CN102490187B - 新型五自由度并联机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了新型五自由度并联机械手，它包括固定架、第一主运动链、第二主运动链、第三主运动链、从动支链，第一主运动链包括第一主动支链，第二主运动链包括第二和第三主动支链，第三主运动链包括第四和第五主动支链，从动支链位于设置在固定架中央开孔内的从动支链座内，每一主动支链座与相应的固定架开孔内壁分别通过第一转轴转动相连，每一主动支链和与其对应设置的主动支链座之间分别通过第二转轴转动相连，第二主运动链将运动传至第一传动***，再由第一传动***传至定位头，第三主运动链将运动传至第二传动***，再由第二传动***传至旋转轴。本结构中，双主动支链可加大刚度/质量比，使机构动态性能好、定位精度与重复定位精度高。

Description

新型五自由度并联机械手

技术领域

本发明涉及一种机器人，特别是涉及一种可实现五自由度作业功能的并联机械手。

背景技术

根据专利US4732525、ZL200510015095.5可知，现有的带定位头的多坐标机械手，其实现形式一般为少自由度并联机构辅以A/C双摆头的混联结构形式。其中，少自由度并联机构通过调节安装在主动支链上的伺服电机实现机构动平台的位置定位，A/C双摆头通过调节安装在双摆头上的伺服电机实现末端执行器的姿态定位，从而实现机构的多坐标加工能力。

此类机械手，由于伺服电机和减速器等安装在A/C双摆头中，其不足是：末端执行器的重量过大，影响机构的快进能力及动态性能；由于机构的承载能力完全由少自由度并联机构的支链承担，不利于追求机构的高刚度/质量比。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有优势进给方向、动态性能好、刚度/质量比大、定位精度与重复定位精度高的新型五自由度并联机械手。

本发明的新型五自由度并联机械手，它包括固定架、第一主运动链、第二主运动链、第三主运动链和从动支链，所述的第一主运动链包括第一主动支链，所述的第二主运动链包括第二主动支链和第三主动支链，所述的第三主运动链包括第四主动支链和第五主动支链，所述的从动支链位于设置在固定架中央开孔内的从动支链座内，第一主运动链、第二主运动链和第三主运动链相对于从动支链对称放置并且相互之间的相位为120°，第一主动支链位于设置在固定架第一开孔内的第一主动支链座内，第二主动支链和第三主动支链分别位于设置在固定架第二开孔内的第二主动支链座和第三主动支链座内，第四主动支链和第五主动支链分别位于设置在固定架第三开孔内的第四主动支链座和第五主动支链座内，每一所述的主动支链座与相应的固定架开孔内壁分别通过第一转轴转动相连，每一所述的主动支链和与其对应设置的主动支链座之间分别通过第二转轴转动相连，所述的第一转轴和第二转轴彼此之间不共线，从动支链为一管状结构，所述的从动支链座包括外圈与内圈，所述外圈通过外圈转轴与所述固定架中央开孔内壁转动连接，所述内圈通过内圈转轴与所述外圈连接，所述的从动支链的外壁与内圈通过第一滑块导轨结构相连，所述内圈转轴轴线和所述外圈转轴轴线不共线，在所述的固定架的下方设置有一个传动***壳体，所述的从动支链的下端与传动***壳体固定相连，第一主动支链的下端通过转轴连接有第一铰链座，所述第二主动支链和第三主动支链的下端与第一十字铰链的一个转轴相连，所述的第四主动支链和第五主动支链的下端与第二十字铰链一个转轴相连，所述的第一十字铰链和第二十字铰链分别通过轴承与第二铰链座和第三铰链座相连，所述第一铰链座、第二铰链座和第三铰链座底部分别固定连接有第三转轴、第四转轴和第五转轴，所述第三转轴、第四转轴和第五转轴与传动***壳体通过轴承转动相连，在所述的传动***壳体的底部通过轴承转动连接有定位头，每个十字铰链的另一个转轴各自与设置在传动***壳体内的一个主动锥齿轮相连，每一个所述的主动锥齿轮分别与设置在传动***壳体内的一个从动锥齿轮相啮合配合，其中连接第一从动锥齿轮的第五转轴通过第一同步带轮结构与设置在传动***壳体中间的第六转轴相转动配合，在所述的第六转轴上连接有第三主动锥齿轮，所述的第三主动锥齿轮与通过轴承架设在定位头上的旋转轴上的第三从动锥齿轮相啮合配合，在连接第二从动锥齿轮的第四转轴上装有主动带轮，在定位头上通过轴承架设有从动带轮轴，所述的主动带轮与安装在从动带轮轴上的从动带轮通过皮带轮转动相连，在所述的从动带轮上连接所述定位头，所述的第一从动锥齿轮和第二从动锥齿轮的齿轮轴以及第六转轴轴线相互平行并且与所述的旋转轴彼此垂直设置。

