CN101104272A - 二自由度平面并联机器人机构 - Google Patents

Abstract

一种二自由度平面并联机器人机构，属于工业机器人领域。本发明包括定平台、动平台、三个连杆机构和六个转动铰链，定平台通过三个连杆机构与动平台连接，构成闭环并联机构。定平台安装两个平行布置的直线电机，动平台一端通过一个连杆机构和两个转动铰链连接直线电机，另一端通过两个连杆机构和四个转动铰链构成的平行于定平台的平行四边形支链结构连接另一直线电机，从而在提高垂直于动平台方向刚度的同时，屏蔽动平台的回转自由度，构成二自由度平面并联机器人机构。本发明结构简单，采用直线电机驱动刚度大、推重比高、动态性能好，直线电机动子采用气浮导轨支撑，连接铰链全部为转动铰链并设计为气浮旋转关节，真正实现无摩擦、无磨损驱动。

Description

二自由度平面并联机器人机构

技术领域

本发明涉及一种工业机器人技术领域的机构，具体涉及一种二自由度平面并联机器人机构。

背景技术

目前广泛应用的机器人机构可以分为两大类：串联机器人机构和并联机器人机构。并联机器人机构是一种闭环机构，上下平台(固定平台与运动平台)通过两个或两个以上独立的运动支链相连，运动平台具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的机构，称为并联机构。并联机构的特点是所有的分支机构都能同时接受驱动器输入，而最终共同给出输出，并联机构在机构学上是多路闭环机构。在大规模集成电路制造行业存在需要机械手在一个平面内完成高速、高精度、高加速度运动的应用场合，如用于引线键合定位的二自由度运动平台，要求定位精度小于±2.5μm，加速度10-15G。传统的运动平台一般采用X-Y平台的结构形式，其X、Y运动方向正交并叠加在一起。由于运动平台采用串联叠加的结构形式，增大了下级驱动器的负载，造成了位置误差累积。

为了克服串联机构X-Y平台存在的不足，国内外许多人提出新型的平面并联机器人机构。平面并联机器人机构通常由3条独立的运动链和一个运动平台构成，按照驱动方式和铰链形式可以分为RPP、RRP、RRR、RPR、PPR、PRP、PRR七种可能的结构。与传统的串联机构相比较，平面并联机构具有惯量小、精度高、刚度大等优点，但是其运动学存在耦合关系，增加了运动学求解的复杂性、同时，机构工作空间相对较小，且存在奇异性的问题。当并联机构处于奇异性位置时，机构会失去或获得一个或多个自由度，铰链的内力激增，可能导致***损坏，因此在***设计和操作中应尽量避开奇异性位置。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利号：CN1589191A，名称：二自由度平面并联机器人机构，该专利公开了一种用于抓放式机器人的连杆机构，包括两个安装在基座上并分别通过两个分支机构铰接到动平台的可旋转的驱动装置。每个分支机构的中间各有一个双臂曲柄，曲柄的两臂分别连接到与基座相接的第一定位连杆和与动平台相接的第二定位连杆，通过驱动装置同向或反向的旋转转动来实现动平台的二自由度运动，并保持动平台的姿态不变。然而，在平面并联机构中采用旋转电动机难以消除转动轴承的回差、间隙、摩擦等对平台定位精度的影响，并限制了末端执行器加速度的提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种二自由度平面并联机器人机构，通过采用直线电机驱动，气浮导轨支撑，实现高速度、高加速度和高精度的二维平面定位与操纵。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：定平台、动平台、三个连杆机构和六个连接铰链，定平台通过连接铰链及三个连杆机构与动平台相连，构成闭环并联机构。定平台上具有两个平行布置可以实现高精度直线运动的驱动机构，动平台一端通过一个连杆机构和两个连接铰链连接直线驱动机构的移动副，另一端则通过两个相同的连杆机构和四个连接铰链连接另一个直线驱动机构的移动副，此两个连杆机构结构尺寸相同，由直线驱动机构通过连接铰链同步驱动，且这两个连杆机构在动平台与驱动机构移动副之间构成平行于定平台的平行四边形支链结构，以保持动平台在运动过程中只有平移运动，且始终与定平台平行，从而在提高垂直于动平台方向刚度的同时，屏蔽动平台的回转自由度，构成二自由度平面并联机器人机构。

所述直线运动的驱动机构，采用两台直线电机实现，两台直线电机定子平行地固定在定平台上，直线电机动子作为并联机构的移动副，机构的运动质量小，惯性小，由于直接驱动不存在中间传动装置，具有极高的驱动刚度和推重比，消除了传动环节的摩擦、回程间隙等非线性因素带来的影响，可获得较高的加速度和定位精度，有利于实现高精度的定位与操纵。

