CN1524662A - 非对称空间5自由度混联机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非对称空间5自由度混联机器人，它包括固定架、三个长度调节装置、动平台和定位头；第一长度调节装置的上部通过由内外两个同心环构成的铰链设置在固定架上，其末端与动平台刚性连接；第二、第三长度调节装置的上部分别通过两个叉形结构构成的铰链对称设置在固定架一个端面的两侧，它们的末端分别与动平台铰链连接；所述的定位头连接在所述动平台的底部。其优点是：模块化设计，可实现即插即用；运动构件数量少，可降低运动过程中构件间产生干涉的可能性；末端执行件可实现5自由度运动，具有高速度、高精度、高刚度的性能和工作空间大的特点。

Description

非对称空间5自由度混联机器人

                                技术领域

本发明涉及一种机器人，尤其涉及一种非对称空间混联机器人。

                                背景技术

由专利GB2173472(或EP0200369、US4790718)、SE8502327(或US4732525)和EP0674969(或US6336375)已知，现有的一类带定位头的空间混联机器人的结构，包括至少三个可沿轴向伸长或缩短的调节装置；所述调节装置的一端通过铰链紧固于固定架上，使其能相对于固定架绕各个方向转动，所述调节装置的另一端通过铰链与定位头连接；该结构中还有一附加被动支链，所述的附加被动支链与所述的定位头固定连接，并通过铰链与固定架连接，以限制定位头的某几个自由度。在这一类机器人的结构中，均存在被动滑动和/或转动装置，不仅机构复杂，而且运动构件的数量较多，使其在运动过程中易于产生构件间的干涉现象。

                                发明内容

本发明的目的，在于克服上述现有技术存在的问题，提供一种既可保证高速度、高精度和高刚度等特性，又可使其构件数量最少的非对称空间5自由度混联机器人。

本发明的非对称空间5自由度混联机器人，包括固定架、第一长度调节装置、第二长度调节装置、第三长度调节装置、动平台和定位头；所述固定架的中间部位设置有第一铰链，所述第一长度调节装置的上部通过第一铰链设置在所述的固定架上，其末端与所述的动平台固接；所述固定架一个端面的两侧对称设置有第二、第三铰链，所述第二、第三长度调节装置的上部分别通过第二、第三铰链对称设置在所述固定架该端面的两侧，它们的末端分别与所述的动平台铰接；所述的定位头连接在所述动平台的底部。

所述的第一长度调节装置，由背面开有槽孔的管状结构、设置在管状结构顶部的电机、设置在管状结构内部且与电机输出轴连接的丝杠以及与所述丝杠形成运动副的丝杠螺母构成，所述管状结构外部沿轴向设置有两根导轨；所述的第二、第三长度调节装置，分别由管结构、位于所述管结构内部的带有螺纹的花键轴以及输出轴与所述的花键轴连接的电机构成。

所述的第一铰链，包括内环与外环，所述的内环与外环通过左右两个共线转轴相连接，所述的外环与固定架通过前后两个共线转轴相连接，所述内环的内壁上左右对称设置有两个滑块，所述滑块与所述第一长度调节装置中管状结构外部的两根导轨构成滑移副；所述的第二、第三铰链分别为叉形结构，所述叉形结构的前部设置有连接第二或第三长度调节装置的第一转轴，其尾部设置有连接固定架且与第一转轴垂直的第二转轴。

所述的定位头由模块接口以及设置在模块接口下部的支撑框架构成，所述的支撑框架内部设置有第一电机，所述的模块接口上部设置有其输出轴轴线与第一电机的输出轴轴线垂直的第二电机。