本发明的新型五自由度并联机械手有益效果在于：主运动链采用双主动支链的形式，既能驱动机构实现一平动两转动的运动，又能驱动其实现绕A/C轴的转动，有效减少定位头质量，实现模块化结构设计，具有优势进给方向。双主动支链可加大刚度/质量比，使机构动态性能好、定位精度与重复定位精度高。

附图说明

图1是本发明的新型五自由度并联机械手的结构示意图；

图2是图1所示的机械手的俯视图；

图3是图1所示的机械手的第一主动支链的结构示意图；

图4是图1所示的机械手的第二、三、四、五主动支链的结构示意图；

图5是图1所示的机械手的传动***及定位头的局部剖视图；

图6是图1所示的机械手应用实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例，并参照附图，对本发明做进一步的说明：

如附图所示的本发明的新型五自由度并联机械手，它包括固定架2、第一主运动链、第二主运动链、第三主运动链和从动支链8，所述的第一主运动链包括第一主动支链1，所述的第二主运动链包括第二主动支链3和第三主动支链4，所述的第三主运动链包括第四主动支链9和第五主动支链10，所述的从动支链位于设置在固定架中央开孔的从动支链座内，第一主运动链、第二主运动链和第三主运动链相对于从动支链对称放置并且相互之间的相位为120°，第一主动支链1位于设置在固定架第一开孔内的第一主动支链座内，第二主动支链3和第三主动支链4分别位于设置在固定架第二开孔内的第二主动支链座和第三主动支链座内，第四主动支链9和第五主动支链10分别位于设置在固定架第三开孔内的第四主动支链座和第五主动支链座内，每一所述的主动支链座与相应的固定架开孔内壁分别通过第一转轴转动相连，每一所述的主动支链和与其对应设置的主动支链座之间分别通过第二转轴转动相连，所述的第一转轴轴线和第二转轴轴线不共线。从动支链为一管状结构，所述的从动支链座包括外圈与内圈，所述外圈通过外圈转轴与所述固定架中央开孔内壁转动连接，所述内圈通过内圈转轴与所述外圈连接，所述的从动支链的外壁与内圈通过第一滑块导轨结构相连，所述内圈转轴轴线和外圈转轴轴线不共线。在所述的固定架的下方设置有一个传动***壳体5，所述的从动支链的下端与传动***壳体固定相连，第一主动支链1的下端通过转轴连接有第一铰链座，第二主动支链3和第三主动支链的下端与第一十字铰链的一个转轴相连，所述的第四主动支链和第五主动支链的下端与第二十字铰链的一个转轴相连，所述的第一十字铰链27和第二十字铰链45分别通过轴承与第二铰链座和第三铰链座相连，所述第一铰链座、第二铰链座和第三铰链座底部分别固定连接第三转轴、第四转轴31和第五转轴41，所述第三转轴、第四转轴31和第五转轴41与传动***壳体5分别通过轴承转动相连。在所述的传动***壳体5的底部通过轴承转动连接有定位头6，所述第一十字铰链27和第二十字铰链45的另一个转轴各自与设置在传动***壳体5内的第一主动锥齿轮43和第二主动锥齿轮29相连，所述的第一主动锥齿轮43和第二主动锥齿轮29分别与设置在传动***壳体内的第一从动锥齿轮42和第二从动锥齿轮30相啮合配合，其中连接第一从动锥齿轮42的第五转轴41通过第一同步带轮结构与设置在传动***壳体中间的第六转轴38相转动配合，在所述的第六转轴38上连接有第三主动锥齿轮37，所述的第三主动锥齿轮37与通过轴承架设在定位头上的旋转轴35上的第三从动锥齿轮36相啮合配合，在连接第二从动锥齿轮30的第四转轴31上装有主动带轮32，在定位头6上通过轴承架设有从动带轮轴，所述的主动带轮与安装在从动带轮轴上的从动带轮33通过皮带轮转动相连，在所述的从动带轮上连接所述定位头6，所述的第一从动锥齿轮的齿轮轴、第二从动锥齿轮的齿轮轴及第六转轴38轴线相互平行并且与所述的旋转轴35彼此垂直设置。

