CN204935636U - 基于平面并联机构具有冗余驱动的混联机器人 - Google Patents

Abstract

一种基于平面并联机构具有冗余驱动的混联机器人，主要包括有固定平台、可移动平台、可摆动工作台、立柱、横梁、四条支链、动平台和主轴头；固定平台上方设有可移动平台，在所述可移动平台上设有可摆动工作台，在所述固定平台上方两侧还设有相对的立柱，两立柱上方设有横梁，两立柱之间设有四条支链，所述四条支链一端通过移动副连接于设于固定平台上的立柱，另一端通过转动副连接于动平台，在所述的动平台上设有主轴头。本实用新型结构简单、动力学建模容易、易于控制、模块化程度高，能够有效的避免奇异位型、增大整体刚度，可摆动工作台与所述固定平台上的可移动平台串联，与并联部分独立，有效的避免了由于零部件加工误差和装配误差引起的误差积累。

Description

基于平面并联机构具有冗余驱动的混联机器人

技术领域

本实用新型属于工业机器人领域，特别涉及一种混联机器人。

背景技术

在工业机器人应用领域，基于并联机构的机器人可以应用在焊接、喷漆、搬运、汽车装配、石材雕刻等领域，具有良好的应用前景。

机器人技术的发展已成为现代工业制造的标志，其中基于并联机构的机器人是近几十年的新型分支，平面并联机构与传统串联机构相比，具有刚度大、精度高、速度高、动态性能好等特点；与空间并联机构相比，具有结构简单、制造成本低、控制容易等优点，已成为机器人和机构领域研究的热点之一。公开号为CN104057442A、CN104526684A的中国专利公开的基于空间并联机构提出的混联机器人，其空间结构模型复杂；公开号为CN103101050B的中国专利，公开了一种新型平面两自由度冗余驱动并联移动平台、公开号为CN103101049B的中国专利公开了一种具有新型冗余驱动支链的三自由度平面并联机构，其均为平面机构，可实现平面内的运动。目前，瑞典Exechon公司开发的LINKS-EXE700型新一代五轴加工中心，以及天津大学开发的TriVariant五自由度混联机器人，平面并联结构5R、3PRR及3RRR等已受到很多学者的关注，并展开了广泛且深入的研究；然而空间混联机器人结构复杂、成本高，平面并联机构自由度数少、存在奇异点等缺点限制了其应用范围；自由度的欠缺使得机器人无法完成复杂曲面的加工，机构奇异使得机器人整体刚度降低，甚至使机器人失控。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种结构简单、动力学建模容易、易于控制、模块化程度高、能够有效的避免奇异位型、增大整体刚度的基于平面并联机构具有冗余驱动的混联机器人。

本实用新型主要包括固定平台、可移动平台、可摆动工作台、两个立柱、横梁、四条支链、动平台和主轴头，其中，在固定平台上面两侧各设有一面开口相对的箱体型立柱，这两个立柱的上端设有连接这两个立柱的横梁，在与立柱相对应的横梁两侧分别设有电机座，两个为一组的伺服电机分别固定在电机座上，在每个立柱的箱体内，每台伺服电机的输出端分别通过联轴器与四个丝杠的一端相连，在丝杠靠近联轴器一端均设有固定在立柱上的丝杠上支撑座，在丝杠的另一端均设有固定在立柱上的丝杠下支撑座，每个立柱上的两个丝杠固定在丝杠上支撑座和下支撑座上，每个丝杠上均设有丝杠螺母，两个小滑块分别固定在靠动平台一侧的丝杠的螺母上，两个大滑块分别固定在另一个丝杠的螺母上，该大滑块的一侧均设有通孔，上述靠动平台一侧的丝杠穿过上述通孔，大滑块和小滑块的两侧均设有对称分布的导轨槽，该导轨槽与固定在上述立柱内壁上的导轨相配合。

所述四条支链结构相同，第一支链和第四支链的一端通过转动副分别与上述靠动平台一侧丝杠的螺母上的小滑块连接，第二支链和第三支链的一端通过转动副分别与上述固定在另一个丝杠的螺母上的大滑块连接，第一支链和第二支链的另一端通过转动副与动平台的一端连接，第三支链和第四支链的另一端通过转动副与动平台的另一端连接，在动平台上设有主轴头。所述的第一支链和第二支链中与动平台连接的转动副轴线重合，第一支链位于过该重合转动副轴线水平面的上方，第二支链位于过该重合转动副轴线水平面的下方。所述的第三支链和第四支链中与动平台连接的转动副轴线重合，第四支链位于过该重合转动副轴线水平面的上方，第三支链位于过该重合转动副轴线水平面的下方。

