CN201592434U - 一种新型六自由度并联机器人装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种新型六自由度并联机器人装置。该装置包括静平台、六个支链和动平台；静平台包括三根平行的纵梁，其中间嵌设有横板，使三根纵梁连接为一个整体，并形成六根导轨，六个支链分别设在每个导轨上；动平台包括由连接杆连接成整体的上面板和下底板；每个支链包括一块滑块、两个球铰总成和一个连杆总成；滑块配合设于导轨上；六个支链中的六个球铰总成分别连接着六块滑块；三个球铰总成分别均布于上面板上，另三个球铰总成分别均布于下底板上；每个连杆总成两端则与球铰总成形成球铰连接。本实用新型动力学特性良好；采用球铰链，简化了结构；动平台上的球铰座分层均布，减少了发生支链干涉的可能性；逆解唯一，便于在线实时控制。

Description

一种新型六自由度并联机器人装置

技术领域

本实用新型涉及一种新型六自由度并联机器人装置。

背景技术

为了满足空间复杂曲面的加工或沿复杂空间轨迹举升重物等工程应用的功能要求，方案选型中可采用并联机器人机构来实现这种“空间移动和多方位转动”的复合运动。而在并联机器人中一般实现转动，常用转动铰链，胡克铰链，其优点是结构简单，但实现的相对转动数至多为2，在空间机构中运用球铰链可以实现3个方位的转动，但并联机构中大量使用球铰则很少。如中国专利CN1256220C公开的一种六自由度并联机器人装置，用转动副加连杆等效球铰链，结构复杂。

由空间机构“型综合”理论，使用12个球铰链可以得到一种新型六自由度并联机器人装置，它由静平台、动平台及6条支链组成。其6支链均为PSS(P指移动副，S指球副)形式，即，各支链杆两端分别通过球副与动平台及滑块相连且球铰中心在动平台上不共面(即台体型)，而6个滑块与静平台则形成移动副。由6个伺服电动机分别驱动滑块，即可实现动平台不同位置和姿态的运动(即“空间移动和多方位转动”的复合运动)——这种运动完全可以满足空间复杂曲面的加工或沿复杂空间轨迹举升重物等工程应用的功能要求。

实用新型内容

为了避免用“转动副加连杆等效球铰链”所导致的空间机构的人为复杂性，依据空间机构“型综合”理论，使用12个球铰链构建一种新型六自由度并联机器人装置以满足空间复杂曲面的加工或沿复杂空间轨迹举升重物等工程应用的复合运动功能要求，本实用新型提供一种一种新型六自由度并联机器人装置。

本实用新型的具体结构设计方案如下：

一种新型六自由度并联机器人装置包括静平台、六个支链和动平台；

所述静平台包括三根互相平行的横截面为多边形的纵梁，每根纵梁的上部为凸出的倒V形导轨；三根纵梁中间分别设有凹槽，凹槽内嵌设有横板1G，使三根纵梁固定连接为一个整体；横板1G两侧的三根纵梁分别形成六根导轨，六个支链分别设在每个导轨上；

所述动平台包括上面板I0H、连接杆10I和下底板10J，连接杆10I通过螺纹连接将上面板10H和下底板10J固定连接为一个整体；

每个支链包括一块滑块、两个球铰总成和一个连杆总成；所述滑块为长方体，其底部设与纵梁凸槽配合的内凹V形槽；

所述球铰总成包括球铰座外壳、上球碗、下球碗和弹簧，球铰座外壳为台阶状圆柱筒，其顶部设有上大下小的喇叭口，上球碗、下球碗和弹簧由上至下依次设于其内，上球碗和下球碗内均设有半球形孔，上球碗的半球形孔和下球碗的半球形孔组成球形孔，上球碗的半球形孔上部连通着倒喇叭形孔口，上球碗的倒喇叭形孔口对应连通着球铰座外壳上喇叭口；其下部的外圆周上均布设有两个以上的安装孔；

六个支链中的六个球铰总成通过球铰座外壳分别固定设于六块滑块顶部，六块滑块分别配合设于六根导轨上；三个球铰总成分别通过球铰座外壳均布固定在上面板10H底面，另三个球铰总成分别通过球铰座外壳均布固定在下底板10J底面；

每个连杆总成包括上接杆、下接杆和杆体，上接杆和下接杆外端均为球形，其内端则为外螺纹；杆体为圆柱形杆，两端均为内螺纹杆且两端螺纹旋向相反，上接杆和下接杆通过螺纹连接着杆体；

六个支链中的六根连杆总成的下接杆球形端分别位于六块滑块上的球铰总成的上球碗和下球碗组成的球形孔内形成球铰连接；位于静平台横板1G一侧中部导轨上的连杆总成球形端和另一侧两边导轨上的两根连杆总成球形上端分别连接着上面板10H上的三个球铰总成的上球碗和下球碗组成的球形孔内形成球铰连接，另外三根上接杆的球形端分别位于下底板10J上三个球铰总成的上球碗和下球碗组成的球形孔内形成球铰连接。

