CN102615641A - 一种五自由度并联动力头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种五自由度并联动力头，包括固定架，所述固定架底座的中央有一中央开孔，所述中央开孔内设有一个具有两转动自由度的第一铰链；所述第一铰链通过移动副与从动支链相连，在所述从动支链周围设有均布的第一、第二和第三运动链，所述第一、第二和第三运动链固接在所述固定架上，所述固定架的下方设置有一个动平台，所述动平台包括上平台与下平台两个部分；所述上平台与所述下平台通过轴承转动相连；所述从动支链的下端与所述上平台固定连接；所述第一运动链的下端通过具有三转动自由度的第四铰链与上平台转动相连，第二和第三运动链以相同的连接结构连接在上平台上。本发明响应速度快、动态性能好、刚度质量比大。

Description

一种五自由度并联动力头

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坐标作业功能的并联机器人。

背景技术

根据专利US4732525、ZL200510015095.5可知，现有的多坐标机械手，其实现形式一般为少自由度并联机构辅以定位头的混联结构形式。多坐标加工能力包括动平台的位置定位及末端执行器的姿态定位。其中，机构动平台的位置定位由少自由度并联机构实现，主要通过调节安装在主动支链上的伺服电机执行；末端执行器的姿态定位由定位头(如A/C双摆头)实现，通过调节安装在双摆头上的伺服电机执行。

此类机械手的不足为：定位头安装伺服电机与减速器等，重量过大，影响机构的响应能力及动态性能，机构刚度质量比较小，整体刚度较难保证。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种五自由度并联动力头，该动力头的响应速度快、动态性能好、刚度质量比大。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种五自由度并联动力头，包括固定架，所述固定架底座的中央有一中央开孔，所述中央开孔内设有一个具有两转动自由度的第一铰链；所述第一铰链通过移动副与从动支链相连，在所述从动支链周围设有均布的第一、第二和第三运动链，所述第一、第二和第三运动链固接在所述固定架上，所述第一运动链包括第一主动支链，第二运动链包括第二和第三主动支链，第三运动链包括第四和第五主动支链，所述第一、第二、第三、第四和第五主动支链的结构相同；

所述每一主动支链均包括与固定架固定连接的壁板，在所述壁板上端安装有伺服电机，所述伺服电机驱动第一滚珠丝杠，所述第一滚珠丝杠上连接有第一螺母，所述第一螺母固接在连接块内，所述连接块滑动连接在导轨上，所述导轨固定在所述壁板上，所述连接块通过具有两个转动自由度的第三铰链与从动杆上端相连；所述固定架的下方设置有一个动平台，所述动平台包括上平台与下平台两个部分；所述上平台与所述下平台通过轴承转动相连；所述从动支链的下端与所述上平台固定连接；所述第一主动支链的下端通过具有三转动自由度的第四铰链与上平台转动相连；所述第二主动支链的下端通过具有一个转动自由度的第五铰链与第一十字轴的一个转轴铰接，所述第三主动支链的下端通过具有一个转动自由度的第六铰链与第二十字轴的一个转轴铰接，所述第一十字轴和第二十字轴的另一转轴分别转动连接在第一摆轴内，所述第一摆轴固接在第一铰链轴上，所述第一铰链轴转动连接在第一铰链座上，所述第一铰链座固定连接在所述上平台上；所述第四主动支链的下端通过具有一个转动自由度的第七铰链与第三十字轴的一个转轴铰接，所述第五主动支链的下端通过具有一个转动自由度的第八铰链与第四十字轴的一个转轴铰接，所述第三十字轴和第四十字轴的另一转轴分别转动连接在第二摆轴内，所述第二摆轴固接在第二铰链轴上，所述第二铰链轴转动连接在第二铰链座上，所述第二铰链座固定连接在上平台上；所述第一铰链轴的一端与第一主动锥齿轮相连，所述第一主动锥齿轮上啮合有第一从动锥齿轮，所述第一从动锥齿轮固定在第一转轴上，所述第一转轴转动连接在所述上平台上，所述第一转轴上固接有第一主动带轮，所述第一主动带轮通过皮带与第一从动带轮连接，所述第一从动带轮固定在第三转轴上，所述第三转轴设置在下平台上；所述第二铰链轴的一端与第二主动锥齿轮相连，所述第二主动锥齿轮上啮合有第二从动锥齿轮，所述第二从动锥齿轮固定在第二转轴上，所述第二转轴转动连接在所述上平台上，所述第二转轴上固接有第二主动带轮，所述第二主动带轮通过皮带与第二从动带轮连接，所述第二从动带轮固定在第四转轴上，所述第四转轴下端穿过第三转轴深入到下平台内，并与第三主动锥齿轮固接，所述第三主动锥齿轮上啮合有第三从动锥齿轮，所述第三从动锥齿轮固接在第五转轴上，所述第五转轴转动连接在下平台上。

