一種六自由度混聯(lián)機(jī)器人的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型涉及一種六自由度混聯(lián)機(jī)器人?；炻?lián)機(jī)構(gòu)的組合形式是多樣的，其中一種就是將兩個(gè)或若干少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)以串聯(lián)的形式連接，形成具有多個(gè)自由度的新型機(jī)構(gòu)。該類(lèi)混聯(lián)機(jī)構(gòu)不僅具有相對(duì)較大的工作空間，而且機(jī)構(gòu)慣性較小，運(yùn)動(dòng)學(xué)簡(jiǎn)單易于控制，集成了串、并聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又彌補(bǔ)了串、并聯(lián)機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)。研究混聯(lián)機(jī)構(gòu)將進(jìn)一步推動(dòng)新型工業(yè)機(jī)器人的創(chuàng)新與發(fā)展。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
-種六自由度混聯(lián)機(jī)器人
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型設(shè)及一種六自由度混聯(lián)機(jī)器人，尤其是一種由兩類(lèi)少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu) 混聯(lián)而成的六自由度機(jī)器人。
【背景技術(shù)】
[0002] 六自由度機(jī)器人因其在工程應(yīng)用中具有通用性而備受關(guān)注，主要分為串聯(lián)式、并 聯(lián)式和混聯(lián)式=種型式。
[0003] 典型的串聯(lián)機(jī)構(gòu)為六自由度旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)(6財(cái)幾器人），該類(lèi)機(jī)構(gòu)通常由若干連桿 和關(guān)節(jié)順次連接而成，因而其運(yùn)動(dòng)學(xué)方程很容易由D-H參數(shù)法迅速建立和求解；另外，通過(guò) 優(yōu)化設(shè)計(jì)各個(gè)連桿的參數(shù)很容易使機(jī)構(gòu)末端獲得很大的工作空間；隨著技術(shù)的進(jìn)步，該類(lèi) 機(jī)構(gòu)的承載能力W及速度和精度已經(jīng)提升到較高的水平，在汽車(chē)焊接與噴漆、產(chǎn)品搬運(yùn)與 包裝等生產(chǎn)線上發(fā)揮著極其重要的作用，是目前應(yīng)用最為廣泛的工業(yè)機(jī)器人。
[0004] 六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的典型結(jié)構(gòu)為六支鏈的Stewart平臺(tái)，該并聯(lián)機(jī)構(gòu)由動(dòng)靜平臺(tái) W及連接動(dòng)靜平臺(tái)的六條相同的支鏈構(gòu)成，動(dòng)平臺(tái)在六條支鏈的驅(qū)動(dòng)下具有六個(gè)自由度， 可W實(shí)現(xiàn)各類(lèi)復(fù)雜位姿的調(diào)整，并且動(dòng)平臺(tái)具有較高的負(fù)載能力，主要被用作汽車(chē)和飛行 器等的運(yùn)動(dòng)模擬器。
[0005] 串聯(lián)機(jī)構(gòu)和并聯(lián)機(jī)構(gòu)都具有各自突出的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)又存在各自的缺點(diǎn)。串聯(lián)機(jī) 構(gòu)由于連桿和驅(qū)動(dòng)等的疊加，導(dǎo)致機(jī)構(gòu)慣量比較大，限制了其速度進(jìn)一步的提升;并聯(lián)機(jī)構(gòu) 由于其構(gòu)型特點(diǎn)導(dǎo)致工作空間較小，成為限制其推廣的主要因素;其次，并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)及 動(dòng)力學(xué)方程往往存在不同程度的禪合，進(jìn)一步增加了運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)難度。
