专利名称：包括分成两个分离的子组件的用于开动活动元件的装置的并行机器人的制作方法
技术领域：
本发明的领域是自动操纵器。更具体地，本发明涉及所谓的并行机器人。
背景技术：
工业机器人被分类成两个主要分组串行机器人和并行机器人。
串行机器人的活动结构是由一系列的分段形成的开链，这些分段利用具有单个自由度的连接部连接在一起。每个节头由位于节头处或前面分段之一上的致动器控制。在后一种情况中，一机构控制制动器与相关节头之间的传动。
这种构造需要复杂结构，原因是即使在移动小负载时都必须使大的质量投入运动。
并行机器人可以被形成为具有多个自由度的机械系统，其由通过一个或多个环连接在一起的两个刚性体构成，该环形成平面多边形。
并行机器人相比串行机器人具有许多优点高速运动以及特别是高的加速度、致动器上更均匀的负载分布、更高的机械刚度以及明显改善机器人的动力学能力的小的移动质量。
并行机器人的缺点包括由于机器人的特别设计所导致的受限的工作容量、工作容量中存在单一性以及不同运动学系统的运动之间的强耦合。运动的耦合增加了确定微分模型的难度。例如，马达增量取决于机器人的位置并且当机器人朝向中心移动时较小；这种现象引入了可变惯量，其在维持高的操作速度时难以操控。
并行机器人的应用在最近二十年内不停增长；这些机器人用在食品处理、制药行业、航空工业等。它们在工业中越来越多地用于设计新型机器工具。
上面类型中最公知的机器人，例如公开号为US-4976582的专利文献所公开的Delta(注册商标)机器人，包括基座元件和活动元件以及三个控制臂，其第一端刚性地安装到可以旋转的三个铰接点上。每个控制臂的另一端通过安装在节头上的两个连接杆刚性地固定到活动元件，连接杆首先固定在控制臂的第二端上，其次固定在活动元件上。
根据该技术，与三个控制臂的运动无关，活动元件在空间中的倾斜和定向保持不变。
活动元件支撑工作元件，对于该工作元件，通过固定到基座元件上的马达控制旋转。伸缩臂将马达连接到工作元件。
这种机器人具有四个自由度。它控制活动元件的三个运动以及工作元件的转动。
但是，这种机器人不能很好地适于重型部件的精确迁移，原因是活动元件的控制耦合在一起。
这意味着为了沿一方向移动活动元件，所有马达必须同时被致动并且机器人控制必须连接在一起。
换言之，对于这种机器人不可能致动单个马达来沿单个方向移动活动元件。因此，这种系统难以控制，原因是控制必须同步化。另外，机器人的动力学表示是基于非线性耦合微分方程的系统。结果是控制没有结合与系统动力学有关的非线性现象，从而导致大多数控制困难。
因此，这种机器人的主要缺点在于在大负载移位期间由于可变惯量和控制的耦合导致的精度等级的丧失。
发明内容
本发明的目的特别是克服根据现有技术的缺点。
更具体地，本发明的目的是提出一种能执行具有线性输入/输出关系的位移。
本发明的另一目的是提供这样一种机器人，其适于执行较大的运动和微位移。
本发明的另一目的是提供这样一种机器人，其能够操作大负载且具有高精度。
本发明的另一目的是提供这样一种机器人，其不需要像现有技术的情况那样使控制系统地同步化。
本发明的另一目的是提供这样一种机器人，其易于设计和实施。
后面将更加清楚的这些以及其它目的利用本发明实现，本发明的主题是这样一种机器人，其包括基座元件和通过运动控制装置连接到所述基座元件的活动元件，其特征在于，所述运动控制元件包括第一和第二子组件，所述第一子组件被设计成使所述活动元件沿近似竖直方向运动，所述第二子组件将所述第一子组件连接至所述活动元件并包括至少三个致动器，其能够并行地作用以独立于所述第一子组件使所述活动元件沿近似水平平面运动。
根据本发明的并行机器人具有许多优点。