该新型六自由度并联机器人装置是一种目前研究较少的新机构，它具有逆解唯一的特点。必须指出，大多数并联机构逆解数是不具有唯一性的，这种逆解的多解必然导致在线实时控制的实现复杂、困难，由于机器人的在线实时控制要计算逆解，因此与广泛研究的其它并联机构相比，本实用新型更易于实现在线实时控制；另一方面本实用新型采用了台体型结构，在动平台上分层均布球铰座，从而减少了发生支链干涉的可能性；本实用新型采用6个支链，每个支链由一个移动副和两个球副形成，即，各支链杆两端分别通过球副与动平台及滑块相连且球铰中心在动平台上不共面(即台体型)，而6个滑块与静平台则形成移动副。该装置可以将6个滑块的移动运动转化为“空间复杂曲面加工或沿复杂空间轨迹举升重物”等工程应用时所要求的空间运动。

与现有技术相比本实用新型有益技术效果体现在以下方面：

(1)伺服电动机和减速器均布置在静平台上，机器人运动时不产生附加惯性力，因此有良好的动力学特性。

(2)舍弃了“转动副加连杆等效球铰链”的方案，直接采用球铰链，简化了结构。

(3)动平台上的球铰座分层均布，减少了发生支链干涉的可能性。

(4)逆解唯一，便于在线实时控制。

附图说明

图1为本实用新型总装配结构前视图，

图2为本实用新型总装配结构后视图，

图3为静平台与滑块相对位置示意图，

图4为滑块示意图，

图5为上、下球铰总成示意图，

图6为连杆总成示意图，

图7为动平台总成示意图，

图8为上球铰座与动平台定位关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本实用新型作进一步地说明。

实施例：

参见图1、图2、图3、图4、图5、图6，图7和图8，一种新型六自由度并联机器人装置包括静平台、六个支链和动平台。

静平台包括三根互相平行的横截面为多边形的纵梁，每根纵梁的上部为凸出的倒V形导轨；三根纵梁中间分别设有凹槽，凹槽内嵌设有横板1G，使三根纵梁固定连接为一个整体；横板1G两侧的三根纵梁分别形成六根导轨，即导轨1A、导轨1B、导轨1C、导轨1D、导轨1E和导轨1F，见图3；六个支链分别设在每个导轨上。

动平台包括上面板10H、连接杆10I和下底板10J，连接杆10I通过螺纹连接将上面板10H和下底板10J固定连接为一个整体，见图7；

每个支链包括一块滑块、两个球铰总成和一个连杆总成；滑块为长方体，其底部设与纵梁凸槽配合的内凹V形槽，见图4；

球铰总成包括球铰座外壳3、上球碗4、下球碗5和弹簧6，球铰座外壳为台阶状圆柱筒，其顶部设有上大下小的喇叭口，上球碗、下球碗和弹簧由上至下依次设于其内，上球碗和下球碗内均设有半球形孔，上球碗的半球形孔和下球碗的半球形孔组成球形孔，上球碗的半球形孔上部连通着倒喇叭形孔口，上球碗的倒喇叭形孔口对应连通着球铰座外壳上喇叭口；其下部的外圆周上均布设有两个以上的安装孔，见图5；

滑块2A、滑块2B、滑块2C、滑块2D、滑块2E和滑块2F分别配合安装于导轨1A、导轨1B、导轨1C、导轨1D、导轨1E和导轨1F上，见图3；六个支链中的六个球铰总成通过球铰座外壳分别固定安装于六块滑块顶部，三个球铰总成分别通过球铰座外壳均布固定在上面板10H底面，另三个球铰总成分别通过球铰座外壳均布固定在下底板10J底面；

每个连杆总成包括上接杆9、下接杆7和杆体8，见图6，上接杆和下接杆外端均为球形，其内端则为外螺纹；杆体为圆柱形杆，两端均为内螺纹杆且两端螺纹旋向相反，上接杆9和下接杆7通过螺纹连接着杆体8；

六个支链中的六根连杆总成的下接杆7的球形端分别位于六块滑块上的球铰总成的上球碗4和下球碗5组成的球形孔内形成球铰连接；位于静平台横板1G一侧中部导轨上的连杆总成球形端和另一侧两边导轨上的两根连杆总成球形上端分别连接着上面板10H上的三个球铰总成的上球碗和下球碗组成的球形孔内形成球铰连接，另外三根上接杆的球形端分别位于下底板10J上三个球铰总成的上球碗和下球碗组成的球形孔内形成球铰连接。

