，滑块2与基座中基板1上的导轨3滑动配合，安装在滑块2两侧的第一辅助连杆4、第二辅助连杆5一端与滑块2通过转动副连接，第一辅助连杆4、第二辅助连杆5另一端与动平台6通过转动副连接。
通过基座起固定和支撑的作用，即其它部件都直接或间接安装在基座上；减速器安装法兰用于固定减速器，电机通过减速器与主动臂相连，两个电机呈相对布置，在平衡机器人的同时不影响机器人的运动，通过电机驱动直接控制主动臂角位移，间接控制动平台位移，其中，第一主动支链和第二主动支链，用于连接基座和动平台并控制动平台的移动，被动支链，用于约束动平台的转动；另外，可根据具体工作环境选择合适的减速器和电机型号；减速器用于改变电机输出端扭矩和角速度等参数，并将动力传递给主动臂，驱动主动臂旋转，且电机、减速器、主动臂旋转轴共线；主动臂通过转动副分别与从动臂一端相连，从动臂另一端通过转动副分别与动平台的两端相连，辅助连杆与滑块、动平台均通过转动副相连，上述各转动副轴线均相互平行且垂直于支链所在平面，以便于更好地预测动平台的位置，也可以使动平台运行更稳定，精度更高。
如图2所示，当第一电机10和/或第二电机14驱动使主动臂角度发生改变时，第一主动支链和/或第二主动支链状态发生改变(如：当第一主动臂8顺时针转动时，动平台6向左下方移动，当其逆时针转动时，动平台6向右上方移动；当第二主动臂15顺时针转动时，动平台6向左上方移动，当其逆时针转动时，动平台6向右下方移动。通过电机来控制主动臂的转动角度，从而达到对动平台位置的精细控制)，从而使得动平台的位置发生改变，此时，动平台通过辅助连杆带动滑块2在导轨3上做直线运动，滑块2、辅助连杆和动平台6始终保持平行四边形结构，而滑块2因为导轨3的限制而始终处于水平位置，进一步，与其相互平行的动平台6亦始终处于水平状态，从而达到了约束动平台6转动自由度的目的；动平台6下方可安装吸盘或机械手，用于拾放货物；本发明中，第一主动支链、第二主动支链和被动支链位于同一平面，且机器人机构在运行时该平面不会发生改变，动平台6亦只在此平面上移动；第一主动支链和第二主动支链有动力输入，主动控制动平台移动，被动支链无动力输入，跟随主动支链做规则运动。
应用上述技术方案可知，本发明采用平行四边形结构作为被动支链来连接基座与动平台，既约束了动平台的转动自由度，又提高了本机器人机构的运行精度；被动支链安装于第一主动支链和第二主动支链中间位置，且位于同一平面上，既节省了整个机器人机构所占用的空间，又能使两条主动支链的动力学特性具有对称性。同时，本发明可在基座1上方加装水平进给机构或旋转机构，从而使得动平台6实现空间内的移动和转动，以适应不同的工作场景。
二自由度平面并联机器人机构简图如图4所示，在基座中点建立系统坐标系O-xyz，将动平台视为质点P，主动臂BiCi的长度为l1，从动臂CiP的长度为l2，R为坐标原点到Bi的距离，θi为主动臂与x轴夹角，其中i＝1、2，设动平台P点坐标为(x0,y0)；其中，Bi表示主动臂靠近电机端的旋转中心点，i取1表示第一主支链中的主动臂，i取2表示第二主支链的主动臂、第一主支链、第二主支链尺寸相同。
根据上图可知各点在坐标系O-xyz下的位置矢量为：[B1]＝[-R 0]T，[B2]＝[R 0]T，[C1]＝[-R-l1cosθ1-l1sinθ1]T，[C2]＝[R+l1cosθ2-l1sinθ2]T。因为 因此建立如下方程组：
求解可得机器人逆运动学模型为：
正运动学模型为：
式中：
K1＝K2＝-2l1yo；D1＝2l1(R-xo)；D2＝2l1(R+xo)；
A＝2R+l1(cosθ1+cosθ2)；M＝l1(sinθ1-sinθ2)；J＝-Rl1(cosθ1-cosθ2)；
通过本发明的机构构建的上述正运动学模型，可以依据给出的机器人2个电机的转动角度，求解末端动平台所对应各个点的坐标值。并进一步地，依据构建的逆运动学模型，可以依据给出的机器人末端动平台的各个位置点坐标，求解2个电机的转动角度。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (4)
1.一种二自由度平面并联机器人机构，其特征在于，包括基座，所述基座用于安装第一电机(10)、第二电机(14)，第一电机(10)的输出端通过第一主支链与动平台(6)连接，第二电机(14)的输出端通过第二主支链与动平台(6)连接，安装在第一主支链和第二主支链之间的被动支链用于连接基座、动平台(6)；其中，第一主支链、第二主支链、被动支链位于同一平面。
2.根据权利要求1所述的二自由度平面并联机器人机构，其特征在于，所述基座由基板(1)、第一减速器安装法兰(11)、第二减速器安装法兰(12)、导轨(3)构成，基板(1)上用于安装第一减速器安装法兰(11)、第二减速器安装法兰(12)、导轨(3)，位于第一减速器安装法兰(11)、第二减速器安装法兰(12)之间的导轨(3)用于与被动支链移动配合，第一减速器安装法兰(11)一侧用于固定第一减速器(9)，第二减速器安装法兰(12)上与第一减速器安装法兰(11)安装第一减速器(9)呈相对的一侧用于固定第二减速器(13)，通过第一减速器(9)连接第一电机(10)、第一主动链，通过第二减速器(13)连接第二电机(14)、第二主动链。
3.根据权利要求1所述的二自由度平面并联机器人机构，其特征在于，所述第一主支链和第二主支链结构相同，以第一主动链进行描述，包括第一从动臂(7)、第一主动臂(8)，第一电机(10)的输出端通过第一主动臂(8)与第一从动臂(7)一端转动连接，第一从动臂(7)另一端通过转动副与动平台(6)连接。
4.根据权利要求1所述的二自由度平面并联机器人机构，其特征在于，所述被动支链包括滑块(2)、第一辅助连杆(4)、第二辅助连杆(5)；滑块(2)、第一辅助连杆(4)、第二辅助连杆(5)与动平台(6)呈平行四边行结构，滑块(2)与基座中基板(1)上的导轨(3)滑动配合，安装在滑块(2)两侧的第一辅助连杆(4)、第二辅助连杆(5)一端与滑块(2)通过转动副连接，第一辅助连杆(4)、第二辅助连杆(5)另一端与动平台(6)通过转动副连接。
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