一种具有灵巧操作能力的六自由度并联机器人

摘要

本发明涉及一种具有灵巧操作能力的六自由度并联机器人，属于机器人设计领域，包括定平台、动平台、布置在所述定平台与动平台之间驱动动平台的多个支链；所述定平台上均匀间隔分布多个驱动装置，所述驱动装置与所述支链连接；所述动平台包括移动平台和转动万向平台；所述移动平台包括十字架、中心转轴、第一滑块、第二滑块、第一连杆、第二连杆、U型架；所述转动万向平台包括框架、万向平台、传动组件、末端执行器组件；其通过支链驱动移动平台和转动平台，来解决现有六自由度并联机器人转动操作能力有限的技术问题。

说明书

技术领域

本发明属于机器人设计领域，特别是涉及一种具有灵巧操作能力的六自由度并联机器人。

背景技术

并联机构通常包含动平台、定平台以及连接动平台与定平台的数条支链，具有刚度高、累积误差小、动态特性好等特点，因此广泛应用于食品医药、现代物流、电子信息等领域的自动化生产线上。在该领域内，最先实现应用的并联机构是Clavel提出的Delta机构。但单纯的Delta机构只具有空间平动的三个自由度，不能实现转动自由度。为此，Pierrot等提出了具有铰接动平台的H4、I4和Par4等类型的四自由度并联机构。其中，Par4型并联机构的铰接动平台为一平行四边形，通过增速机构将平行四边形两对边的相对运动转换为末端执行器的转动。由于Par4的整个动平台是通过转动副铰接而成的，使得Par4能实现高速的拾取操作，因此Par4也实现了产业应用，其商品型号为Adept Quattro机械手。但随着任务的多样化，拾取或装配操作越来越复杂，对机器人的灵巧操作能力提出了挑战。传统的少自由度并联机器人因末端运动自由度不足，如三自由度或四自由度并联机器人，难以满足复杂运动的要求。而一般的6自由度并联机构，如Stewart平台、Hexa并联机构等，虽然自由度满足要求，但转动角度有限，不具有灵巧的操作能力。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有灵巧操作能力的六自由度并联机器人，解决现有六自由度并联机器人转动操作能力有限的技术问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种具有灵巧操作能力的六自由度并联机器人，包括定平台、动平台、布置在所述定平台与动平台之间驱动动平台的多个支链；所述定平台上均匀间隔分布多个驱动装置，所述驱动装置与所述支链连接；

所述动平台包括移动平台和转动万向平台；

所述移动平台包括十字架、中心转轴、第一滑块、第二滑块、第一连杆、第二连杆、U型架；所述十字架由两根相互交叉第一杆体和第二杆体组成；所述第一杆体上对称设有2条滑轨槽，所述滑轨槽分别与第一滑块和第二滑块滑动连接，所述第一滑块和第二滑块分别与支链铰接；所述第二杆体两端分别与支链铰接；所述十字架和U型架中间开有供中心转轴穿过的中心孔；所述中心转轴上设有不共轴线的第一转动轴、第二转动轴、第三转动轴，所述第二转动轴与所述中心孔转动连接；所述第一连杆一端与所述第一滑块转动连接，另一端与所述第一转动轴连接；所述第二连杆一端与所述第二滑块转动连接，另一端与所述第三转动轴连接；所述U型架固定在所述十字架上；所述U型架上设有用于和支链连接的连接驱动组件，用于驱动所述转动万向平台；

所述转动万向平台包括框架、万向平台、传动组件、末端执行器组件；所述框架转动连接在所述U型架上并与所述连接驱动组件连接；所述传动组件设置在所述框架与所述万向平台之间，用于驱动所述万向平台；所述末端执行器组件包括依次连接的第一虎克铰、第一传动杆、第二传动杆、第二虎克铰和操作柄；所述末端执行器组件通过第一虎克铰与所述中心转轴连接；所述操作柄穿过所述万向平台并与其转动连接；所述第一传动杆与所述第二传动杆通过移动副连接。