所述直线电机动子采用气浮导轨支撑，气浮导轨包括左气浮导轨和右气浮导轨，左气浮导轨与右气浮导轨平行放置，且都采用四面支撑的方式。

所述气浮导轨包括气浮导轨导尺、气浮导轨支座、上下气浮垫和左右气浮垫。气浮导轨导尺两端通过底座固定在定平台上，气浮导轨支座一端通过电机联接板连接直线电机动子，另一端则通过连接铰链连接连杆机构。气浮导轨支座采用中空结构，气浮导轨支座上下、前后四面采用气浮垫支撑，通过上气浮垫、下气浮垫、左气浮垫和右气浮垫支撑在气浮导轨导尺上。气浮导轨采用小孔节流的气体静压轴承，可在极高及极低速度下运动，运行平滑、精度高，低速无爬行，可有效地提高刚度，隔离振动。

所述动平台与直线电机动子通过连杆机构和连接铰链相连接，所有连接铰链均为转动铰链，且所有的转动铰链的回转轴线保持平行，并与定平台垂直。

所述转动铰链均设计为气浮旋转关节，气浮旋转关节包括气浮关节支座、上止推气浮垫、下止推气浮垫、上关节轴、下关节轴、内关节轴和外关节轴，其中上关节轴、下关节轴的径向由气浮关节支座支撑，轴向由上止推气浮垫和下止推气浮垫支撑，内关节轴连接上关节轴、下关节轴和外关节轴，外关节轴连接连杆机构。

所述二自由度平面并联机器人机构直线电机同步驱动的两个连杆机构采用相同的结构尺寸，两连杆机构在动平台与气浮导轨支座相连的转动铰链之间构成平行于定平台的平行四边形支链结构，由于平行四边形支链结构可以保持末端执行器在运动过程中姿态不变，故动平台运动过程中方向不变，只能在平行于定平台的平面内平移，从而在提高垂直于动平台方向刚度的同时，屏蔽动平台的一个回转自由度，实现平行于定平台的二自由度平面运动。

所述连杆机构均采用弹性模量高的铝基复合材料，在保证机构刚度的条件下，减小连杆的质量，且所有的连杆机构采用中空结构，以减小运动质量，提高机构的加速度。

本发明中，动平台两端亦可以各采用两个连杆机构分别与直线电机动子相连的两个转动铰链相连接，动平台通过四个连杆机构构成的两个平行于定平台的平行四边形支链结构与定平台连接，构成冗余驱动的二自由度平面并联机器人机构，采用冗余驱动有利于机构的动力平衡，提高机构的刚度、改善机构的动力学性能。

与现有技术相比，本发明结构简单，采用直线电机驱动刚度大、推重比高、动态性能好，直线电机动子采用气浮导轨支撑，连接铰链全部为转动铰链并设计为气浮旋转关节，真正实现无摩擦、无磨损驱动。本发明可以用于大规模集成电路制造装备中，实现高速度(0.8-1m/s)、高加速度(10-15G)、高精度(定位精度±2.5μm，重复定位精度±2.5μm)的定位与操纵。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例1的结构俯视图；

图3为本发明的左气浮导轨支座及气浮旋转关节结构图；

图4为本发明气浮导轨支座及气浮旋转关节的剖面结构图；

图5为本发明的右气浮导轨支座及气浮旋转关节结构图；

图6为本发明动平台及气浮旋转关节的剖面结构图；

图7为本发明的连杆机构剖面结构图；

图8为本发明实施例2的结构示意图；

图9为本发明实施例2的结构俯视图。

图中：定平台1、第一直线电机2、左电机联接板3、左气浮导轨支座4、第一转动铰链5、第二转动铰链6、左气浮导轨导尺7、右气浮导轨导尺8、第二直线电机9、右电机联接板10、右气浮导轨支座11、第三转动铰链12、第一连杆机构13、第二连杆机构14、第四转动铰链15、第五转动铰链16、动平台17、第六转动铰链18、第三连杆机构19、下气浮垫20、右气浮垫21、下止推气浮垫22、外关节轴23、气浮关节支座24、上止推气浮垫25、第一直线电机动子26、下关节轴27、内关节轴28、上关节轴29、上气浮垫30、左气浮垫31、第二直线电机动子32、连杆接头33、连杆34、第七转动铰链35、第四连杆机构36、第八转动铰链37、对称动平台38。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1、2所示，本实施例包括：定平台1、动平台17、连接定平台1与动平台17的三个连杆机构：第一连杆机构13、第二连杆机构14、第三连杆机构19和六个转动铰链，定平台1上安装两台可以实现高精度直线运动的直线电机：第一直线电机2和第二直线电机9，第一直线电机2和第二直线电机9对称平行放置，动平台17一端通过一个运动支链：第五转动铰链16、第一连杆机构13、第三转动铰链12连接第二直线电机9，另一端则分别通过两个运动支链：第四转动铰链15、第二连杆机构14和第二转动铰链6构成的运动支链以及第六转动铰链18、第三连杆机构19和第一转动铰链5构成的运动支链连接第一直线电机2，第二连杆机构14与第三连杆机构19结构尺寸相同，由第一直线电机2同步驱动，第二连杆机构14、第三连杆机构19在第二转动铰链6、第一转动铰链5及动平台17的第四转动铰链15、第六转动铰链18之间构成平行于定平台1的平行四边形支链结构，以保持动平台17运动过程中只有平移运动，且始终与定平台1平行，在提高垂直于动平台17方向刚度的同时，屏蔽动平台17的回转自由度，构成二自由度平面并联机器人机构。

