CN104149096A - 一种可精密三维移动的Delta结构并联机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可精密三维移动的Delta结构并联机械手，包括基于3-RUU运动链的Delta型并联机械手机体、承载主平台以及基于3-PUU运动链的主平台支架，其中，所述Delta型并联机械手机体装于承载主平台上，并由所述承载主平台上的伺服电机通过传动四杆机构驱动；所述承载主平台由基于3-PUU运动链的主平台支架支撑，具有空间三个平动自由度，可上下升降及平面移动。本发明同时基于3-PUU和3-RUU运动链，可以使承载主平台获得空间运动范围，不仅可以升降，还可以作平面移动，进而让二级动平台(Delta型并联机械手机体的末端执行元件)拥有更大的可达工作空间和灵活工作空间。

Description

一种可精密三维移动的Delta结构并联机械手

技术领域

本发明涉及Delta并联机器人的技术领域，尤其是指一种可精密三维移动的Delta结构并联机械手。

背景技术

Delta并联机器人是目前商业应用最成功的并联机器人，在各行各业有着非常广阔的应用前景。在国外经过了二十多年的发展，其结构及控制系统已经非常的成熟，且广泛应用于电子、食品和医药等行业，完成诸如抓取、分拣以及包装等大量的重复性操作。而在我国，Delta并联机器人不论是应用还是开发都是从2010年开始刚刚起步，Delta并联机器人的生产正处于刚刚起步阶段，性能上低于国外机器人，国内用户的认知度也远远不够，工业机械手市场狭窄，严重阻碍我国工业自动化发展。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提供一种设计独特、合理可靠、使用方便、高精度定位的可精密三维移动的Delta结构并联机械手。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种可精密三维移动的Delta结构并联机械手，包括有基于3-RUU运动链的Delta型并联机械手机体、承载主平台以及基于3-PUU运动链的主平台支架，其中，所述Delta型并联机械手机体装于承载主平台上，并由所述承载主平台上的伺服电机通过传动四杆机构驱动；所述承载主平台由基于3-PUU运动链的主平台支架支撑，具有空间三个平动自由度，可上下升降及平面移动。

所述Delta型并联机械手机体包括有可拆卸的末端执行元件以及用于带动该末端执行元件移动的多组机械臂，其中，每组机械臂均包括有深沟球轴承、上臂、下臂，所述上臂的一端装配有深沟球轴承，并延伸成型有与传动四杆机构连接的连接杆，所述上臂的另一端通过四级约束的第一关节轴承与下臂的一端连接，所述下臂的另一端通过四级约束的第二关节轴承与末端执行元件连接。

所述承载主平台上集成有多个伺服电机以及控制系统部件，其中，所述多个伺服电机的数量应与Delta型并联机械手机体的机械臂数量相一致，一个伺服电机驱动一组机械臂，且每个伺服电机均通过联轴器连接一个传动四杆机构。

所述主平台支架包括有间隙可调的双导轨、支撑臂、支撑板、定位三脚架、直线位移驱动器，其中，所述双导轨有三组呈三角形分布，设在承载主平台下方，并经定位三脚架固定，每组双导轨上均安装有可沿其轨迹自由滑动的滑块，所述滑块由各自相应的直线位移驱动器驱动做直线运动；所述支撑板有三块固定安装在承载主平台上，呈三角形分布，并与三组双导轨一一对应；所述三组双导轨配套有三组支撑臂，且一组双导轨对应一组支撑臂，每组支撑臂的一端通过四级约束的第三关节轴承与相应双导轨上的滑块连接，其另一端通过四级约束的第四关节轴承与相应的支撑板连接。

所述承载主平台上开有减载槽。

所述末端执行元件采用模块化设计。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本发明同时基于3-PUU和3-RUU运动链结构，利用该结构的空间三维运动特性，使承载主平台具有空间三个平动自由度，因而下一级机械臂的运动范围将大大扩展，改进了Delta型并联机械手运动范围狭窄的不足，由于并联结构的特性，使得承载主平台不仅能够实现升降运动，而且可以实现水平面内的活动，3-PUU结构的闭环特性使得其运动往往具有快速灵活的特点；

2、本发明采用了独特的双Delta并联衍生机构相结合的结构策略，在保证运动系统精度和稳定性的同时，使机构能够快速运动，若将此结构用于工业生产，则将大大提高工业生产效率，降低单位产品装配时间；

3、本发明借助传动四杆机构，设计了跨越承载平面的传动结构，该传动机构的加入，使所有原动机及其控制器件能够集中在承载主平台上,进而简化铸造机壳(顶部)的复杂程度，间接达到保护承载主平台上诸如钢线软轴及其控制电机，运动控制板和电路控制系统部件的目的；

