CN101508109B - 一种双并联叠加多功能机器人 - Google Patents

Abstract

一种双并联叠加多功能机器人，属于机器人技术领域，包括有机身、工作平台、立柱、砂轮机、直线电机、滚珠丝杠、T型滑动拖板、二并联杆组和运动平台，运动平台一侧与二并联杆组的一端相连，运动平台另一侧连有一个三并联万向工作头，二并联杆组的另一端与机身相连。该机器人有较大的工作空间，不存在奇异点和耦合性，该机器人的二并联机构由于是平行定长的简单杆件组成，故没有内置热源，减少了热变形对机器人运动精度的影响，机器人的结构简单，构思新颖，生产成本降低，具有极大的产业化发展前景。

Description

一种双并联叠加多功能机器人 

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种可用于刀具刃磨、钻削、焊接和三维坐标测量仪的双并联叠加多功能机器人。 

背景技术

由于并联机构所具有的一系列优点，如刚度高、承载能力强、动态性能好、速度快和结构简单等，引起了国际上的广泛关注，并给予了大量的研究。目前，并联机构在许多领域已有一些重要应用，如综合飞行训练装置、超大型多媒体全真动态驾驶模拟器、地震模拟器、潜艇模拟器等。另外，国内外的一些公司和研究机构还设计制造了许多用于加工制造领域的并联数控机床(机器人)，如美国Giddings & Lewis公司、Ingersoll公司、Hexel公司、英国Geodetic公司、意大利Comau公司和瑞典Neos机器人公司以及国内的清华大学、天津大学、哈尔滨工业大学和北京航空航天大学、沈阳自动化所、东北大学、燕山大学等均开发了多种并联机器人(机床)。 

然而，基于Stewart平台的六杆并联机构有工作空间小、本身的奇异性和耦合性使其构型和总体布局受限、任何运动均需六轴联动、运动正解复杂而难于实现快速的实时控制等局限，使其难以实现产业化。此外，并联机器人(机床)的每一个支链均通过铰链与动、静平台相连，正是由于铰链的精度、间隙和接触刚性等问题，使得并联机器人(机床)的实际整体精度和刚性降低。而且，并联的分支链越多，连接这些分支链的铰链越容易产生叠加的随机性误差，从而影响并联机器人(机床)的整体工作精度。从这个意义上说，也可以解释为何少自由度并联机器人(机床)比六杆并联机器人(机床)更易实现实用化。所以，早期开发出的六杆并联机器人(机床)基本都停留在原理样机阶段，如Giddings & Lewis公司的Variax六并联数控加工中心现放置在英国诺丁汉大学(Nottingham University)的先进制造技术中心用于并联机器人(机床)的实验研究。为了克服六杆并联机构上述存在的一些问题，少自由度并联机构特别是三自由度并联机构由于具有工作空间相对较大，奇异性和耦合性相对较小，运动学、动力学分析相对简单，灵活性较高，控制容易，并且设计制造方便等优势，成为近年来国内外研究发展的主流，特别是为了扩大工作空间，串并联结构的混联机器人(机床)亦成为机器人领域的重要发展方向。目前已经实现实用化和产业化的并联机器人(机床)基本都是基于少自由度并联机构而研制开发的，如瑞典Neos Robotics公司生产的Tricept系列三并联机床，瑞士ABB公司的Delta系列三并联机器人等。 

发明内容 

为了解决现有并联机器人技术中存在的工作空间小、容易产生奇异点和并联杆的耦合、运动方程复杂而难于实现实时控制的问题，本发明提出一种基于三并联万向工作头的并串并混联结构的双并联叠加多功能机器人。 

本发明的技术方案是这样实现的：一种双并联叠加多功能机器人，包括有机身、工作平台、立柱、砂轮机、直线电机、滚珠丝杠、T型滑动拖板、二并联杆组和运动平台，运动平台一侧与二并联杆组的一端相连，运动平台另一侧连有一个三并联万向工作头，二并联杆组的另一端与机身相连。 

所述的三并联万向工作头，包括刀具夹头、万向节外环、万向节内环、钢球、位姿环、主轴、基座、球铰、驱动轴I和驱动轴II，刀具夹头固定在万向节外环输出端，万向节外环与万向节内环靠二个转动副形成转动连接，万向节内环与主轴通过一个转动销形成转动连接，这样刀具夹头、万向节外环、内环和主轴就组成一个十字万向节，主轴与主轴电机连接，驱动轴I和驱动轴II分别通过球铰与位姿环相连，驱动轴I和驱动轴II分别与驱动轴电机连接，位姿环通过钢球与万向节外环相连，一方面通过驱动轴I和驱动轴II可带动位姿环，从而可使与万向节外环相连的刀具夹头实现空间的各种位姿；另一方面，主轴通过万向节带动刀具夹头实现转动，并且起到支撑和限制刀具夹头轴向运动的作用。 