如图3、4、5所示，第一直线电机动子26和第二直线电机动子32均采用气浮导轨支撑，气浮导轨包括左气浮导轨和右气浮导轨两个部分，左气浮导轨与右气浮导轨平行放置，气浮导轨采用四面支撑的方式，以最大限度地提高支撑刚度，改善机构的动力学特性。

左气浮导轨包括左气浮导轨导尺7、左气浮导轨支座4、上气浮垫30、下气浮垫20、左气浮垫31和右气浮垫21。左气浮导轨导尺7两端通过底座固定在定平台1上。左气浮导轨支座4采用中空结构，并通过上气浮垫30、下气浮垫20、左气浮垫31和右气浮垫21支撑在左气浮导轨导尺7上。左气浮导轨支座4的上下面分别由上气浮垫30和下气浮垫20支撑，左气浮导轨支座4的左右面分别由左气浮垫31和右气浮垫21支撑。

右气浮导轨包括右气浮导轨导尺8和右气浮导轨支座11，右气浮导轨导尺8两端通过底座固定在定平台1上，右气浮导轨支座11也采用中空结构，并通过上气浮垫30、下气浮垫20、左气浮垫31和右气浮垫21支撑在右气浮导轨导尺8上。右气浮导轨支座11的上下面分别由上气浮垫30和下气浮垫20支撑，右气浮导轨支座11的左右面分别由左气浮垫31和右气浮垫21支撑。

直线电机动子与气浮导轨通过电机联接板连接，第一直线电机动子26通过左电机联接板3连接左气浮导轨的左气浮导轨支座4，第二直线电机动子32通过右电机联接板10连接右气浮导轨的右气浮导轨支座11。

动平台17与左气浮导轨支座4、右气浮导轨支座11通过连杆机构和转动铰链相连接，且所有转动铰链的回转轴线相互平行，并与定平台1垂直。

当第一直线电机动子26与第二直线电机动子32同向或反向直线运动时，上述机构使动平台17在第一连杆机构13、第二连杆机构14和第三连杆机构19的驱动下实现不同范围内的二维运动，同时保持动平台17姿态不变。

如图3、4、5所示，所有转动铰链设计为气浮旋转关节，每个气浮旋转关节包括气浮关节支座24、上止推气浮垫25、下止推气浮垫22、上关节轴29、下关节轴27、内关节轴28、外关节轴23，其中上关节轴29、下关节轴27径向由气浮关节支座24支撑，轴向由上止推气浮垫25及下止推气浮垫22支撑，关节旋转时无摩擦及回程间隙的影响，内关节轴28连接上关节轴29下关节轴27和外关节轴23，外关节轴23连接连杆机构。

如图6所示，连杆机构由连杆接头33和连杆34连接而成，三个连杆机构均采用弹性模量高的铝基复合材料，在保证机构刚度的条件下，减小连杆的质量，且所有的连杆机构采用中空结构，以减小运动质量，提高机构的加速度。

实施例2

如图7、8所示，在实施例1的基础上，可以在不改变机构运动形式的前提下增加一个第四连杆机构36和两个转动铰链：第七转动铰链35、第八转动铰链37构成冗余驱动的二自由度平面并联机器人机构，包括：定平台1、对称动平台38(即实施例1中的动平台17)及连接定平台1与对称动平台38的四个连杆机构：第一连杆机构13、第二连杆机构14、第三连杆机构19和第四连杆机构36和八个转动铰链。对称动平台38一端通过两个运动支链：第四转动铰链15、第二连杆机构14、第二转动铰链6构成的运动支链；第六转动铰链18、第三连杆机构19、第一转动铰链5构成的运动支链连接第一直线电机2，另一端也通过两个运动支链：第五转动铰链16、第一连杆机构13和第三转动铰链12构成的运动支链；第八转动铰链37、第四连杆机构36和第七转动铰链35构成的运动支链连接第二直线电机9。第二连杆机构14与第三连杆机构19结构尺寸相同，由第一直线电机2同步驱动，第二连杆机构14、第三连杆机构19在第二转动铰链6、第一转动铰链5与对称动平台38的第四转动铰链15、第六转动铰链18之间构成平行于定平台1的平行四边形支链结构，同时，第一连杆机构13与第四连杆机构36结构尺寸相同，由第二直线电机9同步驱动，第一连杆机构13、第四连杆机构36在第三转动铰链12、第七转动铰链35与对称动平台38的第五转动铰链16、第八转动铰链37之间也构成平行于定平台1的平行四边形支链结构，构成冗余驱动的二自由度平面并联机器人机构。采用冗余驱动有利于机构的动力平衡，提高机构的刚度、改善机构的动力学性能。

