CN105058376A - 一种具有三对称运动学性能的过约束高刚度机器人 - Google Patents

Abstract

一种具有三对称运动学性能的过约束高刚度机器人，包括动平台和设置在所述动平台末端的定位头，以及通过固定架分别设置在所述动平台上的第一支链、第二支链、第三支链和第四支链，所述的第一支链的末端贯穿所述固定架的中心，固定连接在所述动平台上，所述第二支链、第三支链和第四支链的中部能够旋转的连接在所述固定架的外周，所述第二支链、第三支链和第四支链的末端分别铰接在所述动平台上，并且所述第二支链位于第一支链的前方，所述第三支链和第四支链分别位于所述第一支链的左后方和右后方。本发明的一种具有三对称运动学性能的过约束高刚度机器人，在不破坏三对称的运动学性能的前提下，减少机构中铰链自由度数目，提高了机构的刚度。

Description

一种具有三对称运动学性能的过约束高刚度机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人。特别是涉及一种具有三对称运动学性能的过约束高刚度机器人。

背景技术

专利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。所述三个主动长度调节装置与固定架的铰链连接点呈120°均匀分布在以所述从动调节装置与固定架的铰链连接点为圆心的圆周上；所述三个主动长度调节装置与定位头的铰链连接点采用同样的布置。三对称的布局使所述机器人具有良好的三对称运动学性能。此类机器人连接定位头与主动长度调节装置的铰链为三自由度铰链。

专利CN102699899A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，为过约束机构。但是，采用所述的布置方式使得机构为面对称机构，不再具有三对称的运动学性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种在不破坏三对称的运动学性能的前提下，减少机构中铰链自由度数目的具有三对称运动学性能的过约束高刚度机器人。

本发明所采用的技术方案是：一种具有三对称运动学性能的过约束高刚度机器人，包括动平台和设置在所述动平台末端的定位头，以及通过固定架分别设置在所述动平台上的第一支链、第二支链、第三支链和第四支链，所述的第一支链的末端贯穿所述固定架的中心，固定连接在所述动平台上，所述第二支链、第三支链和第四支链的中部能够旋转的连接在所述固定架的外周，所述第二支链、第三支链和第四支链的末端分别铰接在所述动平台上，并且所述第二支链位于第一支链的前方，所述第三支链和第四支链分别位于所述第一支链的左后方和右后方。

所述的第二支链与第三支链之间的夹角、第三支链与第四支链之间的夹角以及第四支链与第二支链之间的夹角均为120°。

所述的定位头为具有两个或三个自由度的串联转头。

所述的第一支链包括有：末端固定连接在所述动平台上的伸缩杆，所述的伸缩杆上沿轴向设置有导轨，所述的伸缩杆是通过套在所述伸缩杆上并能够沿所述的导轨滑动的具有两个转动自由度的第一铰接件与所述的固定架相铰接。

所述的具有两个转动自由度的第一铰接件包括有：通过具有一个转动自由度的铰链铰接在所述固定架中心位置的第一外圈，通过具有一个转动自由度的铰链铰接在所述第一外圈内侧的内圈，所述内圈的内侧设置有能够沿所述导轨滑动的滑块，其中，连接所述第一外圈和所述固定架的转动轴线与连接所述内圈和所述第一外圈的转动轴线垂直相交。

所述的第二支链包括有：第二长度调节装置，所述第二长度调节装置的末端通过一个T形铰铰接在所述动平台上，所述第二长度调节装置的顶端连接有一个使所述第二长度调节装置成为主动移动副的驱动装置，所述第二长度调节装置的中部通过第二外圈与所述的固定架相铰接，其中，所述的第二长度调节装置能够旋转的连接在所述第二外圈的内侧，所述第二外圈的外侧通过具有一个转动自由度的铰链与所述固定架相铰接，其中，连接所述第二外圈和所述固定架的转动轴线与连接所述第二长度调节装置与所述第二外圈的转动轴线垂直相交，连接所述T形铰和所述第二长度调节装置的旋转轴线平行于所述第二长度调节装置的移动方向。