[0006] 故，需要一種新的技術(shù)方案W解決上述問(wèn)題 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007] 本實(shí)用新型的目的是在于提供一種新的六自由度機(jī)器人，具有工作空間大、動(dòng)力 學(xué)模型簡(jiǎn)單且易于控制的優(yōu)點(diǎn)。
[000引本實(shí)用新型新型混聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成如下：
[0009] -種六自由度混聯(lián)機(jī)器人，包括過(guò)渡平臺(tái)、連接過(guò)渡平臺(tái)一面的=個(gè)傳動(dòng)支鏈、一 一對(duì)應(yīng)=個(gè)傳動(dòng)支鏈的=個(gè)直線驅(qū)動(dòng)部件、連接過(guò)渡平臺(tái)另一面的=個(gè)弧形主動(dòng)連桿、連 接=個(gè)弧形主動(dòng)連桿的=個(gè)弧形從動(dòng)連桿、驅(qū)動(dòng)弧形主動(dòng)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)的=個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置、連接 從動(dòng)連桿的動(dòng)平臺(tái)；所述每個(gè)傳動(dòng)支鏈的一端分別安裝在對(duì)應(yīng)直線驅(qū)動(dòng)部件上并在直線驅(qū) 動(dòng)部件的驅(qū)動(dòng)下沿直線運(yùn)動(dòng)，而每個(gè)傳動(dòng)支鏈的另一端連接于過(guò)渡平臺(tái)一面上;所述的弧 形主動(dòng)連桿的一端安裝在過(guò)渡平臺(tái)上，而每個(gè)弧形主動(dòng)連桿的另一端連接于一一對(duì)應(yīng)的弧 形從動(dòng)連桿上，弧形從動(dòng)連桿的另一端連接于動(dòng)平臺(tái)。
[0010] 相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型中將兩種少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)通過(guò)串聯(lián)的形式進(jìn)行拼 裝而得到一種混聯(lián)六自由度機(jī)器人，根據(jù)兩類(lèi)少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由度性質(zhì)易知，機(jī)構(gòu) 末端的空間位置完全由一種=自由度移動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)獨(dú)立控制，空間姿態(tài)完全由一種=自 由度轉(zhuǎn)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)獨(dú)立控制，即平動(dòng)自由度與轉(zhuǎn)動(dòng)自由度互不影響，相輔相成，使該混聯(lián) 的六自由度機(jī)器人工作空間大、機(jī)構(gòu)末端位置和姿態(tài)解禪、動(dòng)力學(xué)模型簡(jiǎn)單且易于控制，而 且其動(dòng)作頻率能滿(mǎn)足電子組裝時(shí)快速重復(fù)動(dòng)作的要求。
【附圖說(shuō)明】
[0011] 圖1為本實(shí)用新型新型混聯(lián)機(jī)構(gòu)的立體圖；
[0012] 圖2為本實(shí)用新型的一種S自由度轉(zhuǎn)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)的立體圖；
[0013] 圖3為一種=自由度轉(zhuǎn)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)的單條傳動(dòng)支鏈?zhǔn)疽鈭D。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 請(qǐng)參閱圖1及圖2所示，本實(shí)用新型公開(kāi)一種六自由度混聯(lián)機(jī)器人，包括過(guò)渡平臺(tái) 1、連接過(guò)渡平臺(tái)的=個(gè)傳動(dòng)支鏈2、一一對(duì)應(yīng)=個(gè)傳動(dòng)支鏈2的=個(gè)直線驅(qū)動(dòng)部件3、連接過(guò) 渡平臺(tái)1的=個(gè)弧形主動(dòng)連桿4、連接=個(gè)弧形主動(dòng)連桿4的=個(gè)弧形從動(dòng)連桿5、驅(qū)動(dòng)弧形 主動(dòng)連桿4轉(zhuǎn)動(dòng)的=個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置6、動(dòng)平臺(tái)7;所述=個(gè)弧形從動(dòng)連桿5均連接在該動(dòng)平臺(tái)7 上。