CN104985596B - 一种含多轴转动支架的五自由度混联机器人 - Google Patents

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Abstract

一种含多轴转动支架的五自由度混联机器人，在第一转动支架的两侧端各通过一自由度铰链旋转地连接有第一固定轴座，第二转动支架的两侧端各通过一自由度铰链旋转地连接有第二固定轴座，第一长度调节装置的一端贯穿第一转动支架与动平台固定连接，第二长度调节装置和第三长度调节装置设置于第一长度调节装置的两侧，且一端分别贯穿第一转动支架与动平台连接，第一长度调节装置、第二长度调节装置和第三长度调节装置的中部分别铰接在第一转动支架上，第四长度调节装置的一端贯穿第二转动支架与动平台连接，第四长度调节装置的中部铰接在第二转动支架上。本发明有效地减少了构件数目降低了制造成本，具有良好的制造和装配工艺性，便实现闭环控制。

Description

一种含多轴转动支架的五自由度混联机器人
技术领域
本发明涉及一种混联机器人。特别是涉及一种含多轴转动支架的五自由度混联机器人。
背景技术
专利GB2173472(或EP0200369、US4790718)、SE8502327(或US4732525)和EP0674969(或US6336375)所公开的一类带定位头的空间混联机器人，包括三个可沿轴向伸长或缩短的主动调节装置；所述调节装置的一端通过铰链紧固于固定架上，另一端通过铰链与动平台连接；该结构中还有一从动调节装置，所述的从动调节装置一端与所述的定位头固定连接，另端通过铰链与固定架连接，以限制定位头的某几个自由度。然而，此类机器人由于与连接定位头的主动长度调节装置的铰链为三自由度铰链，且各长度调节装置分别通过一个二自由度铰链与机架连接，导致机构铰链数目和构件数目居多，结构复杂。
专利CN102699899 A所公开的一种过约束高刚度多坐标混联机器人，同样包括三个可沿轴向伸长或缩短的主动调节装置和一条从动调节装置；其中两条主动调节装置通过单自由度铰链与动平台连接，对称地设置在从动调节装置的左右两侧，且所述两条主动调节装置和从动调节装置的运动平面为同一平面；另外一个主动调节装置通过三自由度的球铰链与动平台连接，设置在从动调节装置的下方。该机器人减少了机构中铰链自由度数目，但为过约束机构，对零部件的制造和安装有很严格的要求。此外，各长度调节装置分别通过一个二自由度铰链与机架连接，使得结构复杂、运动构件数量较多，而且机架制造工艺比较复杂。
专利CN1212221 C公开了一种四自由度混联机器人，由具有两自由度的并联机构和与之串联的二自由度转头组成。然而此机器人的并联部分仅能实现平面运动，需要串接在平动或转动自由度的机构上才能实现空间运动。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种有效地减少了构件数目、降低了制造成本，便于实时控制的含多轴转动支架的五自由度混联机器人。
本发明所采用的技术方案是：一种含多轴转动支架的五自由度混联机器人，包括有定位头和末端与定位头串接的动平台，以及第一长度调节装置、第二长度调节装置、第三长度调节装置和第四长度调节装置，还设置有第一转动支架和第二转动支架，所述第一转动支架的两侧端分别各通过一自由度铰链旋转地连接有一个第一固定轴座，所述第二转动支架的两侧端分别各通过一自由度铰链旋转地连接有一个第二固定轴座，所述第一长度调节装置的一端贯穿所述第一转动支架的中部与动平台固定连接，所述第二长度调节装置和第三长度调节装置的一端分别贯穿所述第一转动支架对应地通过第二铰链和第三铰链与动平台连接，所述第二长度调节装置和第三长度调节装置对称地设置于第一长度调节装置的两侧，所述第一长度调节装置、第二长度调节装置和第三长度调节装置的中部分别各通过具有一个转动自由度的铰链连接在第一转动支架上，所述第四长度调节装置的一端贯穿第二转动支架通过第四铰链与动平台连接，所述第四长度调节装置的中部通过具有一个转动自由度铰链旋转地连接在第二转动支架上。