所述的T形铰包括有纵轴和与所述纵轴的一端垂直相交的横轴，所述纵轴的另一端与所述的第二长度调节装置的末端旋转连接，所述横轴的两端分别与所述的动平台旋转连接。

所述的第三支链和第四支链结构完全相同，均包括有：第三长度调节装置/第四长度调节装置，所述第三长度调节装置/第四长度调节装置的末端通过一个第三球铰/第四球铰铰接在所述动平台上，所述第三球铰/第四球铰为具有三个转动自由度的铰链，且三个转动自由度的转动轴线不共线但相交于一点，所述第三长度调节装置/第四长度调节装置的顶端连接有一个使所述第三长度调节装置/第四长度调节装置成为主动移动副的第二驱动装置，所述第三长度调节装置/第四长度调节装置的中部通过第三外圈/第四外圈与所述的固定架相铰接，所述的第三长度调节装置/第四长度调节装置能够旋转的连接在所述第三外圈/第四外圈的内侧，所述第三外圈/第四外圈的外侧通过具有一个转动自由度的铰链与所述固定架相铰接，其中，连接所述第三外圈/第四外圈和所述固定架的转动轴线与连接所述第三长度调节装置/第四长度调节装置与第三外圈/第四外圈的转动轴线垂直相交。

第一支链中第一外圈和固定架的转动轴线经过连接第二支链中的第二外圈和固定架的转动轴线，以及连接第二支链中的长度调节装置和第二外圈的转动轴线这两条轴线的交点；连接第一支链内圈和第一外圈的转动轴线，以及连接第二支链中的T形铰和动平台的转动轴线这两条轴线相互平行。

连接第二支链上的第二外圈和固定架的转动轴线与连接第二长度调节装置和第二外圈的转动轴线的交点、连接第三支链上的第三外圈和固定架的转动轴线与连接第三长度调节装置和第三外圈的转动轴线的交点以及连接第四支链上的第四外圈和固定架的转动轴线与连接第三长度调节装置和第三外圈的转动轴线的交点呈120°均匀分布在以连接所述第一支链上的第一外圈和固定架的转动轴线与连接所述第一支链上的内圈和第一外圈的转动轴线这两条轴线的交点为圆心的圆周上；所述第二支链上T形铰的横轴与纵轴的交点、第三支链上的第三球铰三条轴线的交点以及第四支链上的第四球铰三条轴线的交点呈120°均匀分布在以动平台的中轴线与三个交点所确定平面的交点为圆心的圆周上。

本发明的一种具有三对称运动学性能的过约束高刚度机器人，在不破坏三对称的运动学性能的前提下，减少机构中铰链自由度数目，提高了机构的刚度。

附图说明

图1是本发明具有三对称运动学性能的过约束高刚度机器人的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1中各轴线的标注示意图；

图4是本发明中第一支链及末端动平台和定位头的结构示意图；

图5是本发明中第二支链的结构示意图；

图6是本发明中T形铰的结构示意图；

图7是本发明中第三支链、第四支链的结构示意图。

1：第一支链11：伸缩杆

12：第一铰接件13：导轨

121：第一外圈122：内圈

123：滑块2：第二支链

21：驱动装置22：第二外圈

23：第二长度调节装置24：T形铰

241：纵轴242：横轴

3：第三支链31/41：第二驱动装置

32：第三外圈33：第三长度调节装置

34：第三球铰4：第四支链

41：第四外圈42：第四长度调节装置

44：第四球铰5：固定架

6：动平台7：定位头

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种具有三对称运动学性能的过约束高刚度机器人做出详细说明。

如图1、图2所示，本发明的一种具有三对称运动学性能的过约束高刚度机器人，包括动平台6和设置在所述动平台6末端的定位头7，以及通过固定架5分别设置在所述动平台6上的第一支链1、第二支链2、第三支链3和第四支链4，所述的定位头7为具有两个或三个自由度的串联转头。所述的第一支链1的末端贯穿所述固定架5的中心，固定连接在所述动平台6上，所述第二支链2、第三支链3和第四支链4的中部能够旋转的连接在所述固定架5的外周，所述第二支链2、第三支链3和第四支链4的末端分别铰接在所述动平台6上，并且所述第二支链2位于第一支链1的前方，所述第三支链3和第四支链4分别位于所述第一支链1的左后方和右后方。所述的第二支链2与第三支链3之间的夹角、第三支链3与第四支链4之间的夹角以及第四支链4与第二支链2之间的夹角均为120°。