在固定平台的中间的一端设有电机座，可移动平台伺服电机固定在电机座上，在固定平台中间设有与可移动平台伺服电机同轴的贯通固定平台的凹槽，在该凹槽内，可移动平台伺服电机的输出端通过联轴器与移动平台丝杠的一端连接，在移动平台丝杠的两端设有固定在固定平台上的移动平台丝杠上支撑座和移动平台丝杠下支撑座，通过上支撑座和下支撑座固定丝杠，该移动平台丝杠上设有丝杠螺母，该丝杠螺母固定在可移动平台底部；在上述凹槽两侧的固定平台上沿凹槽方向分别设有移动平台导轨，固定在可移动平台底部两端的移动平台导轨槽分别与可移动平台导轨相配合。

在可移动平台平面上两侧沿可移动平台导轨方向分别设有一个支耳，该支耳与设在可摆动工作台底部两侧的支耳通过销轴连接，在一侧的可移动平台的支耳和可摆动工作台的支耳之间设有固定在可摆动工作台底部的大齿轮，大齿轮旋转轴线与可摆动工作台转动副(销轴)轴线重合，可摆动工作台伺服电机固定在可移动平台上，可摆动工作台伺服电机的输出端穿过可移动平台的支耳与小齿轮相连，该小齿轮与上述大齿轮相啮合。

本发明的四条支链还有第二种结构和连接方式：

四条支链中的第一支链和第四支链结构相同，第二支链和第三支链结构相同，第一和第四支链的长度和第二和第三支链的长度的比例约为3:2，第一支链和第四支链的一端通过转动副分别与左右丝杠上的小滑块连接，第二支链和第三支链的一端通过转动副分别与左右丝杠上的大滑块连接，第一支链和第二支链的另一端通过转动副与动平台的一端连接，第三支链和第四支链的另一端通过转动副与动平台的另一端连接；固定在立柱内壁上的丝杠的底端与可摆动工作台处于水平位置时的平面平齐，其它部件和连接关系与第一种方式相同。

当并联机构处于非奇异位型时，所述的四条支链中的任意一条均可作为冗余驱动分支；当并联机构支链处在奇异位置时，处在奇异位置分支同侧的另一支链作为冗余驱动分支。

本实用新型的工作过程大致如下，固定于横梁上的伺服电机驱动丝杠和螺母配合运动，进而通过四条支链传递运动，实现动平台两移一转三自由度的运动：上下移动、左右移动、在竖直平面内的转动；可移动平台通过其驱动组件可以实现平台前后移动；通过可摆动工作台伺服电机驱动小齿轮运动，进而通过齿轮啮合，实现可移动平台上方的可摆动工作台另一方向的摆动；结合上述平面并联机构的三自由度、可移动平台的移动自由度及可摆动工作台的转动自由度，可以实现空间五自由度运动，从而实现机器人在实际工作中所需完成的空间动作。

本实用新型与现有技术相比具有如下优点：

1、具有冗余驱动，克服了普通并联机构中存在的奇异点的问题，同时有效增大了并联机器人的工作空间，提高了机构的整体刚度；

2、驱动电机固定于机架上不随支链运动，有效的降低了机床的转动惯量；

3、分支运动链短，响应速度快，结构简单且紧凑，动力学建模容易，模块化程度高，有良好的制造和装配工艺性；

4、可摆动工作台与固定平台上的可移动平台串联，与并联部分独立，有效的避免了由于零部件加工误差和装配误差引起的误差积累，具有较好的应用前景。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的立体整体结构示意简图。