所述第一铰链包括外圈和内圈，所述内圈外设有内圈转轴，所述外圈上设有外圈转轴，所述外圈通过外圈转轴与固定架转动连接，所述内圈通过内圈转轴与外圈转动连接，所述外圈转轴与内圈转轴交叉设置。

所述第一主动锥齿轮设置在第一铰链轴的内端，所述第二主动锥齿轮设置在第二铰链轴的内端。

本发明具有的优点和积极效果是：机构可实现五坐标加工能力，其中既有一平动两转动的定位运动又有绕A和/或C轴的姿态调整，能够有效减少定位头质量，实现模块化结构设计。运动链采用双主动支链形式可提高机构整体刚度，同时保证机构动态性能好、刚度质量比大、定位精度与重复定位精度高且具有优势进给方向。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明中一个主动支链的的结构示意图；

图4是本发明中动平台的外观图；

图5是本发明中动平台的内部结构示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1～图5，一种五自由度并联动力头，由固定架1，第一、第二、第三、第四、第五主动支链2、3、4、5、6，从动支链7，动平台8构成。所述固定架1的中央有一中央开孔，所述中央开孔内设有一个具有两转动自由度的第一铰链9，所述第一铰链9通过移动副10与从动支链7相连。在本实施例中，所述第一铰链9包括外圈和内圈，所述内圈外设有内圈转轴，所述外圈外设有外圈转轴，所述外圈通过外圈转轴与固定架转动连接，所述内圈通过内圈转轴与外圈转动连接，所述外圈转轴与内圈转轴交叉设置；所述内圈通过移动副10与从动支链7相连。所述第一主动支链2为第一运动链，第二、第三主动支链3、4为第二运动链，第四、第五主动支链5、6为第三运动链，所述第一、第二、第三运动链相对于从动支链空间对称分布在所述固定架上。所述第一、第二、第三、第四、第五主动支链2、3、4、5、6具有相同的结构形式，所述每一主动支链均包括与固定架固定连接的壁板11，在所述壁板上端安装有伺服电机12，所述伺服电机驱动第一滚珠丝杠13，所述第一滚珠丝杠13上连接有第一螺母，所述第一螺母固接在连接块15内，所述连接块15滑动连接在导轨14上，所述导轨14固定在所述壁板11上，所述连接块15通过具有两个转动自由度的第三铰链16与从动杆17上端相连，所述第三铰链16可采用虎克铰等结构形式。

所述固定架1的下方设置有一个动平台8，包括上平台18与下平台19，所述上平台18与所述下平台19通过轴承转动相连。所述从动支链7的下端与所述上平台18固定连接。所述第一主动支链2通过第四铰链20与上平台转动相连，所述第四铰链具有三个转动自由度，可采用虎克铰辅以自转轴、球铰链等形式。所述第二主动支链3的下端通过具有一个转动自由度的第五铰链21与第一十字轴23的一个转轴铰接，所述第三主动支链4的下端通过具有一个转动自由度的第六铰链22与第二十字轴24的一个转轴铰接，所述第一十字轴23和第二十字轴24的另一转轴分别转动连接在第一摆轴25内，所述第一摆轴25固接在第一铰链轴26上，所述第一铰链轴26转动连接在第一铰链座27上，所述第一铰链座27固定连接在所述上平台18上；

