CN109664275B - 基于两转一移三自由度并联机构的五自由度混联机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于两转一移三自由度并联机构的五自由度混联机器人，由一个两转一移三自由度并联机构和与之串接的具有两自由度的姿态调整机构组成。两转一移三自由度并联机构包括定平台、上支撑平台、下支撑平台、三个分支组件、动平台组件等部件构成，所述三个分支组件中结构相同的第一、二分支组件处于同一平面内且均穿过上支撑平台，与上支撑平台用转动铰链连接，第三分支组件穿过下支撑平台并与下支撑平台用转动铰链连接；两自由度姿态调整机构包括吸盘、固设在吸盘上的C型构件、以及与C型构件通过转动铰链连接的A型构件。本发明模块化程度高，并且由于第一分支组件和第二分支组件的运动平面共面，使得机构运动学逆解解析表达式利于计算，便于轨迹规划与实时控制。

Description

基于两转一移三自由度并联机构的五自由度混联机器人

技术领域

本发明属于机器人领域，特别涉及一种基于两转一移三自由度并联机构的五自由度混联机器人。

背景技术

目前，我国面向航天复合材料复杂曲面的加工主要通过五轴铣镗床和串联机器人实现，所生产产品的定位精度、重复定位精度等指标均难以达到设计要求，而混联机器人结合了串联和并联机器人的优点，与上述设备相比具有很大的优势，是复合材料高精度钻铣工具的重要发展方向。因此，基于两转一移三自由度2R1T并联机构的混联机器人具有很好的发展前景，其中，Tricept、Ecospeed和Exechon等由国外研制出的混联机器人，已经成功用于航空航天和汽车加工等需要加工复杂机构的领域，取得显著的经济效益。但是基于2R1T并联机构的混联机器人种类仍然较少，且仅有的几种机构存在运动副数目较多的问题，结构刚度不易保证。

中国专利文献CN102699899A所公开的一种过约束高刚度多坐标混联机器人，并联机构部分由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组成，其中一条从动调节分支和两条驱动分支位于同一平面内，该并联机构的定平台做成整体式结构；该并联机构可以实现沿定平台平面内的两维转动和垂直于定平台的一个移动，再单独串接一个两自由度的执行器实现五自由度运动。该结构具有两条垂直相交的转轴，但其每条驱动支链存在的被动单自由度运动副数目为5，运动副数目多，结构刚度不易保证。

中国专利文献CN104985596A所公开的一种含多轴转动支架的五自由度混联机器人，同样包含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，其中一条从动调节分支和两条驱动分支位于同一平面内，该并联机构定平台做成可拆分式结构，具有两条转动支架；该并联机构同样可以实现沿定平台平面内的两维转动和垂直于定平台的一个移动，再单独串接一个两自由度的执行器实现五自由度运动。该专利是上一个专利的同构情况，运动副类型、数目完全与之相同。

中国专利文献CN201710858304.5所公开的一种由四自由度混联机构组成的五轴混联机器人，采用一个三自由度并联机构实现沿Z方向的移动以及转轴分别在定平台平面和动平台平面内的两维转动，再加一个沿Y轴平移的独立模块实现五自由度运动。该机构并联部分运动副数较少，但结构刚度有待进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机构运动副数目少、工作空间大的、少关节过约束的五自由度混联机器人。

本发明混联机器人机构由一个两转一移三自由度并联机构和与之串接的具有两自由度的姿态调整机构组成，包括一个两转一移三自由度并联机构和一个与所述并联机构串接的具有两自由度的姿态调整机构，其中所述两转一移三自由度并联机构包括定平台、上支撑平台、下支撑平台、三个分支组件和动平台组件，所述三个分支组件中结构相同的第一分支组件和第二分支组件处于同一平面内且均穿过所述上支撑平台，与所述上支撑平台用转动铰链连接，第三分支组件穿过所述下支撑平台并与所述下支撑平台用转动铰链连接，所述上支撑平台和所述下支撑平台均与定平台用转动铰链连接；第一分支组件、第二分支组件的前端与动平台用转动铰链连接，第三分支组件的前端与动平台固连；所述两自由度姿态调整机构包括吸盘、固设在所述吸盘上的C型构件、以及与所述C型构件通过转动铰链连接的A型构件，所述A型构件为一个长方体构件，在所述A型构件的第一端设有与刀柄连接的配合孔，所述配合孔安装进行加工的刀具，在所述A型构件的第二端设有一伸出轴，与位于所述C型构件两侧的圆形通孔形成转动铰链连接从而构成第一个转动自由度，所述C型构件的第一端设有一根转轴，转轴与动平台组件下方圆孔形成转动铰链连接从而构成第二个转动自由度。

