專利名稱：四自由度全解耦線性傳動柱坐標式機械手的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種四自由度全解耦線性傳動柱坐標式機械手，應用于 工業(yè)自動化生產線上，起提拿移運物件的作用。
背景技術：
在工業(yè)生產中，機械手是一種能自動化定位控制并可重新編制程序以變 動的多功能機器，它有多個自由度，可用來搬運物體以完成在各種不同環(huán)境 中的工作。已有技術中的機械手通常采用開式鏈傳動的結構形式，主要存在 以下兩處欠缺 一是第一關節(jié)的運動參數(shù)會影響到第二關節(jié)的運動參數(shù)，第 三關節(jié)的運動參數(shù)受第一、第二關節(jié)的影響，依此類推。很顯然，由于其是 一種耦合方式，因而不利于控制，且任一驅動源的運動精度都會以不同的可 變的影響因子影響到各級輸出，從而使輸出運動的精度降低。因為，當機械 手有n個(無數(shù)個)運動自由度輸出時，相應地有ii個(無數(shù)個)驅動源(Si)，
若用公式表示則為i=l， 2, 3……n;而機械手的輸出運動方程為X產f; ， S2 , S3……Sn)。在開式鏈的手關節(jié)式機械手中，若以&表示驅動源的參數(shù)， 以&表示第一關節(jié)運動參數(shù)，那么，方程式為X產A (Si )， x2=f2(S2 ， Xl)。
二是由于驅動源逐級安裝在開式鏈的各級桿件上，因增加了桿件的質量而造
成運動慣性，導致動力學特性差。
發(fā)明內容
本實用新型的任務是要提供一種驅動源輸出運動精度高，結構簡單、桿 件運動慣性小，運動穩(wěn)定、動力學特性好的四自由度全解耦線性傳動柱坐標 式機械手。
本實用新型的任務是這樣來完成的， 一種四自由度全解耦線性傳動柱坐 標式機械手，它包括具有一縱臂和一橫臂并且縱、橫臂之間構成為直角坐標
關系的機架平臺，該機架平臺借助于橫臂固定于主軸上，主軸樞置在底座上; 一大齒輪，設在底座上；第一、第二、第三驅動電機，其中第一、第二驅 動電機設在縱臂上，并且第一驅動電機與所述的大齒輪相配合，第三驅動電機設在橫臂上； 一連桿機構，與第二、第三驅動電機聯(lián)結； 一隨動機構，設 在橫臂上，并且與連桿機構聯(lián)結； 一機械爪，與隨動機構聯(lián)結。
在本實用新型的一個具體的實施例中，所述的第一驅動電機的電機軸上 固設有一小齒輪，小齒輪與大齒輪嚙合，第二驅動電機的第一輸出軸為螺桿 軸，其上配設有一縱向滑塊，并且該縱向滑塊與縱臂滑動配合，第三驅動電 機的第二輸出軸為螺桿軸，其上配設有一橫向滑塊，并且該橫向滑塊與橫臂 滑動配合，所述的連桿機構與縱、橫向滑塊聯(lián)結；所述的連桿機構包括第一、 第二、第三、第四連桿，第一連桿的一端由第一鉸接軸與所述的縱向滑塊鉸 接；另一端通過第二鉸接軸與第四連桿的一端鉸接，第四連桿的另一端與聯(lián) 結有機械爪的隨動機構聯(lián)結，第二連桿的一端通過第三鉸接軸與第一連桿鉸 接，另一端通過第四鉸接軸與橫向滑塊鉸接，第三連桿的一端通過第五鉸接 軸與第四連桿鉸接，另一端鉸接在所述的第四鉸接軸上。
在本實用新型的另一個具體的實施例中，所述的縱臂上開設有縱向滑塊 槽，所述的縱向滑塊與縱向滑塊槽滑動配合。
在本實用新型的還一個具體實施例中，所述的橫臂上開設有橫向滑塊 槽，所述的橫向滑塊與橫向滑塊槽滑動配合。
在本實用新型的又一個具體的實施例中，所述的第二、第三鉸接軸之間 的距離與所述的第四、第五鉸接軸之間的距離相等，并且，第三、第四鉸接 軸之間的距離與第二、第五鉸接軸之間的距離相等。
在本實用新型的再一個具體的實施例中，所述的第一、第二、第三驅動 電機為步進電機。
