CN111941393B - 一种球坐标型五自由度混联机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球坐标型五自由度混联机器人，包括静平台、动平台、转轴、外圈、四条伸缩腿，以及连接在动平台末端的两自由度转头；第一伸缩腿与第四伸缩腿通过同一转轴与静平台相连，第二伸缩腿与第三伸缩腿通过外圈与静平台相连；第一、第二、第三伸缩腿通过铰链与动平台相连，第四伸缩腿与动平台固接。本发明结构简单、刚度高、易实现模块化和实时控制，并减少了铰链数目降低了制造成本。

Description

一种球坐标型五自由度混联机器人

技术领域

本发明属于球坐标型混联机器人领域，特别是一种球坐标型五自由度混联机器人。

背景技术

专利GB2173472(或EP0200369、US4790718)、SE8502327(或US4732525)和EP0674969(或US6336375)所公开的一类带定位头的空间混联机器人，包括三个可沿轴向伸长或缩短的主动调节装置；所述调节装置的一端通过铰链紧固于固定架上，另一端通过铰链与动平台连接；该结构中还有一从动调节装置，所述的从动调节装置一端与所述的定位头固定连接，另端通过铰链与固定架连接，以限制定位头的某几个自由度。然而，此类机器人由于与连接定位头的主动长度调节装置的铰链为三自由度铰链，且各长度调节装置分别通过一个二自由度铰链与机架连接，导致机构铰链数目和构件数目居多，结构复杂。

专利CN102699899A所公开的一种过约束高刚度多坐标混联机器人，同样包括三个可沿轴向伸长或缩短的主动调节装置和一条从动调节装置；其中两条主动调节装置通过单自由度铰链与动平台连接，对称地设置在从动调节装置的左右两侧，且所述两条主动调节装置和从动调节装置的运动平面为同一平面；另外一个主动调节装置通过三自由度的球铰链与动平台连接，设置在从动调节装置的下方。该机器人减少了机构中铰链自由度数目，但为过约束机构，对零部件的制造和安装有很严格的要求。此外，各长度调节装置分别通过一个二自由度铰链与机架连接，使得结构复杂、运动构件数量较多，而且机架制造工艺比较复杂。

专利CN1212221C公开了一种四自由度混联机器人，由具有两自由度的并联机构和与之串联的二自由度转头组成。然而此机器人的并联部分仅能实现平面运动，需要串接在平动或转动自由度的机构上才能实现空间运动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种球坐标型五自由度混联机器人，以有效地减少了构件数目、降低了制造成本，便于实现模块化和实时控制的五自由度混联机器人模块。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种球坐标型五自由度混联机器人，包括静平台、转轴、外圈、连接件、第一主动伸缩腿、第二主动伸缩腿、第三主动伸缩腿、被动伸缩腿、动平台、以及连接在动平台末端的两自由度转头；

所述第一主动伸缩腿和被动伸缩腿均贯穿于转轴，并分别通过转动副与转轴相连，所述转轴通过转动副与静平台相连，所述被动伸缩腿的末端与动平台固接；所述第一主动伸缩腿的末端通过第一铰链与动平台相连；

连接所述第一主动伸缩腿和转轴的转动轴线与连接所述被动伸缩腿和转轴的转动轴线相互平行；连接所述第一主动伸缩腿和转轴的转动轴线、连接所述被动伸缩腿和转轴的转动轴线均与连接所述转轴和静平台的转动轴线垂直相交；

所述第二主动伸缩腿与第三主动伸缩腿分布在转轴的两侧；

所述第二主动伸缩腿贯穿于外圈，并通过转动副与外圈相连，所述外圈与静平台转动连接，连接所述第二主动伸缩腿和外圈的转动轴线与连接所述的外圈和静平台的转动轴线垂直相交；所述第二主动伸缩腿的末端通过第二铰链与动平台相连；

所述第二铰链为具有三个转动自由度的球副，且三个转动自由度的转动轴线不共线但相交于一点；

所述第三主动伸缩腿贯穿于连接件，并通过转动副与连接件相连，所述连接件与静平台/转轴转动连接；所述第三主动伸缩腿的末端通过第三铰链与动平台相连。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)所述第一伸缩腿和被动伸缩腿共用一个转轴，可有效减少铰链数量，降低制造成本。

