CN117140492B - 一种可变直径的6-ups并联机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了工业机器人技术领域的一种可变直径的6‑UPS并联机械手，机械手由三部分组成，分别是静平台、变直径运动平台以及连接两平台的六条电动推杆；六条所述电动推杆在静平台上绕其中心等角度分布，每条电动推杆的结构相同具有高稳定性、高精度和多自由度运动的特点，相比较传统机械手而言，本发明采用6‑UPS Gough‑Stewart并联机构，在保留多自由度，高精度，强大的负载能力以及稳定性的同时，通过创新的齿轮齿条组结构有效提高了机械手的工作空间及抓取的灵活性、通用性，提高了机械手的抓取能力。

Description

一种可变直径的6-UPS并联机械手

技术领域

本发明涉及工业机器人技术领域，具体为一种可变直径的6-UPS并联机械手。

背景技术

Stewart并联机器人，也被称为Stewart平台或Stewart运动平台，是一种具有多自由度并联结构的机器人系统，最早由休·G·斯图尔特（Hugh G. Stewart）和戈登·S·戈夫（Gordon S. Gough）发明。这种机构被广泛应用于工业生产线、航空航天、医疗手术等领域。其具有高刚度、高精度、高负载能力和多自由度等特点，能够实现复杂的运动轨迹和精确的定位控制。在工业生产线上，6-UPS并联机构可以用于装配、焊接、喷涂等任务，提高生产效率和产品质量。在航空航天领域，6-UPS并联机构可以用于飞行模拟、飞行器维修等任务，提供真实的环境仿真和高精度的操作能力。在医疗手术中，6-UPS并联机构可以用于微创手术和精确定位，实现精细操作和减少手术创伤。

但目前将Stewart运动平台应用到机械手的场合仍然少见，在传统机械手领域，Delta机器人和串联机器人等常见的结构存在工作空间限制、精度不足、运动学控制复杂等问题。为克服这些问题，提出了一种可变直径的6-UPS并联机械手实现了工作空间扩展、精度提高、灵活性增强等目标。

发明内容

本发明的目的在于针对现有串联机械手难以完成小范围内的高精度多自由度运动且其级联的结构形式易产生累积误差，提出了以6-UPS Gough-Stewart并联机构为基础的并联机械手，以提高小范围内的运动定位精度及满足运动自由度需求。

针对串联机械手难以获得较好的稳定性问题，提出以并联机器人为基础的机械手，能够有更好的稳定性和刚度。

针对现有并联机器人及机械手的工作空间问题，设计了可变直径的运动平台机构，可进一步扩大机械手所能触及到的范围。

针对现有机械手工件抓取能力的问题，设计了平台可变直径的运动平台机构及中部掏空的运动平台结构，且安装有可快速更换夹具类型的夹具槽位，以适应不同大小、形状的工件夹取需求。

综上，本发明的目的是通过采用可变直径的6-UPS Gough-Stewart并联机械手，解决了传统机械手领域的工作空间和夹具调整能力的限制，提高了精度。通过将并联运动平台掏空的设计以及齿轮齿条组结构的应用，本发明提供了更灵活、高精度的机器人解决方案，适用于各种复杂任务。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种可变直径的6-UPS并联机械手，机械手由三部分组成，分别是静平台、变直径运动平台以及连接两平台的六条电动推杆；

六条所述电动推杆在静平台上绕其中心等角度分布，每条电动推杆的结构相同；

六条电动推杆一端通过万向节与静平台连接，另一端通过球副与变直径运动平台的齿轮箱体单元连接。

优选地，所述变直径运动平台包括六个对称齿轮箱体单元、六个夹具、三个电机及电机座、六条外圈齿条、六条内圈齿条、六个齿轮和轴承；

六个对称的所述对称齿轮箱体单元绕其中心等角度分布，六个对称齿轮箱体单元成对出现，通过内圈齿条和外圈齿条将六个对称齿轮箱体单元连接。

优选地，所述对称齿轮箱体单元上含有球副槽盖与对称齿轮箱体单元外侧固连，在对称齿轮箱体单元内侧设有夹具固定槽，对称齿轮箱体单元与外圈齿条以及内圈齿条的外端部均采用圆形榫卯槽相连，且上下分为两个槽位，中间隔开以防止上下排列的齿条互相干涉。