在本實用新型的更而一個具體的實施例中，所述的隨動機構包括第四驅 動電機、第一、第二、第三傳動帶輪、第一傳動帶、隨動連桿、第二傳動帶、 第四傳動帶輪、連結桿，第四驅動電機設在橫臂上，第一傳動帶輪固設在第 四驅動電機的動力輸出軸上，第二、第三傳動帶輪并列地固設在第一傳動帶 輪軸上，第一傳動帶輪軸以懸臂的形態(tài)地樞置在隨動連桿的上端部，第一傳 動帶套置在第一、第二傳動帶輪上，第二傳動帶的一端套置在第三傳動帶輪 上，另一端套置在第四傳動帶輪上，第四傳動帶輪固設在第二傳動帶輪軸的 中部，第二傳動帶輪軸的一端樞置在第四連桿的下端，另一端樞置在隨動連桿的下端，連結桿的兩端分別樞置在動力輸出軸、第一傳動帶輪軸上，所述 的機械爪固設在第二傳動帶輪軸的任意一端。
在本實用新型的進而一個具體的實施例中，所述的第一、第二、第三、 第四傳動帶輪為彼此直徑相等、齒數(shù)相同的同步帶輪。
在本實用新型的又更而一個具體的實施例中，所述的第一、第二傳動帶 為同步帶。
在本實用新型的又進而一個具體的實施例中，所述的第四驅動電機為步 進電機。
本實用新型由于將作為驅動源的第一、第二、第三驅動電機以及將隨動 機構均以機架平臺為載體而設置，從而使連桿機構的各連桿的重量輕，運動 慣性小，能確保連桿運動的平穩(wěn)，藉以獲得理想的動力學特性；第一驅動電 機與大齒輪的配合能使機架平臺轉動，而第二、第三驅動電機在分別使連桿 機構實現(xiàn)徑向、軸向運動，進而通過與連桿機架聯(lián)結的隨動機構帶動聯(lián)結于 隨動機構上的機械爪作徑向、軸向移動，因此由第一、第二、第三驅動電機 使機械爪實現(xiàn)定位運動，由隨動機構單獨設機械爪實現(xiàn)擺動即取向運動。由 于各驅動電機的運動量與機械爪的相應運動量均構成為簡單的線性關系，從 而不僅簡化了結構，而且使各驅動電機的輸出運動精度得以保障。

附圖為本實用新型的一實施例結構圖具體實施方式
請見附圖，給出了由一縱臂ll和一橫臂ll、 12之間構成為直角(卯° ) 坐標關系的機架平臺1，從而使機架平臺1的整體形狀大體上呈L形。機架 平臺1通過其橫臂12固定在主軸2的上端端面上，而主軸2的下端通過軸承 22樞置于底座21上，軸承22可以有一個，也可以有一對，本實施例來用一 對，置于底座21上所加工出的軸承孔中或稱底座內孔中。在使用現(xiàn)場，底座 21與地坪固定，在底座21的偏上部固設大齒輪3。
第一、第二、第三驅動電機4、 5、 6各為步進電機，其中，第一驅動電 機4固置在機架平臺1的縱臂11的背面偏下方，作為其動力輸出軸的電機軸 41上固設有小齒輪411，該小齒輪411與大齒輪3相嚙合。當?shù)谝或寗与?機接受指令工作，其電機軸41轉動一定角度時，便可使小齒輪411在大齒輪 3上產生公轉和自轉，由公轉帶動整個機架平臺1繞主軸2的軸心產生由圖中 以第一箭頭10a示意的轉角，申請人將該轉角定義定4)轉角，由于隨動機構9 是聯(lián)結在機架平臺1的橫臂12上的，還由于機械爪7是聯(lián)結在隨動機構9上 的，因此，當機架平臺1繞主軸2的軸心產生4)轉角時，機械爪7也相應運 動。4)轉角與第一驅動電機4的轉角成線性關系，且與第二、第三驅動電機5、 6的運動量無關。第二驅動電機5固設在機架平臺1的縱臂11的正面偏上方， 其第一輸出軸51為螺桿軸(也稱絲杠)，在第一輸出軸51上螺紋配設縱向滑 塊511，縱向滑塊511滑配在縱臂11上所開設的形狀優(yōu)選為燕尾形的縱向滑 塊槽111上。當?shù)诙寗与姍C5接受指令工作，其第一輸出軸51旋轉，從而 使縱向滑塊511沿縱向滑塊槽111作圓柱坐標軸線運動，即作由圖中以第二 箭頭10b示意的方向運動，申請人將該運動方向定義為Z方向。第二驅動電 機5的轉動量可根據第一輸出軸51 (螺桿軸)的螺紋螺距線性地轉換為縱向 滑塊511的移動量。第三驅動電機6安裝在機架平臺1橫臂12的尾端部，即 靠近于縱臂11的一端端部，其第二輸出軸61同樣為螺桿軸(也稱絲杠)，在 第二輸出軸61上螺紋配設橫向滑塊611，橫向滑塊611滑配在橫臂12上所開 設的形狀同樣優(yōu)選為燕尾形的橫向滑塊槽121上。