所述第四、第五主动支链与上平台的连接和第三、第四主动支链与上平台的连接相同。所述第四主动支链5的下端通过具有一个转动自由度的第七铰链28与第三十字轴30的一个转轴铰接，所述第五主动支链6的下端通过具有一个转动自由度的第八铰链29与第四十字轴31的一个转轴铰接，所述第三十字轴30和第四十字轴31的另一转轴分别转动连接在第二摆轴32内，所述第二摆轴32固接在第二铰链轴33上，所述第二铰链轴33转动连接在第二铰链座34上，所述第二铰链座34固定连接在上平台18上；所述第一、第二铰链轴26、33的一端各自与设置在上平台内的第一、第二主动锥齿轮37、38相连，所述第一主动锥齿轮37上啮合有第一从动锥齿轮39，所述第一从动锥齿轮39固定在第一转轴35上，所述第一转轴35转动连接在所述上平台18上，所述第一转轴35上固接有第一主动带轮40，所述第一主动带轮40通过皮带与第一从动带轮42连接，所述第一从动带轮42固定在第三转轴41上，所述第三转轴41设置在下平台19上；所述第二铰链轴33的一端与第二主动锥齿轮38相连，所述第二主动锥齿轮38上啮合有第二从动锥齿轮43，所述第二从动锥齿轮43固定在第二转轴36上，所述第二转轴36转动连接在所述上平台18上，所述第二转轴36上固接有第二主动带轮44，所述第二主动带轮44通过皮带与第二从动带轮46连接，所述第二从动带轮46固定在第四转轴45上，所述第四转轴45下端穿过第三转轴深入到下平台内，并与第三主动锥齿轮47固接，所述第三主动锥齿轮47上啮合有第三从动锥齿轮49，所述第三从动锥齿轮固接在第五转轴48上，所述第五转轴转动连接在下平台上。

下面结合每一幅图对本发明进一步说明：

如图1和图2所示，本发明的一种五自由度并联动力头，由固定架1，动平台8，第一、第二、第三、第四、第五主动支链2、3、4、5、6，从动支链7构成。其中，第一主动支链2为第一运动链，第二主动支链3与第三主动支链4组成第二运动链，第四主动支链5与第五主动支链6组成第三运动链。从动支链7位于固定架1的中央开孔内，第一、第二、第三运动链关于从动支链7空间对称设置在所述固定架上。所述中央开孔内连接具有两回转自由度的第一铰链9，所述第一铰链9通过移动副10与所述从动支链7相连。

如图3所示，所述每一主动支链均包括壁板11，伺服电机12，第一丝杠螺母结构，第二导轨滑块结构，连接块15，第三铰链16及从动杆17。壁板11固定连接在固定架上，伺服电机12安装在所述壁板一端，所述伺服电机输出轴通过联轴器与第一滚珠丝杠13相连，所述壁板上设置有第二导轨14，连接块15上固定安装第二滑块和第一螺母，则第一滚珠丝杠13与第一螺母螺纹连接形成第一丝杠螺母结构，第二导轨14与第二滑块滑动连接形成第二导轨滑块结构。连接块15通过第三铰链16与从动杆17相连，所述第三铰链16具有两转动自由度，可采用虎克铰等结构形式。本实施例中连接块带动从动杆的移动均采用伺服电机-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。

如图4所示，动平台8包括上平台18和下平台19两个部分，所述上平台18与所述下平台19通过轴承转动相连。所述从动支链7的下端与所述上平台18固定连接，所述第一主动支链2通过第四铰链20与上平台18连接，所述第四铰链20具有三个转动自由度，可采用虎克铰辅以自转轴、球铰链等形式。所述第二主动支链3的下端通过具有一个转动自由度的第五铰链21与第一十字轴23的一个转轴铰接，所述第三主动支链4的下端通过具有一个转动自由度的第六铰链22与第二十字轴24的一个转轴铰接，所述第一十字轴23和第二十字轴24的另一转轴分别转动连接在第一摆轴25内，所述第一摆轴25固接在第一铰链轴26上，所述第一铰链轴26转动连接在第一铰链座27上，所述第一铰链座27固定连接在所述上平台18上。

