CN106426092B - 运动冗余五自由度混联机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种运动冗余五自由度混联机器人，主要包括固定平台、可移动平台、可回转工作台、立柱、连接横梁、四条支链、中间连杆、动平台和主轴头，其中固定平台上方设有可移动平台，在所述可移动平台上设有可回转工作台，在所述固定平台上方设有两立柱，两立柱上方设有连接横梁，两立柱之间设有长度相同的四条支链，所述四条支链一端通过转动副与滑块连接，另一端通过转动副分别与动平台和中间连杆的一端相连，所述滑块均通过移动副与立柱连接，所述中间连杆的另一端通过转动副与动平台的另一端相连，在动平台上设有主轴头。本发明具有运动冗余特性，消除了冗余驱动力不协调对机构的影响，有效的减少机构奇异点，增大了机构的工作空间。

Description

运动冗余五自由度混联机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，特别是一种混联机器人。

背景技术

在工业机器人应用领域，五自由度机器人可应用在喷涂、焊接、搬运、装配、雕刻等领域，尤其在航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等行业，有着举足轻重的影响力。机器人技术的发展已成为现代工业制造的标志，其中基于平面并联机构构造出的五自由度混联机器人，结合了平面并联机构和串联机器人的优点，既有平面并联机构承载能力大、结构及运动学模型简单的特点，又有串联机构工作空间大且灵活的特点，已成为机器人和机构领域研究的热点之一。

公开号为CN104057442B的专利公布的一种基于空间并联机构提出的混联机器人，空间结构模型相对复杂、制造成本高；公开号为CN103101050B的专利公布的一种新型两自由度冗余驱动并联移动平台、专利CN103101049B授权公布的一种具有新型冗余驱动支链的三自由度并联机构，因自由度数少、存在奇异点等缺点，使其无法完成复杂曲面的加工；公开号为CN204935636U的专利公布的一种基于平面并联机构具有冗余驱动的混联机器人，虽然具有空间结构简单、模块化程度高的特点，但是该混联机构串联部分需要工作台较大的摆角才能满足机器人的灵活性，然而可摆动工作台的这种设计方案不易于结构刚度的提升，而且该机构为驱动冗余，冗余驱动力的协调性问题是冗余驱动研究领域的一大难点，需要额外添加力传感器才能较好的实现对该类混联机器人的控制，使其在工业中的应用受到限制。

公开号为CN104626103A的专利公布了一种多自由度并联机构式可控移动码垛机器人、公开号为CN102720226B的专利公布了一种运动冗余正铲挖掘工作装置，其均涉及到运动冗余；运动冗余与驱动冗余相似，均能提高机器人的灵活性，但是上述含有运动冗余机器人的运动形式较单一，末端操作器的自由度和灵活性均受到限制，所以设计一款具有运动冗余特性的多自由度高灵活性的机器人有助于提高其在工业领域的应用范围，然而目前具有运动冗余特性运的工业五自由度混联机器人尚未见相关报道。

发明内容

本发明的目的在于提出一种结构简单、刚度大、响应速度快、工作空间大、动态性能好的运动冗余五自由度混联机器人。

本发明主要包括有固定平台、可移动平台座、可移动平台、可回转工作台座、可回转工作台、立柱、连接横梁、四条支链、中间连杆、动平台和主轴头以及支链驱动组件、可移动平台驱动组件和可回转工作台组件，其中固定平台上设有可移动平台座，可移动平台通过移动副与该可移动平台座连接，在所述可移动平台上设有可回转工作台座，可回转工作台通过轴线为铅垂方向的转动副与该可回转工作台座连接，在所述固定平台两侧分别设有相对的立柱，两立柱上端设有连接这两个立柱的连接横梁，两立柱之间设有长度相同的四条支链，所述四条支链中左侧的第一和第二支链的一端分别通过转动副与设在左侧上下圆柱导轨上的滑块连接，其另一端通过同一转动副与动平台的一端连接，所述四条支链中右侧的第三和第四支链的一端分别通过转动副与设在右侧上下圆柱导轨上的滑块连接，其另一端通过同一转动副与中间连杆的一端连接，该中间连杆的另一端通过转动副与所述动平台的另一端连接，所述连接中间连杆两端转动副之间距离为连接动平台两端转动副之间距离的1/3；在所述的动平台上设有主轴头。

