CN107433574B

CN107433574B - 一种六自由度串并联装配机器人

Info

Publication number: CN107433574B
Application number: CN201710865007.3A
Authority: CN
Inventors: 曹文熬; 饶坤; 徐世杰; 杨栋皓
Original assignee: China University of Geosciences
Current assignee: China University of Geosciences
Priority date: 2017-09-22
Filing date: 2017-09-22
Publication date: 2019-12-17
Anticipated expiration: 2037-09-22
Also published as: CN107433574A

Abstract

本发明涉及一种六自由度串并联装配机器人，包括机架、动平台、连接在动平台上的末端执行器以及并联连接在机架与动平台之间具有相同结构的三个分支；每个分支依次连接有驱动电机一、主动臂、辅助杆、平动连杆、从动杆组、限位杆组、驱动电机二以及七自由度传动链；所述第一、第二、第三分支特征在于从机架到动平台依次有驱动4R平行四边形机构、从动4S平行四边形机构以及限位4R平行四边形机构；上述动平台有三个移动自由度，末端执行器有三个转动自由度，由此该机械手具有三转三移的解耦控制运动。本发明工作范围大、控制方便、稳定性好，具有良好的应用前景。

Description

一种六自由度串并联装配机器人

技术领域

本发明涉及机器人机构学领域，具体地说是一种六自由度串并联装配机器人。

背景技术

目前国内空间机器人的应用和研究主要着眼于串联机器人，对于并联机器人的研究相对较少。相比于串联机器人，并联机器人具有承载能力大、精度高和刚度大的优良特性。当下的并联机构研究中，对于三自由度、四自由度并联机器人的研究较多，而对于六自由度并联机器人的研究就很少了。现有文献中，专利(CN 103846911 A)提出了一种高速六自由度并联机械手。专利(CN 103846907A)提出了一种双并联结构六自由度高速机械手。专利(CN 106363616 A)提出了一种六自由度并联机器人。专利(CN 106002947 A)提出了一种从动臂同侧布置自由度能够重构的搬运机器人。专利(CN 105856207 A)提出了一种从动臂对称布置自由度能够重构的搬运机器人，该机器人包括机架、动平台、三条支链及驱动装置；各支链均包括大主动臂、小主动臂、主动臂连杆、衬架及从动臂；所述的大主动臂、小主动臂、主动臂连杆、左衬架通过运动副连接形成平行四边形结构；驱动小主动臂，经由上述平行四边形结构来改变各分支中两从动臂的相对位置，使机器人在三自由度和六自由度之间相互切换；与该专利相比，本发明是六自由度串并联结构，应用于装配领域，驱动平行四边形结构为对称布置方式，并为固连在其上的驱动电机提供平动运动，受力情况更好，结构也更为简洁，从动部分布置也不相同。专利(CN 105291095 A)提出了一种六自由度重载调平机器人机构，该机器人特性在于机架到动平台之间的驱动平行四边形机构和从动平行四边形机构，且整个机器人为两个并联部分串接组成；与该专利相比，本发明为一个串联部分串接在并联结构上，驱动平行四边形为固连在其上的驱动电机提供平动运动，从动平行四边形直接连接在主动臂上，结构更加简单，控制采取三转三移解耦控制，末端执行器控制是驱动电机通过七自由度传动链控制。专利(CN 105291096 A)提出了一种三自由度重载平动搬运机器人机构，该机器人特性在于机架到动平台之间由四个平行四边形机构组成的传动结构，可以大大提高该机器人的承载能力；与该专利相比，本发明是六自由度装配机器人，结构为串并联结构，驱动平行四边形为固连在其上的驱动电机提供平动运动，从动平行四边形直接连接在主动臂上，结构更加简单。专利(CN 105291094 A)提出了一种平动与转动解耦的六自由度重载机器人机构，该机器人特性在于机架到动平台之间的驱动平行四边形机构和从动平行四边形机构，整体由两个并联部分串接组成，控制部分采取平动和转动解耦的控制方式；与该专利相比，本发明是装配机器人，结构为一个串连部分和一个并联部分串接在一起，驱动平行四边形为固连在其上的驱动电机提供平动运动，从动平行四边形直接连接在主动臂上，结构更加简单，末端执行器控制采取驱动电机通过七自由度传动链控制。然而，现有的六自由度机器人大都存在工作空间小、跟随动作运动的驱动电机在空间中既有移动又有转动、动平台惯性负载过大导致的运动精度不够、耦合程度高和控制复杂等问题。