下面再结合每一幅图对本发明进一步说明：

如图1和2所示，所述第一主动支链1为第一主运动链，第二主动支链3与第三主动支链4组合成第二主运动链，第四主动支链9与第五主动支链10组合成第三主运动链。从动支链8位于固定架中央，第一主运动链、第二主运动链和第三主运动链关于从动支链8圆周对称放置，相互之间相位角为120°。所述固定架2与第一主动支链1、第二主动支链3、第三主动支链4、第四主动支链9和第五主动支链10分别通过第一铰链11、第二铰链12、第三铰链13、第四铰链14和第五铰链15连接；所述第一铰链11、第二铰链12、第三铰链13、第四铰链14和第五铰链15分别为通过第一转轴与固定架开孔转动相连的主动支链座。从动支链8为一管状结构，通过第六铰链16与所述固定架2连接，所述第六铰链16为一从动支链座，该从动支链座包括外圈与内圈结构，所述外圈通过外圈转轴与所述固定架转动连接，所述内圈通过内圈转轴与所述外圈连接，从动支链8的外壁与第六铰链16的内圈通过第一滑块导轨结构17相连。此处所述内圈转轴轴线和外圈转轴轴线不共线，从动支链8的下端与传动***壳体5固定连接。

如图3和4所示，第一主动支链1包括通过转轴21-1与相应的主动支链座转动相连的第一外管23-1，在所述的第一外管23-1的顶部装有伺服电机18-1，所述的伺服电机18-1的输出轴通过减速器19-1与第一丝杠20-1的一端固定相连，在所述的第一丝杠20-1上装有与其螺纹配合的螺母，所述的螺母与一个插装在第一外管内的第一内管22-1固定相连，所述的第一外管23-1和第一内管22-1之间通过第二导轨滑块结构相连；第二主动支链3、第三主动支链4、第四主动支链9和第五主动支链10均包括通过转轴21-2与相应的主动支链座转动相连的第二外管23-2，在所述的第二外管23-2的顶部装有伺服电机18-2，所述的伺服电机18-2的输出轴通过第二减速器19-2与第二丝杠20-2的一端固定相连，在所述的第二丝杠20-2上装有与其螺纹配合的螺母，所述的螺母与一个插装在第二外管内的第二内管22-2固定相连，所述第一主动支链第一内管22-1下端通过转轴连接有第一铰链座24，第一铰链座24底部固定连接第三转轴，所述第三转轴与传动***壳体通过轴承转动相连，所述第二主动支链3和第三主动支链4的第二内管22-2下端与第一十字铰链27的一个转轴相连，所述的第四主动支链9和第五主动支链10的第二内管22-2下端与第二十字铰链45一个转轴相连。本实施例中内管均采用伺服电机-减速器-滚珠丝杠的驱动方式，但也可采用液压、气动等结构作为驱动方式。

所述第二主运动链与第一传动***相连，即第二主动支链3和第三主动支链4的内管22-2下端与第一十字铰链的27一个转轴相连，第一十字铰链27的另一转轴与第二铰链座28以及设置在传动***壳体内的第二主动锥齿轮29相连，所述第二铰链座28底部固定连接第四转轴31，第四转轴31与传动***壳体5通过轴承转动相连，所述第四转轴31通过键连接第二从动锥齿轮30和主动带轮32。