所述第四铰链为具有三个转动自由度的球铰链，且三个转动轴线不共线但相交于一点。
连接所述第一固定轴座和第一转动支架的转动轴线与连接所述第一转动支架和第一长度调节装置的转动轴线垂直相交；连接所述第二固定轴座和第二转动支架的转动轴线与连接所述第二转动支架和第四长度调节装置的转动轴线垂直相交；连接所述第一长度调节装置和第一转动支架的转动轴线、连接所述第二长度调节装置和第一转动支架的转动轴线以及连接所述第三长度调节装置与第一转动支架的转动轴线这三条轴线相互平行，所述第一长度调节装置、第二长度调节装置和第三长度调节装置的运动平面为同一平面。
所述第一转动支架包括有一体形成的位于中部的能够贯穿第一长度调节装置并用于实现第一长度调节装置与第一转动支架旋转连接的中心孔，位于所述中心孔的两侧分别能够贯穿第二长度调节装置和第三长度调节装置并用于实现第二长度调节装置和第三长度调节装置与第一转动支架旋转连接的第二侧孔和第三侧孔，以及分别位于第一转动支架两侧端的用于实现第一转动支架与两个第一固定轴座旋转连接的两个侧端孔，其中，所述的两个侧端孔同轴，轴线为纵轴，所述中心孔、第二侧孔和第三侧孔的轴线分别为第一横轴、第二横轴、第三横轴且三条轴线相互平行，所述第一横轴和纵轴垂直相交。
所述的第一长度调节装置包括有：第一伸缩杆和套在所述第一伸缩杆上的内圈，所述内圈的外周面上形成有用于与所述的第一转动支架铰接的第一连接销轴，所述的第一伸缩杆上沿轴向固定设置有导轨，所述内圈的内周面上对应所述导轨固定设置有能够滑动地嵌入在所述导轨内使所述第一伸缩杆与所述内圈构成移动副的滑块。
所述的第二长度调节装置、第三长度调节装置和第四长度调节装置结构相同，均包括：外管，伺服电机和第二伸缩杆，所述伺服电机连接在外管的一端，所述第二伸缩杆的一端***在所述外管的另一端内，其中，所述外管的外周面上设置有用于与所述的第一转动支架或第二转动支架铰接的第二连接销轴，所述的第二伸缩杆上沿轴向设置有键槽，所述外管的内周面上固定连接有能够嵌入到所述键槽内，并与键槽配合，使外管和第二伸缩杆构成移动副的导向键，所述第二伸缩杆***到外管内的这一端固定连接有螺母，所述伺服电机的驱动部连接丝杠，所述螺母与所述丝杆螺纹连接构成螺旋移动副，实现第二伸缩杆相对外管前后移动，所述第二伸缩杆的另一端对应连接第二铰链或第三铰链或第四铰链。
所述的第二铰链和第三铰链均为具有一个转动自由度的铰链；连接所述第二长度调节装置与动平台的转动轴线和连接所述第三长度调节装置与动平台的转动轴线分别与连接所述第一长度调节装置与第一转动支架的转动轴线相互平行。
所述的第二铰链和第三铰链均为具有两个转动自由度的铰链，且两个转动自由度的转动轴线不共线但相交于一点。
所述的第二铰链和第三铰链均为具有三个转动自由度的球铰链，且三个转动自由度的转动轴线不共线但相交于一点。
所述的第二长度调节装置、第三长度调节装置和第四长度调节装置还能够采用液压或气压驱动结构替换伺服电机。
本发明的一种含多轴转动支架的五自由度混联机器人，具有如下优点和积极效果：
1.第一、第二和第三长度调节装置共用同一个转动支架，与专利SE8502327所公开的机器人相比，机构中铰链自由度数目减少了6个，与专利CN102699899 A所公开机器人相比，机构中铰链自由度数目减少了2个，有效地减少了构件数目、降低了制造成本；
2.采用四个固定轴座代替静平台可大幅度减少整机质量，且可将其安装到不同的机架上，以便搭建不同的装备和制造***；同时，这样的结构设计也使得在第一固定轴座和第一转动支架连接的转动副、第一转动支架和第一长度调节装置连接的转动副、第一长度调节装置内的移动副处很方便地安装角度编码器或者光栅尺，以便实现闭环控制；