如图4所示，所述的第一支链1包括有：末端固定连接在所述动平台6上的伸缩杆11，所述的伸缩杆11上沿轴向设置有导轨13，所述的伸缩杆11是通过套在所述伸缩杆11上并能够沿所述的导轨13滑动的具有两个转动自由度的第一铰接件12与所述的固定架5相铰接。

所述的具有两个转动自由度的第一铰接件12包括有：通过具有一个转动自由度的铰链铰接在所述固定架5中心位置的第一外圈121，通过具有一个转动自由度的铰链铰接在所述第一外圈121内侧的内圈122，所述内圈122的内侧设置有能够沿所述导轨13滑动的滑块123，其中，连接所述第一外圈121和所述固定架5的转动轴线1a与连接所述内圈122和所述第一外圈121的转动轴线1b垂直相交。

如图5所示，所述的第二支链2包括有：第二长度调节装置23，所述第二长度调节装置23的末端通过一个T形铰24铰接在所述动平台6上所述第二长度调节装置23的顶端连接有一个使所述第二长度调节装置23成为主动移动副的驱动装置21，所述第二长度调节装置23的中部通过第二外圈22与所述的固定架5相铰接，其中，所述的第二长度调节装置23能够旋转的连接在所述第二外圈22的内侧，所述第二外圈22的外侧通过具有一个转动自由度的铰链与所述固定架5相铰接，其中，连接所述第二外圈22和所述固定架5的转动轴线2a与连接所述第二长度调节装置23与所述第二外圈22的转动轴线2b垂直相交，连接所述T形铰24和所述第二长度调节装置23的旋转轴线2c平行于所述第二长度调节装置23的移动方向。

如图6所示，所述的T形铰24包括有纵轴241和与所述纵轴241的一端垂直相交的横轴242，所述纵轴241的另一端与所述的第二长度调节装置23的末端旋转连接，所述横轴242的两端分别与所述的动平台6旋转连接。

如图7所示，所述的第三支链3和第四支链4结构完全相同，均包括有：第三长度调节装置33/第四长度调节装置43，所述第三长度调节装置33/第四长度调节装置43的末端通过一个第三球铰34/第四球铰44铰接在所述动平台6上，所述第三球铰34/第四球铰44为具有三个转动自由度的铰链，且三个转动自由度的转动轴线不共线但相交于一点，所述第三长度调节装置33/第四长度调节装置43的顶端连接有一个使所述第三长度调节装置33/第四长度调节装置43成为主动移动副的第二驱动装置31/41，所述第三长度调节装置33/第四长度调节装置43的中部通过第三外圈32/第四外圈42与所述的固定架5相铰接，所述的第三长度调节装置33/第四长度调节装置43能够旋转的连接在所述第三外圈32/第四外圈42的内侧，所述第三外圈32/第四外圈42的外侧通过具有一个转动自由度的铰链与所述固定架5相铰接，其中，连接所述第三外圈32/第四外圈42和所述固定架5的转动轴线3a/4a与连接所述第三长度调节装置33/第四长度调节装置43与第三外圈32/第四外圈42的转动轴线3b/4b垂直相交。

如图2、3所示，第一支链1上的第一外圈121和固定架5的转动轴线1a经过连接第二支链2中的第二外圈22和固定架5的转动轴线2a，以及连接第二支链2上的长度调节装置23和第二外圈22的转动轴线2b这两条轴线的交点；连接第一支链1内圈12和第一外圈121的转动轴线1b，以及连接第二支链2中的T形铰24和动平台6的转动轴线2d这两条轴线相互平行。

