CN1528566A - 一种与位置机构运动解耦的机器人姿态调节手腕机构 - Google Patents

一种与位置机构运动解耦的机器人姿态调节手腕机构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种机器人姿态调节机构，该机构具有两个或三个转动自由度，包含了一个特别设计的连杆机构，这个连杆机构又由两个平行四边形机构组成。利用该手腕机构进行机器人的姿态调节时，机器人手部工作点的空间位置保持不变，实现了机器人位置机构与姿态调节机构的运动解耦，解决了传统的姿态调节机构与位置机构存在非线性运动耦合的问题，极大地简化了机器人的运动分析和控制算法。

Description

一种与位置机构运动解耦的机器人姿态调节手腕机构
技术领域
本发明属于机器人制造领域，涉及机器人机械结构或机器人手腕机构，特别涉及一种与位置机构运动解耦的机器人姿态调节手腕机构。
背景技术
工业机器人通常由机械系统、控制系统和智能系统三个部分组成。机械系统又分为执行机构和驱动机构，其中执行机构一般由手部、腕部、臂部、腰部和基座组成。
机器人腕部(即手腕)是臂部与手部的连接部件，是机器人的姿态调节机构，是工业机器人操作机中最复杂的部件。手腕按自由度个数可分为单自由度手腕，二自由度手腕和三自由度手腕。为了使手部能处于空间任意方向，要求腕部具有三个自由度。但采用几个自由度的手腕，应根据机器人的工作性能和工作需要来确定。
机器人手腕的典型结构主要有由液压马达直接驱动的手腕机构和由齿轮传动构成的手腕机构两大类。对于后一类，根据齿轮传动形式的不同，又有球面齿轮、直齿轮和锥齿轮等。目前使用较多的三自由度手腕，大多采用多轴差动轮系构成。
上述各种手腕机构与机器人的位置机构存在非线性运动耦合，也就是说，在进行手部姿态调节时将改变机器人手部的空间位置，因此，必须要在控制算法中加以补偿，位置控制算法相对比较复杂。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种与机器人位置机构运动解耦的机器人姿态调节手腕机构。
实现上述发明目的的技术解决方案是，一种与位置机构运动解耦的机器人姿态调节手腕机构，其特点是，该机器人姿态调节手腕由回转轴AD和设置在回转轴AD上的连杆机构构成；连杆机构的基本结构形式由五个活动构件和七个回转运动副构成。利用该手腕机构进行机器人的姿态调节时，机器人手部工作点的空间位置保持不变，使得机器人的位置机构与姿态调节机构互不影响，实现了位置机构与姿态调节机构的运动解耦。
该与位置机构运动解耦的机器人姿态调节手腕机构，由两个或者三个转动自由度构成，机器人姿态调节机构的两个或三个回转轴汇交于一点。
本发明的机器人姿态调节机构，可以选择使其具有两个或三个转动自由度，利用该手腕机构进行机器人的姿态调节时，机器人手部工作点的空间位置保持不变，实现了机器人位置机构与姿态调节机构的运动解耦，解决了传统的姿态调节机构与位置机构存在非线性运动耦合的问题，极大地简化了机器人的运动分析和控制算法。
附图说明
图1是本发明的机器人姿态调节手腕机构原理简图；
图2是姿态调节手腕在金属电弧喷涂快速制模机器人中的应用示意图；
图3是本发明的姿态调节机构回转轴汇交示意图；
具体实施方式
以下结合附图和发明人依本发明的技术方案给出的具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
1、与位置机构运动解耦的机器人姿态调节手腕机构原理
如图1所示，该机器人姿态调节手腕由回转轴AD、连杆机构ABCEFGD构成，具有两个自由度。图中末端执行器是金属电弧喷涂快速制模机器人的喷枪。根据末端执行器的需要，可以增加绕III轴轴线(平行于连杆机构EF杆)的回转自由度，从而构成三自由度手腕。
本发明所采用的连杆机构ABCEFGD的基本结构形式由五个活动构件和七个回转运动副构成，其中ABCD构成一个平行四边形机构，CEFG构成第二个平行四边形机构，五个活动构件构成了两个平行四边形机构。AB杆与CGD杆相互平行，BCE杆、FG杆及AD杆相互平行，EF杆与CGD杆平行，回转轴III固连于EF杆上且平行于EF杆。
该手腕机构的三个回转轴分别是I轴、II轴和III轴。其中II轴轴线是过轴线I与轴线III的交点P且垂直于由轴线I与轴线III所决定的平面一条直线，三轴轴线汇交于P点，P点就是机器人手部末端执行器的工作点位置，即机器人的工作点位置。
机器人手部工作点空间位置P由其位置机构确定，该点与手腕的三个回转轴线的汇交点，即I轴、II轴和III轴三轴轴线的交点重合。
该手腕机构的工作原理如下：连杆机构固连于回转轴I轴上，末端执行器固连于连杆机构的EF杆上，其回转轴线III与EF平行。I轴转动时，带动其上的II轴和III轴作绕I轴的回转运动。连杆机构的原动件可以选择AB或者DC杆，连杆机构原动件AB或DC作回转运动，即相当于II轴转动时，带动EF杆上的III轴作绕II轴轴线的回转运动。I轴与II轴协同运动，即可以使III轴作圆锥运动，锥顶就是I轴与III轴轴线的交点P，即三轴汇交点。I轴、II轴和III轴联动，就可以完成机器人的姿态调节，并且在姿态调节过程中，三轴汇交点P的空间位置保持不变，实现了姿态调节机构与机器人位置机构的运动解耦，可以极大简化机器人的运动分析与控制算法。
应当注意，平行四边形机构在原动件与机架共线的时候，存在运动不确定的点，必须设法加以限制。在将本发明应用于金属电弧喷涂快速制模机器人时，申请人采用双平行四边形机构克服了这个缺点。
2.本发明的姿态调节手腕在金属电弧喷涂快速制模机器人中的应用
金属电弧喷涂快速模具制造专用机器人，要求作业过程中喷枪轴线始终与工件表面，即母模表面保持垂直，并且喷枪工作点与模具表面的距离要求始终保持恒定。该机器人的姿态调节机构采用了本发明的姿态调节手腕，极大地简化了机器人的运动控制。
参见图2及图3，图2和图3给出了本发明的具体实现方法及注意事项。
图2是金属电弧喷涂快速模具制造专用机器人的手腕机构，该手腕机构的三个回转轴分别是I轴、II轴和III轴，末端执行器是执行金属电弧喷涂作业的喷枪，无需转动，其轴线为III，所以该手腕机构为具有两个回转自由度的姿态调节机构。I轴轴线与III轴轴线共面(见图2所示)且相交于P点，II轴轴线过P点且垂直于I轴和III轴所在平面。三轴线的汇交点P就是机器人手部末端执行器——喷枪的工作点位置，这个工作点位置由机器人的位置机构进行控制。喷枪在工作过程中需要始终垂直于工件的表面，并且要保持与工件表面的距离不变，本发明的手腕机构在进行姿态调节时能够保持机器人手部工作点的空间位置不变，能够很好地满足金属电弧喷涂作业的需要。由于本发明的手腕机构实现了机器人位置机构与姿态调节机构的运动解耦，解决了传统的姿态调节机构与位置机构存在非线性运动耦合的问题，所以极大地简化了机器人的运动分析和控制算法。
本发明的机器人姿态调节手腕机构包含一个特殊的连杆机构，这个连杆机构又由两个平行四边形机构组成，而平行四边形机构在连杆与机架共线的位置存在运动不确定现象，因此必须要设法克服。常用的解决方法是利用在相位上相差一定角度的两个平行四边形机构来克服这种运动不确定现象，金属电弧喷涂快速模具制造专用机器人就采用了这样的结构。