其中，=個(gè)傳動(dòng)支鏈2及=個(gè)直線驅(qū)動(dòng)部件3為一個(gè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，而=個(gè)弧形主動(dòng)連桿4、= 個(gè)弧形從動(dòng)連桿5、=個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置6形成另一個(gè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，該兩個(gè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的混聯(lián)即形成該 六自由度混聯(lián)機(jī)器人。所述過(guò)渡平臺(tái)1位于傳動(dòng)支鏈2與弧形主動(dòng)連桿4之間的位置。所述每 個(gè)傳動(dòng)支鏈2的一端分別安裝在對(duì)應(yīng)直線驅(qū)動(dòng)部件3上并在直線驅(qū)動(dòng)部件3的驅(qū)動(dòng)下沿直線 運(yùn)動(dòng)，而每個(gè)傳動(dòng)支鏈2的另一端連接于過(guò)渡平臺(tái)1上。進(jìn)一步的，所述直線驅(qū)動(dòng)部件3上設(shè) 有直線運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)塊31。所述每個(gè)傳動(dòng)支鏈2包含一個(gè)主動(dòng)桿件21及一個(gè)從動(dòng)桿件22。所述 主動(dòng)桿件21的一端連接在所述移動(dòng)塊31上并且與該移動(dòng)塊31之間形成第一轉(zhuǎn)動(dòng)副23。所述 主動(dòng)桿件21與從動(dòng)桿件22連接處形成第二轉(zhuǎn)動(dòng)副24。所述從動(dòng)桿件22與過(guò)渡平臺(tái)1連接，且 從動(dòng)桿件22與過(guò)渡平臺(tái)1之間形成第=轉(zhuǎn)動(dòng)副25。且所述第一轉(zhuǎn)動(dòng)副23的軸線、第二轉(zhuǎn)動(dòng)副 24的軸線、第=轉(zhuǎn)動(dòng)副25的軸線均互相平行。在本實(shí)施方式中，所述直線驅(qū)動(dòng)部件3為由電 機(jī)驅(qū)動(dòng)的絲桿與沿著絲桿移動(dòng)的移動(dòng)塊31組成，從而形成移動(dòng)塊31的移動(dòng)，而在其他實(shí)施 方式中，采用如齒輪齒條、液壓、氣壓結(jié)構(gòu)等本領(lǐng)域常規(guī)的直線驅(qū)動(dòng)的方式均可W成為該直 線驅(qū)動(dòng)部件3,在此不再寶述。本實(shí)施方式中還設(shè)有機(jī)架8,所述=個(gè)直線驅(qū)動(dòng)部件3安裝在 機(jī)架8上。
[0015] 進(jìn)一步的，所述過(guò)渡平臺(tái)1上設(shè)有支架11，所述=個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置6安裝于支架11上，且 =個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置6與=個(gè)弧形主動(dòng)連桿4形成=個(gè)第四轉(zhuǎn)動(dòng)副41，該=個(gè)第四轉(zhuǎn)動(dòng)副41分別位 于同一個(gè)圓周的的=個(gè)=等分點(diǎn)。所述=個(gè)弧形主動(dòng)連桿4與=個(gè)弧形從動(dòng)連桿5連接處形 成=個(gè)第五轉(zhuǎn)動(dòng)副51;=個(gè)弧形從動(dòng)連桿5分別與動(dòng)平臺(tái)7的連接處形成=個(gè)第六轉(zhuǎn)動(dòng)副 71;所述=個(gè)第六轉(zhuǎn)動(dòng)副71分別位于同一圓周的=個(gè)=等分點(diǎn);所述=個(gè)第四轉(zhuǎn)動(dòng)副41、= 個(gè)第五轉(zhuǎn)動(dòng)副51及=個(gè)第六轉(zhuǎn)動(dòng)副71的共九條軸線始終相交于一點(diǎn)。為了避免干設(shè)，所述 主動(dòng)連桿4及從動(dòng)連桿5均為弧形，且弧形主動(dòng)連桿4位于弧形從動(dòng)連桿5形成的圓周范圍 內(nèi)，而所述=個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置6位于=個(gè)弧形主動(dòng)連桿4的內(nèi)側(cè)。
