一种面向拾放操作的四自由度大工作空间并联机器人机构

摘要

本发明提供了一种面向拾放操作的四自由度大工作空间并联机器人机构，包括驱动主轴、至少三条平面平行四边形支链、升降连杆支链和末端执行器，所述末端执行器为曲杆，所述末端执行器包括位于其底端的执行部、第一转轴、第一横梁和第二转轴，第一横梁的两端分别与所述第一转轴的顶端、第二转轴的底端连接，所述第一转轴的底端与所述执行部连接，每条所述平面平行四边形支链的一端与所述驱动主轴固定连接。本发明的有益效果是：可实现机构整体和末端执行器的整周回转，大大增大了位置工作空间和末端执行器的旋转能力，末端执行器具有三平动一转动的自由度，一共四个自由度，满足一般拾放操作的需求，能够对被操作物体进行平面姿态的任意调整。

说明书

技术领域

本发明涉及并联机器人机构，尤其涉及一种面向拾放操作的四自由度大工作空间并联机器人机构。

背景技术

在轻工、食品、药品及电子产品的分拣、包装和封装自动化生产线上，需借助机械手来完成高速拾放操作（即快速地将目标物体从一个位置搬运到另一个位置，这两个位置可能存在高度上的差异）。这样的操作往往还会伴随着目标物体姿态上的变化。所以，针对于此类操作较为理想的机械手末端执行器应当具备四个自由度（三平动和拾放平面内的转动）。现有的执行此类操作的机械手有串并联之分。串联的机器人惯量大、速度慢、精度低，但工作空间大。并联机器人较之串联机器人有惯量小、速度大、精度高的优点。但传统的并联机器人工作空间相对较小。在近几年公开的专利中，提出了一些新型并联机器人克服这个缺点，但都很难完整的实现末端四自由度的运动能力。

美国专利US5000653、US6212968均涉及了一种名为SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm）的串联机器人。该类串联机器人的主动臂一端通过转动副与基座连接，主动臂的另一端通过转动副与从动臂的一段连接，两转动副的轴线平行，从而使主动臂与从动臂构成两自由度的平面关节串联机器人机构；从动臂的另一端安装有末端执行器，末端执行器相对于从动臂具有一个转动自由度和一个移动自由度，此处转动副的轴线与主动臂和从动臂的轴线平行，移动自由度的运动方向垂直于主、从动臂的运动平面。该机器人具有三平动一转的自由度。此类机器人可实现在运动平面内大范围的移动，并且可以实现整周的回转，但是，由于采用开环串联结构，各驱动装置直接安装于主动臂和从动臂的关节上，惯性较大，使得速度、刚度和精度都受到一定的限制。

中国专利CN101698300A公开了一种平面运动的大工作空间并联机器人机构，该机器人末端具有两平动和一个绕垂直于移动平面轴的转动自由度。该机器人机构采用驱动同轴布置，减小了基座的占地空间，同时实现了机器人机构的整周回转运动。三条支链分布在三个平行平面内，均为RRR（R表示旋转运动副，下划线表示驱动关节），即驱动为旋转副，主动臂与被动臂的连接，被动臂与末端执行器的连接也都是旋转副。通过末端执行器的特殊设计，使得末端执行器也可以实现整周回转运动。这种机器人机构的缺点是，支链均类似于外伸的悬臂梁结构，末端的承载能力不高；末端执行器只能实现平面运动，需要借助附加其它装置才能实现第三方向的移动能力，这个附加的装置会转化为末端固定负载，使得末端所能实现的拾放物体的承重能力下降。