Claims (3)

1.一种与位置机构运动解耦的机器人姿态调节手腕机构，其特征在于，该机器人姿态调节手腕由回转构件AD和固连于回转构件AD上的连杆机构组成：
连杆机构ABCEFGD的基本结构形式由AB杆、CD杆、BCE杆、FG杆及AD杆五个活动构件和A、B、C、D、E、F及G七个回转运动副构成；其中ABCD构成一个平行四边形机构，CEFG构成第二个平行四边形机构，五个活动构件构成了两个平行四边形机构；AB杆与CGD杆相互平行，BCE杆、FG杆及AD杆相互平行，EF杆与CGD杆平行；机器人手部与EF杆固连，如果需要作绕其自身轴线的转动，其转动轴线平行于EF杆；
该手腕机构的三个回转轴分别是I轴、II轴和III轴，I轴轴线与III轴轴线共面且相交于P点，II轴轴线过P点且垂直于I轴和III轴所在平面；三轴线的汇交点P就是机器人手部末端执行器的工作点位置。
2.如权利要求1所述的与位置机构运动解耦的机器人姿态调节手腕机构，其特征在于，机器人末端执行器的工作点空间位置P由其位置机构确定，该点与手腕的三个回转轴线的汇交点，即I轴、II轴和III轴三轴轴线的交点重合，即机器人的工作点位置与手腕上三个轴线的汇交点为同一点。
3.如权利要求1所述的与位置机构运动解耦的机器人姿态调节手腕机构，其特征在于，根据需要可以增加绕III轴轴线的回转自由度，构成三自由度机器人姿态调节手腕机构。
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