CN109048987B - 一种并联式柔性手腕机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种并联式柔性手腕机构，包括定平台、动平台以及定平台和动平台之间的三条支链；所述的定平台包括上子平台、下子平台以及固接于两子平台之间的三组导轨；上子平台和下子平台相互平行且它们的中心轴线重合；三组导轨关于上子平台的中心轴线轴对称分布；所述的三条支链的结构完全相同，均包括线性弹性体、滑块、中间杆件及运动副，分别与定平台以及动平台连接形成一个空间并联闭环机构；滑块安装在两个子定平台之间的导轨上，只能沿导轨移动；线性弹性体安装在滑块和定平台之间；本发明中并联机构的三条支链相互配合，可以实现末端执行器位置或者角度的误差补偿。

Description

一种并联式柔性手腕机构
技术领域
本发明属于工业机器人技术领域，具体涉及一种并联式柔性手腕机构。
背景技术
在使用机器人进行作业加工的过程中，比如装配、喷涂、打磨和去毛刺过程，通常会要求机器人的末端执行器具有一定的柔性，补偿或者消除机器人运动过程的位移或者角度误差。采用柔性机械手腕是较为常用的一种方式。机器人用柔性机械手腕是连接机械手臂和末端执行器的部件，能够模仿人的手腕动作在一定空间区域内调整机器人手部的姿态和位置，在补偿或者消除一个方向上的误差的过程中并不会引入其它方向上的新误差。
目前来看其主要技术方法有两种，一种是利用柔性铰链或者弹性连杆的变形使末端执行器具有一定的误差补偿能力。比如专利CN205996958U所公开的并联柔性手腕机构就是利用一个柔性杆和两个主动伸缩杆组的相互配合，实现小端板相对于大端板的位移和角度转动；专利CNIO5034018A所公开的柔性手腕以侧部开有多个切槽的长条状柔性杆件作为柔性单元，各柔性单元关于主动板的中心轴对称分布，从而获得线性位移和扭转方向的柔性变形能力。这种技术方法所实现的柔性手腕，只能根据末端执行器与作业对象的接触状态被动调整末端执行器的位姿，不具备主动调整能力。并且，此类柔性手腕的结构形式比较固定，其柔性中心位置有限。此外，由于柔性铰链或者弹性连杆的变形能力有限，在较大负载下，所产生的较大变形有可能会对自身产生破坏性影响。为保护柔性单元，有时候还需要加装限位装置。因此这种技术方法实现的柔性手腕水平和角度误差补偿能力非常有限。
另一种技术方法是将弹簧和浮动关节结合，使机械手腕具备柔性。比如专利CN101863035A所公开的柔性手腕机构，利用移动模块和摆动模块分别实现直线移动和两个方向上的摆动，这两个模块均安置有弹簧；专利CN203357465U所公开的柔性手腕，夹紧块的内壁呈圆形或弧形与摆动球配合，在压圈和下法兰之间设有弹簧，在摆动球与下法兰之间设有导杆，导杆上设有压力弹簧，该机构可以实现角度上的自动偏摆。此种技术方法实现的柔性手腕对末端执行器的位姿调整依然是被动式的，自身刚度无法调节。此外，此类柔性手腕的结构较为复杂。但是，此种设计可以补偿较大的位移或角度误差。
发明内容
本发明的目的在于为满足实际生产需求，提出一种并联式柔性手腕机构。该柔性手腕是基于并联机构，中间杆件依然采用刚性连杆，在定平台和滑块之间安装有线性弹性体。三条支链相互配合，可实现末端执行器在水平方向上或者在扭矩方向上的误差补偿,具备应对大负载大变形的能力。并且，如果以具备驱动能力的装置作为线性弹性体，本机构还能具备刚度主动调节能力。