发明内容

本发明涉及了一种六自由度串并联装配机器人，包括机架、动平台、末端执行器以及并联连接在机架与动平台之间具有相同结构的三个分支；上述每个分支的特征在于从机架到动平台依次布置有驱动电机一、第一转动副、辅助杆、第二转动副、主动臂、第三转动副、平动连杆、第四转动副、第一球副、第二球副、从动杆组、第十一转动副、第十二转动副、限位杆组、第十三转动副、第十四转动副、第三球副、第四球副、驱动电机二以及七自由度传动链；上述七自由度传动链的特征在于从驱动电机二到动平台依次布置有第五转动副、第一连杆、第六转动副、第二连杆、第七转动副、伸缩杆一、第一移动副、伸缩杆二、第八转动副、第三连杆、第九转动副、第四连杆、第十转动副；上述从动杆组由从动杆一和从动杆二组成；上述限位杆组由限位杆一和限位杆二组成；上述驱动电机一固连在机架上，驱动电机二固连在平动连杆上；上述主动臂通过第二转动副与机架相连，且主动臂与驱动电机一转轴固连；上述辅助杆通过第一转动副与机架相连；上述平动连杆通过第三转动副与辅助杆相连，平动连杆通过第四转动副与主动臂相连；上述从动杆一通过第一球副与主动臂相连，从动杆二通过第二球副与主动臂相连，动平台通过第四球副与从动杆一相连，动平台通过第三球副与从动杆二相连；上述限位杆一通过第十一转动副与从动杆一相连，限位杆一通过第十二转动副与从动杆二相连，限位杆二通过第十四转动副与从动杆一相连，限位杆二通过第十三转动副与从动杆二相连；第一连杆通过第五转动副与驱动电机二相连，第二连杆通过第六转动副与第一连杆相连，伸缩杆一通过第七转动副与第二连杆相连，伸缩杆二通过第一移动副与伸缩杆一相连，第三连杆通过第八转动副与伸缩杆二相连，第四连杆通过第九转动副与第三连杆相连，动平台通过第十转动副与第四连杆相连，末端执行器内部齿轮与第四连杆固连；上述第五转动副与第十转动副平行，第六转动副与第九转动副平行，第七转动副与第八转动副平行；上述第六转动副与第七转动副垂直，第八转动副与第九转动副垂直；上述第五转动副与第六转动副和第九转动副垂直，第十转动副与第九转动副和第六转动副垂直；上述机架、主动臂、辅助杆、平动连杆、第一转动副、第二转动副、第三转动副、第四转动副一起构成4R平行四边形机构；上述主动臂、从动杆组、动平台以及连接它们的球副一起构成4S平行四边形机构；上述从动杆组、限位杆组、第十一转动副、第十二转动副、第十三转动副和第十四转动副一起构成4R平行四边形机构；上述主动臂、从动杆组、限位杆组、动平台、末端执行器、七自由度传动链、驱动电机二、平动连杆以及它们之间的连接副一起构成多闭环耦合结构。