动平台连接杆10I在固定连接上面板10H和下底板10J时，应使球铰座与动平台满足下述“分层均布”的定位关系，见图8：

(1)上面板10H上的三个球铰座，应布置在圆周3等分分角线与上面板10H的圆周定位线10H1的交点处；

(2)下面板10J上的三个球铰座，应布置在圆周3等分分角线与下面板10J的圆周定位线10J1的交点处；

(3)上面板10H上的三个球铰座和下面板10J上的三个球铰座，应按逆时针均匀交错布置在圆周6等分分角线上。

理论分析和计算机仿真表明，上球铰座与动平台相对定位中采用“分层均布”策略可有效的避免支链干涉。

通过六个伺服电机驱动减速器和丝杆，使六个滑块，即滑块2A、滑块2B、滑块2C、滑块2D、滑块2E和滑块2F沿静平台导轨即导轨1A、导轨1B、导轨1C、导轨1D、导轨1E和导轨1F移动，从而使动平台的上面板10H、连接杆10I和下底板10J获得不同的空间位置和姿态。实现空间复杂曲面的加工或沿复杂空间轨迹举升重物等工程应用要求。

本实用新型所涉及的一种新型六自由度并联机器人装置为闭环空间机构，一般地，若在三维空间中有n个完全不受约束的物体，并且任选其中的一个为固定参照物(机架)，因每个物体相对该参照物都有6个运动自由度，则n个物体相对固定参照物共有6(n-1)个运动自由度。若在所有的物体之间用运动副连接起来，设第i个运动副的约束为u_i，此约束视其类型、性质可以取1和5之间的数值，如果所有个物体之间的运动副数目为g，则这时的构件自由运动自由度应减去所有的约束数的总和方为该机构自由度：

$F=6(n-1)-\underset{i=1}{\overset{g}{\mathrm{\Σ}}}{u}_i---\left(1\right)$

这里F表示自由度。在一般情况下，上式中的u_i可以用(6-f_i)代之，而f_i则为第i个运动副的相对自由度数：

$F=6(n-g-1)+\underset{i=1}{\overset{g}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i---\left(2\right)$

这就是一般形式的空间机构自由度计算公式——Kutzbach Grübler公式。

在本实用新型所涉及的一种新型六自由度并联机器人装置中，n＝13；g＝18；6个滑块共6个自由度，又，6个支链杆两端共12个球面副，每个球面副的自由度为3，故，代入式(2)计算得该并联机构自由度F＝6。即该机器人需要6个主动件，由6个伺服电动机产生。

Claims (1)

1.一种新型六自由度并联机器人装置，其特征在于：包括静平台、六个支链和动平台；

所述静平台包括三根互相平行的横截面为多边形的纵梁，每根纵梁的上部为凸出的倒V形导轨；三根纵梁中间分别设有凹槽，凹槽内嵌设有横板(1G)，使三根纵梁固定连接为一个整体；横板(1G)两侧的三根纵梁分别形成六根导轨，六个支链分别设在每个导轨上；

所述动平台包括上面板(10H)、连接杆(10I)和下底板(10J)，连接杆(10I)通过螺纹连接将上面板(10H)和下底板(10J)固定连接为一个整体；

每个支链包括一块滑块、两个球铰总成和一个连杆总成；所述滑块为长方体，其底部设与纵梁凸槽配合的内凹V形槽；

所述球铰总成包括球铰座外壳、上球碗、下球碗和弹簧，球铰座外壳为台阶状圆柱筒，其顶部设有上大下小的喇叭口，上球碗、下球碗和弹簧由上至下依次设于其内，上球碗和下球碗内均设有半球形孔，上球碗的半球形孔和下球碗的半球形孔组成球形孔，上球碗的半球形孔上部连通着倒喇叭形孔口，上球碗的倒喇叭形孔口对应连通着球铰座外壳上喇叭口；其下部的外圆周上均布设有两个以上的安装孔；

六个支链中的六个球铰总成通过球铰座外壳分别固定设于六块滑块顶部，六块滑块分别配合设于六根导轨上；三个球铰总成分别通过球铰座外壳均布固定在上面板(10H)底面，另三个球铰总成分别通过球铰座外壳均布固定在下底板(10J)底面；

每个连杆总成包括上接杆、下接杆和杆体，上接杆和下接杆外端均为球形，其内端则为外螺纹；杆体为圆柱形杆，两端均为内螺纹杆且两端螺纹旋向相反，上接杆和下接杆通过螺纹连接着杆体；

六个支链中的六根连杆总成的下接杆球形端分别位于六块滑块上的球铰总成的上球碗和下球碗组成的球形孔内形成球铰连接；位于静平台横板(1G)一侧中部导轨上的连杆总成球形端和另一侧两边导轨上的两根连杆总成球形上端分别连接着上面板(10H)上的三个球铰总成的上球碗和下球碗组成的球形孔内形成球铰连接，另外三根上接杆的球形端分别位于下底板(10J)上三个球铰总成的上球碗和下球碗组成的球形孔内形成球铰连接。

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