CN100410029C - 可实现整周回转的四自由度混联抓放式机器人机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现整周回转的四自由度混联抓放式机器人，其构成包括机座和设置在机座上的第一、第二支链以及执行装置；所述的第一支链包括第一驱动装置、第一驱动轴、第一主动臂以及与第一主动臂铰接的第一从动臂；所述的第二支链包括第二驱动装置、第二驱动轴、第二主动臂以及与第二主动臂铰接的第二从动臂；所述的执行装置包括第三驱动装置、第三驱动轴、两个传动装置、直线运动驱动装置以及末端执行器；所述第一从动臂与第二从动臂的末端通过第三销轴铰接；所述的第一驱动轴、第二驱动轴和第三驱动轴采用同轴设置方式。本发明的优点是：有利于减轻运动部件的质量，能够实现执行装置的整周回转，使运动学和动力学性能具有良好的轴对称性。

Description

可实现整周回转的四自由度混联抓放式机器人机构

技术领域

本发明涉及一种机器人，更具体的说，本发明涉及一种能够实现整周回转的四自由度混联抓放式机器人。

背景技术

在电子、食品、医药、轻工等行业的自动化包装、封装和物流生产线中，需要借助机械手从某一位置抓取某一物体，然后在平面内作大范围的快速移动，并按照给定的角度和高度将被抓取的该物体放置到另一位置。美国专利US4392776(或EP0065859、1P57194888、ES8307152、EP0065859、IE820902L、IE52774)、US5000653(或WO8700789、EP0232292、ES2001359、EP0232292、DE3528769、EP0232292)、US2005087034(或EP1525957、JP2005125489、DE10349452)、US6212968(或DE19934973)、欧洲专利EP0169473(或JP61109681)、日本专利JP2003275977、JP2003275978、JP2003275987、保加利亚专利BG51289以及中国专利CN1779936等，均涉及了一种三自由度或四自由度SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm)型机器人。该类机器人的主动臂一端通过转动副与机座连接，主动臂的另一端通过回转副与从动臂的一端连接，两转动轴线平行，从而使主动臂与从动臂构成两自由度平面关节串联机器人机构；从动臂的另一端设置有末端执行器，末端执行器相对于从动臂具有一个回转自由度和一个移动自由度，回转自由度的轴线与主动臂及从动臂的回转轴线平行，移动自由度的方向垂直于主动臂及从动臂的运动平面。各驱动装置可直接设置于两相对运动构件的关节上，也可固定在机座上，然后通过传动装置驱动各关节。此类机器人可实现在运动平面内的整周回转，因此具有较大的运动空间，但是，由于采用开环结构，所以主动臂和从动臂的惯性较大，其刚度和精度较低。

专利CN02822735.2(或WO2003055653-A1、US2005092121-A1)公开了一种采用并联构型的平面抓取机器人，该机器人的机座上安装有两个可转动的驱动装置，每个驱动装置分别通过连杆机构与动平台连接，每个连杆机构由一个主动杆和一个从动杆组成，主动杆的一端与驱动装置固接，并随驱动装置旋转，从动杆的一端与动平台铰接，所述主动杆与从动杆的另一端通过转动副相连接。所述连杆机构还包括定位部分，以便保持动平台相对于机座的姿态不变。此类机器人由于采用并联构型，所以运动部件惯性较小，因而具有较高的刚度和精度，但是由于其两个驱动轴非同轴布置，因此不能在运动平面内实现整周转动，工作空间较小，且运动学性能和动力学性能会随位形的变化而变化。

发明内容

本发明所要解决的问题，就是克服上述现有技术“刚度和精度较低”、“不能在运动平面内实现整周转动”、“运动学和动力学性能不具有轴对称性”等缺陷，从而提供一种可实现整周回转的四自由度混联抓放式机器人机构。

