CN112476412A - 一种四自由度机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机器人技术领域，公开了一种四自由度机器人，包括：固定框架、固定座、多个驱动臂、多个驱动机构、第四轴、底座、末端以及航插，固定座设置于固定框架的顶端，多个驱动臂设置于固定框架上，由多个驱动臂对固定框架的角度进行调节，多个驱动机构设置于固定框架上，驱动机构的驱动端与驱动臂相连接，该四自由度机器人设计合理，结构简单，使用方法简单便于操作，该机器人末端提供三个平移自由度分别沿X，Y，Z轴运动，以及一个绕Z轴旋转的旋转自由度，该四自由度机器人主要运用于工业生产线代替工人完成分拣、搬运等工作，也可运用于加工行业用于雕刻打磨等用途，亦可用两台或多台作为协同机器人协同完成任务。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种四自由度机器人。
背景技术
随着人力成本的逐步提高，机器人代替人类作业成为一种趋势，目前自动化生产场景使用的串联或者并联机器人，并联结构由于其具有高精度、高刚性、强耦合、动态响应好的结构特点被广泛运用于现实生活中，其中delta机器人为其经典结构被大量运用于生产线等场合，但实际生产过程中发现传统delta存在承载能力差、精度差以及刚性差等结构缺点影响着运用的广度与深度。
现有的delta机器人并联结构中,主要存在以下缺点：
1、承载能力差，运动主动臂与运动从动臂的普通铰链，容易出现脱落现象，不利于机器运行，虽然有弹簧连接，适当的降低了脱落的现象，当机器人承载过大时，容易使普通铰链脱出球窝，从而导致机器人整体的承载能力变弱，不能很好的发展出电机本身的价值，从而抑制了机器人发挥出更大的作用。
2、精度差，在主动臂带动从动臂运动中，从动臂之间的弹簧拉扣用弹簧相连，会产生一些摩擦，在完成一些动作时，会出现适当的偏离现象等，因此在一定程度上影响了从动臂的准确性，当机器人承载过大时，容易使普通铰链脱出球窝，从而导致精度差。
3、减速机使用的是行星齿轮减速机，此减速机存在背隙现象，存在效率低，结构(装配)复杂的问题，减速比小的缺点，速度偏低，使用寿命较短，承载能力比较弱。
4、刚性差，由于运动从动臂的连接杆之间采用了弹簧约束和采用传统球铰，使机械臂更加容易变形，导致机械臂难以保持原来的状态，使机械臂的刚性变差。
发明内容
本发明所提供的一种四自由度机器人，以解决传统delta存在承载能力差、精度差以及刚性差等结构缺点影响着运用的广度与深度的问题。
为了达到上述的效果，本申请提供一种四自由度机器人，包括：固定框架110、固定座120、多个驱动臂200、多个驱动机构300、第四轴400、底座130、末端140以及航插150；
所述固定座120设置于所述固定框架110的顶端，多个所述驱动臂200设置于所述固定框架110上，由多个所述驱动臂200对固定框架110的角度进行调节，多个所述驱动机构300设置于所述固定框架110上，所述驱动机构300的驱动端与所述驱动臂200相连接，由所述驱动机构300带动所述驱动臂200进行转动，所述第四轴400的伸缩端与所述固定框架110的底端相连接，所述底座130与所述第四轴400的固定端相连接，且所述底座130与所述多个驱动臂200的底端相连接，由所述第四轴400调节所述固定座120以及所述底座130之间的间距，所述末端140设置于所述底座130的底部，所述航插150设置于所述固定座120的顶端。
优选的，所述驱动臂200包括：
主动臂210，所述主动臂210支撑端与所述固定框架110相连接；
上铰链220，所述上铰链220与所述主动臂210的连接端相连接；
一对从动臂230，一对所述从动臂230的顶端与所述上铰链220的连接端相连接；
下铰链240，所述下铰链240与一对所述从动臂230的底端相连接；