本发明还提出了一种六自由度串并联装配机器人，包括机架、动平台、末端执行器以及并联连接在机架与动平台之间具有相同结构的三个分支；上述每个分支的特征在于从机架到动平台依次布置有驱动电机一、第一转动副、辅助杆、第二转动副、主动臂、第三转动副、平动连杆、第四转动副、第一虎克铰、第二虎克铰、从动杆组、第三虎克铰、第四虎克铰、驱动电机二以及七自由度传动链；上述七自由度传动链的特征在于从驱动电机二到动平台依次布置有第五转动副、第一连杆、第六转动副、第二连杆、第七转动副、伸缩杆一、第一移动副、伸缩杆二、第八转动副、第三连杆、第九转动副、第四连杆、第十转动副；上述从动杆组由从动杆一和从动杆二组成；上述驱动电机一固连在机架上，驱动电机二固连在平动连杆上；上述主动臂通过第二转动副与机架相连，且主动臂与驱动电机一转轴固连；上述辅助杆通过第一转动副与机架相连；上述平动连杆通过第三转动副与辅助杆相连，平动连杆通过第四转动副与主动臂相连；上述从动杆一通过第一虎克铰与主动臂相连，从动杆二通过第二虎克铰与主动臂相连，动平台通过第四虎克铰与从动杆一相连，动平台通过第三虎克铰与从动杆二相连；上述第一连杆通过第五转动副与驱动电机二相连，第二连杆通过第六转动副与第一连杆相连，伸缩杆一通过第七转动副与第二连杆相连，伸缩杆二通过第一移动副与伸缩杆一相连，第三连杆通过第八转动副与伸缩杆二相连，第四连杆通过第九转动副与第三连杆相连，动平台通过第十转动副与第四连杆相连，末端执行器内部齿轮与第四连杆固连；上述第五转动副与第十转动副平行，第六转动副与第九转动副平行，第七转动副与第八转动副平行；上述第六转动副与第七转动副垂直，第八转动副与第九转动副垂直；上述第五转动副与第六转动副和第九转动副垂直，第十转动副与第九转动副和第六转动副垂直；上述机架、主动臂、辅助杆、平动连杆、第一转动副、第二转动副、第三转动副、第四转动副一起构成4R平行四边形机构；上述主动臂、从动杆组、动平台以及连接它们的虎克铰一起构成4U平行四边形机构；上述主动臂、从动杆组、动平台、末端执行器、七自由度传动链、驱动电机二、平动连杆以及它们之间的连接副一起构成多闭环耦合结构。

与现有发明相比，本发明具有以下优点：

(1)相比于其他六自由度机器人，本发明可对一般六自由度机械手难以达到的空间开展工作，工作空间更大，并且控制简单。

(2)本发明针对末端执行器驱动电机布置方式的设计使得跟随动作运动的驱动电机仅仅只需要进行平动动作，减小了动平台的惯性负载，进一步提高了机械手的动作速度，也提高了动作的稳定性和精准性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明实施例1的立体结构示意图；

