专利名称：含冗余自由度的多坐标混联机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机器人，特别是涉及带定位头的多坐标混联机器人。
背景技术：
根据专利GB2173472(或EP0200369、US4790718)、SE8502327(或US4732525)、EP0674969(或US6336375)、CN1524662(或WO2005025816)可知，现有的带定位头的多坐标混联机器人，包括至少三个可沿纵向伸长或缩短的长度调节装置。其中一个从动或主动的调节装置的一端与一可动定位头连接并通过铰链与固定架连接，以限制定位头的某几个自由度。而其它各调节装置则是一端通过铰链紧固于固定架上，以使其能相对于固定架绕各个方向转动，另一端通过铰链与所述的从动或主动调节装置的另一端连接。
此类机器人，由于全部长度调节装置的连接方式采用并联结构，其不足是当要求机器人具有较大工作空间时，其全部调节装置均需要较长的调节行程。
发明内容
本发明的目的在于克服以上现有技术的不足，提供一种含有冗余自由度，既具有大工作空间，又使调节装置所需调节行程较小，并同时保持一定刚度和精度的可重构模块化多坐标混联机器人。
本发明的含冗余自由度的多坐标混联机器人，其技术方案包括固定架、第一长度调节装置、第二长度调节装置、第三长度调节装置、第四长度调节装置、动平台和定位头，所述固定架的中间部位设置有第一铰链，所述第一长度调节装置的上部通过第一铰链和与该铰链构成的滑移副设置在所述的固定架上，所述的定位头安装在所述第一长度调节装置的底部，所述固定架上以第一铰链为中心还圆周均布设置有第二、第三和第四铰链，所述的第二、第三和第四长度调节装置的一端分别与所述的第二、第三和第四铰链相连接，它们的另一端则分别与所述的动平台铰接，所述的动平台通过滑移副套装在第一长度调节装置的外部。
所述的第一长度调节装置包括上、中、下三个管状结构件，所述的上管和中管的外壁上设置有一对导轨，所述的中管背面开有槽窗，中管的内部设置有由伺服电机和滚珠丝杠构成的电滚珠丝杠，所述的下管两侧开有键槽；所述动平台上端的一对滑块与第一长度调节装置上管和中管的外壁上设置的导轨构成滑移副，动平台下端的导向套和一对键块分别与第一长度调节装置下管外壁和外壁上的键槽构成滑移副；滚珠丝杠的轴端通过丝杠锁紧螺母与动平台固定连接。
所述的第二、第三、第四长度调节装置采用电机-带螺纹花键轴的驱动结构，也可以采用液压、气动等结构作为驱动方式。
本发明的含冗余自由度的多坐标混联机器人，与所公开的现有技术的混联机器人相比，其有益效果在于其中一个长度调节装置的末端通过滑移副与动平台相连，提供了一个冗余自由度，其它长度调节装置通过铰链与固定架及动平台相连构成并联机构，因而在结构上具有工作空间大的特点。即虽然构成并联机构的长度调节装置的调节行程较小，动平台的工作空间有限，但是通过驱动冗余自由度，使得第一长度调节装置相对动平台产生滑移运动，因此可使位于第一长度调节装置末端的定位头产生大的空间运动。
图1为本发明的整体结构示意图；图2为图1的正面视图；图3为图1的侧面视图；图4为本发明的实施例中第一长度调节装置及动平台的半剖结构示意图；图5(A)为本发明实施例中第一长度调节装置的原始状态示意图；图5(B)为本发明实施例中第一长度调节装置所能达到的极限位置；图6和图7为本发明实施例中第一、二、三、四长度调节装置运动到极限位置时所能达到的空间。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作以详细描述。