优选地，在所述对称齿轮箱体单元的内外侧上下方各有轴承固定槽位，齿轮通过刚性销轴与上下两轴承固定；

每个所述对称齿轮箱体单元内侧均设有夹具固定槽，可通过销轴固定夹具。

优选地，所述对称齿轮箱体单元外侧预留电机固定孔位，结合电机座，其上放置电机，三个带有电机的对称齿轮箱体单元均匀间隔分布在六个对称齿轮箱体单元之中。

优选地，所述变直径运动平台包括三个单齿轮箱体单元，六个夹具、三个电机及电机座，三条Z字形外圈齿条、三条Z字形内圈齿条、三个齿轮和轴承；

三个所述单齿轮箱体单元绕其中心等角度120°分布，通过Z字形内圈齿条和Z字形外圈齿条将三个单齿轮箱体单元连接。

优选地，所述单齿轮箱体单元上含有球副槽盖与单齿轮箱体单元外侧固连，在单齿轮箱体单元内侧设有夹具固定槽，单齿轮箱体单元与Z字形外圈齿条以及Z字形内圈齿条的外端部均采用圆形榫卯槽相连，且上下分为两个槽位，中间隔开以防止上下排列的齿条互相干涉。

优选地，在所述单齿轮箱体单元的内外侧上下方各有轴承固定槽位，齿轮通过刚性销轴与上下两轴承固定。

每个所述单齿轮箱体单元内侧设有夹具固定槽，可通过销轴固定夹具。

优选地，所述单齿轮箱体单元外侧预留电机固定孔位，结合电机座，其上放置电机。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明相较于串联机械手使用6-UPSGough-Stewart并联机构有更好的刚度和更高的稳定性，能够实现小范围工作空间内的精准抓取定位操作。

本发明充分利用6-UPS Gough-Stewart并联机构，设计了独特的齿轮齿条组结构以实现平台直径可变以获得较一般并联机构更大的工作空间。

同时，通过这种运动平台直径可调的设计以及平台中部掏空的设计，提升了机械手的抓取能力和通用性。

本发明涉及两种不同构型的齿轮箱体设计，具备显著的可扩展性和广泛的应用范围。

首先，在第一种构型中，齿轮箱体的双数存在为核心特征，这使得机械结构能够很容易地实现其它双数数量的支腿构型的并联机构。例如，根据需要，可设计为四个支链即四条支腿、运动平台搭载四个球副铰点的并联结构。再例如，也可以扩展到八个支链的并联机构，另外运动平台的球副铰点也可换为万向节也可达到相同的效果。

其次，在第二种构型中，可安排任意数量的箱体，不限于单数、双数数量的支链数，并在这些箱体上开设任意数量的球副槽位。这种设计的巧妙之处在于，它能够实现多种不同的并联构型，例如三支腿、四支腿、五只腿等等。这种多样性使得机械系统能够适应各种复杂任务和工作环境，为不同应用需求提供量身定制的解决方案。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明第一种构型结构示意图；

图2为本发明对称齿轮箱体单元内部拆分结构示意图；

图3为本发明图2中的放大结构示意图；

图4为本发明第二种构型结构示意图；

图5为本发明单齿轮箱体单元内部拆分结构示意图；

图6为本发明图5中的放大结构示意图；

图7为本发明六齿轮箱体并联机械手的工作原理示意图；

图8为本发明三齿轮箱体并联机械手的工作原理示意图。

图9为本发明两种构型伸缩原理简图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：

第一种构型：六齿轮箱体并联机械手，如图1-3，机构由三部分组成，分别是静平台，变直径运动平台，连接两平台的六条电动推杆。

六条电动推杆在静平台上绕其中心等角度分布，每条电动推杆的结构相同。六条电动推杆一端通过万向节与静平面连接，另一端通过球副与变直径平台的对称齿轮箱体单元1连接。

六齿轮箱体并联机械手的变直径运动平台由六个对称齿轮箱体单元1，六个夹具16、三个电机及电机座13、六条外圈齿条11、六条内圈齿条2、六个齿轮4、十二个轴承5组成。

六个对称齿轮箱体单元1绕其中心等角度分布，六个对称齿轮箱体单元1成对出现。通过内圈齿条2和外圈齿条11将六个对称齿轮箱体单元1连接。

六齿轮箱体并联机械手的对称齿轮箱体单元1成对出现，内部结构上互为镜像，在对称齿轮箱体单元1上含有球副槽盖与对称齿轮箱体单元1外侧固连、在对称齿轮箱体单元1内侧设有夹具固定槽7、对称齿轮箱体单元1分别与外圈齿条11和内圈齿条2的一端均采用圆形榫卯槽相连，且上下分为两个槽位，中间隔开以防止上下排列的齿条互相干涉。