图2是本发明实施例1的部分结构示意图；

图3是本发明实施例1的部分结构示意图；

图4是本发明实施例1的部分结构示意图；

图5是本发明实施例2的立体结构示意图；

图6是本发明实施例1和2的末端执行器结构示意图。

具体实施方式

实施例1：

如图1和图6所示，一种六自由度串并联装配机器人，包括机架1、动平台2、末端三转机械手3以及并联连接在机架1与动平台2之间具有相同结构的三个分支，分别为第一分支Ⅰ，第二分支Ⅱ，第三分支Ⅲ；上述每个分支的特征在于：从机架1到动平台2依次布置有驱动电机一M1、第一转动副R1、辅助杆L1、第二转动副R2、主动臂L2、第三转动副R3、平动连杆L3、第四转动副R4、第一球副S1、第二球副S2、从动杆组、第十一转动副R11、第十二转动副R12、限位杆组、第十三转动副R13、第十四转动副R14、第三球副S3、第四球副S4、驱动电机二M2以及七自由度传动链；上述七自由度传动链的特征在于：从驱动电机二M2到动平台2依次布置有第五转动副R5、第一连杆L4、第六转动副R6、第二连杆L5、第七转动副R7、伸缩杆一L6、第一移动副P1、伸缩杆二L7、第八转动副R8、第三连杆L8、第九转动副R9、第四连杆L9、第十转动副R10；上述从动杆组由从动杆一L10和从动杆二L12组成；上述限位杆组由限位杆一L11和限位杆二L13组成；上述驱动电机一M1固连在机架1上，驱动电机二M2固连在平动连杆L3上；上述主动臂L2通过第二转动副R2与机架1相连，且主动臂L2与驱动电机一M1转轴固连；上述辅助杆L1通过第一转动副R1与机架1相连；上述平动连杆L3通过第三转动副R3与辅助杆L1相连，且平动连杆L3通过第四转动副R4与主动臂L2相连；上述从动杆一L10通过第一球副S1与主动臂L2相连，从动杆二L12通过第二球副S2与主动臂L2相连，动平台2通过第四球副S4与从动杆一L10相连，动平台2通过第三球副S3与从动杆二L12相连；上述限位杆一L11通过第十一转动副R11与从动杆一L10相连，限位杆一L11通过第十二转动副R12与从动杆二L12相连，限位杆二L13通过第十四转动副R14与从动杆一L10相连，限位杆二L13通过第十三转动副R13与从动杆二L12相连；上述第一连杆L4通过第五转动副R5与驱动电机二M2相连，第二连杆L5通过第六转动副R6与第一连杆L4相连，伸缩杆一L6通过第七转动副R7与第二连杆L5相连，伸缩杆二L7通过第一移动副P1与伸缩杆一L6相连，第三连杆L8通过第八转动副R8与伸缩杆二L7相连，第四连杆L9通过第九转动副R9与第三连杆L8相连，动平台2通过第十转动副R10与第四连杆L9相连，末端执行器3内部齿轮与第四连杆L9固连；上述第五转动副R5与第十转动副R10平行，第六转动副R6与第九转动副R9平行，第七转动副R7与第八转动副R8平行；上述第五转动副R5与第六转动副R6和第九转动副R9垂直，第十转动副R10与第九转动副R9和第六转动副R6垂直；上述第六转动副R6与第七转动副R7垂直，第八转动副R8与第九转动副R9垂直；上述机架1、主动臂L2、辅助杆L1、平动连杆L3、第一转动副R1、第二转动副R2、第三转动副R3、第四转动副R4一起构成4R平行四边形机构；上述主动臂L2、从动杆组、动平台2以及连接它们的球副一起构成4S平行四边形机构；上述从动杆组、限位杆组、第十一转动副R11、第十二转动副R12、第十三转动副R13和第十四转动副R14一起构成4R平行四边形机构；上述主动臂L2、从动杆组、限位杆组、动平台2、末端执行器3、七自由度传动链、驱动电机二M2、平动连杆L3以及它们之间的连接副一起构成多闭环耦合结构；上述第一分支Ⅰ通过其分支的第四连杆L9将转矩传递给末端执行器3，从而控制末端执行器3的第一转臂LR1转动；上述第二分支Ⅱ通过其分支的第四连杆L9将转矩传递给末端执行器3，从而控制末端执行器3的第二转臂LR2转动；上述第三分支Ⅲ通过其分支的第四连杆L9将转矩传递给末端执行器3，从而控制末端执行器3的第三转臂LR3转动。