进一步，所述传动组件包括框架转轴、第一锥齿轮、第二锥齿轮、水平杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆；

所述框架转轴一端固定有所述第一齿轮，另一端穿过所述框架与所述U型架上的连接驱动组件连接，所述框架转轴与框架转动连接；所述第一锥齿轮与所述第二锥齿轮垂直啮合，所述第二锥齿轮固定在所述水平杆上，所述水平杆与所述框架转轴垂直，所述水平杆的两端转动连接在所述框架上；所述第三连杆一端与所述万向平台转动连接，另一端与所述水平杆固定连接；所述第四连杆一端与所述万向平台转动连接，另一端与所述框架转动连接，所述第四连杆与所述第三连杆交叉布置形成第一反平行四边形机构；

所述第五连杆一端与所述万向平台转动连接，另一端与所述框架转动连接；所述第六连杆一端与所述万向平台转动连接，另一端与所述框架转动连接；所述第五连杆与所述第六连杆交叉布置形成第二反平行四边形机构；所述第一反平行四边形机构和第二反平行四边形机构尺寸完全相同，且对称布置在所述框架的两侧。

进一步，所述连接驱动组件包括设置在U型架两侧的滑轨；每条滑轨的两端均设有带轮，同侧的带轮通过同步带连接；一侧的带轮与所述框架固连，驱动框旋转；另一侧带轮与所述传动组件固连，驱动传动组件旋转；所述滑轨上连接有第三滑块，所述第三滑块与所述同步带的一侧固接，所述第三滑块上与所述支链铰接；驱动第三滑块沿滑轨运动，同步带跟随运动，从而带动带轮转动。

进一步，所述驱动装置设有6个，其中4个驱动装置对称布置在定平台上侧，另外2驱动装置对称布置在定平台底部；所述支链数量为6，每个支链与所述驱动装置连接；

所述支链为双杆支链，分别为第一双杆支链、第二双杆支链、第三双杆支链、第四双杆支链、第五双杆支链、第六双杆支链；所述双杆支链的结构相同，均包括第一驱动臂、下连接杆、连杆a、连杆b；所述第一驱动臂一端与所述驱动装置连接，另一端与所述下连接杆中心固接；所述下连接杆两端设有球接头；所述连杆a和连杆b结构相同，两端部均设有铰接孔；所述连杆a和连杆b同一端的铰接孔分别与所述下连接杆的两个球接头连接。

进一步，所述第一滑块、第二滑块、第三滑块的相对侧均设有与所述双杆支链相连的球接头；所述十字架的第二杆体两端也设有与所述双杆支链相连球接头；

所述第一滑块通过球接头与所述第一双杆支链铰接，所述第二滑块通过球接头与所述第三双杆支链铰接；所述十字架的第二杆体的两端通过球接头分别与第二双杆支链和第四双杆支链铰接；两个第三滑块通过球接头分别与所述第五双杆支链和第六双杆支链连接。

进一步，所述连接驱动组件包括设置在U型架两侧的两个曲柄传动机构，其中一个曲柄传动机构穿过所述U型架与框架固定连接，另一个曲柄传动机构穿过U型架后与所述传动组件连接；

两个所述曲柄传动机构均包括第一转轴和第二转轴，第一转轴和第二转轴通过垂直的杆连接形成“Z”型连杆机构；所述第二转轴上均设有两个万向铰。

进一步，所述驱动装置设有8个，其中4个驱动装置对称布置在定平台上侧，另外4个驱动装置对称布置在定平台底部；所述支链数量为8，每个支链与均所述驱动装置连接；

与所述定平台上侧的驱动装置连接的支链为双杆支链，包括第一双杆支链、第二双杆支链、第三双杆支链、第四双杆支链；所述双杆支链均包括第一驱动臂、下连接杆、连杆a、连杆b；所述第一驱动臂一端与所述驱动装置连接，另一端与所述下连接杆中心固接；所述下连接杆两端设有球接头；所述连杆a和连杆b结构相同，两端部均设有铰接孔；所述连杆a和连杆b的一端的铰接孔分别与所述下连接杆的两个球接头连接；