(2)各零件与静平台相连的转动轴线可设计成相互平行，使得静平台便于加工，降低制造成本。

(3)所述第一伸缩腿、第二伸缩腿、第三伸缩腿结构相同且可三对称布置，可有效保障机构运动学性能仍然具有三对称特征。

(4)本发明方便在转轴和静平台相连接的转动副、被动伸缩腿与转轴相连接的转动副、以及被动伸缩腿所在的移动副上添加角度编码器或光栅尺，有利于机构实现闭环控制。

附图说明

图1是实施例1中球坐标型五自由度混联机器人的整体结构示意图。

图2是图1的后视图。

图3是实施例1中述转轴的结构示意图。

图4是实施例1中静平台的结构示意图。

图5是实施例1中第一、第二、第三主动伸缩腿的结构示意图。

图6是实施例1中被动伸缩腿的结构示意图。

图7是实施例2中球坐标型五自由度混联机器人的整体结构示意图。

图8是实施例2中静平台的结构示意图。

图9是实施例3中球坐标型五自由度混联机器人的整体结构示意图。

图10是图9的后视图。

图11是实施例3中转轴的结构示意图。

图12是实施例3中静平台的结构示意图。

图13是本发明实施例8的结构示意图。

图14是本发明实施例9的结构示意图。

图15是本发明实施例10的结构示意图。

图16是本发明实施例11的结构示意图。

图中：1：静平台、2：动平台、3：两自由度转头、4：第二中形式的静平台、5：第三种形式的静平台、6：制动器、7：旋转底座、11：转轴、12：第一主动伸缩腿、13：第一铰链、21：第二外圈、22：第二主动伸缩腿、23：第二铰链、21：第三外圈、22：第三主动伸缩腿、23：第三铰链、41：第二种形式的转轴、42：被动伸缩腿

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

实施例1

结合图1-4，本实施例中的一种球坐标型五自由度混联机器人，包括静平台1、转轴11、两个外圈21/31、三条主动伸缩腿12/22/32、被动伸缩腿42、动平台2、以及连接在动平台2末端的两自由度转头3；

第一主动伸缩腿12和被动伸缩腿42均贯穿于转轴11，并分别通过转动副与转轴11相连，所述转轴11通过转动副与静平台1相连，所述被动伸缩腿42的另一端与动平台2固接；所述第一主动伸缩腿12的另一端通过第一铰链13与动平台2相连；

连接所述第一主动伸缩腿12和转轴11的转动轴线与连接所述被动伸缩腿42和转轴11的转动轴线相互平行；连接所述第一主动伸缩腿12和转轴11的转动轴线、连接所述被动伸缩腿42和转轴11的转动轴线均与连接所述转轴11和静平台1的转动轴线垂直相交；

所述第二主动伸缩腿22与第三主动伸缩腿32分布在转轴11的两侧；

所述第二主动伸缩腿22贯穿于第一外圈21，并通过转动副与第一外圈21相连，所述第一外圈21与静平台1转动连接，连接所述第二主动伸缩腿22和第一外圈21的转动轴线与连接所述的第一外圈21和静平台1的转动轴线垂直相交；所述第二主动伸缩腿22的另一端通过第二铰链23与动平台2相连；

所述第三主动伸缩腿32贯穿于第二外圈31，并通过转动副与第二外圈31相连，所述第二外圈31与静平台1转动连接，连接所述第三主动伸缩腿32和第二外圈31的转动轴线与连接所述的第二外圈31和静平台1的转动轴线垂直相交；所述第三主动伸缩腿32的另一端通过第三铰链33与动平台2相连；

所述第一铰链13、第二铰链23和第三铰链33均为具有三个转动自由度的球副，且每个球副的三个转动自由度的转动轴线不共线但相交于一点。

所述连接所述转轴11与静平台1的转动轴线、连接所述第一外圈21与静平台1的转动轴线、连接所述第二外圈31与静平台1的转动轴线，三个轴向相互不平行。

结合图5，所述第一主动伸缩腿12、第二主动伸缩腿22和第三主动伸缩腿32结构相同，均包含伸缩杆121、导向键122、外管123、螺母124、丝杠125、和驱动装置126；所述驱动装置126固接在外管123的一端，所述伸缩杆121内含于所述外管123的另一端，所述伸缩杆121上开有键槽，所述外管123上固接导向键122，所述导向键122与键槽配合构成移动副，所述螺母124固接在伸缩杆121上，所述丝杠125旋转连接在外管内部，且与驱动装置126旋转轴固接，所述螺母124和丝杠125构成螺旋移动副，从而实现伸缩杆121相对于外管123的主动移动。

结合图6，所述被动伸缩腿42包含移动杆421、导轨422、滑块423和内圈424；所述导轨422固接在所述移动杆421上，所述滑块423内接在所述内圈424上，所述导轨422和所述滑块423构成移动副，从而实现所述移动杆421与内圈424的相对移动。

实施例2

结合图7、图8，本实施例中的球坐标型五自由度混联机器人与实施例1的区别在于，连接所述转轴11与静平台1的转动轴线、连接所述第一外圈21与静平台1的转动轴线、连接所述第二外圈31与静平台1的转动轴线相互平行。