这种机器人的一个主要优点是在水平平面以及沿竖直轴线的运动由于第一和第二子组件的存在而分离。
运动的分离导致动力的分离。
公知的是，必须花费大量的能量来提升负载，原因是重力与位移在同一个方向上。但是，沿水平平面移动相同负载花费少得多的能量，原因是重力垂直于位移。因此，本发明引入具有适于考虑到机器人的构造中的位移的容量的马达，例如大功率马达以将负载提升到给定高度以及功率较小但精确得多的马达以在水平平面内进行操纵。
因此，应理解，本发明可以用于制造进行精确位移的高负载能力的机器人。
另外，运动的分离将机器人的控制简化到竖直位移的执行使线性输入-输出关系成为可能的程度。
此外，如下面将要更清楚的，本发明使得可以以相似性因子复制竖直运动，使得根据本发明的机器人可以用于制造微机械系统(高精度系统)。
此外，如在阅读下面的说明后将要更清楚的，三个机械致动器中的每一个都由具有并行作用的平面闭合的运动学链的系统构成，使得活动元件始终保持与基座平行。这种构造确保整体机械的刚性增加，这种增加有助于获得活动元件更好的定位精度。因此，如果形成闭合运动学链的元件在几何上理想，活动元件可以不再具有水平倾斜误差。
具有这种设计的机器人的有利之处还在于其具有能以低成本制造的机械结构，特别是因为这种结构可以由标准构造元件构成。
根据第一实施例，所述第一子组件包括用于每个所述致动器的支架，所述支架连接到每个所述支架共同的第一马达装置。
因此，机器人通过单个马达沿竖直轴线位移，这使得机器人设计非常简单并防止为了该位移而使多个马达同步化的需要。
根据第二实施例，对于每个所述致动器，所述第一子组件包括连接到其专用的马达装置的支架。
因此，操纵器的自由度的数目增加到六个。
根据一个有利的方案，所述第一马达装置由所述基座元件承载。
这样，这些马达装置由固定元件承载并且不会形成负载，该负载可能降低机器人精度，特别是在机器人正操纵轻量部件的时候。
因此，应理解，这样设计的机器人适于操纵大的负载和小的部件两者。
有利地，每个支架被引导在所述基座元件上平移。
优选地，所述马达装置包括至少一个液压千斤顶。
这种千斤顶使机器人能够传输较大的负载而没有降低其精度，原因是千斤顶自身不是要移动的负载。
但是，其它运动学等效系统，例如线性电动马达也可以用在其它可能的实施例中。
根据一个优选的方案，机器人包括用于每个致动器的第二支架，其被自由地安装以在所述基座元件上旋转。
根据第一变型，第二马达装置可以与每个第二支架相连，以驱动该第二支架。
根据另一特性，每个致动器包括一组杆，其彼此铰接以形成缩放仪。
这样，通过使用线性函数实现了输入/输出的关系，该函数具有恒定的系数，该系数是缩放仪的相似性因子。
这种缩放仪结构提供了一种用于复制第一子组件的位移的系统，从而在输出端处允许大的位移或微位移。
根据一个有利方案，每个所述第二支架具有元件的平移导向装置，该元件由一个所述缩放仪的所述杆之一承载。
在这种情况下，每个第二支架优选地具有滑架，由一个所述缩放仪的所述杆之一承载的滚子在其中自由滑动。
根据第二变型，该装置包括与每个平移导向装置相连的第二马达装置(代替如上所述与每个第二支架相连的马达装置)。
对于支架上的平行导向可以预计其它方案，例如通过使滑架与球轴承配合，或者通过使滑架在轨道上位移等等。
此外，缩放仪可以用另一等效机械系统替换，使得运动可以被复制。
优选地，与每个第二支架相连的所述马达装置包括电动马达。
这种马达具有较低的功率，但是它们能用于执行具有高精度的运动。
采用根据本发明的原理的竖直和水平运动的分离使得能够使用这种马达，只要它们作用在被水平移动的负载上，与竖直位移相关的能量消耗相比，该水平移动占用低的能量消耗。
