CN102672714B - 高刚度高精度五坐标并联动力头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高刚度高精度五坐标并联动力头，包括固定架，在中央开孔内连接第一铰链，从动支链通过第二铰链与第一铰链连接，第一至五主动支链分别通过第三至七铰链与固定架相连；在固定架的下方设置有包括第一平台与第二平台的动平台，从动支链的下端与所述第一平台顶壁固定连接，第一主动支链内管下端通过第八铰链与第一平台转动连接，第二、第三主动支链分别与第九、十铰链相连，第四、五主动支链与第十一、十二铰链转动相连，第四、第五主动支链具有不同输入值的驱动时，第五转轴可绕A轴转动。第二、三主动支链具有不同输入值时，第三转轴与下平台产生绕C轴的转动，本机构既能实现一平动两转动的定位运动，又能实现绕A/C轴的姿态调整。

Description

高刚度高精度五坐标并联动力头

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自由度作业功能的空间并联机器人。

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。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，定位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。现有的五自由度并联机械手即为两转一平并联机构辅以A/C双摆头的混联结构，此类机械手的不足为：A/C双摆头安装伺服电机、减速器等设备，重量过大，影响机构的快进能力及动态性能；机构的承载能力完全由少自由度并联机构的支链承担，承载能力较差，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，提供一种快进能力及动态性能好、刚度/质量比大、定位精度与重复定位精度高、具有优势进给方向的高刚度高精度五坐标并联动力头。

本发明的高刚度高精度五坐标并联动力头，包括固定架，所述固定架的中央有一中央开孔，在所述的中央开孔内连接具有两回转自由度的第一铰链，所述第一铰链包括外圈和内圈，所述外圈通过外圈转轴与中央开孔内壁转动相连，所述内圈通过内圈转轴与所述外圈转动相连，所述外圈转轴与内圈转轴轴线具有夹角，一个从动支链通过具有一个移动自由度的第二铰链与所述第一铰链内圈沿从动支链轴线方向相滑移连接，第一主动支链作为第一运动链，第二、第三主动支链作为第二运动链，第四、第五主动支链作为第三运动链，所述第一、第二、第三、第四和第五主动支链分别通过第三、第四、第五、第六和第七铰链与所述固定架相连，第一主动支链位于设置在固定架第一开孔的第三铰链内，第二和第三主动支链分别位于设置在固定架第二开孔内的第四、第五铰链内，第四和第五主动支链分别位于设置在固定架第三开孔内的第六、第七铰链内，所述第三、第四、第五、第六和第七铰链分别包括铰链圈，所述的铰链圈通过铰链圈转轴与固定架转动相连，所述第一、第二、第三、第四和第五主动支链均包括外管，所述的外管通过外管转轴与所述的铰链圈转动相连，所述的铰链圈转轴与外管转轴具有夹角，在所述的外管内插装有内管，所述外管与内管间通过第二导轨滑块结构相连，所述的内管在驱动装置的驱动下能够沿外管轴线方向移动；在所述固定架的下方设置有一个动平台，所述的动平台包括第一平台与第二平台，所述第一平台与第二平台通过轴承转动相连，所述从动支链的下端与所述第一平台顶壁固定连接，所述第一主动支链内管下端通过第八铰链与第一平台转动连接，所述第八铰链具有三个转动自由度，所述第二、第三主动支链的内管下端分别与具有一个回转自由度的第九、第十铰链转动相连，所述第九、第十铰链分别与第一十字轴、第二十字轴的一个转轴转动相连，所述第一十字轴、第二十字轴的另一转轴分别与第一摆轴同轴线转动相连，所述第一摆轴与第一铰链轴固定连接，所述第一摆轴的轴线与所述第一铰链轴的轴线互相垂直，所述第一铰链轴与固定连接于第一平台的第一铰链座转动连接，所述第四、第五主动支链内管下端与具有一个回转自由度的第十一、第十二铰链转动相连，所述第十一、第十二铰链分别与第三十字轴、第四十字轴的一个转轴转动相连，所述第三、第四十字轴的另一转轴分别与第二摆轴同轴线转动相连，所述第二摆轴与第二铰链轴固定连接，所述第二摆轴的轴线与第二铰链轴的轴线相互垂直，所述第二铰链轴与固定连接于第一平台的第二铰链座转动连接，所述第一平台内通过轴承转动连接第一、第二转轴，所述第一、第二转轴沿从动支链轴线方向设置，所述第一、第二铰链轴的一端各自与设置在第一平台内的一个主动锥齿轮相连，第一主动锥齿轮与第一从动锥齿轮啮合配合，第二主动锥齿轮与第二从动锥齿轮啮合配合，连接第一从动锥齿轮的第一转轴下端通过键连接有第一主动带轮，所述的第一主动带轮与安装在第三转轴上的第一从动带轮通过皮带相连，所述第三转轴固定连接在第二平台上，连接第二从动锥齿轮的第二转轴上通过键连接第二主动带轮，第二主动带轮与安装在第四转轴上的第二从动带轮通过皮带相连，在所述的第四转轴下端连接有第三主动锥齿轮，所述的第四转轴与第二平台转动相连，所述的第三主动锥齿轮与通过轴承架设在第二平台的第五转轴上的第三从动锥齿轮相啮合配合，所述的第一、第二、第三、第四转轴轴线相互平行并且与所述的第五转轴彼此垂直设置。