所述第三主运动链与第二传动***相连，即第四主动支链9和第五主动支链10的内管22-2下端与第二十字铰链的45一个转轴相连，第二十字铰链45的另一转轴与第三铰链座44以及设置在传动***壳体内的第一主动锥齿轮43相连，所述第三铰链座44底部固定连接第五转轴41，第五转轴41与传动***壳体5通过轴承转动相连，所述第五转轴41上通过键连接有第一从动锥齿轮42和主动带轮40。

第二主运动链将运动传至第一传动***，再由第一传动***传至定位头6。第三主运动链将运动传至第二传动***，再由第二传动***传至旋转轴35。

所述第一传动***通过锥齿轮传动，同步带传动实现。第二主动支链3与第四主动支链4伺服电机的不同输入值引起第一十字铰链27转动，带动第二主动锥齿轮29转动；第二主动锥齿轮29与第二从动锥齿轮30啮合，使转动传至第四转轴31；第四转轴31带动主动带轮32转动，通过同步带将运动传至从动带轮33；从动带轮33与定位头6通过键连接，则从动带轮33转动即为定位头6的转动。

所述第二传动***通过锥齿轮传动、同步带传动和锥齿轮传动实现。第四主动支链9与第五主动支链10伺服电机的不同输入值引起第二十字铰链45转动，带动第一主动锥齿轮43转动；第一主动锥齿轮43与第一从动锥齿轮42啮合，使转动传至第五转轴41；第五转轴41带动主动带轮40转动，通过同步带将运动传至从动带轮39；从动带轮39通过键连接与第六转轴38相连，则带轮的转动可传至第六转轴38；第六转轴38通过键与第三主动锥齿轮37相连，则第六转轴38的转动传至第三主动锥齿轮37；第三主动锥齿轮37与第三从动锥齿轮36啮合，而第三从动锥齿轮36与旋转轴35键连接，则锥齿轮37的转动最终传至旋转轴35。

本发明的新型五自由度并联机械手可实现五自由度的运动。当第二主运动链中第二主动支链3与第三主动支链4的伺服电机具有相同输入值，且第三主运动链中第四主动支链9与第五主动支链10的伺服电机具有相同输入值时，由于第一铰链、第二铰链、第三铰链、第四铰链和第五铰链具有两转动自由度，所述每一主动支链在伺服电机驱动下，可带动末端动平台实现两转动自由度，所述主动支链内管与外管通过丝杠螺母及第一导轨滑块机构连接，所述内管相对于外管可实现轴向移动，故动平台可实现一平动两转动的运动，即机构可到达给定工作空间内的任一位置，实现定位功能。当第二主运动链中第二主动支链3与第三主动支链4的伺服电机具有不同输入值时，可将两支链末端产生的转动通过第一传动***传至定位头6，实现定位头6绕C轴的转动。当第三主运动链中第四主动支链9与第五主动支链10的伺服电机具有不同输入值时，可将两支链末端产生的转动通过第二传动***传至旋转轴35，实现旋转轴35绕A轴的转动，故机构可实现五自由度运动。

本发明的新型五自由度并联机械手，第二主运动链和第三主运动链采用双主动支链的结构形式。双主动支链具有相同输入，能驱动机构实现一平动两转动的运动；双主动支链具有不同的输入，能驱动机构实现绕A/C轴的转动，从而有效减轻定位头质量，增大机构整体刚性，提高定位头定位精度和重复定位精度，实现机构快进能力及动态性能提升。

本发明的新型五自由度并联机械手使用情况概述：如图6实施例1所示，将本发明的五自由度并联机械手作为一个模块，与三个方向的长行程导轨单元集成，实现更大工作空间内的加工能力。