如图5所示，所述第四，第五主动支链5、6与上平台18的连接和第二、第三主动支链3、4与上平台18的连接相同。所述第四主动支链5的下端通过具有一个转动自由度的第七铰链28与第三十字轴30的一个转轴铰接，所述第五主动支链6的下端通过具有一个转动自由度的第八铰链29与第四十字轴31的一个转轴铰接，所述第三十字轴31和第四十字轴31的另一转轴分别转动连接在第二摆轴32内，所述第二摆轴32固接在第二铰链轴33上，所述第二铰链轴33转动连接在第二铰链座34上，所述第二铰链座34固定连接在上平台18上。

所述第一铰链轴26的一端与设置在上平台18内的第一主动锥齿轮37相连，所述上平台18内沿从动支链轴线方向通过轴承转动连接第一转轴35，所述第一转轴35通过键连接有第一从动锥齿轮39和第一主动带轮40。第一主动带轮40与第一从动带轮42通过皮带连接，所述第一从动带轮42通过键连接在第三转轴41上，而第三转轴41设置在下平台19。则第二运动链，即第二、第三主动支链3、4的伺服电机具有不同输入值时，第一摆轴25产生转动，带动第一铰链轴26绕自身轴线转动，从而带动第一主动锥齿轮37转动，通过齿轮啮合作用传至第一从动锥齿轮39，进而由第一转轴35传至第一主动带轮40，从而第一从动带轮42在皮带的作用下发生转动，带动第三转轴41与下平台19产生绕C轴的转动。为了使结构更加紧凑，在本实施例中，将所述第一主动锥齿轮37设置在第一铰链轴26的内端。

所述第二铰链轴33的一端通过键连接设置在上平台18内的第二主动锥齿轮38，所述上平台18内沿从动支链轴线方向通过轴承转动连接第二转轴36，所述第二转轴36通过键连接第二从动锥齿轮43和第二主动带轮44。第二主动带轮44与第二从动带轮46通过皮带连接，所述第二从动带轮46通过键连接在第四转轴45上。所述第四转轴45下端穿过第三转轴深入到下平台内，并与第三主动锥齿轮47固接，所述的第三主动锥齿轮47与通过轴承架设在下平台的第五转轴48上的第三从动锥齿轮49相啮合配合。则第三运动链，即第四、第五主动支链5、6具有不同输入值的驱动时，第二摆轴32发生转动，带动第二铰链轴33产生绕自身轴线的转动，进而带动第二主动锥齿轮38转动，第二主动锥齿轮38与第二从动锥齿轮43啮合，使转动传至第二转轴36，第二转轴36带动第二主动带轮44转动，通过皮带传至第二从动带轮46，从而带动第四转轴45发生转动，进而将转动传至第三主动锥齿轮47，齿轮啮合作用导致第三从动锥齿轮49转动，则第五转轴48可实现绕A轴的转动。为了使结构更加紧凑，在本实施例中，将所述第二主动锥齿轮38设置在第二铰链轴33的内端。

本发明的新型五自由度并联动力头可实现五自由度的运动。由于第一、第二、第三运动链的连接块15可相对于固定架沿第一滚珠丝杠轴线方向移动，所述连接块通过具有两个回转自由度的第三铰链16与从动杆17相连，所述第一、第二、第三运动链与动平台的连接具有三个回转自由度；从动支链通过具有两转动自由度的第一铰链和移动副与固定架相连，下端与动平台固定连接，故动平台可在所述每一运动链伺服电机的驱动下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锥齿轮、同步带传至下平台19，实现下平台19绕C轴的转动。当第三运动链中第四主动支链5与第五主动支链6的驱动装置具有不同输入值时，可将两支链末端产生的转动通过锥齿轮、同步带、锥齿轮传至第五转轴48，实现第五转轴绕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动力头，第二、第三运动链采用双主动支链的结构，既能驱动机构以更快的速度实现一平动两转动的定位运动；又能达到指定的位置后，使双主动支链具有不同的输入，驱动机构产生绕A/C轴的转动，实现姿态调整。从而定位头质量可有效减小，机构整体刚性提高，定位头定位精度和重复定位精度加大，实现机构快进能力及动态性能提升。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种五自由度并联动力头，其特征在于，包括固定架，所述固定架底座的中央有一中央开孔，所述中央开孔内设有一个具有两转动自由度的第一铰链；所述第一铰链通过移动副与从动支链相连，在所述从动支链周围设有均布的第一、第二和第三运动链，所述第一、第二和第三运动链固接在所述固定架上，所述第一运动链包括第一主动支链，第二运动链包括第二和第三主动支链，第三运动链包括第四和第五主动支链，所述第一、第二、第三、第四和第五主动支链的结构相同；