连接块250，所述连接块250设置于所述底座130上，且所述连接块250设置于所述下铰链240之间，以限定所述驱动臂200与所述底座130的安装位置。
优选的，所述驱动机构300包括：
减速机座310，所述减速机座310设置于所述固定框架110的底端，由所述减速机座310限定所述驱动机构300的安装位置；
减速机320，所述减速机320设置于所述减速机座310的内部，且所述减速机320的驱动端与所述主动臂210相连接；
伺服电机330，所述伺服电机330的驱动端与所述减速机320相连接，由所述伺服电机330驱动所述减速机320进行转动。
优选的，所述第四轴400包括：第一万向节410、第二万向节420以及伸缩杆430；
所述第一万向节410设置于所述固定框架110的底端，所述第二万向节420设置于所述底座130的顶端，所述伸缩杆430的伸缩端与所述第一万向节410相连接，所述伸缩杆430的固定端与所述第二万向节420相连接。
优选的，所述上铰链220包括：第一转轴221、第二转轴222以及连接座223；
所述连接座223与所述从动臂230的顶端相连接，所述第一转轴221设置于所述连接座223的内部，所述第二转轴222与所述第一转轴221相连接，且所述第二转轴222穿设于所述主动臂210的连接端。
优选的，还包括；
电机罩340，所述电机罩340套设于所述伺服电机330上，且所述电机罩340的一端与所述减速机座310的侧壁面相连接。
优选的，所述第一万向节410包括：第一万向块411、第二万向块412以及连接轴413：
所述第一万向块411固定安装于所述固定框架110的底端，所述第二万向块412固定安装于所述伸缩杆430的伸缩端，所述连接轴413设置于所述第一万向块411以及所述第二万向块412之间。
优选的，还包括：
联轴器500，所述联轴器500设置于所述伸缩杆430以及所述第二万向节420之间。
本发明所提供的一种四自由度机器人，包括：固定框架；固定座，所述固定座设置于所述固定框架的顶端；多个驱动臂，多个所述驱动臂设置于所述固定框架上，由多个所述驱动臂对固定框架的角度进行调节；多个驱动机构，多个所述驱动机构设置于所述固定框架上，所述驱动机构的驱动端与所述驱动臂相连接，由所述驱动机构带动所述驱动臂进行转动；第四轴，所述第四轴的伸缩端与所述固定框架的底端相连接；底座，所述底座与所述第四轴的固定端相连接，且所述底座与所述多个驱动臂的底端相连接，由所述第四轴调节所述固定座以及所述底座之间的间距；末端，所述末端设置于所述底座的底部；航插，所述航插设置于所述固定座的顶端，该四自由度机器人设计合理，结构简单，使用方法简单便于操作，该机器人末端提供三个平移自由度分别沿X，Y，Z轴运动，以及一个绕Z轴旋转的旋转自由度，该四自由度机器人主要运用于工业生产线代替工人完成分拣、搬运等工作，也可运用于加工行业用于雕刻打磨等用途，亦可用两台或多台作为协同机器人协同完成任务，并具有如下有益效果：1、精度高、刚度大、承载能力强，由于采用复合铰链代替传统铰链，由于复合铰链通过多对轴承约束其承载能力取决于轴承承载能力与材料强度，其精度取决于加工工艺精度与轴承精度，而不是如传统DELTA机器人那样随着负载的变化而变化。2、安装、更换、维修方便，由于模块化设计每一个关键零部件均可拆卸在设备出现故障时可快速进行更换和维修，在设备安装时可以模块安装减少人员的利用和人员安全。
附图说明
图1是本发明实施例一种四自由度机器人的结构示意图之一；
图2是本发明实施例中驱动臂的结构示意图；
图3是本发明实施例中第四轴的结构示意图；
图4是本发明实施例中上铰链的结构示意图；
图5是本发明实施例中驱动机构的结构示意图之一；
图6是本发明实施例中驱动机构的结构示意图之一；
图7是本发明实施例一种四自由度机器人的结构示意图之一
图8是现有技术的结构示意图之一；
图9是现有技术的结构示意图之一；
图10是现有技术的结构示意图之一。
图中，
110、固定框架；120、固定座；130、底座；140、末端；150、航插；