连接第二支链2上的第二外圈22和固定架5的转动轴线2a与连接第二长度调节装置23和第二外圈22的转动轴线2b的交点、连接第三支链3上的第三外圈32和固定架5的转动轴线3a与连接第三长度调节装置33和第三外圈32的转动轴线3b的交点以及连接第四支链4上的第四外圈42和固定架5的转动轴线4a与连接第三长度调节装置33和第三外圈32的转动轴线4b的交点呈120°均匀分布在以连接所述第一支链1上的第一外圈121和固定架5的转动轴线1a与连接所述第一支链1上的内圈12和第一外圈121的转动轴线1b这两条轴线的交点为圆心的圆周上；所述第二支链2上T形铰24的横轴242与纵轴241的交点、第三支链3上的第三球铰34三条轴线的交点以及第四支链4上的第四球铰44三条轴线的交点呈120°均匀分布在以动平台6的中轴线与三个交点所确定平面的交点为圆心的圆周上。

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 (10)

1.一种具有三对称运动学性能的过约束高刚度机器人，包括动平台(6)和设置在所述动平台(6)末端的定位头(7)，以及通过固定架(5)分别设置在所述动平台(6)上的第一支链(1)、第二支链(2)、第三支链(3)和第四支链(4)，其特征在于，所述的第一支链(1)的末端贯穿所述固定架(5)的中心，固定连接在所述动平台(6)上，所述第二支链(2)、第三支链(3)和第四支链(4)的中部能够旋转的连接在所述固定架(5)的外周，所述第二支链(2)、第三支链(3)和第四支链(4)的末端分别铰接在所述动平台(6)上，并且所述第二支链(2)位于第一支链(1)的前方，所述第三支链(3)和第四支链(4)分别位于所述第一支链(1)的左后方和右后方。

2.根据权利要求1所述的一种具有三对称运动学性能的过约束高刚度机器人，其特征在于，所述的第二支链(2)与第三支链(3)之间的夹角、第三支链(3)与第四支链(4)之间的夹角以及第四支链(4)与第二支链(2)之间的夹角均为120°。

3.根据权利要求1所述的一种具有三对称运动学性能的过约束高刚度机器人，其特征在于，所述的定位头(7)为具有两个或三个自由度的串联转头。

4.根据权利要求1所述的一种具有三对称运动学性能的过约束高刚度机器人，其特征在于，所述的第一支链(1)包括有：末端固定连接在所述动平台(6)上的伸缩杆(11)，所述的伸缩杆(11)上沿轴向设置有导轨(13)，所述的伸缩杆(11)是通过套在所述伸缩杆(11)上并能够沿所述的导轨(13)滑动的具有两个转动自由度的第一铰接件(12)与所述的固定架(5)相铰接。

5.根据权利要求4所述的一种具有三对称运动学性能的过约束高刚度机器人，其特征在于，所述的具有两个转动自由度的第一铰接件(12)包括有：通过具有一个转动自由度的铰链铰接在所述固定架(5)中心位置的第一外圈(121)，通过具有一个转动自由度的铰链铰接在所述第一外圈(121)内侧的内圈(122)，所述内圈(122)的内侧设置有能够沿所述导轨(13)滑动的滑块(123)，其中，连接所述第一外圈(121)和所述固定架(5)的转动轴线(1a)与连接所述内圈(122)和所述第一外圈(121)的转动轴线(1b)垂直相交。

6.根据权利要求1所述的一种具有三对称运动学性能的过约束高刚度机器人，其特征在于，所述的第二支链(2)包括有：第二长度调节装置(23)，所述第二长度调节装置(23)的末端通过一个T形铰(24)铰接在所述动平台(6)上，所述第二长度调节装置(23)的顶端连接有一个使所述第二长度调节装置(23)成为主动移动副的驱动装置(21)，所述第二长度调节装置(23)的中部通过第二外圈(22)与所述的固定架(5)相铰接，其中，所述的第二长度调节装置(23)能够旋转的连接在所述第二外圈(22)的内侧，所述第二外圈(22)的外侧通过具有一个转动自由度的铰链与所述固定架(5)相铰接，其中，连接所述第二外圈(22)和所述固定架(5)的转动轴线(2a)与连接所述第二长度调节装置(23)与所述第二外圈(22)的转动轴线(2b)垂直相交，连接所述T形铰(24)和所述第二长度调节装置(23)的旋转轴线(2c)平行于所述第二长度调节装置(23)的移动方向。