在成对出现的对称齿轮箱体单元1中，内外侧对称齿轮箱体单元1上下方各有轴承固定槽位，齿轮4通过刚性销轴与上下两轴承5固定。

每个对称齿轮箱体单元1内侧设有夹具固定槽7，可通过销轴固定圆形夹具16。

对称齿轮箱体单元1外侧预留电机固定孔位，结合电机座，其上可放置电机。三个带有电机的对称齿轮箱体单元1均匀分布在六个对称齿轮箱体单元1之中。此外，每个对称齿轮箱体单元1预留电机固定孔位，可根据实际需求确定作为驱动的对称齿轮箱体单元的数量。

内外齿条的材料选取可保持一定刚度又具有一定的弯曲柔韧性材料，可采用3D打印的PLA耗材或弹簧钢片内贴同步带的形式构建。

第二种构型：三齿轮箱体并联机械手，如图3-6所示，机构由三部分组成，分别是静平台，变直径平台，连接两平台的六条电动推杆。

六条电动推杆在静平台上绕其中心等角度分布，每条电动推杆的结构相同。六条电动推杆一端通过万向节与静平面连接，另一端通过球副与变直径平台的单齿轮箱体单元18连接。

三齿轮箱体并联机械手的变直径运动平台由六个单齿轮箱体单元18，三个电机及电机座13，三条Z字形外圈齿条19、三条Z字形内圈齿条20、三个齿轮4、六个轴承5组成。

三个单齿轮箱体单元18绕其中心等角度120°分布。通过Z字形内圈齿条20和Z字形外圈齿条19将三个单齿轮箱体单元连接。每个单齿轮箱体单元18内侧设有夹具固定槽7。

三齿轮箱体并联机械手的单齿轮箱体单元18可单独出现，内部结构相同，在单齿轮箱体单元18上含有球副槽盖与单齿轮箱体单元18外侧固连、在单齿轮箱体单元18内侧设有夹具固定槽7、单齿轮箱体单元18分别与Z字形外圈齿条19和Z字形内圈齿条20的一端与均采用圆形榫卯槽相连，且上下分为两个槽位，中间隔开以防止上下排列的齿条互相干涉。

在单独出现的单齿轮箱体单元18中，内外侧单齿轮箱体单元18上下方各有轴承固定槽位，齿轮4通过刚性销轴与上下两轴承5固定。

每个单齿轮箱体单元18内侧设有夹具固定槽7。

单齿轮箱体单元18外侧预留电机固定孔位，结合电机座，其上可放置电机。此外，每个单齿轮箱体单元18预留电机固定孔位，可根据实际需求确定作为驱动的单齿轮箱体单元18的数量。

内外齿条的材料选取可保持一定刚度又具有一定的弯曲柔韧性材料，可采用3D打印的PLA耗材或弹簧钢片内贴同步带的形式构建。

工作原理：如图7-8所示。

第一种构型：六齿轮箱体并联机械手

步骤1：实线椭圆框和虚线椭圆框所框选的齿轮箱体为一对；

步骤2：同直径相邻的两个内圈齿条2在箱体内侧为上下排布，同直径相邻的两个外圈齿条11在箱体外侧同为上下排布；

步骤3：以齿轮4作为主动件，则可称实线椭圆框内的对称齿轮箱体单元1为主动箱体、虚线椭圆框内的齿轮箱体为被动箱体，同时其它部件均可被视为被动件；

步骤4：当齿轮4按照实线箭头方向顺时针转动，将带动内圈齿条2按照其下方的实线箭头逆时针转动；

步骤5：由于内圈齿条2与虚线椭圆框中的被动箱体固连，因此内圈齿条2将带动该被动箱体逆时针转动；

步骤6：同时与主动箱体固连的外圈齿条11将相对于被动箱体沿其下方虚线箭头顺时针转动，并带动另一个齿轮做顺时针转动；

步骤7：同时，另一个齿轮带动另一个内圈齿条2做逆时针转动；

步骤8：两个齿轮4的同时转动，将带动外圈齿条11和内圈齿条2转动；

步骤9：且由于外圈齿条11与内圈齿条2各自下方的虚线圆框中的键销与其它被动箱体固连形成闭环，最终完成六个齿轮箱体同时向内收缩，反之变换驱动动齿轮的转动方向便能完成六个齿轮箱体同时向外扩张，实现球副铰点间的直径变化。