3.第一转动支架上的安装孔均在水平或竖直方向，具有良好的制造和装配工艺性；
4.第一、第二、第三长度调节装置的运动平面共面，使得运动学正、逆解均具有解析解，便于实时控制；
5.第二铰链和第三铰链具有多种实现形式，便于针对不同工况权衡选择。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是图1的后视图；
图3a是本发明第一转动支架的结构示意图；
图3b是图3a的A-A剖面结构示意图；
图4是本发明第一长度调节装置结构示意图；
图5是本发明第二、第三、第四长度调节装置结构示意图；
图6是图5的B-B截面结构示意图；
图7是本发明实施例1的结构示意图；
图8是本发明实施例2的结构示意图；
图9是本发明实施例3的结构示意图；
图10是本发明实施例4的结构示意图。
图中：
5：动平台 6：定位头；
11：第一固定轴座 12：第一转动支架
13：第一长度调节装置 23：第二长度调节装置
24：第二铰链 33：第三长度调节装置
34：第三铰链 41：第二固定轴座
42：第二转动支架 43：第四长度调节装置
44：第四铰链 131：第一伸缩杆
132：内圈 133：导轨，
134：滑块 135：第一连接销轴
231/331/431：伺服电机 232/332/432：外管
233/333/433：第二伸缩杆 234/334/434：导向键
235/335/435：丝杠 236/336/436：螺母
237/337/437：键槽 238/338/438：第二连接销轴
121、122：侧端孔 123：中心孔
124：第二侧孔 125：第三侧孔
axis11：纵轴 axis13：第一横轴
axis23：第二横轴 axis33：第三横轴
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种含多轴转动支架的五自由度混联机器人做出详细说明。
如图1、图2所示，本发明的一种含多轴转动支架的五自由度混联机器人，包括有定位头6和末端与定位头6串接的动平台5，第一长度调节装置13、第二长度调节装置23、第三长度调节装置33和第四长度调节装置43，以及第一转动支架12和第二转动支架42，所述的串接在动平台5末端的定位头6为二自由度A/C摆头。所述第一转动支架12的两侧端分别各通过一自由度铰链旋转地连接有一个第一固定轴座11，所述第二转动支架42的两侧端分别各通过一自由度铰链旋转地连接有一个第二固定轴座41，所述第一长度调节装置13的一端贯穿所述第一转动支架12的中部与动平台5固定连接，所述第二长度调节装置23和第三长度调节装置33的一端分别贯穿所述第一转动支架12对应地通过第二铰链24和第三铰链34与动平台5连接，所述第二长度调节装置23和第三长度调节装置33对称地设置于第一长度调节装置13的两侧，所述第一长度调节装置13、第二长度调节装置23和第三长度调节装置33的中部分别各通过具有一个转动自由度的铰链连接在第一转动支架12上，所述第四长度调节装置43的一端贯穿第二转动支架42通过第四铰链44与动平台5连接，所述第四长度调节装置43设置在第一长度调节装置13的下方，所述第四铰链44为具有三个转动自由度的球铰链，且三个转动轴线不共线但相交于一点。所述第四长度调节装置43的中部通过具有一个转动自由度铰链旋转地连接在第二转动支架42上。
所述的第二铰链24和第三铰链34均为具有一个转动自由度的铰链；连接所述第二长度调节装置23与动平台5的转动轴线和连接所述第三长度调节装置33与动平台5的转动轴线分别与连接所述第一长度调节装置13与第一转动支架12的转动轴线相互平行。
或者是，所述的第二铰链24和第三铰链34均为具有两个转动自由度的铰链，且两个转动自由度的转动轴线不共线但相交于一点。
或者是，所述的第二铰链24和第三铰链34均为具有三个转动自由度的球铰链，且三个转动自由度的转动轴线不共线但相交于一点。