可优选的是，所述第一分支组件和第二分支组件均分别包括动平台支撑组件、第一分支主体、第二分支主体、伺服电机、滚柱导轨、丝杠组件、长光栅、丝杠座、转动支座和滑块座，所述丝杠组件的丝杠的第一端通过联轴器与伺服电机的输出端连接，并与丝杠座内的轴承配合，所述轴承的内圈通过锁紧螺母锁紧，所述轴承的外圈通过端盖固定，丝杠的第二端通过丝杠座进行支撑，丝杠的中部与固连在转动支座上的丝杠螺母形成螺旋副连接，滑块座与转动支座固连，转动支座由十字交叉轴承同上支撑平台与转动支座的配合孔转动连接，上支撑平台的左右两端转动铰链与定平台间用圆锥滚子轴承转动连接，两个转动连接的转动副轴线垂直相交，构成虎克铰，滑块座与固联在第一分支主体和第二分支主体的两条导轨配合，由丝杠螺母带动进行相对移动，长光栅位于两条导轨之间，并分别与第一分支主体和第二分支主体固连。

可优选的是，所述动平台支撑组件包括两个虎克铰座和前铰轴，两端虎克铰座与前铰轴两端刚性联结，第一分支主体、第二分支主体的前端通过位于分支内部动平台支撑轴组件分别通过转动铰链与第一虎克铰座和第二虎克铰座连接，支撑轴与动平台采用双列布置的角接触轴承转动连接。

可优选的是，所述第三分支组件包括第三分支主体、伺服电机、滚柱导轨、滚珠丝杠组件、长光栅、旋转支座和旋转滑块座，伺服电机、滚珠丝杠组件、滚柱导轨、以及长光栅的布置方式与所述第一分支组件或者第二分支组件相同，所述旋转滑块座与旋转支座用一组角接触球轴承转动连接，旋转支座能绕轴承的轴线旋转，旋转支座由十字交叉轴承同下支撑平台与转动组件配合孔转动连接，下支撑平台的上下两端转动铰链与定平台间通过圆锥滚子轴承转动连接，两个转动连接的转动副轴线与旋转支座绕轴承转动的轴线均垂直相交从而构成球铰，下支撑平台的上下两端转动铰链与定平台间通过圆锥滚子轴承转动连接，旋转滑块座底面连接有双列布置的四个滑块，通过滑块与第三分支的直线导轨连接构成移动副，丝杠与丝杠螺母间通过螺旋运动驱动第三分支旋转支座运动，进而驱动分支相对于旋转滑块座的运动。

进一步，所述上支撑平台的两端分布两个转动铰链，中间分布两个安装孔，每个安装孔的两侧分布四个侧孔，两个安装孔能够由第一分支组件及第二分支组件贯穿，所述侧孔能够配合转动支座进行单自由度旋转，上支撑平台两端的转动铰链能与两个支撑组件旋转连接。

更进一步的是，所述下支撑平台的两端分布两个转动铰链，两个转动铰链的中间设置一个用于贯穿第三分支组件安装孔，所述安装孔的两侧设置两个侧孔，两个侧孔能够配合转动支座进行单自由度旋转，下支撑平台两端的转动铰链能与两个支撑组件旋转连接。

可优选的是，所述动平台组件包括动平台、第一分支虎克铰支座、第二分支虎克铰支座、第三分支接合面和定位销，所述第一分支虎克铰支座和第二分支虎克铰支座采用整根支撑轴刚性连接，支撑轴与动平台间采用成对角接触轴承转动连接，动平台与第三分支刚性联结。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明的五自由度混联机器人多处转动铰链均可做成模块组件，其模块化程度高，便于装配、维修及更换；