本发明的可实现整周回转的四自由度混联抓放式机器人机构，由机座和设置在所述机座上的第一支链、第二支链以及执行装置构成；所述的第一支链包括第一驱动装置、第一驱动轴、第一主动臂、第一销轴以及第一从动臂，所述第一驱动装置固定设置于机座上，其输出端与所述第一驱动轴的一端连接，所述的第一驱动轴为中空结构，它的另一端与第一主动臂的一端固定连接，所述第一主动臂的另一端通过第一销轴与第一从动臂铰接；所述的第二支链包括第二驱动装置、第二驱动轴、第二主动臂、第二销轴以及第二从动臂，所述第二驱动装置固定设置于机座上，其输出端与所述第二驱动轴的一端连接，所述的第二驱动轴设置在中空结构的第一驱动轴的中心并与其形成同轴设置形式，所述的第二驱动轴也为中空结构，它的另一端与第二主动臂的一端固定连接，所述第二主动臂的另一端通过第二销轴与第二从动臂铰接，所述第一从动臂与第二从动臂的末端通过第三销轴铰接；所述的执行装置包括第三驱动装置、第三驱动轴、第一传动装置、第二传动装置、第三销轴、直线运动驱动装置以及末端执行器，所述的第一传动装置包括第一带轮、第一传动带、第二带轮，所述的第二传动装置包括第三带轮、第二传动带、第四带轮，所述第三驱动装置固定设置于机座上，其输出端与第三驱动轴的一端连接，所述的第三驱动轴设置在中空结构的第二驱动轴的中心并与其形成同轴设置形式，其另一端固定设置有第一带轮，所述的第一主动臂为中空结构，所述的第一带轮与第二带轮通过设置在中空结构的第一主动臂内部的第一传动带连接；所述的第一从动臂也为中空结构，所述的第三带轮与第四带轮通过设置在中空结构的第一从动臂内部的第二传动带连接，所述的第二带轮与第三带轮固定设置在第一销轴上，所述的第四带轮与直线运动驱动装置固定设置在第三销轴上，所述直线运动驱动装置的输出端与末端执行器固接，所述的末端执行器可以是手爪、吸盘等。

所述的第一驱动装置与第二驱动装置采用伺服电机——减速齿轮副的结构形式或力矩电机——等速齿轮副结构形式；

所述的第三驱动装置采用伺服电机——减速器的结构形式；

所述的第一传动装置与第二传动装置采用带轮——同步齿形带的结构形式；

所述的直线驱动装置采用气缸驱动形式。

本发明与现有技术相比，其有益效果体现在以下几点：

(1)由于第一驱动装置及第二驱动装置均固定设置在机座上，且其输出端分别与第一驱动轴及第二驱动轴固接，所以无需附加传动装置，有利于减轻运动部件的质量，提高机构的动态性能；

(2)由于采用由一个机座和两条支链组成的平面两自由度并联机构，具有更好精度、刚度以及更快的速度；

(3)由于采用两条支链中的驱动轴同轴布置形式，使得平面两自由度并联机构能够实现绕其驱动轴轴线的整周回转，具有环形工作空间，同时使其运动学和动力学性能具有良好的轴对称性；

(4)由于将执行装置中的第三驱动轴也固定在机座上，并采用将其与第一、第二驱动轴同轴布置的形式，通过第一传动装置与第二传动装置可将回转运动传递到末端执行器，有利于进一步减轻末端运动部件的质量，更好的提高机器人的整体动态性能。