本发明的高刚度高精度五坐标并联动力头有益效果在于：机构既能实现一平动两转动的定位运动，又能实现绕A/C轴的姿态调整，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加大机构整体刚度，使机构具有良好动态性能、提高定位精度与重复定位精度。

附图说明

图1是本发明的高刚度高精度五坐标并联动力头的结构示意图；

图2是图1所示并联动力头的俯视图；

图3是图1所示并联动力头的主动支链的结构示意图；

图4是图1所示并联动力头的动平台外观图；

图5是图1所示并联动力头的第四、第五主动支链与动平台连接部件结构图；

图6是图4所示并联动力头的动平台剖开后的内部结构图；

图7是图1所示并联动力头的应用实施例的结构示意图。

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。

如附图所示的高刚度高精度五坐标并联动力头，由固定架1，第一、第二、第三、第四和第五主动支链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，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包括外圈和内圈，所述外圈通过外圈转轴与中央开孔内壁转动相连，所述内圈通过内圈转轴与所述外圈转动相连，所述外圈转轴与内圈转轴轴线不共线，所述第一铰链9也可采用具有相同运动功能的其他结构形式。所述从动支链7通过具有一个移动自由度的第二铰链10与所述第一铰链9内圈连接，所述第二铰链10可采用滑块导轨结构，即在所述内圈上固定安装第一滑块，与固接于从动支链的第一导轨相滑动配合，实现沿从动支链轴线方向的滑移，所述第二铰链10也可采用其他具有相同运动功能的结构形式。所述第一主动支链2作为第一运动链，第二、第三主动支链3、4作为第二运动链，第四、第五主动支链5、6作为第三运动链。作为优选方式，所述第一、第二、第三运动链相对于从动支链圆周对称放置，相互之间的相位为120°，所述对称结构可提高机构整体刚度。所述第一、第二、第三、第四和第五主动支链2、3、4、5、6分别通过第三、第四、第五、第六和第七铰链11、12、13、14、15与所述固定架1相连，第一主动支链2位于设置在固定架第一开孔的第三铰链11内，第二和第三主动支链3、4分别位于设置在固定架第二开孔内的第四、第五铰链12、13内，第四和第五主动支链5、6分别位于设置在固定架第三开孔内的第六、第七铰链14、15内，所述第三、第四、第五、第六铰链11、12、13、14、15具有两转动自由度，所述第三、第四、第五、第六、第七铰链均包括铰链圈，所述的铰链圈通过铰链圈转轴与固定架转动相连，所述每一主动支链具有相同的机械结构，所述第一、第二、第三、第四和第五主动支链均包括外管16，所述的外管通过外管转轴与所述的铰链圈转动相连，所述的铰链圈转轴与外管转轴具有夹角，所述的夹角优选的为90度。所述第三、第四、第五、第六和第七铰链也可采用其他具有相同运动功能的铰链形式。在所述的外管内插装有内管21，所述外管与内管间通过第二导轨滑块结构22相连，所述的内管在驱动装置的驱动下能够沿外管轴线方向移动。所述的驱动装置优选的包括伺服电机17、减速器18、滚珠丝杠19和螺母20。在所述外管16的顶部装有所述伺服电机17，所述的伺服电机17的输出轴通过减速器18与滚珠丝杠19的一端固定连接，在所述滚珠丝杠19上装有与其螺纹配合的螺母20，所述螺母20与插装在所述外管16内的内管21固定连接。