2、与专利CN102699899A和专利CN104985596A所公开的机器人相比，混联机器人机构运动副数目减少了2个，减低了机器人结构的复杂程度；

3、连接铰链轴线的安装孔均在水平或竖直方向，且都位于同一个平面内，具有良好的制造和装配工艺性；

4、第一分支组件和第二分支组件的运动平面共面，使得机构运动学逆解解析表达式便于计算，便于轨迹规划与实时控制。

附图说明

图1是本发明并联机构去除定平台时的整体结构示意图；

图2是图1的后视图；

图3a是本发明上支撑平台的结构示意图；

图3b是图3a的A-A剖面的结构示意图；

图4a是本发明下支撑平台的结构示意图；

图4b是图4a的B-B剖面的结构示意图；

图5是本发明第一分支组件和第二分支组件的结构示意图；

图6是本发明第一分支组件和第二分支组件中转动支座和滑块座的结构示意图；

图7是本发明第三分支组件的结构示意图；

图8是本发明第三分支组件中旋转支座和旋转滑块座的结构示意图；

图9是本发明动平台组件的结构示意图；

图10是本发明调姿头的结构示意图；以及

图11是本发明实施例1的结构示意图。

图中：1-第一分支组件、2-支座组件、3-上支撑平台、4-第二分支组件、5-动平台组件、6-两自由度调姿头、7-第三分支组件、8-下支撑平台、301-上支撑平台转动铰链、302-上支撑平台安装孔、303-上支撑平台侧孔、801-下支撑平台转动铰链、802-下支撑平台侧孔、803-下支撑平台安装孔、101-动平台支撑轴组件、102-伺服电机、103-联轴器、104-丝杠座、105-转动支座和滑块座、106-导轨、107-丝杠、108-轴承支承座、109-滑块座、111-转动支座、112-丝杠螺母、701-第三分支主体、702-伺服电机、703-轴承、704-轴承座、705-旋转组件和滑块座、706-丝杠、707-导轨、708-轴承支承座、709-旋转滑块座、710-关节支撑组件、712-旋转支座、501-第一、二分支虎克铰座、502-动平台、503-定位销孔、61-A型构件、62-C型构件、63-吸盘。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的基于两转一移三自由度并联机构的五自由度混联机器人做出详细说明。

如图1、图2和图9所示，本发明的基于两转一移三自由度并联机构的五自由度混联机器人包括一个两转一移三自由度并联机构和一个与并联机构串接的具有两自由度的姿态调整机构，两转一移三自由度并联机构包括定平台2、上支撑平台3、下支撑平台8、三个分支组件1、4、7和动平台组件5。三个分支组件中结构相同的第一分支组件1和第二分支组件4处于同一平面内且均穿过上支撑平台3，与上支撑平台3用转动铰链连接。第三分支组件7穿过下支撑平台8并与下支撑平台8用转动铰链连接。上支撑平台3和下支撑平台8均与定平台2用转动铰链连接；第一分支组件1、第二分支组件4的前端与动平台502用转动铰链连接，第三分支组件7的前端与动平台502固连。

两自由度姿态调整机构包括吸盘63、固设在吸盘63上的C型构件62、以及与C型构件62通过转动铰链连接的A型构件61。A型构件61为一个长方体构件，在A型构件61的第一端设有与刀柄连接的配合孔，配合孔安装本装置进行加工时所需要的刀具，在A型构件61的第二端设有一伸出轴，与位于C型构件62两侧的圆形通孔形成转动铰链连接从而构成第一个转动自由度，C型构件62的第一端设有转轴，转轴与动平台组件5的下方圆孔形成转动铰链连接从而构成第二个转动自由度。

具体而言，本发明的少关节过约束五自由度混联机器人，包括支撑组件2、上支撑平台3、下支撑平台8、第一分支组件1、第二分支组件4、第三分支组件7、动平台组件5、串接在动平台组件5末端的二自由度调姿头6。

上支撑平台3的两侧端分别通过上支撑平台转动铰链301与左右布置的两个支撑组件2转动连接，与此类似，下支撑平台8的上下两端分别通过下支撑平台转动铰链801与上下布置的两个支撑组件2转动连接，四个支撑组件2共面，组成并联机构的定平台。第一分支组件1及第二分支组件4分别贯穿上支撑平台3的上支撑平台安装孔302与动平台组件5通过动平台支撑轴组件101以及第一、二分支虎克铰座501连接，第三分支组件7贯穿下支撑平台8的下支撑平台安装孔803借助定位销孔503与动平台组件5螺栓固定连接，所述第一分支组件1及第二分支组件4对称地设置于同一平面，第一分支组件1、第二分支组件4的中部分别各通过有一个转动自由度的转动支座111连接在上支撑平台3上，滑块座109与转动支座111采用螺栓固连，第三分支组件7设置在第一分支组件1及第二分支组件4的下方，第三分支组件7的中部通过具有两个转动自由度且与旋转滑块座709固连在一起的旋转支座712连接在下支撑平台8上，形成具有三个转动自由度的球铰链，三个转动轴线相互垂直并相交于一点。