4、相比传统柱坐标控制或笛卡尔坐标控制系统，该结构能够方便实现点对点直线运动，传统笛卡尔结构的三个平动自由度的实现一般采用丝杆传动，丝杆传动具有轴向力大，材料要求高，速度低，安装结构大，易磨损等缺点，并且由于其结构特性，不能实现三个平动自由度同时作用，即不能从空间一点直线运动到与该点不相关(共水平面、共垂直面)的另一点；圆柱坐标机械手由于其结构特点，对控制旋转自由度的电动机功率，精度方面要求非常高，且难以实现高速运动，惯性大，运动范围小；3-PUU结构具有高速快捷的特点，不仅可以实现点对点直线运动，而且配合高精度原动机后，其运动精度能够得到保证，相比传统结构具有很大优势；

5、本发明采用了的双导轨结构，六个导轨平面为整个平台提供了较好的刚度，配合定位三脚架，大大提高整体抗震特性和平台稳定性，扩大承载能力，双导轨结构的双重定位功能提高机架的定位精度，同时可通过调整导轨间隙达到调整微小误差的目的；

6、本发明顶部的承载主平台开有减载槽，不仅可以减少执行机构惯性，节省材料，而且配合传动结构实现对内部电路元件和电动机的保护；

7、本发明工作时有多个原动机运转，其中多个高精度伺服电机为Delta型并联机械手机体提供动力，三个直线位移驱动器为承载主平台提供动力；在运动时，多个原动机相互配合，能够大大提高机构灵活性，扩大末端执行元件的灵活工作空间。

附图说明

图1为本发明所述Delta结构并联机械手的轴视图。

图2为本发明所述Delta结构并联机械手的俯视图。

图3为本发明所述Delta型并联机械手机体的结构示意图。

图4为本发明所述承载主平台的结构示意图。

图5为本发明所述主平台支架的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1至图5所示，本实施例所述的可精密三维移动的Delta结构并联机械手，包括有基于3-RUU运动链的Delta型并联机械手机体1、承载主平台2以及基于3-PUU运动链的主平台支架3，其中，所述Delta型并联机械手机体1装于承载主平台2上，并由所述承载主平台2上的高精度伺服电机4通过传动四杆机构5驱动；所述承载主平台2(即一级动平台)由基于3-PUU运动链的主平台支架3支撑，通过自由度螺旋理论的验证，具有空间三个平动自由度，可上下升降及平面移动，因而下一级机械臂的运动范围将大大扩展，让二级动平台(Delta型并联机械手机体1的末端执行元件101)拥有更大的可达工作空间和灵活工作空间，改进了Delta型并联机械手运动范围狭窄的不足，由3-PUU结构的闭环特性使得其运动往往具有快速灵活的特点。

所述Delta型并联机械手机体1包括有可拆卸的末端执行元件101以及用于带动该末端执行元件101移动的三组机械臂，其中，每组机械臂均包括有深沟球轴承102、上臂103、下臂104，所述上臂103的一端装配有深沟球轴承102，并延伸成型有与传动四杆机构5连接的连接杆103-1，所述上臂103的另一端通过四级约束的第一关节轴承105与下臂104的一端连接，所述下臂104的另一端通过四级约束的第二关节轴承106与末端执行元件101连接；所述末端执行元件101采用模块化设计，可根据不同任务变换执行元件，降低制造成本，提高通用性。

所述承载主平台2上集成有三个高精度的伺服电机4以及控制系统部件(图中未画出)，此设计可简化铸造机壳(顶部)的复杂程度，间接达到保护上端诸如钢线软轴(图中未画出)及其控制电机(图中未画出)，运动控制板(图中未画出)和电路控制系统部件(图中未画出)的目的。其中，所述三个伺服电机4与Delta型并联机械手机体1的三组机械臂一一对应，一个伺服电机4驱动一组机械臂，且每个伺服电机4均通过联轴器7连接一个传动四杆机构5。此外，所述承载主平台2上开有减载槽6，不仅可以减少执行机构惯性，节省材料，而且配合传动结构实现对内部电路元件和电动机的保护。