一种双并联叠加多功能机器人，在三并联万向工作头刀具夹头上装上端铣刀或球头铣刀或钻头。 

一种双并联叠加多功能机器人，将工作平台上的立柱和砂轮机卸去，在三并联万向工作头刀具夹头上装上钻头。 

一种双并联叠加多功能机器人，将工作平台上的立柱和砂轮机卸去，在三并联万向工作头上装上焊枪头。 

一种双并联叠加多功能机器人，将工作平台上的立柱和砂轮机卸去，在三并联万向工作头上装上测量头。 

所述的位姿环上的限位块放在限位槽中，防止位姿环进行偏摆时沿自身轴向转动。 

本发明的有益效果：首先，与该机器人机体相连的二并联机构与其它三并联及三并联以上的机构相比就有较大的工作空间，而三并联万向工作头被叠加在与二并联机构的另一端相连的运动平台上，并且其可以在两个滚珠丝杠的驱动下实现偏摆，所以进一步扩大了该机器人的工作空间；其次，由于二并联机构不存在奇异点和耦合性，而叠加在其上的三并联万向工作头尽管有三个并联杆，但中间的杆只起支撑和带动主轴转动的作用，万向工作头的位姿完全由另两个并联杆决定，故这个三并联万向工作头也不存在奇异点和耦合性，因此该机器人不存在奇异点和耦合性；另外，该机器人的二并联机构由于是平行定长的简单杆件组成， 故没有内置热源，减少了热变形对机器人运动精度的影响；最后，机器人的结构简单，构思新颖，使其很容易获得封闭的运动学正逆解，使控制计算和误差补偿建模简单，数控编程容易，并且可实现带角度的钻削、焊接加工和测量，生产成本降低，具有极大的产业化发展前景。 

附图说明

图1为双并联叠加多功能机器人的结构示意图； 

图2为三并联万向工作头的结构示意图； 

图中：1机身，2工作平台，3立柱，4砂轮头，5直线电机I，6伺服电机，7滚珠丝杠，8T型滑动拖板，9直线电机II，10二并联杆组，11运动平台，12三并联万向工作头，13刀具夹头，14万向节外环，15万向节内环，16钢球，17位姿环，18主轴，19万向工作头基座，20驱动轴I，21驱动轴II，22虎克铰，23球铰，24限位块，25限位槽，26主轴电机。 

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步说明： 

如图1、2所示，一种双并联叠加多功能机器人，包括有机身1，工作平台2，立柱3，砂轮头4，直线电机，伺服电机6，滚珠丝杠7，T型滑动拖板8，二并联杆组10和运动平台11，运动平台上叠加安装一个三并联万向工作头12，三并联万向工作头12包括刀具夹头13、万向节外环14、万向节内环15、钢球16、位姿环17、主轴18、万向工作头基座19、球铰23、驱动轴I 20和驱动轴II 21，刀具夹头13固定在万向节外环14输出端，万向节外环14与万向节内环15靠二个转动副形成转动连接，万向节内环15与主轴18通过一个转动销形成转动连接，主轴18与主轴电机26连接，驱动轴I 20和驱动轴II 21分别通过球铰23与位姿环17相连，驱动轴I 20和驱动轴II 21分别与驱动轴电机连接，位姿环17通过钢球16与万向节外环14相连。 

实施例1： 

双并联叠加刀具刃磨机器人要实现刀具的刃磨，要同时实现刃磨刀具所需的运动。以螺旋面钻头尖的刃磨为例，要同时实现刃磨螺旋面钻头尖所需的三个运动。刃磨之前通过刀具夹头13将钻头夹紧在三并联万向工作头12上，伺服电机6带动滚珠丝杠7旋转，再通过T型滑动拖板8、直线电机、二并联杆组10、运动平台11和三并联万向工作头12带动钻头移动，从而实现钻头与砂轮头4纵向位置的调整；直线电机I 5和直线电机II 9驱动二并联杆组10和运动平台11，从而实现万向工作头12上钻头与砂轮头恒向位置的调整；砂轮头4可以在立柱3上转动，从而实现万向工作头12上钻头轴线与砂轮轴线之间初始位置的调整，即确定所刃磨钻头的顶尖角。刃磨时，与二并联杆组一个单元一端相连的直线电机I 5保持不动，与另一个单元一端 相连的直线电机II 9产生向直线电机5平移的运动，则运动平台11上的钻头尖将产生一个圆弧运动，这个圆弧运动相当于一个进给和平移的合成运动，加上运动平台11上三并联万向工作头的主轴18带动钻头的自转，从而实现刃磨螺旋面钻尖所需的成形运动。在这个过程中主轴电机26驱动主轴18从0°转动到180°实现钻头一个螺旋面后刀面的刃磨，然后直线电机9返回初始位置，接着主轴电机26驱动主轴18从180°转动到360°，实现钻头另一个刃磨螺旋面后刀面的刃磨，经过如此循环，最终实现螺旋面钻尖的刃磨。 