200、驱动臂；210、主动臂；220、上铰链；230、从动臂；240、下铰链；250、连接块；
221、第一转轴；222、第二转轴；223、连接座；
300、驱动机构；310、减速机座；320、减速机；330、伺服电机；340、电机罩；
400、第四轴；410、第一万向节；420、第二万向节；430、伸缩杆；
411、第一万向块；412、第二万向块；413、连接轴；
500、联轴器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例：本发明提供一种技术方案：根据说明书附图1-6可知，本案是一种四自由度机器人，主要包括：固定框架110、固定座120、多个驱动臂200、多个驱动机构300、第四轴400、底座130、末端140以及航插150，连接关系如下：
固定座120设置于固定框架110的顶端，多个驱动臂200设置于固定框架110上，由多个驱动臂200对固定框架110的角度进行调节，多个驱动机构300设置于固定框架110上，驱动机构300的驱动端与驱动臂200相连接，由驱动机构300带动驱动臂200进行转动，第四轴400的伸缩端与固定框架110的底端相连接，底座130与第四轴400的固定端相连接，且底座130与多个驱动臂200的底端相连接，由第四轴400调节固定座120以及底座130之间的间距，末端140设置于底座130的底部，航插150设置于固定座120的顶端。
综上可知，在使用的时候，通过固定框架110以及底座130的配合对该机器人整体进行固定，通过航插150使所有的线缆通过内部孔洞传导至机器人尾部并与其相连接，该四自由度机器人末端140通过多个驱动臂200以及驱动机构300的配合实现三个平移自由度分别沿X，Y，Z轴运动，并通过第四轴400实现绕Z轴旋转的旋转自由度，该四自由度机器人主要运用于工业生产线代替工人完成分拣、搬运等工作，也可运用于加工行业用于雕刻打磨等用途，亦可用两台或多台作为协同机器人协同完成任务，通过三个驱动臂200的耦合协同运动使末端140产生三个平移自由度、第四轴400使末端140产生旋转运动。
其中，末端140可设置为夹具、吸盘等，该结构用于工业生产线代替工人完成分拣、搬运等工作；末端140还可设置为雕刻主轴，该结构用于加工雕刻等领域，可作为数控加工机床；如果运用多台该结构且末端140运用不同的执行器可作为协同机器人代替人工从事危险、繁重、重复的工作。
其中，驱动臂200包括：主动臂210、上铰链220、一对从动臂230、下铰链240以及连接块250；
主动臂210支撑端与固定框架110相连接，上铰链220与主动臂210的连接端相连接，一对从动臂230的顶端与上铰链220的连接端相连接，下铰链240与一对从动臂230的底端相连接，连接块250设置于底座130上，且连接块250设置于下铰链240之间，以限定驱动臂200与底座130的安装位置，主动臂210上端通过螺钉与驱动机构300相连接，使主动臂210产生绕驱动的转动从而带动从动臂230运动。
综上可知，通过主动臂210的旋转调节从动臂230与主动臂210连接处的高度，从而调节固定座120以及底座130之间的间距，通过上铰链220增加主动臂210以及从动臂230之间的连接性，避免出现脱落等现象，通过下铰链240以及连接块250的配合，增加从动臂230以及底座130之间的连接性，其中，上铰链220与下铰链240结构相同。
其中，驱动机构300包括：减速机座310、减速机320以及伺服电机330；
减速机座310设置于固定框架110的底端，由减速机座310限定驱动机构300的安装位置，减速机320设置于减速机座310的内部，且减速机320的驱动端与主动臂210相连接，伺服电机330的驱动端与减速机320相连接，由伺服电机330驱动减速机320进行转动。