[0016] 其中，在本實(shí)用新型中，所述過(guò)渡平臺(tái)1的移動(dòng)由=個(gè)傳動(dòng)支鏈2及=個(gè)直線驅(qū)動(dòng) 部件3實(shí)現(xiàn)，形成第一層平動(dòng)自由度;而動(dòng)平臺(tái)7在第一層平動(dòng)自由度的基礎(chǔ)上，再由=個(gè)弧 形主動(dòng)連桿4、=個(gè)弧形從動(dòng)連桿5形成第二層轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。
[0017] 根據(jù)兩類(lèi)少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由度性質(zhì)易知，機(jī)構(gòu)末端(動(dòng)平臺(tái)）的空間位置完 全由一種=自由度移動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)獨(dú)立控制，空間姿態(tài)完全由一種=自由度轉(zhuǎn)動(dòng)的并聯(lián)機(jī) 構(gòu)獨(dú)立控制，即平動(dòng)自由度與轉(zhuǎn)動(dòng)自由度互不影響，相輔相成，二者混聯(lián)之后的機(jī)構(gòu)為一種 空間位置和姿態(tài)解禪的六自由度機(jī)器人。
[0018] 為了獲得混聯(lián)機(jī)構(gòu)的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，需要分別對(duì)兩類(lèi)少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的逆運(yùn)動(dòng) 學(xué)進(jìn)行研究。
[0019] 通過(guò)螺旋理論對(duì)一種=自由度移動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行自由度分析可知，該機(jī)構(gòu)的= 個(gè)移動(dòng)副分別獨(dú)立控制動(dòng)平臺(tái)的空間位置，即一種=自由度移動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方 程如下：
[0020]
CU
[0021] 其中，di、cb、d3分別表示；個(gè)移動(dòng)副的位移，[X y Z]嗦示動(dòng)平臺(tái)的位置坐標(biāo)。
[0022] 對(duì)于一種S自由度轉(zhuǎn)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，若WZ-Y-X歐拉角旋轉(zhuǎn)矩陣描述一種S自由 度轉(zhuǎn)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)的位姿，即：
[0023]
[0024] 則一種=自由度轉(zhuǎn)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解可由下式求得，即：
[0025]
[0026] (2)
[0027]
[0028] 其中，目1，目2，目3分別表示一種S自由度轉(zhuǎn)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)S個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)角。
[0029] 至此，混聯(lián)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)參數(shù)[di，d2，d3,目1，目2,目3]t與動(dòng)平臺(tái)末端位姿[x，y，z，a,0, 丫]T之間的映射關(guān)系已經(jīng)求得，即逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程已經(jīng)建立。根據(jù)式（1)和式(2)，通過(guò)控制驅(qū) 動(dòng)參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)平臺(tái)位姿的控制。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種六自由度混聯(lián)機(jī)器人，其特征在于:包括過(guò)渡平臺(tái)、連接過(guò)渡平臺(tái)一面的三個(gè)傳 動(dòng)支鏈、一一對(duì)應(yīng)三個(gè)傳動(dòng)支鏈的三個(gè)直線驅(qū)動(dòng)部件、連接過(guò)渡平臺(tái)另一面的三個(gè)弧形主 動(dòng)連桿、驅(qū)動(dòng)弧形主動(dòng)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)的三個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置、連接三個(gè)弧形主動(dòng)連桿的三個(gè)弧形從動(dòng) 