与所述定平台下侧的驱动装置连接的支链为单杆支链，包括第一单杆支链、第二单杆支链、第三单杆支链和第四单杆支链；所述单杆包括第二驱动臂，从动臂、第一万向关节、第二万向关节；所述驱动臂一端与所述驱动装置连接，另一端通过第一万向关节与从动臂连接；所述从动臂的另一端还设有与所述万向铰连接的第二万向关节。

进一步，所述第一滑块、第二滑块和所述十字架的第二杆体相对侧均设有与所述双杆支链相连的球接头；

所述第一滑块通过球接头与所述第一双杆支链铰接，所述第二滑块通过球接头与所述第三双杆支链铰接；所述十字架的第二杆体的两端通过球接头分别与第二双杆支链和第四双杆支链铰接；

一个第二转轴上的两个万向铰分别与第一单杆支链和第四单杆支链铰接；另一个第二转轴上的两个万向铰分别与第二单杆支链和第三单杆支链铰接。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明将动平台分为移动平台和转动万向平台两部分，实现了三维平动与三维转动运动的解耦，其中转动万向平台在水平两个方向上的转动角度超过正负90度；(2)借助于第一支链与第三支链，推动第一滑块和第二滑块运动，使第一连杆与第二连杆作特定的往复直线运动，并形成两组错开死点的曲柄滑块机构，使末端执行器组件可以实现正转或反转方向上的连续整周转动；(3)通过传动组件可实现末端执行器在水平两个方向的转动角度超过正负90度；且可通过框架的连续转动实现末端执行器连续的自转运动，因此具有灵巧的操作能力；(4)采用同步带以及曲柄传动机构，将所有电机布置在基座上，可有效减小运动部件的质量，提高末端操作的灵活性。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为实施例1的机器人结构示意图；

图2双杆支链结构示意图；

图3为双杆支链的下连接杆结构示意图；

图4为移动平台结构示意图

图5为移动平台俯视图；

图6为十字架和U型架连接示意图；

图7为十字架和U型架连接侧视图；

图8为中心转轴示意图；

图9为第一滑块结构示意图；

图10为第二滑块结构示意图；

图11为动平台结构示意图；

图12为转动万向平台俯视图；

图13为框架结构示意图

图14为水平杆和第三连杆连接示意图；

图15为万向平台结构示意图；

图16为第三滑块结构示意图；

图17为框架转轴结构示意图；

图18为末端结构组件示意图；

图19为实施例2中的机器人结构示意图；

图20为单杆支链结构示意图；

图21为曲柄传动机构的结构示意图；

图22为十字架结构示意图；

图23为框架与曲柄传动机构连接的转轴示意图；

图24为曲柄传动机构与传动组件连接的转轴示意图；

图25为万向铰的结构示意图。

附图标记：定平台1、支链2、驱动装置3、动平台4、第一双杆支链201、第二双杆支链202、第三双杆支链203、第四双杆支链204、第五双杆支链205、第六双杆支链206、第一驱动臂211、下连接杆212、连杆b213、连杆a214、第一单杆支链221、第二单杆支链222、第三单杆支链223、第四单杆支链224、第二驱动臂231第一万向关节232、从动臂233、第二万向关节234、十字架411、第一滑块412、第二滑块413、第一连杆414、第二连杆415、中心转轴416、U型架417、带轮418、滑轨419、第一转动轴4161、第二转动轴4162、第三转动轴4163、中心孔4171、转轴A4121、转轴B4131、第三滑块421、同步带422、框架431、万向平台432、第三连杆441、第五连杆442、第六连杆443、第四连杆444、框架转轴445、第一锥齿轮446、第二锥齿轮447、水平杆448、第一虎克铰451、第一传动杆452、第二传动杆453、第二虎克铰454、操作柄455、万向铰461、第一转轴462，第二转轴463。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例1