7.根据权利要求6所述的一种具有三对称运动学性能的过约束高刚度机器人，其特征在于，所述的T形铰(24)包括有纵轴(241)和与所述纵轴(241)的一端垂直相交的横轴(242)，所述纵轴(241)的另一端与所述的第二长度调节装置(23)的末端旋转连接，所述横轴(242)的两端分别与所述的动平台(6)旋转连接。

8.根据权利要求1所述的一种具有三对称运动学性能的过约束高刚度机器人，其特征在于，所述的第三支链(3)和第四支链(4)结构完全相同，均包括有：第三长度调节装置(33)/第四长度调节装置(43)，所述第三长度调节装置(33)/第四长度调节装置(43)的末端通过一个第三球铰(34)/第四球铰(44)铰接在所述动平台(6)上，所述第三球铰(34)/第四球铰(44)为具有三个转动自由度的铰链，且三个转动自由度的转动轴线不共线但相交于一点，所述第三长度调节装置(33)/第四长度调节装置(43)的顶端连接有一个使所述第三长度调节装置(33)/第四长度调节装置(43)成为主动移动副的第二驱动装置(31/41)，所述第三长度调节装置(33)/第四长度调节装置(43)的中部通过第三外圈(32)/第四外圈(42)与所述的固定架(5)相铰接，所述的第三长度调节装置(33)/第四长度调节装置(43)能够旋转的连接在所述第三外圈(32)/第四外圈(42)的内侧，所述第三外圈(32)/第四外圈(42)的外侧通过具有一个转动自由度的铰链与所述固定架(5)相铰接，其中，连接所述第三外圈(32)/第四外圈(42)和所述固定架(5)的转动轴线(3a/4a)与连接所述第三长度调节装置(33)/第四长度调节装置(43)与第三外圈(32)/第四外圈(42)的转动轴线(3b/4b)垂直相交。

9.根据权利要求1所述的一种具有三对称运动学性能的过约束高刚度机器人，其特征在于，第一支链(1)中第一外圈(121)和固定架(5)的转动轴线(1a)经过连接第二支链(2)中的第二外圈(22)和固定架(5)的转动轴线(2a)，以及连接第二支链(2)中的长度调节装置(23)和第二外圈(22)的转动轴线(2b)这两条轴线的交点；连接第一支链(1)内圈(12)和第一外圈(121)的转动轴线(1b)，以及连接第二支链(2)中的T形铰(24)和动平台(6)的转动轴线(2d)这两条轴线相互平行。

10.根据权利要求1所述的一种具有三对称运动学性能的过约束高刚度机器人，其特征在于，连接第二支链(2)上的第二外圈(22)和固定架(5)的转动轴线(2a)与连接第二长度调节装置(23)和第二外圈(22)的转动轴线(2b)的交点、连接第三支链(3)上的第三外圈(32)和固定架(5)的转动轴线(3a)与连接第三长度调节装置(33)和第三外圈(32)的转动轴线(3b)的交点以及连接第四支链(4)上的第四外圈(42)和固定架(5)的转动轴线(4a)与连接第三长度调节装置(33)和第三外圈(32)的转动轴线(4b)的交点呈120°均匀分布在以连接所述第一支链(1)上的第一外圈(121)和固定架(5)的转动轴线(1a)与连接所述第一支链(1)上的内圈(12)和第一外圈(121)的转动轴线(1b)这两条轴线的交点为圆心的圆周上；所述第二支链(2)上T形铰(24)的横轴(242)与纵轴(241)的交点、第三支链(3)上的第三球铰(34)三条轴线的交点以及第四支链(4)上的第四球铰(44)三条轴线的交点呈120°均匀分布在以动平台(6)的中轴线与三个交点所确定平面的交点为圆心的圆周上。