中国专利CN101973030A公开的并联机器人机构也可实现整周回转。末端执行器不能实现旋转，不利于调整拾放物体的姿态。这类机器人机构也有两个或三个旋转驱动。下面两个驱动也为同轴布置。顶端的驱动可省略，若存在，水平放置固定在一个转体上，旋转轴线随着下面两个驱动的旋转而改变。该顶端驱动的主要功能是负责末端执行器的竖直运动能力。下面两支链可选形式：RPa*（Pa*表示通过四个球铰连接的平行四边形结构）或RUU（U表示虎克铰）。被动杆件采用Pa*或U连接的目的是使末端可以实现竖直方向的移动。顶端支链也可选形式：RRPa*或RRRR（有驱动），RRPa*或RRRR（无驱动）。所述的Pa*结构可在内部添加支撑部件。顶端支链有驱动的机器人机构末端具有三个平动自由度；顶端支链无驱动的机器人机构末端只有两个平动自由度。此类机器人要通过附加装置来实现末端的转动能力。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种面向拾放操作的四自由度大工作空间并联机器人机构。

本发明提供了一种面向拾放操作的四自由度大工作空间并联机器人机构，包括驱动主轴、至少三条平面平行四边形支链、升降连杆支链和末端执行器，其中，所述末端执行器为曲杆，所述末端执行器包括位于其底端的执行部、第一转轴、第一横梁和第二转轴，第一横梁的两端分别与所述第一转轴的顶端、第二转轴的底端连接，所述第一转轴的底端与所述执行部连接，每条所述平面平行四边形支链的一端与所述驱动主轴固定连接，第一条所述平面平行四边形支链的另一端与所述第一转轴通过竖直转动副连接，第二条所述平面平行四边形支链的另一端与所述第二转轴通过竖直转动副连接，第三条所述平面平行四边形支链的另一端与所述末端执行器通过竖直转动副连接，所述升降连杆支链的一端连接有水平旋转驱动关节，所述水平旋转驱动关节通过竖直转动副与所述驱动主轴连接，所述升降连杆支链的另一端通过水平转动副连接有升降执行器，所述升降执行器与所述末端执行器的顶端通过竖直转动副连接。

作为本发明的进一步改进，所述平面平行四边形支链有三条，所述末端执行器还包括第二横梁和第三转轴，所述第二横梁的两端分别与所述第二转轴的顶端、第三转轴的底端连接，所述第三转轴的顶端与所述升降执行器通过竖直转动副连接。

作为本发明的进一步改进，第三条所述平面平行四边形支链的一端与所述驱动主轴固定连接，第三条所述平面平行四边形支链的另一端与所述第三转轴通过竖直转动副连接。

作为本发明的进一步改进，所述第一转轴、第二转轴、第三转轴垂直于水平面，所述第一横梁、第二横梁平行于水平面。

作为本发明的进一步改进，所述平面平行四边形支链包括主动臂和被动臂，其中，所述主动臂的一端通过竖直旋转驱动关节与所述驱动主轴固定连接，所述主动臂的另一端通过竖直转动副与所述被动臂连接。

作为本发明的进一步改进，所述被动臂为平面平行四边形机构，所述被动臂包括二个长杆和二个短杆，其中一个所述长杆的两端分别与二个短杆的一端铰接，其中另一个所述长杆的两端分别与二个短杆的另一端铰接，其中一个所述短杆与所述主动臂的另一端通过竖直转动副连接，其中另一个所述短杆为H型短杆，所述H型短杆的端部与所述末端执行器通过竖直转动副连接。

作为本发明的进一步改进，所述竖直旋转驱动关节的旋转轴垂直于水平面。

作为本发明的进一步改进，所述平面平行四边形机构垂直于水平面。

作为本发明的进一步改进，所述水平旋转驱动关节通过竖直转体与所述驱动主轴旋转连接，所述驱动主轴垂直于水平面，所述水平旋转驱动关节的旋转轴平行于水平面，所述竖直转动副的旋转轴垂直于水平面，所述水平转动副的旋转轴平行于水平面。

作为本发明的进一步改进，所述升降连杆支链包括升降主动臂和升降被动臂，其中，所述升降主动臂的一端与所述水平旋转驱动关节连接，所述升降主动臂的另一端与所述升降被动臂的一端通过水平转动副连接，所述升降被动臂的另一端与所述升降执行器通过水平转动副连接。