當?shù)谌寗与姍C6接受指 令工作，其第二輸出軸61旋轉，從而使橫向滑塊611沿橫向滑塊槽121圓柱 坐標半徑方向的移動，即作由圖中以第三箭頭10C示意的方向移動，申請人 將該方向定義為半徑R方向。第三驅動電機6的移動量可根據第二輸出軸61 (螺桿軸)的螺紋螺距線性地轉換為橫向滑塊611的移動量。為了使縱向滑 塊511的垂直移動單獨而且線性地造成對機械爪7的爪掌71的垂直移動，以 及為了使橫向滑塊611的徑向移動單獨而且線性地造成對機械爪7的爪掌71 的徑向移動，因此，將縱、橫向滑塊511、 611分別與連桿機構8聯(lián)結。
請繼續(xù)見附圖，連桿機構8包括第一、第二、第三、第四連桿81、 82、 83、 84，其中第一連桿81的一端通過第一鉸接軸811與縱向滑塊511鉸接， 另一端通過第二鉸接軸812與第四連桿84的一端鉸接，第四連桿84的另一 端與隨動機構9聯(lián)結，第二連桿82的一端通過第三鉸接軸821與第一連桿81 的近中部鉸接，另一端通過第四鉸接軸822與橫向滑塊611鉸接，第三連桿83的一端通過第五鉸接軸831與第四連桿84的近中部鉸接，另一端鉸接在第 四鉸接軸822上。為了便于說明，申請人將第一、第二、第三、第四、第五 鉸接軸811、 812、 821、 822、 831與相應的連桿實現(xiàn)鉸接的鉸接點分別定義 為A、 D、 B、 C、 E以及將第四連桿84與隨動機構9的聯(lián)結點即與下面還要 提及的第二傳動帶輪軸981相聯(lián)結的聯(lián)結點(鉸接點)定義為F，那么BD的 長度等于CE， BC的長度等于DE，且CE/AB等于EF/BC等于K (K表示 比例系數(shù))。同時對第一連桿81而言，A、 B和D點在一條直線上；對第四 連桿84而言，D、 E和F在一條直線上。有了這種特殊的幾何尺寸關系，當 縱向滑塊511作垂直方向移動時，F(xiàn)點也以K為比例作垂直方向移動；當橫 向滑塊611作徑向(向徑方向)移動時，F(xiàn)點也以K為比例作徑向(向徑方 向)移動。因此，在任一位置，A、 C和F始終在一條直線上。由此，第二 驅動電5單獨線性驅動F點作垂直運動，第三驅動電機6單獨線性驅動F點 作徑向(向徑方向)運動。
綜上所述，由于每個自由度的運動都只與各自的驅動電機有關而與其它 驅動電機無關，因而第一、第二、第三箭頭10a、 10b、 10c的運動都是相應 獨立的，彼此之間沒有影響，即所謂的全解耦。同時，三個方向的各自的運 動位移與各自的驅動電機的輸出成正比例關系，也就是受力和運動之間的關 系十分簡單，且第一、第二、第三驅動電機4、 5、 6都安裝在機架平臺1上 而并否象現(xiàn)有技術那樣安裝在各級連桿上，因而動力學特性優(yōu)異。
仍請見附圖，本實用新型所推薦的隨動機構9的第四驅動電機91同樣采 用步進電機，安裝在電機座912上，電機座912設在機架平臺1的橫臂12上， 并且居于橫臂12的前端即圖示位置狀態(tài)的右端，第四驅動電機9的動力輸出 軸911上固設第一傳動帶輪92，第一傳動帶輪92上套置第一傳動帶93的一 端，而第一傳動帶93的另一端套置到固設于第一傳動帶輪軸941上的第二傳 動帶輪94上，在第一傳動帶輪軸941上還固設有一第三傳動帶輪95。第一傳 動帶輪軸941上以懸臂形狀地樞置在隨動連桿96的上端，而隨動連桿96的 下端樞置在第二傳動帶輪軸981的一端，第二傳動帶輪軸981的另一端樞置 在連桿機構8的第四連桿84的下端，第二傳動帶輪軸981的中部固設第四傳 動帶輪98,第四傳動帶輪98上套置第二傳動帶97的一端，第二傳動帶97的另一端套設在第三傳動帶輪95上。優(yōu)選地，將第一、第二、第三、第四傳 動帶輪92、 94、 95、 98擇用同步帶輪；將第一、第二傳動帶93、 97擇用同 步帶，連結板99的兩端分別樞置在動力輸出軸911和第一傳動帶輪軸941上。 在本實施例中，申請人將機械爪7通過其爪掌71固設在了圖示狀態(tài)的第二傳 動帶輪軸981的右端，如果將其設置到即聯(lián)結到第二傳動帶輪軸981的左端 則同樣是可以的。
