CN109676587A - 一种四自由度高速并联机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种四自由度高速并联机器人，用于解决现有技术中四自由度机器人动平台尺寸和重量较大，不利于实现高速运动、结构复杂、成本高昂、一维旋转角度小的技术问题，包括：基座、动平台、末端执行器、第一支链、第二支链、第三支链和第四支链；其中，动平台包括上动平台、下动平台、转动副以及角度放大机构，角度放大机构设置于上动平台与下动平台之间；上动平台与下动平台之间通过转动副连接；实施本发明的技术方案，支链结构简单，动平台体积小，装置轻便、易于安装；多使用球面副和转动副，配件间摩擦力小，可实现机器人高速运动；设置角度放大机构，增加末端执行器的一维旋转范围，并且角度放大系数可调。

Description

一种四自由度高速并联机器人

技术领域

本发明涉及机器人抓具领域，特别涉及一种四自由度高速并联机器人。

背景技术

随着机器人行业的高速发展，机器人在物流、食品、医药、轻工产品等行业中大量使用，在物料的分拣、搬运、装箱等领域中，目前常见的是三自由度的机器人，少有四自由度机器人，例如现有专利CN103317500A、CN102689305A、CN101708611A和CN103753521A所公开的可实现三维平动一维转动的并联机器人机构。专利CN103317500A和专利CN102689305A中机构的动平台包括上、下两部分，该机构巧妙的将上、下动平台的相对运动转化成末端执行器的转动自由度，这种布局结构紧凑，但丝杆直接承受侧向力，容易损坏；专利CN101708611A中机构动平台由垂直相交的主平台和副平台组成，并在主、副平台之间安装一套或多套换向机构以实现绕z轴的转动，装置结构复杂；专利CN103753521A中机构动平台包括两个子平台，两个子平台分别与两组相邻支链的下连接轴连接，在两个子平台之间设有导向机构和角度转换机构，所述角度转换机构中通过齿轮齿条啮合，并将齿条的平动转化为齿轮的转动从而实现末端执行器的转动，该机构结构相对较紧凑、传动精度较高。但这些机构的动平台尺寸和重量较大，不利于实现高速运动，应用受到一定限制。

因此，需要一种质量轻便、移动速度快、具有较好动态响应特性、末端执行器姿态转动范围广的四自由度并联机器人。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明中披露了一种四自由度高速并联机器人，本发明的技术方案是这样实施的：

一种四自由度高速并联机器人，其特征在于，包括：基座、动平台、末端执行器、第一支链、第二支链、第三支链和第四支链；其中，所述动平台包括上动平台、下动平台、转动副以及角度放大机构，所述角度放大机构设置于所述上动平台与所述下动平台之间；所述上动平台与所述下动平台之间通过转动副连接；所述下动平台转动并带动所述末端执行器绕所述上动平台的轴线进行转动；所述第一支链、所述第二支链、所述第三支链和所述第四支链，包括：主动驱动装置和四边形机构；所述第一支链、所述第二支链连接所述基座和所述下动平台，形成一个空间并联闭环机构；所述第三支链、第四支链连接所述基座和所述上动平台，形成一个空间并联闭环机构。

优选地，所述第一支链与所述第二支链所在的平面为第一平面，所述第三支链与所述第四支链所在的平面为第二平面，所述第一平面与所述第二平面垂直。

优选地，所述第一支链、所述第二支链与所述下动平台配合，带动所述末端执行器进行平面运动；所述第三支链、所述第四支链与所述上动平台配合，带动所述末端执行器进行垂直运动。

优选地，所述第一支链、所述第二支链、所述第三支链和所述第四支链具有相同的结构。

优选地，所述四边形机构包括两根等长的短连杆和两根等长的长连杆，其中，所述短连杆和所述长连杆之间通过球面副连接成封闭环机构。

优选地，所述主动驱动装置包括驱动电机和主动臂，所述主动臂通过球面副连接至所述四边形机构。

优选地，所述第一支链、所述第二支链、所述第三支链和所述第四支链的所述主动驱动装置的四个旋转中心点位于同一平面上。

优选地，所述角度放大机构为轮齿传动或带轮传动。

优选地，所述角度放大机构的放大系数是可调的。

实施本发明的技术方案可解决现有技术中四自由度机器人动平台尺寸和重量较大、不利于实现高速运动、结构复杂、一维旋转角度小的技术问题；实施本发明的技术方案，支链结构简单，动平台体积小，装置轻便、易于安装；多使用球面副和转动副，配件间摩擦力小，可实现机器人高速运行；设置角度放大机构，增加末端执行器一维旋转范围，并且角度放大系数可调。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的实施例1的四自由度高速机器人结构示意图；