请参阅图1-18，一种具有灵巧操作能力的六自由度并联机器人，包括定平台1、动平台4、布置在定平台1与动平台4之间并驱动动平台4的多个支链2；定平台1上均匀间隔分布多个驱动装置3，驱动装置3与支链2连接。

本实施例中的驱动装置3设有6个，其中4个驱动装置对称布置在定平台1上侧面，另外2个驱动装置对称布置在定平台1底部；支链数量为6，每个支链与一个驱动装置连接。

支链为双杆支链，分别为第一双杆支链201、第二双杆支链202、第三双杆支链203、第四双杆支链204、第五双杆支链205、第六双杆支链206；双杆支链的结构如图2-3所示，双杆支链包括第一驱动臂211、下连接杆212、连杆a214、连杆b213；第一驱动臂211一端与定平台1通过转动副连接，并与其中一个驱动装置3连接驱动，另一端与所述下连接杆212中心固接；下连接杆212两端设有球接头；连杆a214和连杆b213结构相同，两端部均设有铰接孔；连杆a214和连杆b213的一端的铰接孔分别与下连接杆212的球接头连接。

动平台4包括移动平台和转动万向平台；

如图4-7所示，移动平台包括十字架411、中心转轴416、第一滑块412、第二滑块413、第一连杆414、第二连杆415、U型架417；十字架411由两根相互交叉第一杆体和第二杆体组成；第一杆体上对称设有2条滑轨槽，滑轨槽分别与第一滑块412和第二滑块413滑动连接，第一滑块412和第二滑块413的相对侧均设有与双杆支链相连的球接头；第一滑块412上的球接头分别与第一双杆支链201的连杆a214、连杆b213的铰接孔连接，第二滑块413上的球接头分别与第三双杆支链203的连杆a214、连杆b213铰接孔连接。十字架411的第二杆体两端也设有球接头，十字架411的第二杆体的两端通过球接头分别与第二双杆支链202和第四双杆支链204铰接。十字架411和U型架417中间开有供中心转轴416穿过的中心孔4171；中心转轴416上设有不共轴线的第一转动轴4161、第二转动轴4162、第三转动轴4163；第二转动轴4162与中心孔4171转动连接；第一连杆414一端与第一滑块412上的转轴A4121转动连接，另一端与第一转动轴4161转动连接；第二连杆415一端与第二滑块413上的转轴B4131转动连接，另一端与第三转动轴4163转动连接，第一连杆414与第二连杆415构成两组错开死点的曲柄滑块机构，使中心转轴416可以实现正转或反转方向上的连续整周转动。U型架417固定在所述十字架411上；U型架417上设有用于和支链连接的连接驱动组件，用于驱动转动万向平台。

如图6和图11所示，连接驱动组件包括设置在U型架417两侧的两条滑轨419；每条滑轨419的两端均设有带轮418，同侧的带轮418通过同步带422连接。其中一侧上部的带轮418与通过转轴和框架431固连，驱动框架431旋转；另一侧上部的带轮418与转动万向平台432的传动组件的框架转轴445固连，驱动传动组件旋转。滑轨419上连接有第三滑块421，第三滑块421与同步带422的一侧固接，两个第三滑块421通过球接头分别与第五双杆支链205和第六双杆支链206铰接；由其驱动第三滑块421沿滑轨419运动，同步带422跟随运动，从而带动带轮418转动。