本发明的有益效果是：通过上述方案，可实现机构整体和末端执行器的整周回转，大大增大了位置工作空间和末端执行器的旋转能力，末端执行器具有三平动一转动的自由度，一共四个自由度，满足一般拾放操作的需求，能够对被操作物体进行平面姿态的任意调整，可以广泛的应用于轻工、食品、药品和电子加工业的自动化生产线，作为全并联机器人机构，相对于串联机器人机构，有速度大、加速度大、惯量小、精度高和刚度高的优点。

附图说明

图1是本发明一种面向拾放操作的四自由度大工作空间并联机器人机构的结构示意图；

图2是本发明本发明一种面向拾放操作的四自由度大工作空间并联机器人机构的主视图；

图3是本发明一种面向拾放操作的四自由度大工作空间并联机器人机构的平面平行四边形机构的结构示意图；

图4是本发明一种面向拾放操作的四自由度大工作空间并联机器人机构的末端执行器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

图1至图4中的附图标号为：第一条平面平行四边形支链101；第二条平面平行四边形支链102；第三条平面平行四边形支链103；升降连杆支链104；竖直旋转驱动关节1；主动臂2；竖直转动副3；平面平行四边形机构4；短杆41、45；长杆43、47；铰链42、44、46、48；竖直转动副5；竖直转体6；水平旋转驱动关节7；升降主动臂8；水平转动副9；升降被动臂10；水平转动副11；升降执行器12；竖直转动副13；末端执行器14；执行部146；第一转轴145；第一横梁144；第二转轴143；第二横梁142；第三转轴141；驱动主轴15。

如图1至图4所示，本发明提出了一种新型的面向高速拾放操作的大工作空间并联机器人机构。该机器人可实现整周回转。其末端执行器14具有三平动一转动的自由度，该旋转自由度可实现整周回转。

如图1至图4所示，一种面向拾放操作的四自由度大工作空间并联机器人机构，包括驱动主轴15、至少三条结构相同的平面平行四边形支链（分别为第一条平面平行四边形支链101、第二条平面平行四边形支链102）、升降连杆支链104和末端执行器14，其中，所述末端执行器14为曲杆，所述末端执行器14包括位于其底端的执行部146、第一转轴145、第一横梁144和第二转轴143，第一横梁144的两端分别与所述第一转轴145的顶端、第二转轴143的底端连接，所述第一转轴145的底端与所述执行部146连接，第一条平面平行四边形支链101和第二条平面平行四边形支链102的一端与所述驱动主轴15固定连接，可通过所述驱动主轴15分别带动第一条平面平行四边形支链101和第二条平面平行四边形支链102转动，第一条所述平面平行四边形支链101的另一端与所述第一转轴145通过竖直转动副连接，第二条所述平面平行四边形支链102的另一端与所述第二转轴143通过竖直转动副连接，第三条所述平面平行四边形支链103的另一端与所述末端执行器14通过竖直转动副5连接，所述升降连杆支链104的一端连接有水平旋转驱动关节7，所述水平旋转驱动关节7通过竖直转动副与所述驱动主轴15连接，可通过所述水平旋转驱动关节7带动所述升降连杆支链104进行水平转动，所述升降连杆支链104的另一端通过水平转动副11连接有升降执行器12，所述升降执行器12与所述末端执行器14的顶端通过竖直转动副13连接。

如图1至图4所示，所述平面平行四边形支链有三条，具体包括第一条平面平行四边形支链101、第二条平面平行四边形支链102、第三条平面平行四边形支链103，所述末端执行器14还包括第二横梁142和第三转轴141，所述第二横梁142的两端分别与所述第二转轴143的顶端、第三转轴141的底端连接，所述第三转轴141的顶端与所述升降执行器12通过竖直转动副13连接。

如图1至图4所示，第三条所述平面平行四边形支链103的一端与所述驱动主轴15固定连接，第三条所述平面平行四边形支链103的另一端与所述第三转轴141通过竖直转动副5连接。