如图1～图3所示，本发明的含冗余自由度的多坐标混联机器人，包括固定架1、第一长度调节装置2、第二长度调节装置3、第三长度调节装置4、第四长度调节装置5、动平台6和定位头7。固定架1上设置有具有两转动自由度的第一、第二、第三和第四铰链21、31、41、51，本实施例中，第一铰链21位于固定架1的中间部位，第二、第三和第四铰链31、41、51以第一铰链21为中心圆周均布在其周围。第一长度调节装置2的上部通过第一铰链21和与第一铰链21所构成的滑移副设置在固定架1上，可提供两转动自由度的定位头7安装在所述第一长度调节装置2的底部。第二、第三和第四长度调节装置3、4、5的一端分别与第二、第三和第四铰链31、41、51相连，所述的两转动自由度的铰链21、31、41、51可以采用同心环形式的虎克铰或其它形式的等价结构，以使与其相连的各长度调节装置均可相对于固定架1向各个方向转动。第二、第三和第四长度调节装置3、4、5的另一端分别通过具有三转动自由度的铰链32、42、52与动平台6连接，所述的三转动自由度的铰链32、42、52也可以采用球铰链或其它形式的等价结构。动平台6通过滑移副套在第一长度调节装置2的外部。
定位头7为子模块设计，具有两个主动的转动自由度，其末端可以安装各种执行器，如刀具、焊枪、夹持装置等。本实施例中，定位头7末端安装了一台电主轴。
在此机构中，四个长度调节装置2、3、4、5均可以相对于固定架1向各个方向转动，并可沿轴向做主动伸缩运动；定位头7刚性安装在第一长度调节装置2的末端，使得定位头7在发生空间位移时，其空间姿态也同时发生改变，它所具有的两个转动自由度，可在运动过程中随时调整末端执行器因其变化所引起的姿态变化。
如图4所示，第一长度调节装置2包括上、中、下三个管状结构件23、24、25，其中中管24背面开有槽窗24’，下管25两侧开有键槽25’，所述的上管23和中管24的外壁上设置有一对导轨26，所述中管24的内部设置有由伺服电机28和滚珠丝杠29构成的电滚珠丝杠。所述动平台6上端的一对滑块61与导轨26构成滑移副，下端的导向套62和一对键块63分别与下管25外壁及外壁上的键槽25’构成滑移副；滚珠丝杠29的轴端29’通过丝杠锁紧螺母30与动平台6固定连接。在此种设置方式下，丝杠螺母30置于伺服电机28内部，并与电机转子固定连接(电滚珠丝杠工作原理)，当伺服电机28驱动电机转子带动丝杠螺母30做旋转运动时，由于丝杠29相对动平台6保持静止，因此使得伺服电机28带动第一长度调节装置2整体相对动平台6沿轴向做滑移运动。
由此可知，第一长度调节装置2具有两种功能其一，当伺服电机28处于制动状态时，调节装置2与其它三个调节装置3、4、5以及动平台6构成三自由度并联机构；此时机构末端运动空间与专利SE8502327(或US4732525)所公开的机器人末端运动空间相同。
其二，当伺服电机28处于工作状态时，第一长度调节装置2带动定位头7沿轴向伸缩使其具有冗余自由度；该冗余自由度对于定位头7的运动空间具有显著的放大作用。
因此，定位头7的运动可分解为首先保持第一长度调节装置2与动平台6的相对位置不变，驱动第二、第三和第四长度调节装置3、4、5，改变动平台6和定位头7的空间姿态；然后驱动第一长度调节装置2调整定位头7的空间位置。
本实施例中，第一长度调节装置2的驱动方式采用了电滚珠丝杠结构，其它三个长度调节装置3、4、5的驱动方式则采用了电机-带螺纹花键轴结构。在某种情况下，各长度调节装置2、3、4、5也可以采用液压结构、气动结构或其他的任一种可实现相同运动功能的结构形式作为其驱动方式。
图5(A)和图5(B)分别示出了本发明实施例中第一长度调节装置2的原始状态和所能达到的极限位置；图6和图7分别示出了本发明实施例中第一、二、三、四长度调节装置极限位置时所能达到的工作空间8。