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种刚度可调的手腕机构，该机构包括定平台、动平台以及定平台和动平台之间的三条支链；三条支链分别与定平台和动平台连接形成空间并联闭环机构；所述的三条支链结构相同，均包括线性弹性体、滑块、中间杆件及其运动副；所述的定平台包括上子平台、下子平台以及固接于两个子平台之间的三组导轨；所述的上子平台和下子平台相互平行且它们的中心轴线重合；所述的三组导轨关于上子平台的中心轴线四周均布，一端固接于上子平台，另一端固接于下子平台；三组导轨的中心轴线均与上子平台和下子平台均呈垂直关系；线性弹性体安装在定平台和滑块之间；所述动平台固接有末端执行器；非工作状态下，动平台与下子平台平行且它们的中心轴线重合；中间杆件可以有多种构造形式；不同形式的中间连杆与滑块、动平台的连接方式不同。
本发明中的中间杆件可以是单根连杆，也可以是包含四根杆件的四边形机构。为单根连杆时，连杆通过球面副与动平台连接，通过转动副与滑块连接；为四边形机构时，上连杆固接在滑块上，下连杆固接在动平台上，左连杆和右连杆均通过球面副与上下连杆连接，上连杆与下连杆的长度相等，左连杆和右连杆的长度相等。
本发明中的线性弹性体可以是弹簧，此时每组导轨均包含内侧导轨和外侧导轨；导轨的横截面为圆形；上子平台和滑块之间、下子平台和滑块之间均安装有弹簧，上下两个弹簧均被套装在每组导轨的外侧导轨上。
本发明中的线性弹性体也可以是气缸，此时每组导轨均只包含一根横截面为方形的导轨；气缸被安装在上子平台和滑块之间，其活塞杆与导轨平行；气缸缸体固接在上子平台的下表面，活塞杆固接在滑块上。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：对末端执行器位移和角度方向上的误差补偿，通过并联机构中三条支链的相互配合，最终转换为滑块沿导轨的上下移动。因此线性弹性体只会产生自身所擅长的伸缩变形，而不会产生对自身有破坏性影响的其它变形。所以本发明的寿命较长。并且，不管线性弹性体是弹簧还是气缸，其伸缩能力均可以达到很高的水平，从而本发明机构具有应对大负载下所产生的大变形的能力。当使用气缸时，本发明还可以具备刚度调节能力，可通过调整气缸内活塞两侧的气压来实现对本机构刚度的调整。由于气缸具备驱动能力，如果和传感器配合使用，本发明还可以实现对末端执行器位姿的主动调整。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图。
图2为本发明实施例2的结构示意图。
图3为本发明实施例3的结构示意图。
图4为本发明实施例4的结构示意图。
具体实施方式
容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。
实施例1
如图1所示，是一种刚度可调的手腕机构，包括定平台、动平台8以及第一支链Ⅰ、第二支链Ⅱ、第三支链Ⅲ；所述的三条支链具有相同的结构，均包括：弹簧一21和弹簧二22、滑块4、中间连杆6以及运动副；所述的定平台包括上子平台11、下子平台12以及固接于两个子平台之间的三组导轨，导轨截面可以为圆柱形或者其他方形等形状；所述的上子平台11和下子平台12相互平行且它们的中心轴线重合；每组导轨均包括内侧导轨一31和外侧导轨二32；所述的三组导轨关于上子平台的中心轴线轴均匀分布，导轨一端固接于上子平台11，另一端固接于下子平台12；导轨一31、导轨二32的中心轴线与上子平台11和下子平台12均呈垂直关系；滑块4套装在导轨一31和导轨二32上，可以沿导轨移动；上子平台11和滑块4之间、滑块4和下子平台12之间各装有一个弹簧，套装在外侧导轨二32上；所述的中间连杆6通过球面副7与动平台8相连接，通过转动副5与滑块4相连接；所述动平台8上固接有末端执行器；动平台8上固定有三个球铰7，三个球铰在动平台上呈正三角形分布；非工作状态下，动平台8与子平台12平行且它们的中心轴线重合。本机构能根据末端执行器与作业对象的接触状态被动调整末端执行器位姿。