综上可知，通过减速机座310限定驱动机构300的安装位置，并通过减速机座310对减速机320进行保护，避免灰尘及其他污垢进入减速机320内影响减速机320的性能，启动伺服电机330，通过伺服电机330的转动带动减速机320进行转动，从而带动主动臂210进行旋转，其中，减速机座310与固定座120通过螺栓固定，减速机320采用RV减速机320与伺服电机330的组合驱动形式，使输出扭矩更大，精度更高。
其中，第四轴400包括：第一万向节410、第二万向节420以及伸缩杆430；
第一万向节410设置于固定框架110的底端，第二万向节420设置于底座130的顶端，伸缩杆430的伸缩端与第一万向节410相连接，伸缩杆430的固定端与第二万向节420相连接。
综上可知，伸缩杆430采用液压杆，可以伸长与缩短但不可转动，通过第一万向节410增加伸缩杆430与固定框架110之间的连接性，通过第二万向节420增加伸缩杆430与底座130之间的连接性，万向节与驱动相连通过伸缩杆430与万向节将扭矩传递到末端140，其中第一万向节410与第二万向节420结构相同。
其中，上铰链220包括：第一转轴221、第二转轴222以及连接座223；
连接座223与从动臂230的顶端相连接，第一转轴221设置于连接座223的内部，第二转轴222与第一转轴221相连接，且第二转轴222穿设于主动臂210的连接端，上铰链220由两个铰链构成，每个铰链由两个转轴构成拥有两个正交的旋转轴，并共用一条转轴，每个转轴均由一对轴承对其进行约束。
其中，还包括：电机罩340，电机罩340套设于伺服电机330上，且电机罩340的一端与减速机座310的侧壁面相连接，通过电机罩340对伺服电机330进行保护，既避免了伺服电机330裸露在外造成电机的损坏又防止了灰尘及其他污垢进入电机影响电机性能。
其中，第一万向节410包括：第一万向块411、第二万向块412以及连接轴413：
第一万向块411固定安装于固定框架110的底端，第二万向块412固定安装于伸缩杆430的伸缩端，连接轴413设置于第一万向块411以及第二万向块412之间。
综上可知，通过连接轴413增加第一万向块411以及第二万向块412之间的连接性，并通过连接轴413可使第一万向块411以及第二万向块412之间的角度进行调节。
其中，还包括：联轴器500，联轴器500设置于伸缩杆430以及第二万向节420之间，通过联轴器500增加伸缩杆430以及第二万向节420之间的连接性。
空间中每个物体拥有六个自由度：分别为三个平移运动X、Y、Z和分别绕这三个平移的旋转A、B、C。
其中，R表示只有一个旋转自由度的约束(约束了XYZ和三个旋转中的两个)。
其中，S表示有三个旋转自由度的约束(只约束了XYZ)。
如图10所示，现有技术中的delta机器人由三个运动支链构成，每个支链从静平台到动平台连接顺序依次为静平台、旋转副(此旋转由电机驱动)、以及四个呈平行四边形分布的球铰链、动平台。
其中，δR表示驱动所在的旋转副，S表示球副。
如图7所述，该四自由度机器人结构同样由三个相同的支链构成，每个支链从静平台到动平台连接顺序依次为静平台、旋转副(此旋转由电机驱动)、旋转副和连接在其两端共用一个轴的两个旋转副、旋转副和连接在其两端共用一个轴的两个旋转副、动平台，其中四个旋转副呈平行四边形分布。
其中，δR表示驱动所在的旋转副，R表示旋转副。
综上，本发明实施例提供一种四自由度机器人，其包括：固定框架；固定座，所述固定座设置于所述固定框架的顶端；多个驱动臂，多个所述驱动臂设置于所述固定框架上，由多个所述驱动臂对固定框架的角度进行调节；多个驱动机构，多个所述驱动机构设置于所述固定框架上，所述驱动机构的驱动端与所述驱动臂相连接，由所述驱动机构带动所述驱动臂进行转动；第四轴，所述第四轴的伸缩端与所述固定框架的底端相连接；底座，所述底座与所述第四轴的固定端相连接，且所述底座与所述多个驱动臂的底端相连接，由所述第四轴调节所述固定座以及所述底座之间的间距；末端，所述末端设