所述滑块与圆柱导轨之间的移动副轴线方向为铅垂方向，所述的四条支链中的转动副轴线相互平行，且垂直于滑块和圆柱导轨所组成的移动副轴线，所述的左侧第一和第二支链中与动平台连接的转动副轴线重合，第一支链位于过该重合转动副轴线水平面的上方，第二支链位于过该重合转动副轴线水平面的下方，所述的右侧第三支链和第四支链中与中间连杆连接的转动副轴线重合，第四支链位于过该重合转动副轴线水平面的上方，第三支链位于过该重合转动副轴线水平面的下方。

所述支链驱动组件包括直线单元底座、伺服电机、电机座、联轴器、丝杠、丝杠螺母、丝杠上支撑座、滑块、圆柱导轨及丝杠下支撑座，其中两个直线单元底座分别竖直固定在相对的立柱壁上，在直线单元底座的上下分别设有一对丝杠上支撑座和丝杠下支撑座，在上部的丝杠上支撑座和下部丝杠下支撑座上均设有电机座，伺服电机分别固定在上下电机座上，伺服电机的输出端均通过联轴器与丝杠的一端连接，上下丝杠和圆柱导轨的一端通过丝杠上支撑座进行支撑，其另一端通过丝杠下支撑座进行支撑，在上下丝杠和上下圆柱导轨上分别设有滑块，所述丝杠的有效行程部分与丝杠螺母连接，所述丝杠螺母固定在滑块上。

所述可移动平台驱动组件包括固定平台、可移动平台座、可移动平台伺服电机、可移动平台电机座、可移动平台联轴器、可移动平台丝杠、可移动平台丝杠螺母、可移动平台丝杠上支撑座、可移动平台滑块、可移动平台导轨、可移动平台导轨槽以及可移动平台丝杠下支撑座，其中设在固定平台上的可移动平台座的一端设有可移动平台电机座，可移动平台伺服电机固定在可移动平台电机座上，伺服电机的输出端通过可移动平台联轴器与可移动平台丝杠的一端连接，该丝杠的一端通过固定在固定平台上的可移动平台丝杠上支撑座进行支撑，其另一端通过固定在所述固定平台上的可移动平台丝杠下支撑座进行支撑，可移动平台丝杠上设有可移动平台丝杠螺母，可移动平台丝杠螺母固定在可移动平台下方的可移动平台丝杠螺母座上，用于控制可移动平台的有效行程，所述可移动平台底部两侧设有两两为一组的可移动平台滑块，该滑块与固定在可移动平台底座两侧的可移动平台导轨相配合组成滑动连接。

所述可回转工作台组件包括可回转工作台座、可回转工作台伺服电机、90度转角减速器及可回转工作台，其中固定在可移动平台上的可回转工作台座下方设有凹槽，可回转工作台伺服电机固定在可回转工作台座凹槽内，该可回转工作台伺服电机的输出端与90度转角减速器的输入端连接，该90度转角减速器的输出端与可回转工作台连接，该90度转角减速器的输出端转动轴线为铅垂方向。

平面并联机构的中间连杆和动平台平行时或动平台和中间连杆之间的转动副锁死，该运动冗余五自由度混联机器人即转换为驱动冗余五自由度混联机器人，只需控制中间连杆和动平台之间的姿态即可消除机构的内部奇异。

本发明的工作过程大致如下：固定在设于立柱上的电机座上的伺服电机驱动丝杠和螺母配合运动，进而通过四条支链传递运动，控制中间连杆和动平台的姿态，实现动平台两移一转三自由度的运动：上下移动、左右移动、在竖直平面内的转动；可移动平台通过其驱动组件可以实现平台前后移动；通过可回转工作台伺服电机驱动90度转角减速器，带动可移动平台上方的可回转工作台回转运动；结合上述平面并联机构的动平台的三自由度、可移动平台的移动自由度及可回转工作台的回转自由度，可以实现空间五自由度运动，从而实现机器人在实际工作中所需完成的空间动作。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、具有运动冗余，克服了普通并联机构中存在的奇异点的问题，同时有效增大了并联机器人的工作空间，提高了机构的整体刚度；