图2为本实用新型实施例2的立体整体结构示意简图。

图3为图1的支链局部示意图。

图4为图2的支链局部示意图。

图5为本实用新型的可移动平台和可摆动工作台的结构示意图。

图6为本实用新型凹槽和导轨的结构示意图。

图中

1：固定平台、2：第二支链、3：动平台、4：第一支链、5：立柱(左)、6：横梁、7：立柱(右)、8：第四支链、9：主轴头、10：第三支链、11：可摆动工作台、12：可移动平台、13：丝杠下支撑座、14：大滑块、15：丝杠、16：滑块螺母、17：丝杠上支撑座、18：联轴器、19：伺服电机、20：小滑块、21：导轨槽、22：导轨、23、可移动平台伺服电机、24：可摆动工作台伺服电机、25：大齿轮、26：小齿轮、27：移动平台导轨槽、28：移动平台丝杠上支撑座、29：移动平台丝杠、30：移动平台丝杠螺母、31：移动平台丝杠下支撑座、32：移动平台导轨、33：移动平台联轴器。

具体实施方式

实施例1

在图1所示的基于平面并联机构具有冗余驱动的混联机器人的示意图中，在固定平台1上面两侧各设有一面开口相对的箱体型立柱5、7，这两个立柱的上端设有连接这两个立柱的横梁6，在与立柱相对应的横梁两侧分别设有电机座，两个为一组的伺服电机19分别固定在电机座上，在每个立柱的箱体内，每台伺服电机的输出端分别通过联轴器18与四个丝杠15的一端相连，在丝杠靠近联轴器一端均设有固定在立柱上的丝杠上支座17，在丝杠的另一端均设有固定在立柱上的丝杠下支撑座13，每个立柱上的两个丝杠均固定在丝杠上支撑座和丝杠下支撑座上，每个丝杠上均设有滑块螺母16，两个小滑块20分别固定在靠动平台一侧的丝杠的螺母上，两个大滑块14分别固定在另一个丝杠的螺母上，该大滑块的一侧均设有通孔，上述靠动平台一侧的丝杠穿过上述通孔，大滑块和小滑块的两侧均设有对称分布的导轨槽21，该导轨槽与固定在相对的两个立柱内壁上的两条导轨22相配合，如图3所示。

四条支链结构相同，第一支链4和第四支链8的一端通过转动副分别与上述左右丝杠上的小滑块连接，第二支链2和第三支链10的一端通过转动副分别与上述左右丝杠上的大滑块连接，第一支链和第二支链的另一端通过转动副与动平台3的一端连接，第三支链和第四支链的另一端通过转动副与动平台的另一端连接，在动平台上设有主轴头9。所述的第一支链和第二支链中与动平台连接的转动副轴线重合，第一支链位于过该重合转动副轴线水平面的上方，第二支链位于过该重合转动副轴线水平面的下方。所述的第三支链和第四支链中与动平台连接的转动副轴线重合，第四支链位于过该重合转动副轴线水平面的上方，第三支链位于过该重合转动副轴线水平面的下方。

如图5和图6所示，在固定平台的中间的一端设有电机座，可移动平台伺服电机23固定在电机座上，在固定平台中间设有与可移动平台伺服电机同轴的贯通固定平台的凹槽，在该凹槽内，伺服电机的输出端通过移动平台联轴器33与移动平台丝杠29的一端连接，在移动平台丝杠的两端设有固定在固定平台上的移动平台丝杠上支撑座28和移动平台丝杠下支撑座31，通过移动平台丝杠上支撑座和移动平台丝杠下支撑座固定丝杠，该丝杠上设有移动平台丝杠螺母30，该丝杠螺母固定在可移动平台底部；在上述凹槽两侧的固定平台上沿凹槽方向分别设有移动平台导轨32，固定在可移动平台底部两端的移动平台导轨槽27分别与移动平台导轨相配合；在可移动平台平面上两侧沿可移动平台导轨方向分别设有一个支耳，该支耳与设在可摆动工作台底部两侧的支耳通过销轴连接，在一侧的可移动平台的支耳和可摆动工作台的支耳之间设有固定在可摆动工作台底部的大齿轮25，大齿轮旋转轴线与可摆动工作台转动副(销轴)轴线重合，可摆动工作台伺服电机固定在可移动平台上，可摆动工作台伺服电机的输出端穿过可移动平台的支耳与小齿轮26相连，该小齿轮与上述大齿轮相啮合。

实施例2

如图2所示，四条支链中的第一支链和第四支链结构相同，第二支链和第三支链结构相同，第一和第四支链的连杆长度和第二和第三支链的连杆长度的比例约为3:2，第一支链和第四支链的一端通过转动副分别与左右丝杠上的小滑块连接，第二支链和第三支链的一端通过转动副分别与左右丝杠上的大滑块连接，第一支链和第二支链的另一端通过转动副与动平台的一端连接，第三支链和第四支链的另一端通过转动副与动平台的另一端连接；固定在立柱内壁上的丝杠的底端与可摆动工作台处于水平位置时的平面平齐，其它部件和连接关系与实施例1相同。