以上对本发明的描述仅仅是示意性的，而不是限制性的，所以，本发明的实施方式并不局限于上述的具体实施方式。如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下，做出其他变化或变型，均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.新型五自由度并联机械手，其特征在于：它包括固定架、第一主运动链、第二主运动链、第三主运动链和从动支链，所述的第一主运动链包括第一主动支链，所述的第二主运动链包括第二主动支链和第三主动支链，所述的第三主运动链包括第四主动支链和第五主动支链，所述的从动支链位于设置在固定架中央开孔内的从动支链座内，第一主运动链、第二主运动链和第三主运动链相对于从动支链对称放置并且相互之间的相位为120°，第一主动支链位于设置在固定架第一开孔内的第一主动支链座内，第二主动支链和第三主动支链分别位于设置在固定架第二开孔内的第二主动支链座和第三主动支链座内，第四主动支链和第五主动支链分别位于设置在固定架第三开孔内的第四主动支链座和第五主动支链座内，每一所述的主动支链座与相应的固定架开孔内壁分别通过第一转轴转动相连，每一所述的主动支链和与其对应设置的主动支链座之间分别通过第二转轴转动相连，所述的第一转轴和第二转轴彼此之间不共线，从动支链为一管状结构，所述的从动支链座包括外圈与内圈，所述外圈通过外圈转轴与所述固定架中央开孔内壁转动连接，所述内圈通过内圈转轴与所述外圈连接，所述的从动支链的外壁与内圈通过第一滑块导轨结构相连，所述内圈转轴轴线和所述外圈转轴轴线不共线，在所述的固定架的下方设置有一个传动***壳体，所述的从动支链的下端与传动***壳体固定相连，第一主动支链的下端通过转轴连接有第一铰链座，所述第二主动支链和第三主动支链的下端与第一十字铰链的一个转轴相连，所述的第四主动支链和第五主动支链的下端与第二十字铰链一个转轴相连，所述的第一十字铰链和第二十字铰链分别通过轴承与第二铰链座和第三铰链座相连，所述第一铰链座、第二铰链座和第三铰链座底部分别固定连接有第三转轴、第四转轴和第五转轴，所述第三转轴、第四转轴和第五转轴与传动***壳体通过轴承转动相连，在所述的传动***壳体的底部通过轴承转动连接有定位头，每个十字铰链的另一个转轴各自与设置在传动***壳体内的一个主动锥齿轮相连，每一个所述的主动锥齿轮分别与设置在传动***壳体内的一个从动锥齿轮相啮合配合，其中连接第一从动锥齿轮的第五转轴通过第一同步带轮结构与设置在传动***壳体中间的第六转轴相转动配合，在所述的第六转轴上连接有第三主动锥齿轮，所述的第三主动锥齿轮与通过轴承架设在定位头上的旋转轴上的第三从动锥齿轮相啮合配合，在连接第二从动锥齿轮的第四转轴上装有主动带轮，在定位头上通过轴承架设有从动带轮轴，所述的主动带轮与安装在从动带轮轴上的从动带轮通过皮带轮转动相连，在所述的从动带轮上连接所述定位头，所述的第一从动锥齿轮和第二从动锥齿轮的齿轮轴以及第六转轴轴线相互平行并且与所述的旋转轴彼此垂直设置。

2.根据权利要求1所述的新型五自由度并联机械手，其特征在于：第一主动支链包括通过转轴与第一主动支链座转动相连的第一外管，在所述的第一外管的顶部装有伺服电机，所述的伺服电机的输出轴通过减速器与第一丝杠的一端固定相连，在所述的第一丝杠上装有与其螺纹配合的螺母，所述的螺母与一个插装在第一外管内的第一内管固定相连，所述的第一外管和第一内管之间通过第二导轨滑块结构相连；第二主动支链、第三主动支链、第四主动支链和第五主动支链均包括通过转轴与相应的主动支链座转动相连的第二外管，在所述的第二外管的顶部装有伺服电机，所述的伺服电机的输出轴通过减速器与第二丝杠的一端固定相连，在所述的第二丝杠上装有与其螺纹配合的螺母，所述的螺母与一个插装在第二外管内的第二内管固定相连，所述第一内管下端通过转轴连接有一铰链座，第二主动支链和第三主动支链的第二内管下端与第一十字铰链的一个转轴相连，所述的第四主动支链和第五主动支链第二内管下端与第二十字铰链一个转轴相连。

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