连接所述第一固定轴座11和第一转动支架12的转动轴线与连接所述第一转动支架12和第一长度调节装置13的转动轴线垂直相交；连接所述第二固定轴座41和第二转动支架42的转动轴线与连接所述第二转动支架42和第四长度调节装置43的转动轴线垂直相交；连接所述第一长度调节装置13和第一转动支架12的转动轴线、连接所述第二长度调节装置23和第一转动支架12的转动轴线以及连接所述第三长度调节装置33与第一转动支架12的转动轴线这三条轴线相互平行，所述第一长度调节装置13、第二长度调节装置23和第三长度调节装置33的运动平面为同一平面。
如图3a、图3b所示，所述第一转动支架12上有四个轴，加工有五个安装孔，包括：一体形成的位于中部的能够贯穿第一长度调节装置13并用于实现第一长度调节装置13与第一转动支架12旋转连接的中心孔123，位于所述中心孔123的两侧分别能够贯穿第二长度调节装置23和第三长度调节装置33并用于实现第二长度调节装置23和第三长度调节装置33与第一转动支架12旋转连接的第二侧孔124和第三侧孔125，以及分别位于第一转动支架12两侧端的用于实现第一转动支架12与两个第一固定轴座11旋转连接的两个侧端孔122、121，其中，所述的两个侧端孔122、121同轴，轴线为纵轴axis11，所述中心孔123、第二侧孔124和第三侧孔125的轴线分别为第一横轴axis13、第二横轴axis23、第三横轴axis33且三条轴线相互平行，所述第一横轴axis13和纵轴axis11垂直相交。
如图4所示，所述的第一长度调节装置13包括有：第一伸缩杆131和套在所述第一伸缩杆131上的内圈132，所述内圈132的外周面上形成有用于与所述的第一转动支架12铰接的第一连接销轴135，所述的第一伸缩杆131上沿轴向固定设置有导轨133，所述内圈132的内周面上对应所述导轨133固定设置有能够滑动地嵌入在所述导轨133内使所述第一伸缩杆131与所述内圈132构成移动副的滑块134。
如图5、图6所示，所述的第二长度调节装置23、第三长度调节装置33和第四长度调节装置43结构相同，均包括：外管232/332/432，伺服电机231/331/431和第二伸缩杆233/333/433，所述伺服电机231/331/431连接在外管232/332/432的一端，所述第二伸缩杆233/333/433的一端***在所述外管232/332/432的另一端内，其中，所述外管232/332/432的外周面上设置有用于与所述的第一转动支架12或第二转动支架42铰接的第二连接销轴238/338/438，所述的第二伸缩杆233/333/433上沿轴向设置有键槽237/337/437，所述外管232/332/432的内周面上固定连接有能够嵌入到所述键槽237/337/437内，并与键槽237/337/437配合，使外管232/332/432和第二伸缩杆233/333/433构成移动副的导向键234/334/434，所述第二伸缩杆233/333/433***到外管232/332/432内的这一端固定连接有螺母236/336/436，所述伺服电机231/331/431的驱动部连接丝杠235/335/435，所述螺母236/336/436与所述丝杆235/335/435螺纹连接构成螺旋移动副，实现第二伸缩杆233/333/433相对外管232/332/432前后移动，所述第二伸缩杆233/333/433的另一端对应连接第二铰链24或第三铰链34或第四铰链44。
所述的第二长度调节装置23、第三长度调节装置33和第四长度调节装置43还能够采用液压或气压驱动结构替换伺服电机231/331/431。这时，所述的液压或气压驱动结构中的活塞杆连接所述第二伸缩杆233/333/433，实现第二伸缩杆233/333/433相对外管232/332/432前后移动。