实施例3

结合图9-图12，本实施例的一种球坐标型五自由度混联机器人，包括静平台1、转轴11、一个外圈21、一个转动叉34、三条主动伸缩腿12/22/32、被动伸缩腿42、动平台2、以及连接在动平台2末端的两自由度转头3。

第一主动伸缩腿12和被动伸缩腿42均贯穿于转轴11，并分别通过转动副与转轴11相连，所述转轴11通过转动副与静平台1相连，所述被动伸缩腿42另一端与动平台 2固接；所述第一主动伸缩腿12另一端通过第一铰链13与动平台2相连；

连接所述第一主动伸缩腿12和转轴11的转动轴线与连接所述被动伸缩腿42和转轴11的转动轴线相互平行；连接所述第一主动伸缩腿12和转轴11的转动轴线、连接所述被动伸缩腿42和转轴11的转动轴线均与连接所述转轴11和静平台1的转动轴线垂直相交；

所述第二主动伸缩腿22与第三主动伸缩腿32分布在转轴11的两侧。

所述第二主动伸缩腿22贯穿于外圈21，并通过转动副与外圈21相连，所述外圈 21与静平台1转动连接，连接所述第二主动伸缩腿22和外圈21的转动轴线与连接所述的外圈21与静平台1的转动轴线垂直相交。所述第二主动伸缩腿22的另一端通过第二铰链23与动平台2相连。

连接所述转轴11和静平台1的转动轴线与连接所述外圈21和静平台1的转动轴线相互平行。

所述第三主动伸缩腿32贯穿于转动叉34，并通过转动副与转动叉34相连，所述转动叉34与转轴1转动连接，连接所述第三主动伸缩腿32和转动叉34的转动轴线与连接所述转动叉34和转轴11的转动轴线垂直相交。所述第三主动伸缩腿32的另一端通过第三铰链33与动平台2相连。

连接所述转动叉34和转轴11的转动轴线与连接所述被动伸缩腿42和转轴11的转动轴线共线。

所述第一铰链13、第二铰链23和第三铰链33均为具有三个转动自由度的球副，且三个转动自由度的转动轴线不共线但相交于一点。

所述三条主动伸缩腿12/22/32和被动伸缩腿42均分别与实施例1中的主动伸缩腿和被动伸缩腿结构相同。

实施例4：

本实施例中的球坐标型五自由度混联机器人与实施例3的区别在于，所述第三铰链 33为具有一个转动自由度的转动副，连接所述第三主动伸缩腿32和动平台2的转动轴线与连接所述转动叉34与第三主动伸缩腿32的转动轴线相互平行。

实施例5：

本实施例中的球坐标型五自由度混联机器人与实施例3的区别在于，所述第三铰链 33为具有两个转动自由度的铰链，且两个转动自由度的转动轴线不共线但相交于一点，且其中的一个转动轴线与连接所述连接件和第三主动伸缩腿32的转动轴线相互平行。

实施例6

本实施例中的球坐标型五自由度混联机器人与实施例1/实施例2/实施例3/实施例 4/实施例5的区别在于，所述第一铰链13为具有一个转动自由度的转动副，连接第一主动伸缩腿12和动平台2的转动轴线与连接所述第一主动伸缩腿12和转轴11的转动轴线相互平行；

实施例7

本实施例中的球坐标型五自由度混联机器人与实施例1/实施例2/实施例3/实施例 4/实施例5的区别在于，所述第一铰链为具有两个转动自由度的铰链，且两个转动自由度的转动轴线不共线但相交于一点，且其中的一个转动轴线与连接所述第一主动伸缩腿12和转轴11的转动轴线相互平行。

实施例8

如图13所示，本实施例中的球坐标型五自由度混联机器人与实施例1/实施例2/实施例3/实施例4/实施例5/实施例6/实施例7的区别在于，在如1所示的机器人的静平台 1上固接一制动器6，该制动器输出端与转轴11固接，利用制动器6控制转轴的转动与否，从而使得机器人的自由度数目可在4自由度和5自由度自由切换；

实施例9

如图14所示，本实施例中的球坐标型五自由度混联机器人与实施例1或实施例3的区别在于，将图1所示机器人模块安装在旋转台7上，从而使得机器人可实现整周回转，大幅度提升机构的工作空间。

实施例10

如图15所示，本实施例中的球坐标型五自由度混联机器人与实施例1或实施例3的区别在于，将图1所示机器人模块安装在具有切斜角度的底座上，并配以水平方向的长行程导轨，形成具有长行程移动能力的制造装备或系统。