連桿、連接弧形從動(dòng)連桿的動(dòng)平臺(tái)；所述三個(gè)從動(dòng)連桿均連接在該動(dòng)平臺(tái)上； 所述每個(gè)傳動(dòng)支鏈的一端分別安裝在對(duì)應(yīng)直線驅(qū)動(dòng)部件上并在直線驅(qū)動(dòng)部件的驅(qū)動(dòng) 下沿直線運(yùn)動(dòng)，而每個(gè)傳動(dòng)支鏈的另一端連接于過(guò)渡平臺(tái)一面上;所述的弧形主動(dòng)連桿的 一端安裝在過(guò)渡平臺(tái)另一面上，而每個(gè)弧形主動(dòng)連桿的另一端連接于一一對(duì)應(yīng)的弧形從動(dòng) 連桿上，弧形從動(dòng)連桿的另一端連接于動(dòng)平臺(tái)。2. 如權(quán)利要求1所述的六自由度混聯(lián)機(jī)器人，其特征在于:所述直線驅(qū)動(dòng)部件上設(shè)有直 線運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)塊;所述每個(gè)傳動(dòng)支鏈包含一個(gè)主動(dòng)桿件及一個(gè)從動(dòng)桿件;所述主動(dòng)桿件的 一端連接在所述移動(dòng)塊上并且與該移動(dòng)塊之間形成第一轉(zhuǎn)動(dòng)副，所述主動(dòng)桿件與從動(dòng)桿件 連接處形成第二轉(zhuǎn)動(dòng)副，所述從動(dòng)桿件與過(guò)渡平臺(tái)連接，且從動(dòng)桿件與過(guò)渡平臺(tái)之間形成 第三轉(zhuǎn)動(dòng)副，且所述第一轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線、第二轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線、第三轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線均互相平 行。3. 如權(quán)利要求1或2所述的六自由度混聯(lián)機(jī)器人，其特征在于:所述過(guò)渡平臺(tái)上設(shè)有支 架，所述三個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置安裝于支架上，且三個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置與三個(gè)弧形主動(dòng)連桿形成三個(gè)第四 轉(zhuǎn)動(dòng)副，該三個(gè)第四轉(zhuǎn)動(dòng)副分別位于同一個(gè)圓周的的三個(gè)三等分點(diǎn)；所述三個(gè)弧形主動(dòng)連 桿與三個(gè)弧形從動(dòng)連桿連接處形成三個(gè)第五轉(zhuǎn)動(dòng)副;三個(gè)弧形從動(dòng)連桿分別與動(dòng)平臺(tái)的連 接處形成三個(gè)第六轉(zhuǎn)動(dòng)副；所述三個(gè)第六轉(zhuǎn)動(dòng)副分別位于同一圓周的三個(gè)三等分點(diǎn)；所述 三個(gè)第四轉(zhuǎn)動(dòng)副、三個(gè)第五轉(zhuǎn)動(dòng)副及三個(gè)第六轉(zhuǎn)動(dòng)副的共九條軸線始終相交于一點(diǎn)。4. 如權(quán)利要求1或2所述的六自由度混聯(lián)機(jī)器人，其特征在于：弧形主動(dòng)連桿位于弧形 從動(dòng)連桿形成的圓周范圍內(nèi)。5. 如權(quán)利要求1或2所述的六自由度混聯(lián)機(jī)器人，其特征在于:所述過(guò)渡平臺(tái)位于傳動(dòng) 支鏈與弧形主動(dòng)連桿之間的位置。6. 如權(quán)利要求1或2所述的六自由度混聯(lián)機(jī)器人，其特征在于:還包括機(jī)架，所述三個(gè)直 線驅(qū)動(dòng)部件安裝在機(jī)架上。7. 如權(quán)利要求1或2所述的六自由度混聯(lián)機(jī)器人，其特征在于:所述三個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置位于 三個(gè)弧形主動(dòng)連桿的內(nèi)側(cè)。
【文檔編號(hào)】B25J9/00GK205521393SQ201620075494
【公開(kāi)日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年1月26日
【發(fā)明人】陳柏, 高踔, 吳志恒, 寇月陽(yáng), 繆群華
【申請(qǐng)人】南京航空航天大學(xué)