CN103419192A - 四自由度混联机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种四自由度混联机器人，属于机器人技术领域。本发明包括下底座，下底座的上部通过垂直转轴Ⅰ活动连接有回转箱体Ⅰ，回转箱体Ⅰ通过下部平行四边形机构串联铰接有上底座，上底座的上部通过垂直转轴Ⅱ活动连接有回转箱体Ⅱ，回转箱体Ⅱ通过上部平行四边形机构铰接有上部工作平台；每个平行四边形机构的两台驱动电机独立的并联布置在回转箱体内。本发明实现沿X、Y、Z轴的3个平动自由度和1个绕Z轴转动自由度。本发明结构简单，占用空间相对较小，抗扭刚度较高，工作面始终保持水平，工作空间对称，工作范围较大等优点，可用于大范围喷涂、测量等场合。

Description

四自由度混联机器人
技术领域
本发明涉及一种工业机器人，属于工业机器人技术领域。
背景技术
现有的常规四自由度机器人应该有四个动力装置。其布置方式有三种选择：
1、  串联机构：四个独立的铰链各自配置动力装置。
2、  混合机构：部分动力装置串联，部分并联。
3、  并联机构：四个驱动装置安装在同一个基础上。
串联机构在SCARA形式的机器人***中很普遍，从肩部到肘部到腕部，每个铰链都有一个动力元件。另外，腕部还有与转动副串联的移动副。
混合机构的一个例子就是Delta机器人。它拥有并联机构的特征，在作平面运动时，有三个方向的平动。三个电机驱动工作台运动，工作台连接在固定坐标系上（通常为天花板）。电机的轴线形成等边三角形，第四个电机驱动工作台的升降，围绕前面三个电机所形成的平面的法线旋转。
串联机构提供了丰富、复杂的机构形式，并联机构提供了简单的结构形式。混合机构介于二者之间。
如果仅从结构简单上考虑，可以选择并联机构。然而，并联机构在工作空间受到限制以及需要较大的工作范围及很高的灵活性时就有点力不从心。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足之处，本发明提供一种四自由度混联机器人，对建立在并联基础上的两个平行四边形驱动模块进行串联连接，实现沿X、Y、Z轴的3个平动自由度和1个绕Z轴转动自由度。
本发明是通过如下技术方案实现的：一种四自由度混联机器人，它包括下底座，下底座的上部通过垂直转轴Ⅰ活动连接有回转箱体Ⅰ，回转箱体Ⅰ通过下部平行四边形机构串联铰接有上底座，上底座的上部通过垂直转轴Ⅱ活动连接有回转箱体Ⅱ，回转箱体Ⅱ通过上部平行四边形机构铰接有上部工作平台；
所述的下部平行四边形机构由平行的连杆Ⅰ和连杆Ⅱ、及两个平行的连杆Ⅳ铰接而成，连杆Ⅰ和连杆Ⅱ之间铰接有与连杆Ⅳ平行的连杆Ⅲ，两个所述的连杆Ⅳ与所述的连杆Ⅰ和连杆Ⅱ之间采用活动铰链Ⅰ连接，两个所述的连杆Ⅳ分别采用固定铰链Ⅰ和固定铰链Ⅱ与所述的回转箱体Ⅰ连接，所述的连杆Ⅳ的上端通过固定铰链Ⅲ连接所述的上底座，所述的回转箱体Ⅰ内并联布置有两***立的下部驱动电机，其中一台下部驱动电机通过传动副连接所述的垂直转轴Ⅰ，另一台下部驱动电机连接动力输出轴Ⅰ，动力输出轴Ⅰ连接所述的连杆Ⅲ；
所述的上部平行四边形机构由平行的连杆Ⅴ和连杆Ⅵ、及两个平行的连杆Ⅷ铰接而成，连杆Ⅴ和连杆Ⅵ之间铰接有与连杆Ⅷ平行的连杆Ⅶ，两个所述的连杆Ⅷ与所述的连杆Ⅴ和连杆Ⅵ之间采用活动铰链Ⅱ连接，两个所述的连杆Ⅷ分别采用固定铰链Ⅳ和固定铰链Ⅴ与所述的回转箱体Ⅱ连接，所述的连杆Ⅷ的上端通过固定铰链Ⅵ连接所述的上部工作平台，所述的回转箱体Ⅱ内并联布置有两***立的上部驱动电机，其中一台上部驱动电机通过传动副连接所述的垂直转轴Ⅱ，另一台上部驱动电机连接动力输出轴Ⅱ，动力输出轴Ⅱ连接所述的连杆Ⅶ。
本发明的有益效果是：本发明对建立在并联基础上的两个平行四边形驱动模块进行串联连接，实现沿X、Y、Z轴的3个平动自由度和1个绕Z轴转动自由度。本发明结构简单，占用空间相对较小，抗扭刚度较高，工作面始终保持水平，工作空间对称，工作范围较大等优点，可用于大范围喷涂、测量等场合。
附图说明