实施例2：

如图5和图6一种六自由度串并联装配机器人，包括机架1、动平台2、末端三转机械手3以及并联连接在机架1与动平台2之间具有相同结构的三个分支，分别为第一分支Ⅰ，第二分支Ⅱ，第三分支Ⅲ；上述每个分支的特征在于：从机架1到动平台2依次布置有驱动电机一M1、第一转动副R1、辅助杆L1、第二转动副R2、主动臂L2、第三转动副R3、平动连杆L3、第四转动副R4、第一虎克铰U1、第二虎克铰U2、从动杆组、第三虎克铰U3、第四虎克铰U4、驱动电机二M2以及七自由度传动链；上述七自由度传动链的特征在于：从驱动电机二M2到动平台2依次布置有第五转动副R5、第一连杆L4、第六转动副R6、第二连杆L5、第七转动副R7、伸缩杆一L6、第一移动副P1、伸缩杆二L7、第八转动副R8、第三连杆L8、第九转动副R9、第四连杆L9、第十转动副R10；上述从动杆组由从动杆一L10和从动杆二L11组成；上述驱动电机一M1固连在机架1上，驱动电机二M2固连在平动连杆L3上；上述主动臂L2通过第二转动副R2与机架1相连，且主动臂L2与驱动电机一M1转轴固连；上述辅助杆L1通过第一转动副R1与机架1相连；上述平动连杆L3通过第三转动副R3与辅助杆L1相连，平动连杆L3通过第四转动副R4与主动臂L2相连；上述从动杆一L10通过第一虎克铰U1与主动臂L2相连，从动杆二L11通过第二虎克铰U2与主动臂L2相连，动平台2通过第四虎克铰U4与从动杆一L10相连，动平台2通过第三虎克铰U3与从动杆二L11相连；上述第一连杆L4通过第五转动副R5与驱动电机二M2相连，第二连杆L5通过第六转动副R6与第一连杆L4相连，伸缩杆一L6通过第七转动副R7与第二连杆L5相连，伸缩杆二L7通过第一移动副P1与伸缩杆一L6相连，第三连杆L8通过第八转动副R8与伸缩杆二L7相连，第四连杆L9通过第九转动副R9与第三连杆L8相连，动平台2通过第十转动副R10与第四连杆L9相连，末端执行器3内部齿轮与第四连杆L9固连；上述第五转动副R5与第十转动副R10平行，第六转动副R6与第九转动副R9平行，第七转动副R7与第八转动副R8平行；上述第五转动副R5与第六转动副R6和第九转动副R9垂直，第十转动副R10与第九转动副R9和第六转动副R6垂直；上述第六转动副R6与第七转动副R7垂直，第八转动副R8与第九转动副R9垂直；上述机架1、主动臂L2、辅助杆L1、平动连杆L3、第一转动副R1、第二转动副R2、第三转动副R3、第四转动副R4一起构成4R平行四边形机构；上述主动臂L2、从动杆组、动平台2以及连接它们的虎克铰一起构成4U平行四边形机构；上述主动臂L2、从动杆组、动平台2、末端执行器3、七自由度传动链、驱动电机二M2、平动连杆L3以及它们之间的连接副一起构成多闭环耦合结构；上述第一分支Ⅰ通过其分支的第四连杆L9将转矩传递给末端执行器3，从而控制末端执行器3的第一转臂LR1转动；上述第二分支Ⅱ通过其分支的第四连杆L9将转矩传递给末端执行器3，从而控制末端执行器3的第二转臂LR2转动；上述第三分支Ⅲ通过其分支的第四连杆L9将转矩传递给末端执行器3，从而控制末端执行器3的第三转臂LR3转动。