实施例11

如图16所示，本实施例中的球坐标型五自由度混联机器人与实施例1或实施例3的区别在于，将图1所示的机器人模块搭建早龙门结构上，形成可左右和前后大幅度移动的制造装备或系统。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种球坐标型五自由度混联机器人，包括静平台(1)、转轴(11)、外圈(21)、连接件、第一主动伸缩腿(12)、第二主动伸缩腿(22)、第三主动伸缩腿(32)、被动伸缩腿(42)、动平台(2)、以及连接在动平台(2)末端的两自由度转头(3)；其特征在于：所述第一主动伸缩腿(12)和被动伸缩腿(42)均贯穿于转轴(11)，并分别通过转动副与转轴(11)相连，所述转轴(11)通过转动副与静平台(1)相连，所述被动伸缩腿(42)的末端与动平台(2)固接；所述第一主动伸缩腿(12)的末端通过第一铰链(13)与动平台(2)相连；所述第一铰链(13)为具有三个转动自由度的球副，且三个转动自由度的转动轴线不共线但相交于一点；连接所述第一主动伸缩腿(12)和转轴(11)的转动轴线与连接所述被动伸缩腿(42)和转轴(11)的转动轴线相互平行；连接所述第一主动伸缩腿(12)和转轴(11)的转动轴线、连接所述被动伸缩腿(42)和转轴(11)的转动轴线均与连接所述转轴(11)和静平台(1)的转动轴线垂直相交；所述第二主动伸缩腿(22)与第三主动伸缩腿(32)分布在转轴(11)的两侧；所述第二主动伸缩腿(22)贯穿于外圈(21)，并通过转动副与外圈(21)相连，所述外圈(21)与静平台(1)转动连接，连接所述第二主动伸缩腿(22)和外圈(21)的转动轴线与连接所述的外圈(21)和静平台(1)的转动轴线垂直相交；所述第二主动伸缩腿(22)的末端通过第二铰链(23)与动平台(2)相连；所述第二铰链(23)为具有三个转动自由度的球副，且三个转动自由度的转动轴线不共线但相交于一点；所述连接件与转轴(11)转动连接，所述第三主动伸缩腿(32)贯穿于连接件，并通过转动副与连接件相连，且所述连接件仅与转轴(11)和第三主动伸缩腿连接，连接所述连接件和转轴(11)的转动轴线与连接所述被动伸缩腿(42)和转轴(11)的转动轴线共线，连接所述第三主动伸缩腿和连接件的转动轴线与连接所述连接件和转轴的转动轴线垂直相交；所述第三主动伸缩腿(32)的末端通过第三铰链(33)与动平台(2)相连；所述第三铰链(33)为具有两个转动自由度的铰链，且两个转动自由度的转动轴线不共线但相交于一点，且其中的一个转动轴线与连接所述第一主动伸缩腿(12)和转轴(11)的转动轴线平行；所述被动伸缩腿(42)包含移动杆(421)、导轨(422)、滑块(423)和内圈(424)；所述导轨(422)固接在所述移动杆(421)上，所述滑块(423)内接在所述内圈(424)上，所述导轨(422)和所述滑块(423)构成移动副，从而实现所述移动杆(421)与内圈(424)的相对移动；所述第一主动伸缩腿(12)、第二主动伸缩腿(22)和第三主动伸缩腿(32)的结构相同，均包含伸缩杆(121)、导向键(122)、外管(123)、螺母(124)、丝杠(125）、驱动装置(126)；所述驱动装置(126)固接在外管(123)的一端，所述伸缩杆(121)设置在所述外管(123)内的另一端，所述伸缩杆(121)上开有键槽，所述外管(123)上固接导向键(122)，所述导向键(122)与键槽配合构成移动副，所述螺母(124)固接在伸缩杆(121)上，所述丝杠(125)旋转连接在外管内部，且与驱动装置(126)旋转轴固接，所述螺母(124)和丝杠(125)构成螺旋移动副，从而实现伸缩杆(121)相对于外管(123)的主动移动。

2.根据权利要求1所述的球坐标型五自由度混联机器人，其特征在于：所述第一铰链(13)还可以采用具有两个转动自由度的铰链替代，且两个转动自由度的转动轴线不共线但相交于一点，且其中的一个转动轴线与连接所述第一主动伸缩腿(12)和转轴(11)的转动轴线平行。

3.根据权利要求1或2所述的球坐标型五自由度混联机器人，其特征在于：所述第三铰链(33)还可以采用具有一个转动自由度的铰链替代，连接所述第三主动伸缩腿(32)和动平台(2)的转动轴线与连接所述连接件与第三主动伸缩腿(32)的转动轴线相互平行。

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