所述动平台上两铰链的分布形式有三种，即：两铰链重合、两铰链与动平台轴线的连线呈三角形、或两铰链的连线与动平台的轴线垂直相交。

所述的三个长度调节装置的结构形式可采用电机-丝杠/带螺纹花键轴结构、直线电机结构、液压结构或气动结构中的任一种。

本发明的非对称空间5自由度混联机器人，与现有技术相比，减少了一个被动支链，其有益效果是：

(1)运动构件数量少，降低了机构的复杂程度，减少了在运动过程中构件间产生干涉的可能性；

(2)具有高速度、高精度、高刚度的性能和工作空间大的特点；

(3)模块化设计，可实现即插即用，既可单***立使用，也可若干台联合作业，形成可重构制造或装配的单元与***。

                               附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的主视图；

图3为本发明的侧视图；

图4为本发明中的固定架5和其上铰链21、31、41的一种结构；

图5为本发明中第一长度调节装置4的一种结构；

图6为本发明中定位头7作为两转动自由度子模块的一种结构。

                               具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作以详细描述。

如图1、图2所示，本发明的非对称空间5自由度混联机器人，包括固定架5、第一长度调节装置4、第二长度调节装置2、第三长度调节装置3、动平台6和定位头7。所述的第一长度调节装置4的上部通过第一铰链41设置在所述固定架5的中间，它的末端与所述的动平台6刚性连接；所述的第二长度调节装置2和第三长度调节装置3的上部分别通过第二铰链21、第三31对称设置在所述固定架5一个端面的两侧，它们的末端分别通过具有三转动自由度的铰链22、32与所述的动平台6连接；所述动平台6的底部连接所述的定位头7。

在此机构中，所述的第一、第二、第三长度调节装置4、2、3均可以沿轴向伸长或缩短，所述的第一、第二、第三铰链21、31、41分别具有至少两个转动自由度，以使各长度调节装置均可相对于固定架5绕各个方向转动；所述第一长度调节装置4的末端与动平台6的刚性连接，使得动平台6在发生空间位移时，其机构的空间姿态也同时发生改变，实现运动过程中动平台6位置与机构姿态耦合；具有2个转动自由度的定位头7，可在运动过程中随时调整由其位置变化引起的姿态变化。

为了便于叙述各部件旋转轴线的方向，在图2、图3中建立参考坐标系O-xyz，此坐标系仅定义轴线方向，原点O的具***置将随分析对象的变化而改变。

在图2、图3中，定义坐标系中的z轴，即第一长度调节装置4的对称轴线11，进一步定义铰链21、31、41的运动中心分别为21’、31’、41’，并定义铰链22、32的运动中心分别为22’、32’。由所述铰链21、31、41的运动中心21’、31’、41’所确定的平面13为固定架5上的铰链中心平面，它与第一长度调节装置4的对称轴线11垂直；由铰链22、32的运动中心22’、32’所确定的平面12为动平台6上的铰链中心平面，它也与第一长度调节装置4的对称轴线11垂直。定义轴线11与平面12的交点42’，如果认为第一长度调节装置4通过刚性铰链与动平台6连接，则点42’可视为此刚性铰链的中心。

在固定架5的铰链中心平面13上，铰链中心21’、31’、41’呈三角形分布，其分布情况以等边三角形为最佳(不允许出现两点重合或三点共线的情况，否则此发明将转化为平面机器人或发生奇异)；在动平台6的铰链中心平面12上，铰链中心22’、32’可以重合，还可与点42’呈三角形分布或者三点共线。图2所示的是铰链中心21’、31’、41’呈等边三角形分布，且铰链中心22’、32’与点42’共线的情况。这种分布形式保证了本发明在各个方向均具有很高的刚度，使其能够以任意摆放形式应用于实际操作中。

所述的三个长度调节装置的结构有两种设置方式，即：

(1)第二长度调节装置2、第三长度调节装置3和第一长度调节装置4具有相同结构；

(2)第二长度调节装置2和第三长度调节装置3结构相同，而第一长度调节装置4的结构与两者不同。

在本实施方式中，由于第一长度调节装置4与动平台6刚性连接，第二长度调节装置2和第三长度调节装置3通过三转动自由度铰链22、32与动平台6铰接，因而作用于定位头7或动平台6的大部分外力和外力矩，尤其是扭转力矩将直接传递到第一长度调节装置4上，从而使第一长度调节装置4与第二、第三长度调节装置2和3相比需要更高的扭转刚度。因此，如果采用第一种设置方式，使三个长度调节装置具有相同结构，将不能保证将扭转力矩有效地传递到与固定架5连接的机械结构上。所以，这种设置方式虽然可以简化机器人的设计与制造，但从提高整机刚度的角度说，并不可取。为了提高整机刚度，本实施方式采用了第二种设置方式，也就是使与动平台6刚性连接的第一长度调节装置4与其它两个长度调节装置2和3具有不同的机械结构。由图1可见，第一长度调节装置4比第一、第二两个长度调节装置2和3拥有更大的径向尺寸，同时，对第一长度调节装置4采用以其整体沿轴向相对固定架5和第一铰链41滑动的刚性臂形式来实现长度调节。这种设置方式可使第一长度调节装置4具有足够的刚度承受自重以及在实际应用中产生的外力和外力矩，并保证将扭转力矩有效地传递到固定架5所连接的机械结构上。