所述固定架1的下方设置有一个动平台8，包括第一平台23与第二平台24，所述第一平台23与第二平台24通过轴承转动相连。所述从动支链7的下端与所述第一平台23顶壁固定连接。所述第一主动支链2内管下端通过第八铰链25与第一平台23转动连接，所述第八铰链25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、第三主动支链3、4的内管下端分别与具有一个回转自由度的第九、第十铰链26、27转动相连，所述第九、第十铰链26、27分别与第一十字轴28、第二十字轴29的一个转轴转动相连，所述第一十字轴28、第二十字轴29的另一转轴分别与第一摆轴30同轴线转动相连，所述第一摆轴30与第一铰链轴31固定连接，所述第一摆轴30的轴线与所述第一铰链轴31的轴线互相垂直，所述第一铰链轴31与固定连接于第一平台23的第一铰链座32转动连接。所述第四，第五主动支链5、6与第一平台23的连接和第二、第三主动支链3、4与第一平台23的连接相似。所述第四、第五主动支链5、6内管下端与具有一个回转自由度的第十一、第十二铰链33、34转动相连，所述第十一、第十二铰链33、34分别与第三十字轴、第四十字轴35、36的一个转轴转动相连，所述第三、第四十字轴35、36的另一转轴分别与第二摆轴37同轴线转动相连，所述第二摆轴37与第二铰链轴38固定连接，所述第二摆轴37的轴线与第二铰链轴38的轴线相互垂直，所述第二铰链轴38与固定连接于第一平台23的第二铰链座39转动连接。所述第一平台23内通过轴承转动连接第一、第二转轴40、41，所述第一、第二转轴40、41沿从动支链轴线方向设置。所述第一、第二铰链轴31、38的一端各自与设置在第一平台23内的一个主动锥齿轮42、43相连，每一个所述的主动锥齿轮分别与设置在第一平台内的一个从动锥齿轮44、45相啮合配合，即第一主动锥齿轮与第一从动锥齿轮啮合配合，第二主动锥齿轮与第二从动锥齿轮啮合配合，连接第一从动锥齿轮44的第一转轴40下端通过键连接有第一主动带轮46，第一主动带轮46与安装在第三转轴47上的第一从动带轮48通过皮带相连，所述第三转轴47固定连接在第二平台24上。连接所述第二从动锥齿轮45的第二转轴41上通过键连接第二主动带轮49，第二主动带轮49与安装在第四转轴50上的第二从动带轮51通过皮带相连，在所述的第四转轴50下端连接有第三主动锥齿轮52，所述的第三主动锥齿轮52与通过轴承架设在第二平台的第五转轴53上的第三从动锥齿轮54相啮合配合。所述的第四转轴与第二平台转动相连，所述的第一、第二、第三和第四转轴40、41、47、50轴线相互平行并且与所述的第五转轴53彼此垂直设置。

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，本发明的高刚度高精度五坐标并联动力头，由固定架1，动平台8，连接所述固定架1和动平台8的五条相同的主动支链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8圆周对称放置，相互之间相位为120°。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通过具有一个移动自由度的第二铰链10与所述从动支链7相连。所述第一主动支链2、第二主动支链3、第三主动支链4、第四主动支链5、第五主动支链6与所述固定架1分别通过第三铰链11、第四铰链12、第五铰链13、第六铰链14、第七铰链15相连。所述第三铰链11、第四铰链12、第五铰链13、第六铰链14、第七铰链15均具有两转动自由度，所述第三、第四、第五、第六和第七铰链均包括铰链圈，所述的铰链圈通过铰链圈转轴与固定架1转动相连，所述第一、第二、第三、第四和第五主动支链均包括外管16，所述的外管通过外管转轴与所述的铰链圈转动相连，所述的铰链圈转轴与外管转轴具有夹角，不共线，所述的夹角优选的为90度。

如图3所示，所述每一主动支链具有相同结构形式，所述第一、第二、第三、第四和第五主动支链均包括外管16，所述的外管通过外管转轴与所述的铰链圈转动相连，所述的铰链圈转轴与外管转轴具有夹角，在所述的外管内插装有内管21，所述外管与内管间通过第二导轨滑块结构22相连，所述的内管在驱动装置的驱动下能够沿外管轴线方向移动。所述的驱动装置优选的包括伺服电机17、减速器18、滚珠丝杠19和螺母20。在所述外管16的顶部装有所述伺服电机17，所述的伺服电机17的输出轴通过减速器18与滚珠丝杠19的一端固定连接，在所述滚珠丝杠19上装有与其螺纹配合的螺母20，所述螺母20与插装在所述外管16内的内管21固定连接。所述内管21可沿外管轴线方向移动，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。