下面根据附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明结构示意图。
图中，（1）下底座；（1-1）垂直转轴Ⅰ；（2）固定铰链Ⅰ ；（3）回转箱体Ⅰ；（4）连杆Ⅰ；（5）活动铰链Ⅰ；（6）固定铰链Ⅱ；（7）连杆Ⅱ；（8）动力输出轴Ⅰ；（9）连杆Ⅲ；（10）连杆Ⅳ；（11）固定铰链Ⅲ；（12）上底座；（12-1）垂直转轴Ⅱ；（13）连杆Ⅴ；（14）固定铰链Ⅳ；（15）活动铰链Ⅱ；（16）固定铰链Ⅴ；（17）动力输出轴Ⅱ；（18）回转箱体Ⅱ；（19）连杆Ⅵ；（20）连杆Ⅶ；（21）连杆Ⅷ；（22）固定铰链Ⅵ；（23）上部工作平台。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步说明。
一种四自由度混联机器人，其特征在于：它包括下底座1，下底座1的上部通过垂直转轴Ⅰ1-1活动连接有回转箱体Ⅰ3，回转箱体Ⅰ3通过下部平行四边形机构串联铰接有上底座12，上底座12的上部通过垂直转轴Ⅱ12-1活动连接有回转箱体Ⅱ18，回转箱体Ⅱ18通过上部平行四边形机构铰接有上部工作平台23；
所述的下部平行四边形机构由平行的连杆Ⅰ4和连杆Ⅱ7、及两个平行的连杆Ⅳ10铰接而成，连杆Ⅰ4和连杆Ⅱ7之间铰接有与连杆Ⅳ10平行的连杆Ⅲ9，两个所述的连杆Ⅳ10与所述的连杆Ⅰ4和连杆Ⅱ7之间采用活动铰链Ⅰ5连接，两个所述的连杆Ⅳ10分别采用固定铰链Ⅰ2和固定铰链Ⅱ6与所述的回转箱体Ⅰ3连接，所述的连杆Ⅳ10的上端通过固定铰链Ⅲ11连接所述的上底座12，所述的回转箱体Ⅰ3内并联布置有两***立的下部驱动电机，其中一台下部驱动电机通过传动副连接所述的垂直转轴Ⅰ1-1，另一台下部驱动电机连接动力输出轴Ⅰ8，动力输出轴Ⅰ8连接所述的连杆Ⅲ9；
所述的上部平行四边形机构由平行的连杆Ⅴ13和连杆Ⅵ19、及两个平行的连杆Ⅷ21铰接而成，连杆Ⅴ13和连杆Ⅵ19之间铰接有与连杆Ⅷ21平行的连杆Ⅶ20，两个所述的连杆Ⅷ21与所述的连杆Ⅴ13和连杆Ⅵ19之间采用活动铰链Ⅱ15连接，两个所述的连杆Ⅷ21分别采用固定铰链Ⅳ14和固定铰链Ⅴ16与所述的回转箱体Ⅱ18连接，所述的连杆Ⅷ21的上端通过固定铰链Ⅵ22连接所述的上部工作平台23，所述的回转箱体Ⅱ18内并联布置有两***立的上部驱动电机，其中一台上部驱动电机通过传动副连接所述的垂直转轴Ⅱ12-1，另一台上部驱动电机连接动力输出轴Ⅱ17，动力输出轴Ⅱ17连接所述的连杆Ⅶ20。
本发明的工作原理是：要求机器人要能够实现三个独立的平动和一个绕垂直轴的转动，而且必须能承受住较大的垂直和水平方向的受力，即较高的抗扭刚度，同时要求工作平台尽可能的保持在水平内。
机器人的动力来自于两个方向的运动，一个是绕水平轴的倾转运动，另一个是绕垂直轴的旋转运动，从而使得上部工作平台23保持着如图1所示的水平状态。
为使电机在不同载荷情况下能产生独立的倾转和旋转运动，选用2组结构完全相同的平行四边形机构进行串联、而每组平行四边形机构动力元件并联的传动机构。每一组平行四边形单元由若干个长短不同的连杆通过铰链链接而成，如图1所示。每组平行四边形机构由布置在相应的回转箱体中的两台直流电机提供动力，以图1下部平行四边形机构为例，一台直流电机提供了绕Z轴的旋转运动，速率为                                               ，另一台电机通过动力输出轴Ⅰ8将动力传递给连杆Ⅲ9，再由连杆Ⅲ9通过连杆Ⅰ4和连杆Ⅱ7及活动铰链Ⅰ5将动力传递至整个平行四边形机构，使平行四边形以固定铰链Ⅰ2和固定铰链Ⅱ6为转动圆心进行旋转，从而提供绕水平轴的旋转运动，速率为
Figure 2013103703324100002DEST_PATH_IMAGE004
。
在布局上，每个平行四边形机构的两台驱动电机独立的并联布置在回转箱体内，通过齿轮传动分别提供绕Z轴（垂直转轴Ⅰ1-1、垂直转轴Ⅱ12-1）旋转的运动，速率为
Figure 464718DEST_PATH_IMAGE002