图2为本发明的实施例2的四自由度高速机器人结构示意图；

图3为本发明的实施例1和实施例2的四自由度高速机器人动平台结构示意图；

图4为本发明的实施例3的四自由度高速机器人结构示意图；

图5为本发明的实施例4的四自由度高速机器人结构示意图；

图6为本发明的实施例3和实施例4的四自由度高速机器人动平台结构示意图。

在上述附图中，各图号标记分别表示：

1-基座；2-动平台；201-上动平台；202-下动平台；3-末端执行器；4-第一支链；5-第二支链；6-第三支链；7-第四支链；8-主动驱动装置；801-第一主动驱动装置；802-第二主动驱动装置；803-第三主动驱动装置；804-第四主动驱动装置；9-四边形机构；10-短连杆；1001-驱动侧短连杆；1002-动平台侧短连杆；11-长连杆；12-驱动电机；13-主动臂。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

在本发明的一种具体实施方式中，一种四自由度高速并联机器人，如图1和图3所示，包括：基座1、动平台2、末端执行器3、第一支链4、第二支链5、第三支链6和第四支链7；其中，动平台2包括上动平台201、下动平台202、转动副以及角度放大机构8，角度放大机构设置于上动平台201与下动平台202之间；上动平台201与下动平台202之间通过转动副连接；下动平台202转动并带动末端执行器3绕上动平台201的轴线进行转动；第一支链4、第二支链5、第三支链6和第四支链7，包括：主动驱动装置8和四边形机构9；第一支链4、第二支链5连接基座1和下动平台202，形成一个空间并联闭环机构；第三支链6、第四支链7连接基座1和上动平台201，形成一个空间并联闭环机构。

基座1可以使用不锈钢等强度高的材料，用以提高机器人的承重能力。上动平台201和下动平台202的中心连线可以设置为经过转动副中心，使上动平台201和下动平台202均匀分散受力，提高转动副转动灵活性，延长转动副寿命。转动副可以使用滑动轴承式转动副、滚动轴承式转动副以及其他类型转动副。转动副使用滑动轴承式转动副时，转动副结构简单，成本较低，并且转动副径向尺寸小，便于提升机器人的灵活性，并且滑动表面摩擦较大，易于固定末端执行器3位置；转动副也可以使用滚动轴承式转动副，滚动轴承式转动副滑动阻力小，转向灵活，便于移动和精准控制末端执行器3位置，使用寿命相对长，降低用户维护成本，利于实现机器人的高速运作。用户可以根据基座1尺寸、动平台2形状、动平台2规格等数据选择合适偏距的转动副，用户可以根据生产需求设置转动副的最大转角度数。上动平台201和下动平台202间设置角度放大机构，放大下动平台202和上动平台201的旋转角，增加末端执行器3的一维转动范围，支链使用四边形机构9，具有较强刚性，提高装置的承重能力。

在该具体实施方式中，第一支链4、第二支链5、第三支链6和第四支链7分别配备第一主动驱动装置801、第二主动驱动装置802、第三主动驱动装置803和第四主动驱动装置804。第一主动驱动装置801和第二主动驱动装置802分别设置在基座1的左右两侧，第三主动驱动装置803和第四主动驱动装置804设置于基座1上方，第三主动驱动装置803和第四主动驱动装置804的中点与第一主动驱动装置801和第二主动驱动装置802的中点连线与竖直方向相符，第一主动驱动装置801与第二主动驱动装置802的中点、第三主动驱动装置803、第四主动驱动装置804三点所处的平面垂直于第一主动驱动装置801和第二主动驱动装置802的连线。机器人使用过程中，主动驱动装置8驱动四边形机构9，四边形机构9在力的作用下推动动平台2，协同作用，移动动平台2位置，并调整上动平台201和下动平台202的角度。机器人将末端执行器3移动到预定位置后，第三主动驱动装置803和第四主动驱动装置804固定上动平台201位置，第一主动驱动装置801和第二主动驱动装置802工作，推动下动平台202旋转，即可在固定末端执行器3三维位置后一维转动末端执行器3，实现末端执行器3的三维平移和一维转动。