第一长度调节装置4(见图5)的构成，包括电机43、背面开有槽孔的管状结构44、位于管状结构44内部的丝杠45、以及与丝杠45构成运动副并与内环40刚性连接的丝杠螺母46，在管状结构44的外部沿轴向设置有两根导轨。在电机43的驱动下，管状结构44连同电机43、丝杠45相对丝杠螺母46沿轴向运动。另外，为了使第一长度调节装置4(或管状结构44)如前所述具有足够的刚度承受扭转力矩，除了要使第一长度调节装置4的外径大于第二、第三长度调节装置2和3的外径，还应使所述管状结构44上所开的槽孔两端封闭，并在管状结构44的内壁设置加强筋。

设置在第一长度调节装置4与固定架5之间的第一铰链41，由内外两个同心环40、50组成(见图4)。第一长度调节装置4的外径略小于内环40的内径，所述内环40的内壁上对称设置有两个滑块，所述滑块与第一长度调节装置4外径(管状结构44的外部)设置的两根导轨构成滑移副，使得长度调节装置4可以相对于内环40沿轴向滑动；内环40通过左右两个共线转轴40a、40b与外环50连接，使得第一长度调节装置4和内环40可以同时相对外环50绕y轴旋转；外环50通过前后两个共线转轴50a、50b与固定架5连接，使得第一长度调节装置4和内、外两环40、50可以同时相对固定架5绕x轴旋转。故此，第一长度调节装置4可以相对固定架5绕各个方向转动，并沿轴向滑动，实现长度调节。

第二长度调节装置2和第三长度调节装置3的结构相同，它们分别包括管结构24、34和位于管结构24、34内部的带有螺纹的花键轴25、35，所述的花键轴25、35可在电机23、33的驱动下相对管结构24、34沿轴向移动。所述固定架5一个端面的两侧对称设置有叉形结构20、30，所述的管结构24、34分别通过叉形结构20、30前部的第一转轴20a、30a与所述的叉形结构20、30相连接(见图4)，使第二长度调节装置2和第三长度调节装置3可以分别相对叉形结构20、30绕y轴旋转；所述的叉形结构20、30通过其尾部的第二转轴20b、30b与固定架5相连，从而使第二长度调节装置2和第三长度调节装置3又可以与叉形结构20、30同时相对固定架5绕x轴旋转。故此，第二长度调节装置2和第三长度调节装置3相对固定架5实现绕各个方向的转动。带有两个垂直转轴的叉形结构20、30构成使第二长度调节装置2和第三长度调节装置3与固定架5连接的第二、第三铰链21、31。

本实施方式中，三个长度调节装置的结构形式采用了电机-丝杠/带螺纹的花键轴结构。在某种情况下，也可以采用直线电机结构、液压结构或气动结构中的任一种作为其构成方式。

所述的定位头7(见图5)为子模块设计，它由输出轴轴线相互垂直的两台电机71、72、模块接口70以及支撑框架73构成。所述的定位头7通过接口70与动平台6相连，并使电机71恰好位于动平台6的内部而不可见。电机72则位于框架73之中，在电机71的驱动下共同转动。为了使定位头7能够调整由动平台6的位置变化引起的姿态变化，末端执行器应垂直于电机72输出轴轴线的方向安装。至此，所述的定位头7具有了绕z轴和绕x-y平面上一直线的两个转动自由度。

所述的动平台6与第二、第三长度调节装置2和3之间的两个铰链22、32的运动中心，相对于动平台6的对称轴线(亦为第一长度调节装置4的对称轴线11)具有三种分布形式：

(1)两铰链的运动中心重合；

(2)两铰链的运动中心分别位于上述对称轴线11的两侧；

(3)两铰链的运动中心位于其它位置。

当分布形式为(3)时，两个铰链22、32的运动中心相对于动平台6的对称轴线(上述第一长度调节装置4的对称轴线11)呈三角形分布。

综上所述，本发明的非对称空间5自由度混联机器人为模块化设计，它包括三个可以沿轴向伸长或缩短的长度调节装置，各长度调节装置的上部分别通过具有至少两转动自由度的铰链21、31、41连接固定架5，而它们的末端与动平台6的连接方式是：第一长度调节装置4与动平台6固接，第二、第三长度调节装置2、3分别通过具有三转动自由度的铰链22、32与动平台6铰接。这种设置方式，使第一长度调节装置4可以相对于固定架5绕各个方向转动，并沿轴向滑动，还同时使第二长度调节装置2和第三长度调节装置3相对于固定架5实现绕各个方向的转动；又由于所述的动平台6上安装了具有2个转动自由度的定位头7，所以，末端执行器可实现5自由度运动。