置于所述底座的底部；航插，所述航插设置于所述固定座的顶端，该四自由度机器人设计合理，结构简单，使用方法简单便于操作，该机器人末端提供三个平移自由度分别沿X，Y，Z轴运动，以及一个绕Z轴旋转的旋转自由度，该四自由度机器人主要运用于工业生产线代替工人完成分拣、搬运等工作，也可运用于加工行业用于雕刻打磨等用途，亦可用两台或多台作为协同机器人协同完成任务，并具有如下有益效果：1、精度高、刚度大、承载能力强，由于采用复合铰链代替传统铰链，由于复合铰链通过多对轴承约束其承载能力取决于轴承承载能力与材料强度，其精度取决于加工工艺精度与轴承精度，而不是如传统DELTA机器人那样随着负载的变化而变化。2、安装、更换、维修方便，由于模块化设计每一个关键零部件均可拆卸在设备出现故障时可快速进行更换和维修，在设备安装时可以模块安装减少人员的利用和人员安全。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种四自由度机器人，其特征在于，包括：
固定框架；
固定座，所述固定座设置于所述固定框架的顶端；
多个驱动臂，多个所述驱动臂设置于所述固定框架上，由多个所述驱动臂对固定框架的角度进行调节；
多个驱动机构，多个所述驱动机构设置于所述固定框架上，所述驱动机构的驱动端与所述驱动臂相连接，由所述驱动机构带动所述驱动臂进行转动；
第四轴，所述第四轴的伸缩端与所述固定框架的底端相连接；
底座，所述底座与所述第四轴的固定端相连接，且所述底座与所述多个驱动臂的底端相连接，由所述第四轴调节所述固定座以及所述底座之间的间距；
末端，所述末端设置于所述底座的底部；
航插，所述航插设置于所述固定座的顶端。
2.根据权利要求1所述的一种四自由度机器人，其特征在于，所述驱动臂包括：
主动臂，所述主动臂支撑端与所述固定框架相连接；
上铰链，所述上铰链与所述主动臂的连接端相连接；
一对从动臂，一对所述从动臂的顶端与所述上铰链的连接端相连接；
下铰链，所述下铰链与一对所述从动臂的底端相连接；
连接块，所述连接块设置于所述底座上，且所述连接块设置于所述下铰链之间，以限定所述驱动臂与所述底座的安装位置。
3.根据权利要求1所述的一种四自由度机器人，其特征在于，所述驱动机构包括：
减速机座，所述减速机座设置于所述固定框架的底端，由所述减速机座限定所述驱动机构的安装位置；
减速机，所述减速机设置于所述减速机座的内部，且所述减速机的驱动端与所述主动臂相连接；
伺服电机，所述伺服电机的驱动端与所述减速机相连接，由所述伺服电机驱动所述减速机进行转动。
4.根据权利要求1所述的一种四自由度机器人，其特征在于，所述第四轴包括：第一万向节、第二万向节以及伸缩杆；
所述第一万向节设置于所述固定框架的底端，所述第二万向节设置于所述底座的顶端，所述伸缩杆的伸缩端与所述第一万向节相连接，所述伸缩杆的固定端与所述第二万向节相连接。
5.根据权利要求2所述的一种四自由度机器人，其特征在于，所述上铰链包括：第一转轴、第二转轴以及连接座；
所述连接座与所述从动臂的顶端相连接，所述第一转轴设置于所述连接座的内部，所述第二转轴与所述第一转轴相连接，且所述第二转轴穿设于所述主动臂的连接端。
6.根据权利要求3所述的一种四自由度机器人，其特征在于，还包括；
电机罩，所述电机罩套设于所述伺服电机上，且所述电机罩的一端与所述减速机座的侧壁面相连接。
7.根据权利要求4所述的一种四自由度机器人，其特征在于，所述第一万向节包括：第一万向块、第二万向块以及连接轴：
所述第一万向块固定安装于所述固定框架的底端，所述第二万向块固定安装于所述伸缩杆的伸缩端，所述连接轴设置于所述第一万向块以及所述第二万向块之间。
8.根据权利要求4所述的一种四自由度机器人，其特征在于，还包括：
联轴器，所述联轴器设置于所述伸缩杆以及所述第二万向节之间。
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