在一种优选的实施方式中，如图1和图3所示，第一支链4与第二支链5所在的平面为第一平面，第三支链6与第四支链7所在的平面为第二平面，第一平面与第二平面垂直。第一平面与第二平面的交线经过上动平台201和下动平台202间的转动副。由于第一平面与第二平面垂直，末端执行器3移动过程中，上动平台201和下动平台202受力均衡，始终保持平行，上动平台201和下动平台202某一侧不会有靠近的趋势，避免转动副受到应力而转动受阻，同时防止应力过大导致转动副形变或损坏，保护转动副，延长装置寿命。

在一种优选的实施方式中，如图1和图3所示，第一支链4、第二支链5、第三支链6和第四支链7具有相同的结构。第一支链4、第二支链5、第三支链6和第四支链7设置相同结构，利于规模化生产，降低设备维护的时间成本和人力成本。第一支链4与第二支链5可以在基座1上对称设置，第三支链6和第四支链7也可以在基座1上对称设置，第一主动驱动装置801和第二主动驱动装置802采取相反动作，第三主动驱动装置803和第四主动驱动装置804采取相反动作，即可将末端执行器3从起始位置向相反方向移动，简化***控制流程，简化机器人运动模型，降低成本。

在一种优选的实施方式中，如图1和图3所示，四边形机构9包括两根等长的短连杆10和两根等长的长连杆11，其中，短连杆10和长连杆11之间通过球面副连接成封闭环机构。两根等长的短连杆10分为驱动侧短连杆1001和动平台侧短连杆1002，驱动侧短连杆1001与主动驱动装置8端部相固定，动平台侧短连杆1002与上动平台201或下动平台202相固定，两根长连杆11分别连接两根短连杆10端部，形成中空四边形，减少动平台2转动时受到四边形机构9的阻碍，提高机器人灵活性。机器人使用过程中，主动驱动装置8主动改变驱动侧短连杆1001位置，通过长连杆11带动平台侧短连杆1002，四条动平台侧短连杆1002协同改变上动平台201和下动平台202的位置和角度。短连杆10与长连杆11通过球面副连接，提高四边形机构9形变的灵活性，以增加动平台2的活动范围，从而扩大机器人三维平动范围。短连杆10和长连杆11的长度根据动平台2的大小、规格等参数选择，使机器人达到最优的灵活性。短连杆10和长连杆11长度设置相同，均匀分散受力，延长装置寿命，连杆之间通过球面副连接，摩擦力小，利于实现机器人的高速运作。

在一种优选的实施方式中，如图1和图3所示，主动驱动装置8包括驱动电机12和主动臂13，主动臂13通过球面副连接至四边形机构9。在该具体实施方式中，主动臂13一端连接驱动电机12，另一端连接四边形机构9中驱动侧短连杆1001的中部，使短连杆10均匀受力，延长短连杆10寿命。机器人使用过程中，驱动电机12驱动主动臂13旋转，主动臂13带动驱动侧短连杆1001绕驱动电机12转动，使四边形机构9发生形变，通过动平台侧短连杆1002带动动平台2，四个驱动电机12协作移动末端执行器3。第一主动驱动装置801和第二主动驱动装置802的主动臂13在水平面内旋转，第三主动驱动装置803和第四主动驱动装置804的主动臂13在竖直平面内旋转。主动驱动装置8结构简单，便于控制，机器人运动响应及时。主动臂13通过球面副连接四边形机构9，摩擦力小，转动灵活，便于实现机器人的高速运作。

在一种优选的实施方式中，如图1和图3所示，第一支链4、第二支链5与下动平台202配合，带动末端执行器3进行平面运动；第三支链6、第四支链7与上动平台201配合，带动末端执行器3进行垂直运动。在该具体实施方式中，由于第一主动驱动装置801和第二主动驱动装置802的主动臂13在水平面内旋转，第一主动驱动装置801和第二主动驱动装置802工作，第一支链4和第二支链5移动下动平台202，上动平台201随着下动平台202移动，第三支链6和第四支链7被动移动，即可完成末端执行器3在水平面内的移动；由于第三主动驱动装置803和第四主动驱动装置804的主动臂13在竖直平面内旋转，第三主动驱动装置803和第四主动驱动装置804工作，第三支链6和第四支链7移动上动平台201，下动平台202随着上动平台201移动，第一支链4和第二支链5被动移动，即可完成末端执行器3在竖直平面内的移动。四条支链也可以协同工作，实现机器人的高速运行。