显然，在不背离本发明的范围的情况下，可以采用其它马达驱动器。
这避免了对控制的同步化的需要。
此外，可以操控与不同能量源一起操作的致动器，这些马达可能具有不同的反应时间。
在阅读下面作为示意性和非限制性示例给出的本发明的优选实施例的说明和附图后，本发明的其它特殊特征和优点将更加清楚，附图中图1示出根据本发明第一实施例的机器人的透视图；图2示出根据图1所示实施例的机器人的运动学示意图；图3示出根据本发明的第二实施例的机器人的运动学示意图；图4示出根据第三实施例的机器人的透视图。
具体实施例方式
如上所述，本发明的原理在于在并行式机器人中限定用于确保竖直位移的装置与用于确保水平位移的装置分离。
参考涉及本发明的第一实施例的图1和图2，并行机器人包括基座元件1、活动元件2，该活动元件通过由下面详细描述的运动学系统构成的运动控制装置连接到基座元件。
根据本发明的原理，这些运动控制装置包括-第一子组件5、6，其被设计成使可在竖直方向活动的元件2位移，-第二子组件，其将第一子组件连接到活动元件2并包括三个致动器4，该致动器能并行地作用，以独立于第一子组件水平地移动活动元件2。
如图1所示，第一子组件包括三个支架5，该支架竖直延伸并且每个首先连接至致动器4，其次连接至横梁51，该横梁连接至电动马达装置6(应注意，在另一实施例中，这些马达装置可以包括液压千斤顶)。
如图2所示，基座元件1通过节头19支撑3个旋转模块21，每个模块被设计成驱动安装在基座元件1上的第二支架3旋转。这些旋转模块21中的每一个包括电动马达。
应注意，每个节头19形成第二支架3相对于基座元件的枢轴节，并且还形成支架5在基座元件1上的竖直平移导向装置。
每个第二支架3旋转地固定至机械致动器4，该机械致动器通过枢转接头52首先安装在支架5上，通过节头8其次安装到活动元件2上。
如图1所示，每个机械致动器4包括缩放仪机构，其由通过节头13、14、16、17彼此连接的杆9、10、11和12构成。
每个致动器4通过滚子18旋转地固定至相应的第二支架3，该滚子是自由的，以在第二支撑3的凹槽31中滑动(根据其它可能的实施例，这种枢轴节可以通过具有滑架与球轴承或另一平移连接装置构成)。
每个滚子18安装在每个缩放仪机构的杆9和10的相交处，换言之安装在节头13处。
三个旋转模块21通过适当的放大器连接至控制单元22(计算机或逻辑控制器)，该控制单元将控制致动器4在水平平面内的旋转运动。
该控制单元22还连接至马达6以控制该马达。
因此，马达6的竖直运动引起支架5的竖直运动，从而导致节头13的运动。连接13的竖直运动通过机械致动器4导致节头17的竖直运动。
以缩放仪形式制成的机械致动器使得输入6和输出7之间的关系能够为具有恒定系数的线性函数的关系，该系数为缩放仪的相似性因子。
此外，旋转模块21的旋转被转换成第二支架3的旋转，其又通过机械致动器4转换成活动元件2在水平平面内的运动。
应注意，在水平平面的三个自由度被分解成在水平平面内垂直的方向上的两个平移以及绕竖直轴线的一个旋转。
应理解，马达6的闭锁固定活动元件2的高度，从而在致动器4的旋转期间在水平平面内保持活动元件2。
图3示意性示出的第二实施例和上面参考图1和图2所示的实施例之间的唯一差别是第二支架3和滚子18的位置以及支架5的下端的连接点。
在该实施例中，第二支架3和滚子18设在杆11上，而支架5的另一下端被安装成在节头13上自由枢转。
第三实施例在图4中示出。
根据第三实施例，每个支架5与其专用的马达32相连。此外，球接头33被设置成将缩放仪机构的杆12连接至活动元件。因此，根据本发明操纵机器人具有六个自由度。