如图3a、图3b所示，上支撑平台3的两端分布两个上支撑平台转动铰链301，中间分布两个上支撑平台安装孔302，安装孔302的两侧分布四个上支撑平台侧孔303，两个安装孔302能够由第一分支组件1及第二分支组件4贯穿，四个侧孔303分布于所述安装孔302的两侧，能够配合转动支座111进行单自由度旋转，上支撑平台两端的转动铰链301可与两个支撑组件2旋转连接，四个侧孔303轴线两两共线平行。

如图4a、图4b所示，下支撑平台8两端分布两个下支撑平台的转动铰链801，加工有一个下支撑平台安装孔803，安装孔803两侧分布两个下支撑平台侧孔802，第三分支组件7能够贯穿安装孔803，两个侧孔802分别能够配合旋转支座712进行单自由度旋转，下支撑平台8的上下两端下转动铰链801与两个支撑组件2旋转连接，两个侧孔802轴线共线。

如图5和图6所示，第一分支组件1与第二分支组件4具有相同的结构，第一分支组件1与第二分支组件4均分别包括：动平台支撑轴组件101、伺服电机102、联轴器103、丝杠座104、转动支座和滑块座105、导轨106、丝杠107、轴承支承座108，伺服电机102采用前置布局方式，提高结构稳定性，敞开结构便于电机散热，其输出端通过联轴器103与丝杠107的第一端连接，通过设在分支主体上丝杠座104内的轴承进行固定，丝杠107的第二端通过轴承支承座108进行简支，丝杠107中部通过转动支座111与上支撑平台3中的上支撑平台侧孔303旋转连接，滑块座109与固联在分支上的两条导轨106配合，可由丝杠螺母112带动进行移动。

如图7所示，第三分支组件7包括：第三分支主体701、伺服电机702、轴承703、轴承座704、旋转组件和旋转滑块座705、丝杠706、导轨707、轴承支承座708，第三分支组件7布置方式与第一、第二分支组件布置方式相同，仅旋转组件和滑块座705与转动支座和滑块座105不同。

如图8所示，旋转支座712的两端由一组角接触轴承支撑与旋转滑块座709转动连接，可绕轴承转动连接，其另外两侧通过角接触轴承安装在关节支撑组件710上，关节支撑组件710通过螺钉连接在上、下支撑平台上；旋转滑块座709底面连接有双列布置的四个滑块，通过滑块与第三分支的直线导轨707连接构成移动副；旋转支座712中部用于连接第三分支的丝杠706，以驱动分支相对于旋转滑块座的运动。

如图9所示，动平台组件包括动平台502、第一分支虎克铰座、第二分支虎克铰座501、第三分支接合面和定位销503，第一分支虎克铰座、第二分支虎克铰座501采用整根支撑轴刚性连接，支撑轴与动平台502间采用成对角接触轴承转动连接，动平台组件5与第三分支组件7的联结由定位销503和结合面精确定位。

如图10所示，两自由度调姿头6包括A型构件61、C型构件62和吸盘63。A型构件61为一个长方体构件，在构件的第一端设有与刀柄连接的配合孔，可安装刀具进行加工，在A型构件61的第一端设有一伸出轴，与C型构件62两侧的圆形通孔形成转动铰链连接，形成一个转动自由度，C型构件62第一端设有一根转轴，转轴与动平台组件5下方圆孔通过转动铰链连接，形成第二个转动自由度，吸盘63对C型构件62的安装有支撑作用。

如图11所示，给出本发明的一种五自由度混联机器人实际应用的实例。在本实例中，将四个支座组件2分别固定到机架9上，构成五自由度混联加工机器人加工模型结构示意图。其中机架9可竖直放置于地面，也可通过机架9两端的螺栓连接于更大的支撑平台上进行不同角度的摆放，在两自由度调姿头6末端安装刀具进行复杂曲面的加工，具体加工过程可由解出的混联机器人逆解解析解控制，由刀尖点确定被加工工件的复杂曲面反馈控制混联机器人，从而实现混联机器人的五轴联动加工。

以上所述是本申请的优选实施方式，不以此限定本发明的保护范围，应当指出，对于该技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于两转一移三自由度并联机构的五自由度混联机器人，包括一个两转一移三自由度并联机构和一个与所述并联机构串接的具有两自由度的姿态调整机构，其特征在于：

所述两转一移三自由度并联机构包括定平台、上支撑平台、下支撑平台、三个分支组件和动平台组件，所述三个分支组件中结构相同的第一分支组件和第二分支组件处于同一平面内且均穿过所述上支撑平台，与所述上支撑平台用转动铰链连接，第三分支组件穿过所述下支撑平台并与所述下支撑平台用转动铰链连接，所述上支撑平台和所述下支撑平台均与定平台用转动铰链连接；第一分支组件、第二分支组件的前端与动平台用转动铰链连接，第三分支组件的前端与动平台固连；动平台组件包括动平台、第一分支虎克铰座、第二分支虎克铰座、第三分支接合面和定位销，第一分支虎克铰座、第二分支虎克铰座采用整根支撑轴刚性连接，支撑轴与动平台间采用成对角接触轴承转动连接，动平台组件与第三分支组件的联结由定位销和结合面定位；以及