下面给出本发明的一种含多轴转动支架的五自由度混联机器人实际应用的实施例。
实施例1：
将两个第一固定轴座11、两个第二固定轴座41分别固定到机架上，并配以水平方向的长行程导轨，可搭建如图7所示的移动工作站。
实施例2：
将两个第一固定轴座11、两个第二固定轴座41固定到机架上，配以竖直方向和水平方向的长行程导轨，可搭建如图8所示的制造装备。
实施例3：
将本发明的五自由度混联机器人模块，置于传统的龙门结构之上，可搭建如图9所示的制造装备与***。
实施例4：
如图10所示，将两个第一固定轴座11固定到机架上，两个第二固定轴座41固定到两个弧形滑块上，机架上安装有弧形导轨，驱动器带动第二固定轴座41沿弧形导轨运动，可实现所述五自由度混联机器人模块的整体旋转，以得到具有更大工作空间机架占地比的制造装备。
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 (8)

1.一种含多轴转动支架的五自由度混联机器人，包括有定位头（6）和末端与定位头（6）串接的动平台（5），以及第一长度调节装置（13）、第二长度调节装置（23）、第三长度调节装置（33）和第四长度调节装置（43），其特征在于，还设置有第一转动支架（12）和第二转动支架（42），所述第一转动支架（12）的两侧端分别各通过一自由度铰链旋转地连接有一个第一固定轴座（11），所述第二转动支架（42）的两侧端分别各通过一自由度铰链旋转地连接有一个第二固定轴座（41），所述第一长度调节装置（13）的一端贯穿所述第一转动支架（12）的中部与动平台（5）固定连接，所述第二长度调节装置（23）和第三长度调节装置（33）的一端分别贯穿所述第一转动支架（12）对应地通过第二铰链（24）和第三铰链（34）与动平台（5）连接，所述第二长度调节装置（23）和第三长度调节装置（33）对称地设置于第一长度调节装置（13）的两侧，所述第一长度调节装置（13）、第二长度调节装置（23）和第三长度调节装置（33）的中部分别各通过具有一个转动自由度的铰链连接在第一转动支架（12）上，所述第四长度调节装置（43）的一端贯穿第二转动支架（42）通过第四铰链（44）与动平台（5）连接，所述第四长度调节装置（43）的中部通过具有一个转动自由度铰链旋转地连接在第二转动支架（42）上；
所述第一转动支架（12）包括有一体形成的位于中部的能够贯穿第一长度调节装置（13）并用于实现第一长度调节装置（13）与第一转动支架（12）旋转连接的中心孔（123），位于所述中心孔（123）的两侧分别能够贯穿第二长度调节装置（23）和第三长度调节装置（33）并用于实现第二长度调节装置（23）和第三长度调节装置（33）与第一转动支架（12）旋转连接的第二侧孔（124）和第三侧孔（125），以及分别位于第一转动支架（12）两侧端的用于实现第一转动支架（12）与两个第一固定轴座（11）旋转连接的两个侧端孔（122、121），其中，所述的两个侧端孔（122、121）同轴，轴线为纵轴（axis11），所述中心孔（123）、第二侧孔（124）和第三侧孔（125）的轴线分别为第一横轴（axis13）、第二横轴（axis23）、第三横轴（axis33）且三条轴线相互平行，所述第一横轴（axis13）和纵轴（axis11）垂直相交；
所述的第二铰链（24）和第三铰链（34）均为具有两个转动自由度的铰链，且两个转动自由度的转动轴线不共线但相交于一点。
2.根据权利要求1所述的一种含多轴转动支架的五自由度混联机器人，其特征在于，所述第四铰链（44）为具有三个转动自由度的球铰链，且三个转动轴线不共线但相交于一点。