综上所述，本发明的含冗余自由度的多坐标混联机器人包括固定架1、动平台6、定位头7和四个长度调节装置2、3、4、5。其中，固定架1的中间部位设置有第一铰链21，该铰链21由两同心环构成，在固定架1的周围，又以铰链21为中心均布设置有第二、第三、第四铰链31、41、51；第一长度调节装置2的上部通过第一铰链21和与第一铰链21构成的滑移副设置在的固定架1上，可提供两个转动自由度的定位头7安装在第一长度调节装置2的底部。第二、第三、第四长度调节装置3、4、5的上部分别通过两自由度的铰链31、41、51与固定架1连接，它们的末端分别与动平台通过三自由度的铰链32、42、52连接；动平台6通过滑移副套装在第一长度调节装置2的外部。这种设置方式，使第二长度调节装置3、第三长度调节装置4和第四长度调节装置5可相对于固定架1实现绕各个方向的转动，并沿轴向做伸缩运动，同时还使第一长度调节装置2可以相对于固定架1绕各个方向转动，并沿轴向做冗余伸缩运动。
本发明与现有技术相比，其优点是为机器人的工作状态提供了一个冗余自由度，其中一个长度调节装置通过铰链及丝杠螺母副与固定架及动平台连接所构成的串联机构，使该机器人具有了大工作空间的特点。同时，本发明为模块化设计，可通过固定架上的机械接口与固定龙门结构、大距离或大角度进给机构以及活动机架等连接使用，还可将若干台本发明的机器人安装在同一个结构上流水作业。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用其它固定架布局、长度调节装置、铰链以及定位头不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种含冗余自由度的多坐标混联机器人，包括固定架、第一长度调节装置、第二长度调节装置、第三长度调节装置、第四长度调节装置、动平台和定位头，所述固定架的中间部位设置有第一铰链，所述第一长度调节装置的上部通过第一铰链和与该铰链构成的滑移副设置在所述的固定架上，所述的定位头安装在所述第一长度调节装置的底部，其特征是所述的固定架上以第一铰链为中心圆周均布第二、第三和第四铰链，所述的第二、第三和第四长度调节装置的一端分别与所述的第二、第三和第四铰链相连接，它们的另一端分别与所述的动平台铰接，所述的动平台通过滑移副套装在第一长度调节装置的外部。
2.根据权利要求1所述的含冗余自由度的多坐标混联机器人，其特征是第一长度调节装置由上、中、下三个管状结构件构成，所述的上管和中管的外壁上设置有一对导轨，所述的中管背面开有槽窗，中管的内部设置有由伺服电机和滚珠丝杠螺母副构成的电滚珠丝杠，所述的下管两侧开有键槽。
3.根据权利要求1所述的含冗余自由度的多坐标混联机器人，其特征是所述动平台上端的一对滑块与第一长度调节装置上管和中管的外壁上设置的导轨构成滑移副，动平台下端的导向套和一对键块分别与第一长度调节装置下管外壁和外壁上的键槽构成滑移副；滚珠丝杠的轴端通过丝杠锁紧螺母与动平台固定连接。
4.根据权利要求1所述的含冗余自由度的多坐标混联机器人，其特征是所述的第二、第三、第四长度调节装置为电机-带螺纹花键轴的驱动结构。
5.根据权利要求1所述的含冗余自由度的多坐标混联机器人，其特征是所述的第二、第三、第四长度调节装置采用液压驱动结构。
6.根据权利要求1所述的含冗余自由度的多坐标混联机器人，其特征是所述的第二、第三、第四长度调节装置采用气动驱动结构。
全文摘要
本发明公开了一种含有冗余自由度的多坐标混联机器人，它包括固定架、动平台、定位头和四个长度调节装置，所述固定架的中间部位设置有第一铰链，所述第一长度调节装置的上部通过第一铰链和与该铰链构成的滑移副设置在所述的固定架上，所述的定位头安装在所述第一长度调节装置的底部，所述固定架上以第一铰链为中心圆周均布设置有第二、第三和第四铰链，所述的第二、第三和第四长度调节装置的一端分别与所述的第二、第三和第四铰链相连接，它们的另一端则分别与所述的动平台铰接，所述的动平台通过滑移副套装在第一长度调节装置的外部。本发明的优点是为机器人的工作状态提供了一个冗余自由度，具有工作空间大的特点。
文档编号B25J9/06GK1739926SQ20051001509
公开日2006年3月1日 申请日期2005年9月15日 优先权日2005年9月15日
发明者黄田, 刘海涛, 赵学满, 李曚, 梅江平 申请人:天津大学