实施例2
如图2所示，本实施例与实施例1的区别在于，以气缸作为线性弹性体，替代实施例1中的弹簧一21、弹簧二22。气缸缸体21固接于上子平台11的下表面，活塞杆22固接在滑块4上。滑块4的导轨3只有一条，为非回转体构件。本实施例中，滑块的导轨不再是两条，而是一条，因此不能是圆柱等回转体。当然，气缸缸体21也可以固接在滑块4上，而活塞杆22与上子平台11的下表面固接。本实施例可以具备刚度调节能力，通过改变气缸内活塞两侧的气压即可实现对本机构刚度的调节。若配合传感器的使用，本机构还可以根据传感器的信息，以气缸作为驱动装置，根据末端执行器与作业对象接触状态的变化，主动调整末端执行器的位姿。
实施例3
如图3所示，本实施例与实施例1的区别在于，实施例1中的中间连杆换成了四边形机构；所述的四边形机构包括两个等长的上短连杆61和下短连杆64以及两个等长的左长连杆62和右长连杆63；上短连杆61固接于滑块4上，下短连杆64固接于动平台8上；上短连杆61通过球面副51与左长连杆62连接，通过球面副52与右长连杆63连接；下短连杆64通过球面副71与左长连杆62连接，通过球面副72与右长连杆63连接。作业时，末端执行器可以被动产生位移，补偿位移误差。
实施例4
如图4所示，本实施例与实施例3的区别在于，以气缸作为线性弹性体。气缸缸体21接于上子平台11的下表面，活塞杆22固接在滑块4上。滑块4的导轨3只有一条，为非回转体构件。本实施例可以具备刚度调节能力，通过改变气缸内活塞两侧的气压即可实现对本机构刚度的调节。若配合传感器的使用，本机构还可以根据传感器的信息，以气缸作为驱动装置，根据末端执行器与作业对象接触状态的变化，主动调整末端执行器的位置，补偿位移误差。

Claims (2)

1.一种并联式柔性手腕机构，其特征在于：该机构包括定平台、动平台以及定平台和动平台之间的三条支链；三条支链分别与定平台和动平台连接形成空间并联闭环机构；所述的三条支链结构相同，均包括线性弹性体、滑块(4)、中间杆件(6)及其运动副；所述的定平台包括上子平台(11)、下子平台(12)以及固接于两个子平台之间的三组导轨；所述的上子平台(11)和下子平台(12)相互平行且它们的中心轴线重合；所述的三组导轨关于上子平台的中心轴线均匀分布，一端固接于上子平台(11)，另一端固接于下子平台(12)；导轨的中心轴线与上子平台(11)和下子平台(12)均呈垂直关系；线性弹性体安装在定平台和滑块(4)之间；所述动平台(8)固接有末端执行器；非工作状态下，动平台(8)与下子平台(12)平行且中心轴线重合；中间杆件(6)连接在动平台(8)与滑块(4)之间；
每条支链的中间杆件(6)为包含四根连杆的四边形机构；上短连杆(61)固接于滑块(4)上，下短连杆(64)固接于动平台(8)上；上短连杆(61)通过球面副(51)与左长连杆(62)连接，通过球面副(52)与右长连杆(63)连接；下短连杆(64)通过球面副(71)与左长连杆(62)连接，通过球面副(72)与右长连杆(63)连接；上短连杆和下短连杆的长度相等，左长连杆和右长连杆的长度相等；
线性弹性体为气缸，每组导轨均包含一根横截面为非回转体结构的导轨；气缸安装在上子平台(11)和滑块(4)之间，其活塞杆与导轨平行。
2.如权利要求1所述的机构，其特征在于，每条支链的中间杆件(6)为单根连杆，其通过球面副(7)与动平台(8)连接，通过转动副(5)与滑块(4)连接。
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