附图说明

图1是本发明一种实施例的整体结构示意图；

图2是图1所示结构的俯视图；

图3是图1所示结构中机座及第一主动臂的剖视图；

图4是图1所示结构中第一从动臂的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作以详细描述。

如图1、图2、图3、图4所示，本发明的可实现整周回转的四自由度混联抓放式机器人机构，由机座0、第一支链1、第二支链2及执行装置3构成；所述的第一支链1包括第一驱动装置11、第一驱动轴12、第一主动臂13、第一销轴14及第一从动臂15；所述的第二支链2包括第二驱动装置21、第二驱动轴22、第二主动臂23、第二销轴24及第二从动臂25；所述的执行装置3包括第三驱动装置31、第三驱动轴32、第一传动装置、第二传动装置、第三销轴35、直线运动驱动装置36及末端执行器37，其中的第一传动装置由第一带轮33a、第一传动带33b和第二带轮33c构成；所述的第二传动装置由第三带轮34a、第二传动带34b和第四带轮34c构成；所述的第一驱动装置11固定设置于机座0上，其输出端与第一驱动轴12的一端连接，所述的第一驱动轴12为中空结构，它可以相对于机座0绕第一驱动轴12的轴线z自由转动，所述第一驱动轴12的另一端与第一主动臂13的一端固定连接，所述第一主动臂13的另一端与第一从动臂15的一端通过第一销轴14铰接，所述的第一销轴14能够相对于第一主动臂13与第一从动臂15自由转动，并且使第一从动臂15相对于第一主动臂13具有一个转动自由度，其转动轴线与第一驱动轴12的轴线z平行；所述的第二驱动装置21固定设置于机座0上，其输出端与第二驱动轴22的一端连接，所述的第二驱动轴22采取与所述第一驱动轴12同轴布置的形式，即在安装时将所述第二驱动轴22穿过中空结构的第一驱动轴12的中心，并使两者的轴线重合，所述的第一驱动轴12和第二驱动轴22能够相对独立转动，所述第二驱动轴22的另一端与第二主动臂23的一端固定连接，所述第二主动臂23的另一端通过第二销轴24与第二从动臂25铰接，使第二从动臂25相对于第二主动臂23具有一个转动自由度，其转动轴线与第二驱动轴22轴线z平行；第一从动臂15与第二从动臂25的末端通过第三销轴35铰接，所述的第三销轴35能够相对于第一从动臂15与第二从动臂25自由转动，并且使第二从动臂25相对于第一从动臂15具有一个转动自由度，其转动轴线同样与第二驱动轴22的轴线z平行。所述的机座0、第一支链1与第二支链2共同构成一个平面两自由度并联机构；所述的第三驱动装置31同样固定设置于机座0上，其输出端与第三驱动轴32的一端固接，所述第三驱动轴32与第一驱动轴12、第二驱动轴22采用同轴布置形式，所述的第二驱动轴22也为中空结构，所述的第三驱动轴32穿过第二驱动轴22的中心并且能够相对于第二驱动轴22独立转动，所述第三驱动轴32的另一端固定设置有安装在第一主动臂13内端的第一带轮33a，所述第一主动臂13的外端设置有第二带轮33c，由于所述的第一主动臂13为中空结构，所以，所述的第一带轮33a与第二带轮33c可通过从中空的第一主动臂13内穿过的第一传动带33b连接，所述的第二带轮33c与第三带轮34a均固定设置在第一销轴14上，所述的第一从动臂15也为中空结构，所以，所述第三带轮34a与第四带轮34c可通过从中空的第一从动臂15内穿过的第二传动带34b连接，所述的第四带轮34c与直线运动驱动装置36均固定设置在第三销轴35上，所述的直线运动驱动装置36的输出端与末端执行器37固接，从而使末端执行器37相对于所述的第一从动臂15具有一个回转自由度和一个移动自由度，所述的末端执行器37可以是手爪或吸盘等。

在上述的平面两自由度并联机构中，所述的第一驱动轴12、第二驱动轴22以及第三驱动轴32采用了同轴布置形式，即三个驱动轴拥有共同轴线z。当第一驱动轴12与第二驱动轴22同向旋转或反向旋转时，可实现末端执行器37绕轴线z的整周转动，并可确定其在某一平面内的位置，所述的第三驱动轴32可通过第一传动装置与第二传动装置将回转运动传递到末端执行器37上，从而确定所述的末端执行器37在上述平面内的姿态，所述的直线运动驱动装置36可配合所述的末端执行器37实现沿z轴轴线的抓放动作。

在本实施例中，第一驱动装置11与第二驱动装置21均采用了伺服电机——减速齿轮副的结构形式，为与其连接的所述第一驱动轴12与第二驱动轴22提供转动自由度。为了达到同样目的，所述的第一驱动装置11及第二驱动装置21也可以采用力矩电机——等速齿轮副的结构形式，为与其连接的第一驱动轴12、第二驱动轴22提供转动自由度。当然，在具体实施时，采用其它任意一种可实现相同运动功能的结构形式作为驱动方式都是可以的。

在本实施例的执行装置中，第三驱动装置31采用了伺服电机——减速器的结构形式，所述第一传动装置与第二传动装置采用了带轮——同步齿形带的结构形式，为直线运动驱动装置36提供一个回转自由度；所述的直线驱动装置36采用气缸驱动形式，为与其连接的末端执行器37提供了一个移动自由度。当然，在具体实施时，执行装置的具体结构并不局限于此。