如图11-12所示，转动万向平台包括框架431、万向平台432、传动组件、末端执行器组件。框架431转动连接在U型架417上并与连接驱动组件3一侧的带轮418连接。传动组件设置在框架431与万向平台432之间，用于驱动万向平台432；传动组件包括框架转轴445、第一锥齿轮446、第二锥齿轮447、水平杆448、第三连杆441、第四连杆444、第五连杆442、第六连杆443。框架转轴445一端固定有第一锥齿轮446，另一端穿过框架431与U型架417与带轮418连接，框架转轴445与框架431转动连接；第一锥齿轮446与第二锥齿轮447垂直啮合，第二锥齿轮447固定在水平杆448上，水平杆448与框架转轴445垂直，水平杆448的两端转动连接在框架431上。第三连杆441一端与万向平台432转动连接，另一端与水平杆448固定连接；第四连杆444一端与万向平台432转动连接，另一端与框架431转动连接，第四连杆444与第三连杆441交叉布置形成第一反平行四边形机构。第五连杆442一端与万向平台432转动连接，另一端与框架431转动连接；第六连杆443一端与万向平台432转动连接，另一端与框架431转动连接；第五连杆442与第六连杆443交叉布置形成第二反平行四边形机构；第一反平行四边形机构和第二反平行四边形机构尺寸完全相同，且对称布置在框架431的两侧。

如图18所示，末端执行器组件包括依次连接的第一虎克铰451、第一传动杆452、第二传动杆453、第二虎克铰454和操作柄455。末端执行器组件通过第一虎克铰451与中心转轴416连接；操作柄455穿过万向平台432并与其转动连接；第一传动杆452与第二传动杆453通过移动副连接。

实施例2

请参阅图19-25，为一种具有灵巧操作能力的六自由度并联机器人另一种结构设计，实施例2与实施例1的区别在于，将实施例1中连接驱动组件由带轮418、同步带422和第三滑块421更换为曲柄传动机构；并将驱动第三滑块421移动的第五双杆支链205和第六双杆支链206更换为第一单杆支链221、第二单杆支链222、第三单杆支链223、第四单杆支链224；并增设两个驱动装置3。其具体结构如下：

驱动装置3设有8个，其中4个驱动装置3对称布置在定平台1上侧，另外4个驱动装置3对称布置在定平台1底部；支链2的数量为8，每个支链与均驱动装置3连接；与定平台1上侧的驱动装置3连接的支链为双杆支链，包括第一双杆支链201、第二双杆支链202、第三双杆支链203、第四双杆支链204；其结构和连接方式与实施例1中的第一双杆支链201、第二双杆支链202、第三双杆支链203、第四双杆支链204连接方式相同。

如图20所述，与定平台1下侧的驱动装置3连接的支链为单杆支链，包括第一单杆支链221、第二单杆支链222、第三单杆支链223和第四单杆支链224；单杆支链包括第二驱动臂231，从动臂233、第一万向关节232、第二万向关节234；第二驱动臂231一端与驱动装置3连接，另一端通过第一万向关节与从动臂233连接；从动臂233的另一端还设有与曲柄传动机构的万向铰461连接的第二万向关节234。

如图21-22所示，本实施例中的连接驱动组件3包括设置在U型架417两侧的两个曲柄传动机构，曲柄传动机构均包括第一转轴462、第二转轴463，第一转轴462和第二转轴463通过垂直的连接杆连接形成“Z”型连杆机构；每个第二转轴463上均设有两个万向铰461。

如图23所示，其中一个曲柄传动机构的第一转轴462穿过U型架417与框架431固定连接，第二转轴463上的两个万向铰461分别与第一单杆支链221和第四单杆支链224上的第二万向关节234连接，且第一单杆支链221和第四单杆支链224呈一定角度连接，以驱动框架431可连续旋转。另一个曲柄传动机构的第一转轴462穿过U型架417后与传动组件的第一锥齿轮446直接连接；其第二转轴463上的两个万向铰461分别与第二单杆支链222和第三单杆支链223的第二万向关节234连接，以驱动传动组件；进而带动万向平台432的水平移动。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。