两自由度姿态调整机构包括吸盘、固设在所述吸盘上的C型构件、以及与所述C型构件通过转动铰链连接的A型构件，所述A型构件为一个长方体构件，在所述A型构件的第一端设有与刀柄连接的配合孔，所述配合孔安装进行加工的刀具，在所述A型构件的第二端设有一伸出轴，与位于所述C型构件两侧的圆形通孔形成转动铰链连接从而构成第一个转动自由度，所述C型构件的第一端设有转轴，所述转轴与所述动平台组件的下方圆孔形成转动铰链连接从而构成第二个转动自由度；

所述第三分支组件包括第三分支主体、伺服电机、滚柱导轨、滚珠丝杠组件、长光栅、旋转支座和旋转滑块座，伺服电机、滚珠丝杠组件、滚柱导轨、以及长光栅的布置方式与所述第一分支组件或者第二分支组件相同，所述旋转滑块座与旋转支座用一组角接触球轴承转动连接，旋转支座能绕角接触球轴承的轴线旋转，旋转支座由十字交叉轴承同下支撑平台与转动组件配合孔转动连接，下支撑平台的上下两端转动铰链与定平台间通过圆锥滚子轴承转动连接，两个转动连接的转动副轴线与旋转支座绕圆锥滚子轴承转动的轴线均垂直相交从而构成球铰，旋转滑块座底面连接有双列布置的四个滑块，通过滑块与第三分支的直线导轨连接构成移动副，丝杠与丝杠螺母间通过螺旋运动驱动第三分支旋转支座运动，进而驱动第三分支相对于旋转滑块座的运动。

2.根据权利要求1所述的基于两转一移三自由度并联机构的五自由度混联机器人，其特征在于：所述第一分支组件和第二分支组件均分别包括动平台支撑组件、第一分支主体、第二分支主体、伺服电机、滚柱导轨、丝杠组件、长光栅、丝杠座、转动支座和滑块座，所述丝杠组件的丝杠的第一端通过联轴器与伺服电机的输出端连接，并与丝杠座内的轴承配合，所述丝杠座内的轴承的内圈通过锁紧螺母锁紧，所述丝杠座内的轴承的外圈通过端盖固定，丝杠的第二端通过丝杠座进行支撑，丝杠的中部与固连在转动支座上的丝杠螺母形成螺旋副连接，滑块座与转动支座固连，转动支座由十字交叉轴承同上支撑平台与转动支座的配合孔转动连接，上支撑平台的左右两端转动铰链与定平台间用圆锥滚子轴承转动连接，两个转动连接的转动副轴线垂直相交，构成虎克铰，滑块座与固联在第一分支主体和第二分支主体的两条导轨配合，由丝杠螺母带动进行相对移动，长光栅位于两条导轨之间，并分别与第一分支主体和第二分支主体固连。

3.根据权利要求2所述的基于两转一移三自由度并联机构的五自由度混联机器人，其特征在于：所述动平台支撑组件包括两个虎克铰座和前铰轴，虎克铰座与前铰轴的两端刚性联接，第一分支主体、第二分支主体的前端通过位于分支内部动平台支撑轴组件与转动铰链的连接，从而分别与第一虎克铰座和第二虎克铰座连接，支撑轴与动平台采用双列布置的角接触轴承转动连接。

4.根据权利要求2所述的基于两转一移三自由度并联机构的五自由度混联机器人，其特征在于：所述上支撑平台的两端分布两个转动铰链，中间分布两个安装孔，两个安装孔的两侧分布四个侧孔，两个安装孔能够由第一分支组件及第二分支组件贯穿，所述侧孔能够配合转动支座进行单自由度旋转，上支撑平台两端的转动铰链能与两个支撑组件旋转连接。

5.根据权利要求1或者4所述的基于两转一移三自由度并联机构的五自由度混联机器人，其特征在于：所述下支撑平台的两端分布两个转动铰链，两个转动铰链的中间设置一个用于贯穿第三分支组件安装孔，所述安装孔的两侧设置两个侧孔，两个侧孔能够配合转动支座进行单自由度旋转，下支撑平台两端的转动铰链能与两个支撑组件旋转连接。

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