所述主平台支架3包括有间隙可调的双导轨301、支撑臂302、支撑板303、定位三脚架304、直线位移驱动器(图中未画出)，其中，所述双导轨301有三组呈三角形分布，设在承载主平台2下方，并经定位三脚架304固定，每组双导轨301上均安装有可沿其轨迹自由滑动的一滑块305，所述滑块305由各自相应的直线位移驱动器驱动做直线运动；所述支撑板303有三块固定安装在承载主平台2上，呈三角形分布，并与三组双导轨301一一对应；所述三组双导轨301配套有三组支撑臂302，且一组双导轨301对应一组支撑臂302，每组支撑臂302的一端通过四级约束的第三关节轴承306与相应双导轨301上的滑块305连接，其另一端通过四级约束的第四关节轴承307与相应的支撑板303连接。三个滑块305由各自相应的直线位移驱动器驱动，可以实现承载主平台2(即一级动平台)任意轨迹的空间移动，通过指定空间两点坐标，若控制系统以两点间直线段作为承载主平台2(即一级动平台)的轨迹，则将计算出三个滑块305运动的各种参数，如位移、速度、加速度等，通过一套算法将运动参数反映至原动机，就可以实现对该结构的精确控制。

本发明采用的双导轨结构，六个导轨平面为整个平台提供了较好的刚度，配合定位三脚架304，大大提高整体抗震特性和平台稳定性，扩大承载能力。双导轨结构的双重定位功能提高机架的定位精度，同时可通过调整导轨间隙达到调整微小误差的目的。

综上所述，在采用以上方案后，本发明的承载主平台2具有空间三个平动自由度，利用上方三个高精度的伺服电机4，下方三组双导轨301上的直线位移驱动器在不同范围实现两级控制。Delta型并联机械手机体1提供小范围高精度运动，承载主平台2的运动提供大范围运动，从而大大扩展末端执行元件101的活动空间。并且基于Delta并联机构的特点，此种搭配在理论上往往具有高速特性，可以在保证精度和稳定性的同时，实现高速运动，非常适合工业平动装配工作，值得推广。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种可精密三维移动的Delta结构并联机械手，其特征在于：包括有基于3-RUU运动链的Delta型并联机械手机体(1)、承载主平台(2)以及基于3-PUU运动链的主平台支架(3)，其中，所述Delta型并联机械手机体(1)装于承载主平台(2)上，并由所述承载主平台(2)上的伺服电机(4)通过传动四杆机构(5)驱动；所述承载主平台(2)由基于3-PUU运动链的主平台支架(3)支撑，具有空间三个平动自由度，可上下升降及平面移动。

2.根据权利要求1所述的一种可精密三维移动的Delta结构并联机械手，其特征在于：所述Delta型并联机械手机体(1)包括有可拆卸的末端执行元件(101)以及用于带动该末端执行元件(101)移动的多组机械臂，其中，每组机械臂均包括有深沟球轴承(102)、上臂(103)、下臂(104)，所述上臂(103)的一端装配有深沟球轴承(102)，并延伸成型有与传动四杆机构(5)连接的连接杆(103-1)，所述上臂(103)的另一端通过四级约束的第一关节轴承(105)与下臂(104)的一端连接，所述下臂(104)的另一端通过四级约束的第二关节轴承(106)与末端执行元件(101)连接。

3.根据权利要求1所述的一种可精密三维移动的Delta结构并联机械手，其特征在于：所述承载主平台(2)上集成有多个伺服电机(4)以及控制系统部件，其中，所述多个伺服电机(4)的数量应与Delta型并联机械手机体(1)的机械臂数量相一致，一个伺服电机(4)驱动一组机械臂，且每个伺服电机(4)均通过联轴器(7)连接一个传动四杆机构(5)。

4.根据权利要求1所述的一种可精密三维移动的Delta结构并联机械手，其特征在于：所述主平台支架(3)包括有间隙可调的双导轨(301)、支撑臂(302)、支撑板(303)、定位三脚架(304)、直线位移驱动器，其中，所述双导轨(301)有三组呈三角形分布，设在承载主平台(2)下方，并经定位三脚架(304)固定，每组双导轨(301)上均安装有可沿其轨迹自由滑动的滑块(305)，所述滑块(305)由各自相应的直线位移驱动器驱动做直线运动；所述支撑板(303)有三块固定安装在承载主平台(2)上，呈三角形分布，并与三组双导轨(301)一一对应；所述三组双导轨(301)配套有三组支撑臂(302)，且一组双导轨(301)对应一组支撑臂(302)，每组支撑臂(302)的一端通过四级约束的第三关节轴承(306)与相应双导轨(301)上的滑块(305)连接，其另一端通过四级约束的第四关节轴承(307)与相应的支撑板(303)连接。

5.根据权利要求3所述的一种可精密三维移动的Delta结构并联机械手，其特征在于：所述承载主平台(2)上开有减载槽(6)。

6.根据权利要求2所述的一种可精密三维移动的Delta结构并联机械手，其特征在于：所述末端执行元件(101)采用模块化设计。