上面描述的根据本发明的并行机器人的三个实施例具有三个臂部，其示出-对应于基座1与支架3之间的连接部的马达驱动旋转连接部；-对应于滚子18和第二支架3之间的滑动连接部的被动棱形连接部；-通过活动元件2上的节头8的被动旋转连接部。
但是，应注意，在其它实施例中，棱形连接部而不是旋转连接部可以是马达驱动的，而不背离本发明的范围。
根据本发明的机器人可用于各种应用领域，特别是机械医用机器人技术，其中设备必须高精度地定位(医学成像、辐射发生器、外科仪器)。
其它应用涉及新机械，特别是必须在水平平面内和沿竖直轴线执行非常精确的运动的具有高负载能力的机械工具。
权利要求
1.一种机器人，包括基座元件(1)和活动元件(2)，该活动元件通过运动控制装置连接至所述基座元件，其特征在于，所述运动控制装置包括第一和第二子组件，所述第一子组件被设计成使所述活动元件(2)沿近似竖直方向运动，所述第二子组件将所述第一子组件连接至所述活动元件(2)并包括至少三个致动器(4)，所述致动器能够并行地作用，以独立于所述第一子组件使所述活动元件(2)在近似水平平面内运动。
2.如权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述第一子组件包括用于每个所述致动器(4)的支架(5)，所述支架(5)连接到每个所述支架(5)所共有的第一马达装置(6)。
3.如权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述第一子组件包括用于每个所述致动器(4)的支架，所述支架连接到其专用的第一马达装置(32)。
4.如权利要求2或3所述的机器人，其特征在于，所述第一马达装置(6，32)由所述基座元件(1)承载。
5.如权利要求2-4之一所述的机器人，其特征在于，所述马达装置(6，32)与支架(5)配合，所述支架(5)连接至所述致动器并被安装成在所述基座元件(1)上自由滑动。
6.如权利要求1-5之一所述的机器人，其特征在于，对于每个致动器(4)，所述机器人包括安装成在所述基座元件(1)上自由旋转的第二支架(3)。
7.如权利要求6所述的机器人，其特征在于，所述机器人包括第二马达装置(21)，其与每个第二支架(3)相连以驱动该第二支架。
8.如权利要求1-7之一所述的机器人，其特征在于，每个致动器(4)包括一组杆(9，10，11，12)，其彼此铰接以形成缩放仪。
9.如权利要求8所述的机器人，其特征在于，每个所述第二支架(3)具有由一个所述缩放仪的所述杆之一承载的元件的平移导向装置。
10.如权利要求9所述的机器人，其特征在于，每个所述第二支架(3)具有滑架(3)，由一个所述缩放仪的所述杆之一承载的滚子(18)在该滑架中自由滑动。
11.如权利要求9或10所述的机器人，其特征在于，所述机器人包括与每个平移导向装置相连的第二马达装置。
全文摘要
本发明涉及一种机器人，包括基座元件(1)和活动元件(2)，该活动元件通过用于触发运动的装置连接至所述基座元件，其特征在于，所述运动触发装置包括第一和第二子组件，所述第一子组件被设计成沿近似竖直方向移动所述活动元件(2)，所述第二子组件将所述第一子组件连接至所述活动元件(2)并包括至少三个致动器(4)，所述致动器能够并行地作用，以独立于所述第一子组件地在近似水平平面内移动所述活动元件(2)。
文档编号B25J17/02GK101014450SQ200580024813
公开日2007年8月8日 申请日期2005年5月30日 优先权日2004年7月22日
发明者V·阿拉克良, P·莫兰, S·布里奥, E·皮翁 申请人:雷恩国家应用科学学院