申請人將動力輸出軸911的軸心定義為G點和將第一傳動帶輪軸841的 軸心定義為H點以及將第二傳動帶輪軸981的軸心定義為F點。雖然自G點 至H點以及自H點至F點的長度距離無特殊要求，但G、 H和F處的各傳動帶 輪的直徑應保持一致，也就是說，設在動力輸出軸911上的第一傳動帶輪92 和設在第一傳動帶輪軸941上的第二、第三傳動帶輪94、 95以及設在第二傳 動帶輪軸981上的第四傳動帶輪98的直徑相同。當?shù)谒尿寗与姍C91接受指 令而工作時，便可單獨地以線性方式驅動機械爪7發(fā)生圖中以第四箭頭10d 示意的方向上下擺動，申請人將該擺動方向定義為a方向。當F點作垂直方 向或徑向移動時，如果第四驅動電機91不轉動，那么機械爪7始終不會轉動。
由上述描述可知，在本實用新型的技術方案中，首先采用了第一、第二、 第三驅動電機4、 5、 6實現(xiàn)機械爪的定位運動，因為機械爪7是通過其爪掌 71聯(lián)在第二傳動帶輪軸981上的，而第二傳動帶輪軸981又是聯(lián)結在第四連 桿84上的。因此，第一驅動電機6單獨驅動機架平臺1轉動，從而使機械爪 7繞圓柱軸線轉動，根據行星齒輪機構的計算方式可得到機械爪7的相應的轉 動量線性比例系數(shù)。第二驅動電機5和第三驅動電機6通過連桿機構8分別 單獨驅動聯(lián)結機械爪7的F點即第二傳動帶輪軸981作垂直和水平徑向移動， 移動量線性比例系數(shù)K=CE/AB。進一步采用第四驅動電機91通過由隨動連 桿96和第一、第二、第三、第四傳動帶輪92、 94、 95、 98及第一、第二傳 動帶93、 97的作用，即通過隨動機構9的獨立作用實現(xiàn)F點的取向運動。這 種做法實現(xiàn)了全解耦和線性傳動，從而方便了控制，保證了運動精度，且結 構簡單。同時，機械爪7的自重小，運動慣性小、運動穩(wěn)定、且偏差小，動 力學性能好。
權利要求1、一種四自由度全解耦線性傳動柱坐標式機械手，其特征在于它包括具有一縱臂(11)和一橫臂(12)并且縱、橫臂(11、12)之間構成為直角坐標關系的機架平臺(1)，該機架平臺(1)借助于橫臂固定于主軸(2)上，主軸(2)樞置在底座(21)上；一大齒輪(3)，設在底座(21)上；第一、第二、第三驅動電機(4、5、6)，其中第一、第二驅動電機(4、5)設在縱臂(11)上，并且第一驅動電機(4)與所述的大齒輪(3)相配合，第三驅動電機(6)設在橫臂(12)上；一連桿機構(8)，與第二、第三驅動電機(5、6)聯(lián)結；一隨動機構(9)，設在橫臂(12)上，并且與連桿機構(8)聯(lián)結；一機械爪(7)，與隨動機構(9)聯(lián)結。
2、 根據權利要求1所述的四自由度全解耦線性傳動柱坐標式機械手， 其特征在于所述的第一驅動電機(4)的電機軸(41)上固設有一小齒輪(411)，小 齒輪(411)與大齒輪(3)嚙合，第二驅動電機(5)的第一輸出軸(51)為螺桿軸，其 上配設有一縱向滑塊(511)，并且該縱向滑塊(511)與縱臂(11)滑動配合，第三 驅動電機(6)的第二輸出軸(61)為螺桿軸，其上配設有一橫向滑塊(611)，并且 該橫向滑塊(611)與橫臂(12)滑動配合，所述的連桿機構(8)與縱、橫向滑塊 (511、 611)聯(lián)結；所述的連桿機構(8)包括第一、第二、第三、第四連桿(81、 82、 83、 84),第一連桿(81)的一端由第一鉸接軸(811)與所述的縱向滑塊(511) 鉸接；另一端通過第二鉸接軸(812)與第四連桿(84)的一端鉸接，第四連桿(84) 的另一端與聯(lián)結有機械爪(7)的隨動機構(9)聯(lián)結，第二連桿(82)的一端通過第 三鉸接軸(821)與第一連桿(81)鉸接，另一端通過第四鉸接軸(822)與橫向滑塊 (611)鉸接，第三連桿(83)的一端通過第五鉸接軸(831)與第四連桿(84)鉸接， 另一端鉸接在所述的第四鉸接軸(822)上。