第二种构型：三齿轮箱体并联机械手

步骤1： 具体由齿轮箱体与内外侧齿条组成。齿条内侧分上下两排，为“Z”字型结构。同理，外侧也有上下两排，为“Z”字型结构；

步骤2：对于下方齿轮箱体，具体分为内外侧齿轮箱体。内侧齿轮箱体上半部圆圈部分与上排内圈齿条固连，下半部分与下排内圈齿条贴合。外侧齿轮箱体下半部圆圈部分与下排外圈齿条固连，上半部分与上排内圈齿条贴合；

步骤3：内侧齿轮箱体通过夹具固定槽7可连接夹具；

步骤4：齿轮箱体中齿轮4放置在箱体中间位置；

步骤5：当齿轮4按照实线箭头方向顺时针转动时，将带动Z字形外圈齿条19按照其上方的实线箭头逆时针转动、Z字形内圈齿条20按照其下方实线箭头顺时针转动；

步骤7：由于Z字形内圈齿条20和Z字形外圈齿条19与其它单齿轮箱体固连形成闭环，最终完成三个齿轮箱体同时向内收缩；

步骤9：反之变换驱动动齿轮的转动方向便能完成三个齿轮箱体同时向外扩张，实现球副铰点间的直径变化。

两种构型异同比较

首先，运动传动部件对称齿轮箱体单元变为三分结构的对称齿轮箱体单元，其次内外圈齿条变为内外圈交错齿条，机构原理与上类同。

以下阐述两种构型区别：

箱体结构的不同：在第一种构型中，齿轮箱体需成对出现的，一对齿轮箱体的内部结构是相对镜像的，一对齿轮箱体中的与齿条的榫卯固定点在实线椭圆框框选的箱体单元中为内侧左下、外侧右上，虚线椭圆框框选的箱体单元中为内侧左上，外侧右下处；在第二中构型中，三个齿轮箱体的结构均相同。

齿条设计的不同：在第一种构型中，由于与成对的箱体结构的设计，每个箱体上要挂载一对内外圈齿条，整个机构需要12条齿条。在第二种构型中，为了完成相同结构的三个箱体的联动，将齿条设计为上下交错构型，避免齿条槽位间的干涉，完成联动（同时收缩/扩张）。

收缩范围的不同：如图9所示，第一种构型两箱体间能完成0~22°的收缩，第二种两箱体间能完成0~40°的收缩；收缩角度ω与半径r关系式如下：

R为最大半径。如若R=190，，r=120.3~190；R=190，/>，r=63.3~190°

平台铰点位置的不同：以加粗实线圆圈标明铰点位置，内圈虚线圆圈为收缩后的圆位置示意图，第一种构型设计为两球副铰点间为60°固定，且无论是收缩还是扩张均固定为60°；第二种构型两球副铰点间的角度可随需求设计，但在收缩/扩张的过程中，两球副铰点（槽点）间的角度将是变化的，公式如下：

α为最大直径下的两球副铰点间角度，β为直径变化后两球副铰点间角度。

运动平台变直径的实现原理：

第一种构型可概括为齿轮齿条相互啮合，每个对称齿轮箱体单元均挂载有一内圈齿条和一外圈齿条，六个对称齿轮箱体单元相互联结形成闭环，完成伸缩。

在提升传统6-UPS Gough-Stewart 并联机构工作空间的同时实现了适应不同类型工件形状的需求。

第二种构型可概括为齿轮齿条相互啮合，每个单齿轮箱体单元均挂载有一Z字形内圈齿条和一Z字形外圈齿条，六个单齿轮箱体单元相互联结形成闭环，完成伸缩。

在提升传统6-UPS Gough-Stewart 并联机构工作空间的同时实现了适应不同类型工件形状的需求。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (7)

1.一种可变直径的6-UPS并联机械手，其特征在于：机械手由三部分组成，分别是静平台、变直径运动平台以及六条电动推杆；所述六条电动推杆连接静平台和变直径运动平台；