由于本发明为模块化设计，可以通过固定架5上的机械接口与固定龙门结构、大距离或大角度进给机构以及活动机架连接使用，还可将若干台本发明所述的机器人安装在同一个固定结构上联合作业。

本发明与现有技术相比有以下优点：

(1)减少了运动构件的数量，降低了机构的复杂程度，也同时降低了其构件在运动过程中发生干涉现象的可能；

(2)具有高速度、高精度、高刚度的性能和工作空间大的特点，在某些应用中，可起到数控机床或加工中心的作用；

(3)模块化设计，可使其通过固定架与其他机构连接或组合，实现即插即用；

(4)模块化设计，使其不仅可以单***立使用，又可若干台联合作业，形成重构制造或装配的单元与***。

以上对本发明及其实施方式的描述是示意性的，没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用其他长度调节装置、铰链以及定位头的结构方式作出其他实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种非对称空间5自由度混联机器人，包括固定架、第一长度调节装置、第二长度调节装置、第三长度调节装置、动平台和定位头；其特征是：所述固定架的中间部位设置有第一铰链，所述第一长度调节装置的上部通过第一铰链设置在所述的固定架上，其末端与所述的动平台固接；所述固定架一个端面的两侧对称设置有第二、第三铰链，所述第二、第三长度调节装置的上部分别通过第二、第三铰链对称设置在所述固定架该端面的两侧，它们的末端分别与所述的动平台铰接；所述的定位头连接在所述动平台的底部。

2.根据权利要求1所述的一种非对称空间5自由度混联机器人，其特征是：所述第一长度调节装置，由背面开有槽孔的管状结构、设置在管状结构顶部的电机、设置在管状结构内部且与电机输出轴连接的丝杠以及与所述丝杠形成运动副的丝杠螺母构成，所述管状结构外部沿轴向设置有两根导轨。

3.根据权利要求1所述的一种非对称空间5自由度混联机器人，其特征是：所述的第二长度调节装置，由管结构、位于所述管结构内部的带有螺纹的花键轴以及输出轴与所述的花键轴连接的电机构成。

4.根据权利要求1所述的一种非对称空间5自由度混联机器人，其特征是：所述的第二长度调节装置，由管结构、位于所述管结构内部的带有螺纹的花键轴以及输出轴与所述的花键轴连接的电机构成。

5.根据权利要求1所述的一种非对称空间5自由度混联机器人，其特征是：所述的第一铰链，包括内环与外环，所述的内环与外环通过左右两个共线转轴相连接，所述的外环与固定架通过前后两个共线转轴相连接，所述内环的内壁上左右对称设置有两个滑块，所述滑块与所述第一长度调节装置中管状结构外部的两根导轨构成滑移副。

6.根据权利要求1所述的一种非对称空间5自由度混联机器人，其特征是：所述的第二铰链为叉形结构，所述叉形结构的前部设置有连接第二长度调节装置的第一转轴，其尾部设置有连接固定架且与第一转轴垂直的第二转轴。

7.根据权利要求1所述的一种非对称空间5自由度混联机器人，其特征是：所述的第三铰链为叉形结构，所述叉形结构的前部设置有连接第三长度调节装置的第一转轴，其尾部设置有连接固定架且与第一转轴垂直的第二转轴。

8.根据权利要求1所述的一种非对称空间5自由度混联机器人，其特征是：所述的定位头由模块接口以及设置在模块接口下部的支撑框架构成，所述的支撑框架内部设置有第一电机，所述的模块接口上部设置有其输出轴轴线与第一电机的输出轴轴线垂直的第二电机。

9.根据权利要求1所述的一种非对称空间5自由度混联机器人，其特征是：所述动平台上两铰链的分布为三种形式中的一种，所述的三种形式为：

(1)两铰链的运动中心重合；

(2)两铰链运动中心与动平台轴线的连线呈三角形；

(3)两铰链运动中心的连线与动平台的轴线垂直相交。

10.根据权利要求1所述的一种非对称空间5自由度混联机器人，其特征是：所述的三个长度调节装置的结构形式可采用电机-丝杠/带螺纹花键轴结构、直线电机结构、液压结构或气动结构中的任一种。

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