3、 根據權利要求2所述的四自由度全解耦線性傳動柱坐標式機械手， 其特征在于所述的縱臂(ll)上開設有縱向滑塊銜m)，所述的縱向滑塊(511) 與縱向滑塊槽(lll)滑動配合。
4、 根據權利要求2所述的四自由度全解耦線性傳動柱坐標式機械手， 其特征在于所述的橫臂(12)上開設有橫向滑塊槽(121)，所述的橫向滑塊(611)與橫向滑塊槽(121)滑動配合。
5、 根據權利要求2所述的四自由度全解耦線性傳動柱坐標式機械手， 其特征在于所述的第二、第三鉸接軸(812、 821)之間的距離與所述的第四、 第五鉸接軸(822、 831)之間的距離相等，并且，第三、第四鉸接軸(821、 822) 之間的距離與第二、第五鉸接軸(812、 831)之間的距離相等。
6、 根據權利要求1或2所述的四自由度全解耦線性傳動柱坐標式機械 手，其特征在于所述的第一、第二、第三驅動電機(4、 5、 6)為步進電機。
7、 根據權利要求2所述的四自由度全解耦線性傳動柱坐標式機械手， 其特征在于所述的隨動機構9包括第四驅動電機(91)、第一、第二、第三傳 動帶輪(92、 94、 95)、第一傳動帶(93)、隨動連桿(96)、第二傳動帶(97)、第 四傳動帶輪(98)、連結桿(99)，第四驅動電機(91)設在橫臂(12)上，第一傳動 帶輪(92)固設在第四驅動電機(91)的動力輸出軸(911)上，第二、第三傳動帶 輪(94、 95)并列地固設在第一傳動帶輪軸(941)上，第一傳動帶輪軸(941)以懸 臂的形態(tài)地樞置在隨動連桿(96)的上端部，第一傳動帶(93)套置在第一、第二 傳動帶輪(92、 94)上，第二傳動帶(97)的一端套置在第三傳動帶輪(95)上，另 一端套置在第四傳動帶輪(98)上，第四傳動帶輪(98)固設在第二傳動帶輪軸 (981)的中部，第二傳動帶輪軸(981)的一端樞置在第四連桿(84)的下端，另一 端樞置在隨動連桿(96)的下端，連結桿(99)的兩端分別樞置在動力輸出軸 (911)、第一傳動帶輪軸(941)上，所述的機械爪(7)固設在第二傳動帶輪軸(981) 的任意一端。
8、 根據權利要求7所述的四自由度全解耦線性傳動柱坐標式機械手， 其特征在于所述的第一、第二、第三、第四傳動帶輪(92、 94、 95、 98)為彼 此直徑相等、齒數(shù)相同的同步帶輪。
9、 根據權利要求7所述的四自由度全解耦線性傳動柱坐標式機械手， 其特征在于所述的第一、第二傳動帶(93、 97)為同步帶。
10、 根據權利要求7所述的四自由度全解耦線性傳動柱坐標式機械手， 其特征在于所述的第四驅動電機(91)為步進電機。
專利摘要一種四自由度全解耦線性傳動柱坐標式機械手，應用于工業(yè)自動化生產線上，起提拿移運物件的作用。它包括具有一縱臂和一橫臂并且縱、橫臂之間構成為直角坐標關系的機架平臺，該機架平臺借助于橫臂固定于主軸上，主軸樞置在底座上；一大齒輪，設在底座上；第一、第二、第三驅動電機，其中第一、第二驅動電機設在縱臂上，并且第一驅動電機與所述的大齒輪相配合，第三驅動電機設在橫臂上；一連桿機構，與第二、第三驅動電機聯(lián)結；一隨動機構，設在橫臂上，并且與連桿機構聯(lián)結；一機械爪，與隨動機構聯(lián)結。優(yōu)點能確保連桿運動的平穩(wěn)，藉以獲得理想的動力學特性；簡化了結構，使各驅動電機的輸出運動精度得以保障。
文檔編號B25J19/00GK201143680SQ20082003146
公開日2008年11月5日 申請日期2008年1月25日 優(yōu)先權日2008年1月25日
發(fā)明者沈世德, 胡朝斌 申請人:常熟理工學院