如图4所示，动平台8包括第一平台23和第二平台24两个部分，所述第一平台23与所述第二平台24通过轴承转动相连。所述从动支链7的下端与所述第一平台23固定连接，所述第一主动支链2通过第八铰链25与第一平台23连接，所述第八铰链25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、第三主动支链3、4的下端与具有一个回转自由度的第九、第十铰链26、27通过轴承转动相连，所述第九、第十铰链26、27分别与第一十字轴28、第二十字轴29的一个转轴通过轴承转动相连，所述第一十字轴28、第二十字轴29的另一转轴分别与第一摆轴30通过轴承转动相连且轴线在同一直线上，所述第一摆轴30与第一铰链轴31固定连接且轴线互相垂直，所述第一铰链轴31与第一铰链座32转动连接，所述第一铰链座32固定连接于第一平台23上。

如图5和图6所示，所述第四，第五主动支链5、6与第一平台23的连接和第二、第三主动支链3、4与第一平台23的连接相似。所述第四、第五主动支链5、6下端与具有一个回转自由度的第十一、第十二铰链33、34通过轴承转动相连，所述第十一、第十二铰链33、34分别与第三十字轴、第四十字轴35、36的一个转轴通过轴承转动相连，所述第三、第四十字轴35、36的另一转轴分别与第二摆轴37通过轴承转动相连且轴线在同一直线上，所述第二摆轴37与第二铰链轴38固定连接且轴线相互垂直，所述第二铰链轴38与固定连接于第一平台23的第二铰链座39转动连接。

如图6所示，所述第一铰链轴31的一端与设置在第一平台23内的第一主动锥齿轮42相连，所述第一平台23内沿从动支链轴线方向通过轴承转动连接第一转轴40，所述第一转轴40通过键连接有第一从动锥齿轮44和第一主动带轮46。第一主动带轮46与第一从动带轮48通过皮带连接，所述第一从动带轮48通过键连接在第三转轴47上，而第三转轴43固定连接于第二平台24。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30产生转动，带动第一铰链轴绕自身轴线转动，从而带动第一主动锥齿轮42转动，通过齿轮啮合作用传至第一从动锥齿轮44，进而由第一转轴40传至第一主动带轮46，从而第一从动带轮48在皮带的作用下发生转动，带动第三转轴47与下平台24产生绕C轴的转动。

所述第二铰链轴38的一端通过键连接设置在第一平台23内的第二主动锥齿轮43，所述第一平台23内沿从动支链轴线方向通过轴承转动连接第二转轴41，所述第二转轴41通过键连接第二从动锥齿轮45和第二主动带轮49。第二主动带轮49与第二从动带轮51通过皮带连接，所述第二从动带轮51通过键连接在第四转轴50上。第四转轴50的下端连接第三主动锥齿轮52，所述的第三主动锥齿轮52与通过轴承架设在第二平台的第五转轴53上的第三从动锥齿轮54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37发生转动，带动第二铰链轴38产生绕自身轴线的转动，进而带动第二主动锥齿轮43转动，第二主动锥齿轮43与第二从动锥齿轮45啮合，使转动传至第二转轴41，第二转轴41带动第二主动带轮49转动，通过皮带传至第二从动带轮51，从而带动第四转轴50发生转动，进而将转动传至第三主动锥齿轮52，齿轮啮合作用导致第三从动锥齿轮54转动，则第五转轴53可实现绕A轴的转动。

本发明的高刚度高精度五坐标并联动力头可实现五自由度的运动。当第二运动链中的第二主动支链3与第三主动支链4的伺服电机具有相同输入值，且第三运动链中第四主动支链5与第五主动支链6的伺服电机具有相同输入值时，由于每一运动链通过具有两转动自由度与固定架相连，所述每一运动链通过丝杠螺母、第二导轨滑块结构可实现轴向移动，所述每一运动链与动平台的连接具有三个回转自由度，则所述每一主动支链对动平台无约束作用；从动支链7通过具有两转动自由度的第一铰链和具有一个移动自由度的第二铰链与固定架相连，下端与动平台固定连接，则从动支链对动平台具有两平动一转动约束，故动平台可在运动链伺服电机的驱动下实现空间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，可将两支链末端由于错动产生的转动通过锥齿轮、同步带传至第二平台24，实现第二平台24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，可将两支链末端由于错动产生的转动通过锥齿轮、同步带、锥齿轮传至第五转轴53，实现第五转轴绕A轴的转动，故机构可实现五自由度运动。

本发明的高刚度高精度五坐标并联动力头，第二、第三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。

本发明的高刚度高精度五坐标并联动力头使用情况概述：如图7实施例1所示，将本发明的五自由度并联机器人作为一个模块，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 (3)