本发明提供的一种面向拾放操作的四自由度大工作空间并联机器人机构分为四条支链，其中三条相同为RRPaR（Pa表示平面平行四边形结构），即平面平行四边形支链，第四条支链为RRRRR结构，即升降连杆支链。

如图1至图4所示，所述第一转轴145、第二转轴143、第三转轴141垂直于水平面，所述第一横梁144、第二横梁142平行于水平面。

如图1至图4所示，所述平面平行四边形支链包括主动臂2和被动臂，其中，所述主动臂2的一端通过竖直旋转驱动关节1与所述驱动主轴15固定连接，所述主动臂2的另一端通过竖直转动副3与所述被动臂连接。

如图1至图4所示，所述被动臂为平面平行四边形机构4，所述被动臂包括二个长杆43、47和二个短杆41、45，其中一个所述长杆47的两端分别与二个短杆41、45的一端通过铰链46、48铰接，其中另一个所述长杆43的两端分别与二个短杆41、45的另一端通过铰链42、44铰接，其中一个所述短杆41与所述主动臂2的另一端通过竖直转动副3连接，其中另一个所述短杆45为H型短杆，所述H型短杆的端部与所述末端执行器14通过竖直转动副5连接。

如图1至图4所示，所述竖直旋转驱动关节1的旋转轴垂直于水平面。

如图1至图4所示，所述平面平行四边形机构4垂直于水平面。

如图1至图4所示，所述水平旋转驱动关节7通过竖直转体6与所述驱动主轴15旋转连接，所述驱动主轴15垂直于水平面，所述水平旋转驱动关节7的旋转轴平行于水平面，所述竖直转动副3、5、13的旋转轴垂直于水平面，所述水平转动副9、11的旋转轴平行于水平面。

如图1至图4所示，所述升降连杆支链104包括升降主动臂8和升降被动臂10，其中，所述升降主动臂8的一端与所述水平旋转驱动关节7连接，所述升降主动臂8的另一端与所述升降被动臂10的一端通过水平转动副9连接，所述升降被动臂10的另一端与所述升降执行器12通过水平转动副11连接。

本发明提供的一种面向拾放操作的四自由度大工作空间并联机器人机构，相同的三条平面平行四边形支链采用驱动主轴15同轴布置，所述平面平行四边形机构4只能产生平面内的变形，以此带来相对位置的变化。短杆45设计为类H型一端与两长杆43、47连接，另一端通过竖直旋转副5与末端执行器14连接。第四条升降连杆支链104置顶。水平旋转驱动关节7水平布置，固定在一个竖直转体6上，竖直转体6通过轴承与驱动主轴15连接，为末端执行器14的旋转提供空间。水平旋转驱动关节7的转动轴线不固定，随其余三个平面平行四边形支链的运动而改变，水平旋转驱动关节7的转动轴线保持水平，并垂直于驱动主轴15顶点与末端执行器14顶点的连线。升降主动臂8与升降被动臂10通过水平转动副9连接，被动臂10与升降执行器12也通过水平转动副13连接。由于平面平行四边形机构4的几何约束保证末端执行器14的竖直，因此升降执行器12保持水平状态。升降执行器12通过竖直转动副13与末端执行器14连接。该升降连杆支链104提高了机构整体的承载能力。末端执行器14如图4设计为曲杆形式，第二横梁142与第一横梁144可省略其中一个，但不能都省略（都省略机构末端执行器的旋转无法控制）。这样的设计避免了运动的干涉，可实现末端执行器14的整周回转。

本发明提供的一种面向拾放操作的四自由度大工作空间并联机器人机构，可实现机构整体和末端执行器14的整周回转，大大增大了位置工作空间和末端执行器14的旋转能力，末端执行器14具有三平动一转动的自由度，一共四个自由度，满足一般拾放操作的需求，能够对被操作物体进行平面姿态的任意调整，可以广泛的应用于轻工、食品、药品和电子加工业的自动化生产线，作为全并联机器人机构，相对于串联机器人机构，有速度大、加速度大、惯量小、精度高和刚度高的优点。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。