Claims

1.一种六自由度串并联装配机器人，包括机架、动平台、末端执行器以及并联连接在机架与动平台之间具有相同结构的三个分支；其特征在于：上述每个分支的特征在于从机架到动平台依次布置有驱动电机一、第一转动副、辅助杆、第二转动副、主动臂、第三转动副、平动连杆、第四转动副、第一球副、第二球副、从动杆组、第十一转动副、第十二转动副、限位杆组、第十三转动副、第十四转动副、第三球副、第四球副、驱动电机二以及七自由度传动链；上述七自由度传动链的特征在于从驱动电机二到动平台依次布置有第五转动副、第一连杆、第六转动副、第二连杆、第七转动副、伸缩杆一、第一移动副、伸缩杆二、第八转动副、第三连杆、第九转动副、第四连杆、第十转动副；上述从动杆组由从动杆一和从动杆二组成；上述限位杆组由限位杆一和限位杆二组成；上述驱动电机一固连在机架上，驱动电机二固连在平动连杆上；上述主动臂通过第二转动副与机架相连，且主动臂与驱动电机一转轴固连；上述辅助杆通过第一转动副与机架相连；上述平动连杆通过第三转动副与辅助杆相连，平动连杆通过第四转动副与主动臂相连；上述从动杆一通过第一球副与主动臂相连，从动杆二通过第二球副与主动臂相连，动平台通过第四球副与从动杆一相连，动平台通过第三球副与从动杆二相连；上述限位杆一通过第十一转动副与从动杆一相连，限位杆一通过第十二转动副与从动杆二相连，限位杆二通过第十四转动副与从动杆一相连，限位杆二通过第十三转动副与从动杆二相连；第一连杆通过第五转动副与驱动电机二相连，第二连杆通过第六转动副与第一连杆相连，伸缩杆一通过第七转动副与第二连杆相连，伸缩杆二通过第一移动副与伸缩杆一相连，第三连杆通过第八转动副与伸缩杆二相连，第四连杆通过第九转动副与第三连杆相连，动平台通过第十转动副与第四连杆相连，末端执行器内部齿轮与第四连杆固连；上述第五转动副与第十转动副平行，第六转动副与第九转动副平行，第七转动副与第八转动副平行；上述第六转动副与第七转动副垂直，第八转动副与第九转动副垂直；上述第五转动副与第六转动副和第九转动副垂直，第十转动副与第九转动副和第六转动副垂直；上述机架、主动臂、辅助杆、平动连杆、第一转动副、第二转动副、第三转动副、第四转动副一起构成4R平行四边形机构；上述主动臂、从动杆组、动平台以及连接它们的球副一起构成4S平行四边形机构；上述从动杆组、限位杆组、第十一转动副、第十二转动副、第十三转动副和第十四转动副一起构成4R平行四边形机构；上述主动臂、从动杆组、限位杆组、动平台、末端执行器、七自由度传动链、驱动电机二、平动连杆以及它们之间的连接副一起构成多闭环耦合结构。

2.一种六自由度串并联装配机器人，包括机架、动平台、末端执行器以及并联连接在机架与动平台之间具有相同结构的三个分支；其特征在于：上述每个分支的特征在于从机架到动平台依次布置有驱动电机一、第一转动副、辅助杆、第二转动副、主动臂、第三转动副、平动连杆、第四转动副、第一虎克铰、第二虎克铰、从动杆组、第三虎克铰、第四虎克铰、驱动电机二以及七自由度传动链；上述七自由度传动链的特征在于从驱动电机二到动平台依次布置有第五转动副、第一连杆、第六转动副、第二连杆、第七转动副、伸缩杆一、第一移动副、伸缩杆二、第八转动副、第三连杆、第九转动副、第四连杆、第十转动副；上述从动杆组由从动杆一和从动杆二组成；上述驱动电机一固连在机架上，驱动电机二固连在平动连杆上；上述主动臂通过第二转动副与机架相连，且主动臂与驱动电机一转轴固连；上述辅助杆通过第一转动副与机架相连；上述平动连杆通过第三转动副与辅助杆相连，平动连杆通过第四转动副与主动臂相连；上述从动杆一通过第一虎克铰与主动臂相连，从动杆二通过第二虎克铰与主动臂相连，动平台通过第四虎克铰与从动杆一相连，动平台通过第三虎克铰与从动杆二相连；上述第一连杆通过第五转动副与驱动电机二相连，第二连杆通过第六转动副与第一连杆相连，伸缩杆一通过第七转动副与第二连杆相连，伸缩杆二通过第一移动副与伸缩杆一相连，第三连杆通过第八转动副与伸缩杆二相连，第四连杆通过第九转动副与第三连杆相连，动平台通过第十转动副与第四连杆相连，末端执行器内部齿轮与第四连杆固连；上述第五转动副与第十转动副平行，第六转动副与第九转动副平行，第七转动副与第八转动副平行；上述第六转动副与第七转动副垂直，第八转动副与第九转动副垂直；上述第五转动副与第六转动副和第九转动副垂直，第十转动副与第九转动副和第六转动副垂直；上述机架、主动臂、辅助杆、平动连杆、第一转动副、第二转动副、第三转动副、第四转动副一起构成4R平行四边形机构；上述主动臂、从动杆组、动平台以及连接它们的虎克铰一起构成4U平行四边形机构；上述主动臂、从动杆组、动平台、末端执行器、七自由度传动链、驱动电机二、平动连杆以及它们之间的连接副一起构成多闭环耦合结构。