1.高刚度高精度五坐标并联动力头，其特征在于：包括固定架，所述固定架的中央有一中央开孔，在所述的中央开孔内连接具有两回转自由度的第一铰链，所述第一铰链包括外圈和内圈，所述外圈通过外圈转轴与中央开孔内壁转动相连，所述内圈通过内圈转轴与所述外圈转动相连，所述外圈转轴与内圈转轴轴线具有夹角，一个从动支链通过具有一个移动自由度的第二铰链与所述第一铰链内圈沿从动支链轴线方向相滑移连接，第一主动支链作为第一运动链，第二、第三主动支链作为第二运动链，第四、第五主动支链作为第三运动链，所述第一、第二、第三、第四和第五主动支链分别通过第三、第四、第五、第六和第七铰链与所述固定架相连，第一主动支链位于设置在固定架第一开孔的第三铰链内，第二和第三主动支链分别位于设置在固定架第二开孔内的第四、第五铰链内，第四和第五主动支链分别位于设置在固定架第三开孔内的第六、第七铰链内，所述第三、第四、第五、第六和第七铰链分别包括铰链圈，所述的铰链圈通过铰链圈转轴与固定架转动相连，所述第一、第二、第三、第四和第五主动支链均包括外管，所述的外管通过外管转轴与所述的铰链圈转动相连，所述的铰链圈转轴与外管转轴具有夹角，在所述的外管内插装有内管，所述外管与内管间通过第二导轨滑块结构相连，所述的内管在驱动装置的驱动下能够沿外管轴线方向移动；在所述固定架的下方设置有一个动平台，所述的动平台包括第一平台与第二平台，所述第一平台与第二平台通过轴承转动相连，所述从动支链的下端与所述第一平台顶壁固定连接，所述第一主动支链内管下端通过第八铰链与第一平台转动连接，所述第八铰链具有三个转动自由度，所述第二、第三主动支链的内管下端分别与具有一个回转自由度的第九、第十铰链转动相连，所述第九、第十铰链分别与第一十字轴、第二十字轴的一个转轴转动相连，所述第一十字轴、第二十字轴的另一转轴分别与第一摆轴同轴线转动相连，所述第一摆轴与第一铰链轴固定连接，所述第一摆轴的轴线与所述第一铰链轴的轴线互相垂直，所述第一铰链轴与固定连接于第一平台的第一铰链座转动连接，所述第四、第五主动支链内管下端与具有一个回转自由度的第十一、第十二铰链转动相连，所述第十一、第十二铰链分别与第三十字轴、第四十字轴的一个转轴转动相连，所述第三、第四十字轴的另一转轴分别与第二摆轴同轴线转动相连，所述第二摆轴与第二铰链轴固定连接，所述第二摆轴的轴线与第二铰链轴的轴线相互垂直，所述第二铰链轴与固定连接于第一平台的第二铰链座转动连接，所述第一平台内通过轴承转动连接第一、第二转轴，所述第一、第二转轴沿从动支链轴线方向设置，所述第一、第二铰链轴的一端各自与设置在第一平台内的一个主动锥齿轮相连，第一主动锥齿轮与第一从动锥齿轮啮合配合，第二主动锥齿轮与第二从动锥齿轮啮合配合，连接第一从动锥齿轮的第一转轴下端通过键连接有第一主动带轮，所述的第一主动带轮与安装在第三转轴上的第一从动带轮通过皮带相连，所述第三转轴固定连接在第二平台上，连接第二从动锥齿轮的第二转轴上通过键连接第二主动带轮，第二主动带轮与安装在第四转轴上的第二从动带轮通过皮带相连，在所述的第四转轴下端连接有第三主动锥齿轮，所述的第四转轴与第二平台转动相连，所述的第三主动锥齿轮与通过轴承架设在第二平台的第五转轴上的第三从动锥齿轮相啮合配合，所述的第一、第二、第三和第四转轴轴线相互平行并且与所述的第五转轴彼此垂直设置。

2.根据权利要求1所述的高刚度高精度五坐标并联动力头，其特征在于：所述的驱动装置包括安装在所述外管顶部的伺服电机，所述的伺服电机的输出轴通过减速器与滚珠丝杠的一端固定连接，在所述滚珠丝杠上装有与其螺纹配合的螺母，所述螺母与内管固定连接。

3.根据权利要求1或2所述的高刚度高精度五坐标并联动力头，其特征在于：所述第一、第二和第三运动链相对于从动支链圆周对称放置，相互之间的相位为120°。

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