3.根据权利要求1所述的一种含多轴转动支架的五自由度混联机器人，其特征在于，连接所述第一固定轴座（11）和第一转动支架（12）的转动轴线与连接所述第一转动支架（12）和第一长度调节装置（13）的转动轴线垂直相交；连接所述第二固定轴座（41）和第二转动支架（42）的转动轴线与连接所述第二转动支架（42）和第四长度调节装置（43）的转动轴线垂直相交；连接所述第一长度调节装置（13）和第一转动支架（12）的转动轴线、连接所述第二长度调节装置（23）和第一转动支架（12）的转动轴线以及连接所述第三长度调节装置（33）与第一转动支架（12）的转动轴线这三条轴线相互平行，所述第一长度调节装置（13）、第二长度调节装置（23）和第三长度调节装置（33）的运动平面为同一平面。
4.根据权利要求1所述的一种含多轴转动支架的五自由度混联机器人，其特征在于，所述的第一长度调节装置（13）包括有：第一伸缩杆（131）和套在所述第一伸缩杆（131）上的内圈（132），所述内圈（132）的外周面上形成有用于与所述的第一转动支架（12）铰接的第一连接销轴（135），所述的第一伸缩杆（131）上沿轴向固定设置有导轨（133），所述内圈（132）的内周面上对应所述导轨（133）固定设置有能够滑动地嵌入在所述导轨（133）内使所述第一伸缩杆（131）与所述内圈（132）构成移动副的滑块（134）。
5.根据权利要求1所述的一种含多轴转动支架的五自由度混联机器人，其特征在于，所述的第二长度调节装置（23）、第三长度调节装置（33）和第四长度调节装置（43）结构相同，均包括：外管（232/332/432），伺服电机（231/331/431）和第二伸缩杆（233/333/433），所述伺服电机（231/331/431）连接在外管（232/332/432）的一端，所述第二伸缩杆（233/333/433）的一端***在所述外管（232/332/432）的另一端内，其中，所述外管（232/332/432）的外周面上设置有用于与所述的第一转动支架（12）或第二转动支架（42）铰接的第二连接销轴（238/338/438），所述的第二伸缩杆（233/333/433）上沿轴向设置有键槽（237/337/437），所述外管（232/332/432）的内周面上固定连接有能够嵌入到所述键槽（237/337/437）内，并与键槽（237/337/437）配合，使外管（232/332/432）和第二伸缩杆（233/333/433）构成移动副的导向键（234/334/434），所述第二伸缩杆（233/333/433）***到外管（232/332/432）内的这一端固定连接有螺母（236/336/436），所述伺服电机（231/331/431）的驱动部连接丝杠（235/335/435），所述螺母（236/336/436）与丝杆（235/335/435）螺纹连接构成螺旋移动副，实现第二伸缩杆（233/333/433）相对外管（232/332/432）前后移动，所述第二伸缩杆（233/333/433）的另一端对应连接第二铰链（24）或第三铰链（34）或第四铰链（44）。
6.根据权利要求1所述的一种含多轴转动支架的五自由度混联机器人，其特征在于，所述的第二铰链（24）和第三铰链（34）均为具有一个转动自由度的铰链；连接所述第二长度调节装置（23）与动平台（5）的转动轴线和连接所述第三长度调节装置（33）与动平台（5）的转动轴线分别与连接所述第一长度调节装置（13）与第一转动支架（12）的转动轴线相互平行。
7.根据权利要求1所述的一种含多轴转动支架的五自由度混联机器人，其特征在于，所述的第二铰链（24）和第三铰链（34）均为具有三个转动自由度的球铰链，且三个转动自由度的转动轴线不共线但相交于一点。
8.根据权利要求5所述的一种含多轴转动支架的五自由度混联机器人，其特征在于，所述的第二长度调节装置（23）、第三长度调节装置（33）和第四长度调节装置（43）还能够采用液压或气压驱动结构替换伺服电机（231/331/431）。
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