2、驱动电机固定于立柱上不随支链运动，有效的降低了机床的转动惯量；

3、分支运动链短，响应速度快，结构简单且紧凑，有良好的制造和装配工艺性；

4、可回转工作台与所述固定平台上的可移动平台串联，与并联部分独立，有效的避免了由于零部件加工误差和装配误差引起的误差积累；

5、可回转工作台回转轴方向为铅垂方向，有利于增大工作台刚度和承载能力；

6、运动冗余消除了驱动力不协调对机构的影响，同时利用机构本身特性，不仅可研究运动冗余五自由度混联机器人的运动冗余控制策略，亦可研究其驱动冗余控制策略。

附图说明

图1为本发明的立体示意简图。

图2为图1的支链和支链驱动组件的示意简图。

图3为本发明可移动平台驱动组件和可回转工作台组件的示意简图。

图中：1.固定平台、2.可移动平台座、3.可移动平台、4.可回转工作台座、5.可回转工作台、6.第二支链、7.中间连杆、8.第一支链、9.立柱(左)、10.连接横梁、11.立柱(右)、12.第四支链、13.直线单元底座、14.第三支链、15.动平台、16.主轴头、17.上滑块、18.丝杠上支撑座、19.联轴器、20.电机座、21.伺服电机、22.圆柱导轨、23.丝杠螺母、24.丝杠、25.丝杠下支撑座、26.下滑块、27.可移动平台伺服电机、28.可移动平台电机座、29.可移动平台联轴器30.可移动平台丝杠上支撑座、31.可移动平台丝杠、32.可移动平台丝杠螺母、33.可移动平台丝杠螺母座、34.可移动平台丝杠下支撑座、35.可回转工作台伺服电机、36.90度转角减速器、37.可移动平台滑块、38.可移动平台导轨。

具体实施方式

在图1所示的五自由度混联机器人示意图中，固定平台1上设有可移动平台座2，可移动平台3通过移动副与该可移动平台座连接，在所述可移动平台上设有可回转工作台座4，可回转工作台5通过轴线为铅垂方向的转动副与该可回转工作台座连接，在所述固定平台两侧分别设有相对的立柱9、11，两立柱上端设有连接这两个立柱的连接横梁10，两立柱之间设有四条支链，上方两支链结构相同，下方两支链结构相同，所述四条支链中左侧的第一支链8和第二支链6的一端分别通过转动副与设在左侧上下圆柱导轨22上的上滑块17和下滑块26连接，其另一端通过同一转动副与动平台15的一端连接，所述四条支链中右侧的第三支链14和第四支链12的一端分别通过转动副与设在右侧上下圆柱导轨上的上下滑块连接，其另一端通过同一转动副与中间连杆7的一端连接，该中间连杆的另一端通过转动副与所述动平台的另一端连接，所述连接中间连杆两端转动副之间距离为连接动平台两端转动副之间距离的1/3，在所述的动平台上设有主轴头16。

所述滑块与圆柱导轨之间的移动副轴线方向为铅垂方向，所述的四条支链中的转动副轴线相互平行，且垂直于滑块和圆柱导轨所组成的移动副轴线，所述的左侧第一和第二支链中与动平台连接的转动副轴线重合，第一支链位于过该重合转动副轴线水平面的上方，第二支链位于过该重合转动副轴线水平面的下方，所述的右侧第三支链和第四支链中与中间连杆连接的转动副轴线重合，第四支链位于过该重合转动副轴线水平面的上方，第三支链位于过该重合转动副轴线水平面的下方。

如图2所示，支链驱动组件中的两个直线单元底座13分别竖直固定在相对的立柱壁上，在直线单元底座的上下分别设有一对丝杠上支撑座18和丝杠下支撑座25，在上部的丝杠上支撑座上设有电机座20，伺服电机21固定在电机座上，伺服电机的输出端通过联轴器19与丝杠24的一端连接，上下丝杠和上下圆柱导轨的一端通过丝杠上支撑座进行支撑，其另一端通过丝杠下支撑座进行支撑，在上下丝杠和上下圆柱导轨上分别设有滑块，所述丝杠的有效行程部分与丝杠螺母23连接，所述丝杠螺母固定在滑块上。

如图3所示，可移动平台驱动组中设在固定平台上的可移动平台座的一端设有可移动平台电机座28，可移动平台伺服电机27固定在可移动平台电机座上，伺服电机的输出端通过可移动平台联轴器29与可移动平台丝杠31的一端连接，该丝杠的一端通过固定在固定平台上的可移动平台丝杠上支撑座30进行支撑，其另一端通过固定在所述固定平台上的可移动平台丝杠下支撑座34进行支撑，可移动平台丝杠上设有可移动平台丝杠螺母32，可移动平台丝杠螺母32固定在可移动平台下方的可移动平台丝杠螺母座33上，用于控制可移动平台的有效行程，所述可移动平台底部两侧设有两两为一组的可移动平台滑块37，该滑块与固定在可移动平台底座两侧的可移动平台导轨38相配合组成滑动连接。可回转工作台组件中的固定在可移动平台上的可回转工作台座下方设有凹槽，可回转工作台伺服电机35固定在可回转工作台座凹槽内，该可回转工作台伺服电机的输出端与90度转角减速器36的输入端连接，该90度转角减速器的输出端与可回转工作台连接，该90度转角减速器的输出端转动轴线为铅垂方向。