六条所述电动推杆在静平台上绕静平台的中心等角度分布，每条电动推杆的结构相同；

六条电动推杆一端通过万向节与静平台连接，另一端通过球副与变直径运动平台的齿轮箱体单元连接；

所述变直径运动平台包括六个对称齿轮箱体单元、六个夹具、三个电机及电机座、六条外圈齿条、六条内圈齿条、六个齿轮和轴承，

六个所述对称齿轮箱体单元绕静平台的中心等角度分布，通过内圈齿条和外圈齿条将六个对称齿轮箱体单元相互连接形成闭环，三个电机及电机座分别设置在三个所述对称齿轮箱体单元上，且设有电机及电机座的所述对称齿轮箱体单元与不设有电机及电机座的所述对称齿轮箱体单元间隔设置，相邻的两个内圈齿条在同一个对称齿轮箱体单元上上下排布，相邻的两个外圈齿条在同一个对称齿轮箱体单元上上下排布，对称齿轮箱体单元与外圈齿条以及内圈齿条的外端部均采用圆形榫卯槽相连，且用于放置外圈齿条的两个圆形榫卯槽上下分布中间隔开以防止相邻的两个外圈齿条互相干涉，用于放置内圈齿条的两个圆形榫卯槽上下分布中间隔开以防止相邻的两个内圈齿条互相干涉，

设有电机及电机座的所述对称齿轮箱体单元与其相邻的一个不设有电机及电机座的所述对称齿轮箱体单元为一对，六个对称齿轮箱体单元共分为三对，一对中设有电机及电机座的所述对称齿轮箱体单元为主动箱体，不设有电机及电机座的所述对称齿轮箱体单元为被动箱体，主动箱体中的外圈齿条与主动箱体固连，主动箱体中的齿轮为主动件，当主动件转动时，带动与其啮合的内圈齿条转动，由于所述与其啮合的内圈齿条与被动箱体固连，所述与其啮合的内圈齿条带动所述被动箱体转动，同时由于主动箱体中的齿轮带动与其啮合的外圈齿条转动，外圈齿条相对于被动箱体转动，并带动被动箱体中的齿轮转动，从而带动被动箱体中与所述被动箱体中的齿轮啮合的外圈齿条和内圈齿条转动；

或，所述变直径运动平台包括三个单齿轮箱体单元，六个夹具、三个电机及电机座，三条Z字形外圈齿条、三条Z字形内圈齿条、三个齿轮和轴承，

三个所述单齿轮箱体单元绕静平台的中心等角度120°分布，通过Z字形内圈齿条和Z字形外圈齿条将三个单齿轮箱体单元相互连接形成闭环，

所述单齿轮箱体单元分为内侧齿轮箱体和外侧齿轮箱体，Z字形外圈齿条分为上排外圈齿条和下排外圈齿条，形成Z字形，Z字形内圈齿条分为上排内圈齿条和下排内圈齿条，形成Z字形，内侧齿轮箱体上半部与上排内圈齿条固连，下半部分与下排内圈齿条贴合，外侧齿轮箱体下半部与下排外圈齿条固连，上半部分与上排外圈齿条贴合，

在单齿轮箱体单元内侧设有夹具固定槽，单齿轮箱体单元与Z字形外圈齿条以及Z字形内圈齿条的外端部均采用圆形榫卯槽相连，且内侧齿轮箱体的圆形榫卯槽上下分布中间隔开以防止两个Z字形内圈齿条互相干涉，外侧齿轮箱体的圆形榫卯槽上下分布中间隔开以防止两个Z字形外圈齿条互相干涉。

2.根据权利要求1所述的一种可变直径的6-UPS并联机械手，其特征在于：所述对称齿轮箱体单元上含有球副槽盖与电动推杆的球副连接。

3.根据权利要求1所述的一种可变直径的6-UPS并联机械手，其特征在于：在所述对称齿轮箱体单元的内侧的上下位置各有轴承固定槽位，齿轮通过刚性销轴分别与上轴承和下轴承固定；

每个所述对称齿轮箱体单元内侧均设有夹具固定槽，通过销轴固定夹具。

4.根据权利要求1所述的一种可变直径的6-UPS并联机械手，其特征在于：所述对称齿轮箱体单元外侧预留电机固定孔位，结合电机座，其上放置电机。

5.根据权利要求1所述的一种可变直径的6-UPS并联机械手，其特征在于：所述单齿轮箱体单元上含有球副槽盖与电动推杆的球副连接。

6.根据权利要求1所述的一种可变直径的6-UPS并联机械手，其特征在于：在所述单齿轮箱体单元的内外侧上下方各有轴承固定槽位，齿轮通过刚性销轴与上轴承和下轴承固定，每个所述单齿轮箱体单元内侧设有夹具固定槽，可通过销轴固定夹具。

7.根据权利要求1所述的一种可变直径的6-UPS并联机械手，其特征在于：所述单齿轮箱体单元外侧预留电机固定孔位，结合电机座，其上放置电机。