实施例2： 

将工作平台2上的立柱3和砂轮头4卸去，在三并联万向工作头12刀具夹头13上装上钻头，本发明就成为一台双并联叠加钻削机器人。钻削之前将需要进行钻削的工件装夹在工作平台2上，通过三并联万向工作头12上的刀具夹头13将钻头夹紧，首先，伺服电机6带动滚珠丝杠7旋转，使T型滑动拖板8沿纵向移动，从而带动其上的三并联万向工作头12和钻头实现纵向位置的初始调整；然后，直线电机I 5和直线电机II 9驱动二并联杆组10，使运动平台11沿横向移动，从而带动其上的三并联万向工作头12和钻头实现横向位置的初始调整。如果所要钻削的工件表面是个倾斜表面时，通过三并联万向工作头12上的驱动轴I 20，驱动轴II 21的伸缩来调整刀具夹头13上钻头的角度，使其垂直于工件的倾斜表面。在钻削时，三并联万向工作头12上的主轴电机26通过主轴18带动特殊万向节旋转，从而带动刀具夹头13上的钻头自转，同时通过直线电机I 5和直线电机II 9的相对运动实现钻削工件所需的进给运动。 

实施例3： 

将工作平台2上的立柱3和砂轮头4卸去，在三并联万向工作头上装上焊枪头，本发明就成为一台双并联叠加焊接机器人。焊接之前将需要进行焊接的工件安装在工作平台2上，接着伺服电机6带动滚珠丝杠7旋转，使T型滑动拖板8沿纵向移动，从而带动其上的三并联万向工作头12和焊枪头实现纵向位置的初始调整；然后，直线电机I 5和直线电机II 9驱动二并联杆组10，使运动平台11沿横向移动，从而带动其上的三并联万向工作头12和焊枪头实现横向位置的初始调整。如果所要焊接的工件表面是个倾斜表面时，通过三并联万向工作头12上的驱动轴I 20，驱动轴II 21的伸缩来调整焊枪头的角度，使其垂直于工件的倾斜表面。在焊接时，通过直线电机I 5和直线电机II 9的相对运动实现钻削工件所需的进给运动。 

实施例4： 

将工作平台2上的立柱3和砂轮头4卸去，在三并联万向工作头上装上测量头，本发明就成为一台双并联叠加三维坐标测量机器人。测量之前将需要进行测量的工件安装在工作平台2上，然后，伺服电机6带动滚珠丝杠7旋转，使T型滑动拖板8沿纵向移动，从而带动其上的三并联万向工作头12和测量头实现纵向位置的移动，直线电机I 5和直线电机II 9驱动二并联杆 组10，使运动平台11沿横向移动，从而带动其上的三并联万向工作头12和测量头实现横向位置的移动。如果所要测量的工件表面是个倾斜表面时，通过三并联万向工作头12上的驱动轴I 20，驱动轴II 21的伸缩来调整测量头的角度，使其垂直于工件的倾斜表面。同时，还可通过直线电机I 5和直线电机II 9的相对运动实现测量头的上下移动。 

Claims (6)

1.一种双并联叠加多功能机器人，包括有机身、工作平台、立柱、砂轮机、直线电机、滚珠丝杠、T型滑动拖板、二并联杆组和运动平台，运动平台一侧与二并联杆组的一端相连，运动平台另一侧连有一个三并联万向工作头，二并联杆组的另一端与机身相连，其特征在于所述的三并联万向工作头，包括刀具夹头、万向节外环、万向节内环、钢球、位姿环、主轴、基座、球铰、驱动轴I和驱动轴II，刀具夹头固定在万向节外环输出端，万向节外环与万向节内环靠二个转动副形成转动连接，万向节内环与主轴通过一个转动销形成转动连接，这样刀具夹头、万向节外环、内环和主轴就组成一个十字万向节，主轴与主轴电机连接，驱动轴I和驱动轴II分别通过球铰与位姿环相连，驱动轴I和驱动轴II分别与驱动轴电机连接，位姿环通过钢球与万向节外环相连。

2.一种如权利要求1所述的双并联叠加多功能机器人，其特征在于在三并联万向工作头刀具夹头上装上端铣刀或球头铣刀或钻头。

3.一种如权利要求1所述的双并联叠加多功能机器人，其特征在于将工作平台上的立柱和砂轮机卸去，在三并联万向工作头刀具夹头上装上钻头。

4.一种如权利要求1所述的双并联叠加多功能机器人，其特征在于将工作平台上的立柱和砂轮机卸去，在三并联万向工作头上装上焊枪头。

5.一种如权利要求1所述的双并联叠加多功能机器人，其特征在于将工作平台上的立柱和砂轮机卸去，在三并联万向工作头上装上测量头。

6.一种如权利要求1所述的双并联叠加多功能机器人，其特征在于所述的位姿环上的限位块放在限位槽中。

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