本发明的可实现整周回转的四自由度混联抓放式机器人机构，有如下优点：

(1)采用由一个机座和两个结构相同的支链组成的两自由度并联机构，在尺度和工作空间等同的情况下，比现有的SCARA机器人具有更好精度、刚度以及更快的速度；

(2)采用第一驱动轴与第二驱动轴同轴布置的设置方式，实现执行装置的整周回转，在尺度等同的情况下，比现有的平面两自由度并联机器人机构具有更大的工作空间，同时运动学和动力学性能具有轴对称性；

(3)采用第三驱动装置固定设置在机座上并与第一驱动轴及第二驱动轴同轴布置的设置方式，通过第一传动装置与第二传动装置将回转运动传递到末端执行器上，有利于进一步减轻末端运动部件质量，提高机构的动态性能。

以上结合附图和实施方式对本发明进行了示意性描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的一种实施例而已，实际的结构并不局限于此。因此，本领域的普通技术人员在其启示下，还可以作出不脱离本发明创造宗旨的其它机座布局形式、同轴驱动方式、以及铰链连接方式，从而不经创造性的设计出与本发明的技术方案相似的结构方式，这些均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1. 一种可实现整周回转的四自由度混联抓放式机器人机构，由机座和设置在所述机座上的第一支链、第二支链以及执行装置构成，其特征是，所述的第一支链包括第一驱动装置、第一驱动轴、第一主动臂、第一销轴以及第一从动臂，所述第一驱动装置固定设置于机座上，其输出端与所述第一驱动轴的一端连接，所述的第一驱动轴为中空结构，它的另一端与第一主动臂的一端固定连接，所述第一主动臂的另一端通过第一销轴与第一从动臂铰接；所述的第二支链包括第二驱动装置、第二驱动轴、第二主动臂、第二销轴以及第二从动臂，所述第二驱动装置固定设置于机座上，其输出端与所述第二驱动轴的一端连接，所述的第二驱动轴设置在中空结构的第一驱动轴的中心并与其形成同轴设置形式，所述的第二驱动轴也为中空结构，它的另一端与第二主动臂的一端固定连接，所述第二主动臂的另一端通过第二销轴与第二从动臂铰接，所述第一从动臂与第二从动臂的末端通过第三销轴铰接；所述的执行装置包括第三驱动装置、第三驱动轴、第一传动装置、第二传动装置、第三销轴、直线运动驱动装置以及末端执行器，所述的第一传动装置包括第一带轮、第一传动带、第二带轮，所述的第二传动装置包括第三带轮、第二传动带、第四带轮，所述第三驱动装置固定设置于机座上，其输出端与第三驱动轴的一端连接，所述的第三驱动轴设置在中空结构的第二驱动轴的中心并与其形成同轴设置形式，其另一端固定设置有第一带轮，所述的第一主动臂为中空结构，所述的第一带轮与第二带轮通过设置在中空结构的第一主动臂内部的第一传动带连接；所述的第一从动臂也为中空结构，所述的第三带轮与第四带轮通过设置在中空结构的第一从动臂内部的第二传动带连接，所述的第二带轮与第三带轮固定设置在第一销轴上，所述的第四带轮与直线运动驱动装置固定设置在第三销轴上，所述直线运动驱动装置的输出端与末端执行器固接。

2. 根据权利要求1所述的可实现整周回转的四自由度混联抓放式机器人机构，其特征是，所述的末端执行器是手爪或吸盘。

3. 根据权利要求1所述的可实现整周回转的四自由度混联抓放式机器人机构，其特征是，所述的第一驱动装置与第二驱动装置采用伺服电机——减速齿轮副的结构形式。

4. 根据权利要求1所述的可实现整周回转的四自由度混联抓放式机器人机构，其特征是，所述的第一驱动装置与第二驱动装置采用力矩电机——等速齿轮副结构形式。

5. 根据权利要求1所述的可实现整周回转的四自由度混联抓放式机器人机构，其特征是，所述的第三驱动装置采用伺服电机——减速器的结构形式。

6. 根据权利要求1所述的可实现整周回转的四自由度混联抓放式机器人机构，其特征是，所述的第一传动装置与第二传动装置采用带轮——同步齿形带的结构形式。

7. 根据权利要求1所述的可实现整周回转的四自由度混联抓放式机器人机构，其特征是，所述的直线驱动装置采用气缸驱动形式。

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