所述每一主动支链均包括与固定架固定连接的壁板，在所述壁板上端安装有伺服电机，所述伺服电机驱动第一滚珠丝杠，所述第一滚珠丝杠上连接有第一螺母，所述第一螺母固接在连接块内，所述连接块滑动连接在导轨上，所述导轨固定在所述壁板上，所述连接块通过具有两个转动自由度的第三铰链与从动杆上端相连；

所述固定架的下方设置有一个动平台，所述动平台包括上平台与下平台两个部分；所述上平台与所述下平台通过轴承转动相连；所述从动支链的下端与所述上平台固定连接；所述第一主动支链的下端通过具有三转动自由度的第四铰链与上平台转动相连，

所述第二主动支链的下端通过具有一个转动自由度的第五铰链与第一十字轴的一个转轴铰接，所述第三主动支链的下端通过具有一个转动自由度的第六铰链与第二十字轴的一个转轴铰接，所述第一十字轴和第二十字轴的另一转轴分别转动连接在第一摆轴内，所述第一摆轴固接在第一铰链轴上，所述第一铰链轴转动连接在第一铰链座上，所述第一铰链座固定连接在所述上平台上；

所述第四主动支链的下端通过具有一个转动自由度的第七铰链与第三十字轴的一个转轴铰接，所述第五主动支链的下端通过具有一个转动自由度的第八铰链与第四十字轴的一个转轴铰接，所述第三十字轴和第四十字轴的另一转轴分别转动连接在第二摆轴内，所述第二摆轴固接在第二铰链轴上，所述第二铰链轴转动连接在第二铰链座上，所述第二铰链座固定连接在上平台上；所述第一铰链轴的一端与第一主动锥齿轮相连，所述第一主动锥齿轮上啮合有第一从动锥齿轮，所述第一从动锥齿轮固定在第一转轴上，所述第一转轴转动连接在所述上平台上，所述第一转轴上固接有第一主动带轮，所述第一主动带轮通过皮带与第一从动带轮连接，所述第一从动带轮固定在第三转轴上，所述第三转轴设置在下平台上；

所述第二铰链轴的一端与第二主动锥齿轮相连，所述第二主动锥齿轮上啮合有第二从动锥齿轮，所述第二从动锥齿轮固定在第二转轴上，所述第二转轴转动连接在所述上平台上，所述第二转轴上固接有第二主动带轮，所述第二主动带轮通过皮带与第二从动带轮连接，所述第二从动带轮固定在第四转轴上，所述第四转轴下端穿过第三转轴深入到下平台内，并与第三主动锥齿轮固接，所述第三主动锥齿轮上啮合有第三从动锥齿轮，所述第三从动锥齿轮固接在第五转轴上，所述第五转轴转动连接在下平台上。

2.根据权利要求1所述的五自由度并联动力头，其特征在于：所述第一铰链包括外圈和内圈，所述内圈外设有内圈转轴，所述外圈上设有外圈转轴，所述外圈通过所述外圈转轴与所述固定架转动连接，所述内圈通过所述内圈转轴与所述外圈转动连接，所述外圈转轴与所述内圈转轴交叉设置。

3.根据权利要求1所述的五自由度并联动力头，其特征在于：所述第一主动锥齿轮设置在第一铰链轴的内端，所述第二主动锥齿轮设置在第二铰链轴的内端。

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