Claims (2)

1.一种基于平面并联机构具有冗余驱动的混联机器人，它主要包括固定平台、可移动平台、可摆动工作台、两个立柱、横梁、四条支链、动平台和主轴头，其特征在于：在固定平台上面两侧各设有一面开口相对的箱体型立柱，这两个立柱的上端设有连接这两个立柱的横梁，在与立柱相对应的横梁两侧分别设有电机座，两个为一组的伺服电机分别固定在电机座上，在每个立柱的箱体内，每台伺服电机的输出端分别通过联轴器与四个丝杠的一端相连，在丝杠靠近联轴器一端均设有固定在立柱上的丝杠上支撑座，在丝杠的另一端均设有固定在立柱上的丝杠下支撑座，每个立柱上的两个丝杠固定在丝杠上支撑座和丝杠下支撑座上，每个丝杠上均设有丝杠螺母，两个小滑块分别固定在靠动平台一侧的丝杠的螺母上，两个大滑块分别固定在另一个丝杠的螺母上，该大滑块的一侧均设有通孔，上述靠动平台一侧的丝杠穿过上述通孔，大滑块和小滑块的两侧均设有对称分布的导轨槽，该导轨槽与固定在上述立柱内壁上的导轨相配合；

所述四条支链结构相同，第一支链和第四支链的一端通过转动副分别与上述靠动平台一侧丝杠的螺母上的小滑块连接，第二支链和第三支链的一端通过转动副分别与上述固定在另一个丝杠的螺母上的大滑块连接，第一支链和第二支链的另一端通过转动副与动平台的一端连接，第三支链和第四支链的另一端通过转动副与动平台的另一端连接，在动平台上设有主轴头，所述的第一支链和第二支链中与动平台连接的转动副轴线重合，第一支链位于过该重合转动副轴线水平面的上方，第二支链位于过该重合转动副轴线水平面的下方，所述的第三支链和第四支链中与动平台连接的转动副轴线重合，第四支链位于过该重合转动副轴线水平面的上方，第三支链位于过该重合转动副轴线水平面的下方；

在固定平台的中间的一端设有电机座，可移动平台伺服电机固定在电机座上，在固定平台中间设有与可移动平台伺服电机同轴的贯通固定平台的凹槽，在该凹槽内，可移动平台伺服电机的输出端通过联轴器与移动平台丝杠的一端连接，在移动平台丝杠的两端设有固定在固定平台上的移动平台丝杠上支撑座和移动平台丝杠下支撑座，通过上支撑座和下支撑座固定丝杠，该移动平台丝杠上设有丝杠螺母，该丝杠螺母固定在可移动平台底部；在上述凹槽两侧的固定平台上沿凹槽方向分别设有移动平台导轨，固定在可移动平台底部两端的移动平台导轨槽分别与可移动平台导轨相配合；

在可移动平台平面上两侧沿可移动平台导轨方向分别设有一个支耳，该支耳与设在可摆动工作台底部两侧的支耳通过销轴连接，在一侧的可移动平台的支耳和可摆动工作台的支耳之间设有固定在可摆动工作台底部的大齿轮，大齿轮旋转轴线与可摆动工作台转动副轴线重合，可摆动工作台伺服电机固定在可移动平台上，可摆动工作台伺服电机的输出端穿过可移动平台的支耳与小齿轮相连，该小齿轮与上述大齿轮相啮合。

2.根据权利要求1所述的一种基于平面并联机构具有冗余驱动的混联机器人，其特征在于：所述四条支链的第二种连接方式，其中的第一支链和第四支链结构相同，第二支链和第三支链结构相同，第一和第四支链的长度和第二和第三支链的长度的比例约为3:2，第一支链和第四支链的一端通过转动副分别与左右丝杠上的小滑块连接，第二支链和第三支链的一端通过转动副分别与左右丝杠上的大滑块连接，第一支链和第二支链的另一端通过转动副与动平台的一端连接，第三支链和第四支链的另一端通过转动副与动平台的另一端连接；固定在立柱内壁上的丝杠的底端与可摆动工作台处于水平位置时的平面平齐。