在一种优选的实施方式中，角度放大机构为轮齿传动或带轮传动。使用轮齿传动，结构紧密，可以有效减小角度放大机构的体积，并且承重能力更强；使用带轮传动易于拆卸，动轮磨损较少，使用寿命更长。

在一种优选的实施方式中，如图3所示，角度放大机构的放大系数是可调的。更换角度放大机构中的动轮尺寸，即可调节放大系数。放大系数越小，机器人对末端执行器3旋转角度的控制越准确；放大系数越大，机器人旋转末端执行器3的最大旋转角越大，用户可以根据使用场景具体选择放大系数。

实施例2：

在一种优选的实施方式中，与实施例1不同的是，如图2所示，第一支链4、第二支链5、第三支链6和第四支链7的主动驱动装置8的四个旋转中心点位于同一平面上。第一主动驱动装置801和第二主动驱动装置802设置在第三支链6和第四支链7所在的竖直平面的两侧。用户可以根据机器人安装现场环境选择合适的安装方式，使机器人适用更多类型的工厂环境，提高机器人的兼容性。

实施例3：

在一种优选的实施方式中，与实施例1不同的是，如图4和图6所示，第三支链6和第四支链7的四边形机构9交叉连接两条四边形机构9的长连杆11相互制约，减少上动平台201的转动幅度，用户通过选择四边形机构9的短连杆10长度和长连杆11直径可以控制上动平台201的转动幅度，加强上动平台201刚性，提高装置可靠性。

实施例4：

在一种优选的实施方式中，与实施例2不同的是，如图5和图6所示，第三支链6和第四支链7的四边形机构9交叉连接两条四边形机构9的长连杆11相互制约，减少上动平台201的转动幅度，用户通过选择四边形机构9的短连杆10长度和长连杆11直径可以控制上动平台201的转动幅度，加强上动平台201刚性，提高装置可靠性。

需要指出的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种四自由度高速并联机器人，其特征在于，包括：基座、动平台、末端执行器、第一支链、第二支链、第三支链和第四支链；其中，

所述动平台包括上动平台、下动平台、转动副以及角度放大机构，所述角度放大机构设置于所述上动平台与所述下动平台之间；所述上动平台与所述下动平台之间通过转动副连接；所述下动平台转动并带动所述末端执行器绕所述上动平台的轴线进行转动；

所述第一支链、所述第二支链、所述第三支链和所述第四支链，包括：

主动驱动装置和四边形机构；

所述第一支链、所述第二支链连接所述基座和所述下动平台，形成一个空间并联闭环机构；所述第三支链、第四支链连接所述基座和所述上动平台，形成一个空间并联闭环机构。

2.根据权利要求1所述的一种四自由度高速并联机器人，其特征在于，所述第一支链与所述第二支链所在的平面为第一平面，所述第三支链与所述第四支链所在的平面为第二平面，所述第一平面与所述第二平面垂直。

3.根据权利要求2所述的一种四自由度高速并联机器人，其特征在于，所述第一支链、所述第二支链与所述下动平台配合，带动所述末端执行器进行平面运动；所述第三支链、所述第四支链与所述上动平台配合，带动所述末端执行器进行垂直运动。

4.根据权利要求3所述的一种四自由度高速并联机器人，其特征在于，所述第一支链、所述第二支链、所述第三支链和所述第四支链具有相同的结构。

5.根据权利要求4所述的一种四自由度高速并联机器人，其特征在于，所述四边形机构包括两根等长的短连杆和两根等长的长连杆，其中，所述短连杆和所述长连杆之间通过球面副连接成封闭环机构。

6.根据权利要求5所述的一种四自由度高速并联机器人，其特征在于，所述主动驱动装置包括驱动电机和主动臂，所述主动臂通过球面副连接至所述四边形机构。

7.根据权利要求6所述的一种四自由度高速并联机器人，其特征在于，所述第一支链、所述第二支链、所述第三支链和所述第四支链的所述主动驱动装置的四个旋转中心点位于同一平面上。

8.根据权利要求7所述的一种四自由度高速并联机器人，其特征在于，所述角度放大机构为轮齿传动或带轮传动。

9.根据权利要求8所述的一种四自由度高速并联机器人，其特征在于，所述角度放大机构的放大系数是可调的。