Claims (10)

1.一种二自由度平面并联机器人机构，包括：定平台、动平台及连接定平台与动平台的三个连杆机构和六个转动铰链，其特征在于，定平台上有两个平行布置的直线驱动机构，动平台一端通过一个连杆机构和两个转动铰链连接直线驱动机构的移动副，另一端则通过另外两个相同的连杆机构和四个转动铰链连接另一个直线驱动机构的移动副，此两个连杆机构结构尺寸相同并由直线驱动机构通过转动铰链同步驱动，且这两个连杆机构在动平台与驱动机构移动副之间构成平行于定平台的平行四边形支链结构，以保持动平台在运动过程中只有平移运动，且始终与定平台平行，在提高垂直于动平台方向刚度的同时，屏蔽动平台的回转自由度，构成二自由度平面并联机器人机构。

2.如权利要求1所述的二自由度平面并联机器人机构，其特征是，还包括一个第四连杆机构和两个转动铰链，动平台两端均通过两个相同连杆机构以及八个转动铰链分别连接直线驱动机构的移动副，动平台通过两个平行于定平台的平行四边形支链结构与定平台连接，构成冗余驱动的二自由度平面并联机器人机构。

3.如权利要求1所述的二自由度平面并联机器人机构，其特征是，所述直线驱动机构，为直线电机，且两台直线电机定子对称平行放置。

4.如权利要求3所述的二自由度平面并联机器人机构，其特征是，所述直线电机，其动子通过气浮导轨支撑，气浮导轨包括左气浮导轨和右气浮导轨，左气浮导轨与右气浮导轨平行放置，且都采用四面支撑的方式。

5.如权利要求4所述的二自由度平面并联机器人机构，其特征是，所述左气浮导轨包括左气浮导轨导尺、左气浮导轨支座、上气浮垫、下气浮垫、左气浮垫和右气浮垫，左气浮导轨导尺两端通过底座固定在定平台上，左气浮导轨支座采用中空结构，并通过上气浮垫、下气浮垫、左气浮垫和右气浮垫支撑在左气浮导轨导尺上，左气浮导轨支座的上下面分别由上气浮垫和下气浮垫支撑，左右面分别由左气浮垫和右气浮垫支撑。

6.如权利要求4所述的二自由度平面并联机器人机构，其特征是，所述右气浮导轨包括右气浮导轨导尺、右气浮导轨支座、上气浮垫、下气浮垫、左气浮垫和右气浮垫，右气浮导轨导尺两端通过底座固定在定平台上，右气浮导轨支座也采用中空结构，并通过上气浮垫、下气浮垫、左气浮垫和右气浮垫支撑在右气浮导轨导尺上，右气浮导轨支座的上下面分别由上气浮垫和下气浮垫支撑，左右面分别由左气浮垫和右气浮垫支撑。

7.如权利要求4所述的二自由度平面并联机器人机构，其特征是，所述直线电机动子与气浮导轨通过电机联接板连接，两台直线电机分别通过左电机联接板、右电机联接板连接左气浮导轨和右气浮导轨的支座。

8.如权利要求1或2所述的二自由度平面并联机器人机构，其特征是，所述连接铰链均为转动铰链，且所有的转动铰链的回转轴线保持平行，并与定平台垂直。

9.如权利要求8所述的二自由度平面并联机器人机构，其特征是，所述转动铰链均为气浮旋转关节，每个旋转关节包括气浮关节支座、上止推气浮垫、下止推气浮垫、上关节轴、下关节轴、内关节轴和外关节轴，其中上关节轴、下关节轴的径向由气浮关节支座支撑，轴向由上止推气浮垫和下止推气浮垫支撑，内关节轴连接上关节轴、下关节轴和外关节轴，外关节轴连接连杆机构。

10.如权利要求1或2所述的二自由度平面并联机器人机构，其特征是，所述连杆机构均为中空结构。

Images