Claims (2)

1.一种运动冗余五自由度混联机器人，主要包括有固定平台、可移动平台座、可移动平台、可回转工作台座、可回转工作台、立柱、连接横梁、四条支链、中间连杆、动平台和主轴头以及支链驱动组件、可移动平台驱动组件和可回转工作台组件，其特征在于：所述固定平台上设有可移动平台座，可移动平台通过移动副与该可移动平台座连接，在所述可移动平台上设有可回转工作台座，可回转工作台通过轴线为铅垂方向的转动副与该可回转工作台座连接，在所述固定平台两侧分别设有相对的立柱，两立柱上端设有连接这两个立柱的连接横梁，两立柱之间设有四条支链，所述四条支链中左侧的第一和第二支链的一端分别通过转动副与设在左侧上下圆柱导轨上的滑块连接，其另一端通过同一转动副与动平台的一端连接，所述四条支链中右侧的第三和第四支链的一端分别通过转动副与设在右侧上下圆柱导轨上的的滑块连接，其另一端通过同一转动副与中间连杆的一端连接，该中间连杆的另一端通过转动副与所述动平台的另一端连接，所述连接中间连杆两端转动副之间距离为连接动平台两端转动副之间距离的1/3，在所述的动平台上设有主轴头；

所述滑块与圆柱导轨之间的移动副轴线方向为铅垂方向，所述的四条支链中的转动副轴线相互平行，且垂直于滑块和圆柱导轨所组成的移动副轴线，所述的左侧第一和第二支链中与动平台连接的转动副轴线重合，第一支链位于过该重合转动副轴线水平面的上方，第二支链位于过该重合转动副轴线水平面的下方，所述的右侧第三支链和第四支链中与中间连杆连接的转动副轴线重合，第四支链位于过该重合转动副轴线水平面的上方，第三支链位于过该重合转动副轴线水平面的下方；

所述支链驱动组件包括直线单元底座、伺服电机、电机座、联轴器、丝杠、丝杠螺母、丝杠上支撑座、滑块、圆柱导轨及丝杠下支撑座，其中两个直线单元底座分别竖直固定在相对的立柱壁上，在直线单元底座的上下分别设有一对丝杠上支撑座和丝杠下支撑座，在上部的丝杠上支撑座和下部丝杠下支撑座上均设有电机座，伺服电机分别固定在上下电机座上，伺服电机的输出端均通过联轴器与丝杠的一端连接，上下丝杠和圆柱导轨的一端通过丝杠上支撑座进行支撑，其另一端通过丝杠下支撑座进行支撑，在上下丝杠和上下圆柱导轨上分别设有滑块，所述丝杠的有效行程部分与丝杠螺母连接，所述丝杠螺母固定在滑块上；

所述可移动平台驱动组件包括固定平台、可移动平台座、可移动平台伺服电机、可移动平台电机座、可移动平台联轴器、可移动平台丝杠、可移动平台丝杠螺母、可移动平台丝杠上支撑座、可移动平台滑块、可移动平台导轨、可移动平台导轨槽以及可移动平台丝杠下支撑座，其中设在固定平台上的可移动平台座的一端设有可移动平台电机座，可移动平台伺服电机固定在可移动平台电机座上，伺服电机的输出端通过可移动平台联轴器与可移动平台丝杠的一端连接，该丝杠的一端通过固定在固定平台上的可移动平台丝杠上支撑座进行支撑，其另一端通过固定在所述固定平台上的可移动平台丝杠下支撑座进行支撑，可移动平台丝杠上设有可移动平台丝杠螺母，可移动平台丝杠螺母固定在可移动平台下方的可移动平台丝杠螺母座上，所述可移动平台底部两侧设有两两为一组的可移动平台滑块，该滑块与固定在可移动平台底座两侧的可移动平台导轨相配合组成滑动连接；

所述可回转工作台组件包括可回转工作台座、可回转工作台伺服电机、90度转角减速器及可回转工作台，其中固定在可移动平台上的可回转工作台座下方设有凹槽，可回转工作台伺服电机固定在可回转工作台座凹槽内，该可回转工作台伺服电机的输出端与90度转角减速器的输入端连接，该90度转角减速器的输出端与可回转工作台连接，该90度转角减速器的输出端转动轴线为铅垂方向。

2.根据权利要求1所述的一种运动冗余五自由度混联机器人，其特征在于：所述四条支链的长度尺寸相同。