，以及绕水平轴旋转的运动，速率为。
上部平行四边形机构和下部平行四边形机构通过串联连接，最终将运动传递给上部工作平台23。
在机构中，用
Figure 2013103703324100002DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 2013103703324100002DEST_PATH_IMAGE008
代表绕Z轴的旋转角度，直接生成；用
Figure 2013103703324100002DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 2013103703324100002DEST_PATH_IMAGE012
表示摆动角度，由平行四边形的角速度
Figure 2013103703324100002DEST_PATH_IMAGE014
，间接生成，如图1所示。
两个串联在一起的平行四边形机构，能够分别在相应的垂直平面内产生两个独立的运动（在两个相互垂直平面内绕垂直于相应平面的轴旋转），第一个运动通过一个转动副围绕固定在底座1上的垂直轴Z轴转动，即
Figure 220983DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 740826DEST_PATH_IMAGE008
；第二个运动为图1所示平行四边形平面围绕X轴或Y轴的旋转，即
Figure 555198DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 66076DEST_PATH_IMAGE012
。
图1机构在，
Figure 656643DEST_PATH_IMAGE010
，，
Figure 256569DEST_PATH_IMAGE012
的共同作用下即可产生4个自由度的运动，即绕Z轴的旋转和沿X、Y、Z轴的平动。

Claims (1)

1.一种四自由度混联机器人，其特征在于：它包括下底座（1），下底座（1）的上部通过垂直转轴Ⅰ（1-1）活动连接有回转箱体Ⅰ（3），回转箱体Ⅰ（3）通过下部平行四边形机构串联铰接有上底座（12），上底座（12）的上部通过垂直转轴Ⅱ（12-1）活动连接有回转箱体Ⅱ（18），回转箱体Ⅱ（18）通过上部平行四边形机构铰接有上部工作平台（23）；
所述的下部平行四边形机构由平行的连杆Ⅰ（4）和连杆Ⅱ（7）、及两个平行的连杆Ⅳ（10）铰接而成，连杆Ⅰ（4）和连杆Ⅱ（7）之间铰接有与连杆Ⅳ（10）平行的连杆Ⅲ（9），两个所述的连杆Ⅳ（10）与所述的连杆Ⅰ（4）和连杆Ⅱ（7）之间采用活动铰链Ⅰ（5）连接，两个所述的连杆Ⅳ（10）分别采用固定铰链Ⅰ（2）和固定铰链Ⅱ（6）与所述的回转箱体Ⅰ（3）连接，所述的连杆Ⅳ（10）的上端通过固定铰链Ⅲ（11）连接所述的上底座（12），所述的回转箱体Ⅰ（3）内并联布置有两***立的下部驱动电机，其中一台下部驱动电机通过传动副连接所述的垂直转轴Ⅰ（1-1），另一台下部驱动电机连接动力输出轴Ⅰ（8），动力输出轴Ⅰ（8）连接所述的连杆Ⅲ（9）；
所述的上部平行四边形机构由平行的连杆Ⅴ（13）和连杆Ⅵ（19）、及两个平行的连杆Ⅷ（21）铰接而成，连杆Ⅴ（13）和连杆Ⅵ（19）之间铰接有与连杆Ⅷ（21）平行的连杆Ⅶ（20），两个所述的连杆Ⅷ（21）与所述的连杆Ⅴ（13）和连杆Ⅵ（19）之间采用活动铰链Ⅱ（15）连接，两个所述的连杆Ⅷ（21）分别采用固定铰链Ⅳ（14）和固定铰链Ⅴ（16）与所述的回转箱体Ⅱ（18）连接，所述的连杆Ⅷ（21）的上端通过固定铰链Ⅵ（22）连接所述的上部工作平台（23），所述的回转箱体Ⅱ（18）内并联布置有两***立的上部驱动电机，其中一台上部驱动电机通过传动副连接所述的垂直转轴Ⅱ（12-1），另一台上部驱动电机连接动力输出轴Ⅱ（17），动力输出轴Ⅱ（17）连接所述的连杆Ⅶ（20）。
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