专利名称：可实现整周回转的四自由度混联抓放式机器人机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机器人，更具体的说，本发明涉及一种能够实现整周回转的四自由度混联抓放式机器人。
背景技术：
在电子、食品、医药、轻工等行业的自动化包装、封装和物流生产线中，需要借助机械手从某一位置抓取某一物体，然后在平面内作大范围的快速移动，并按照给定的角度和高度将被抓取的该物体放置到另一位置。美国专利US4392776(或EP0065859、JP57194888、ES8307152、EP0065859、IE820902L、IE52774)、US5000653(或WO8700789、EP0232292、ES2001359、EP0232292、DE3528769、EP0232292)、US2005087034(或EP1525957、JP2005125489、DE10349452)、US6212968(或DE19934973)、欧洲专利EP0169473(或JP61109681)、日本专利JP2003275977、JP2003275978、JP2003275987、保加利亚专利BG51289以及中国专利CN1779936等，均涉及了一种三自由度或四自由度SCARA(SelectiveCompliance Assembly Robot Arm)型机器人。该类机器人的主动臂一端通过转动副与机座连接，主动臂的另一端通过回转副与从动臂的一端连接，两转动轴线平行，从而使主动臂与从动臂构成两自由度平面关节串联机器人机构；从动臂的另一端设置有末端执行器，末端执行器相对于从动臂具有一个回转自由度和一个移动自由度，回转自由度的轴线与主动臂及从动臂的回转轴线平行，移动自由度的方向垂直于主动臂及从动臂的运动平面。各驱动装置可直接设置于两相对运动构件的关节上，也可固定在机座上，然后通过传动装置驱动各关节。此类机器人可实现在运动平面内的整周回转，因此具有较大的运动空间，但是，由于采用开环结构，所以主动臂和从动臂的惯性较大，其刚度和精度较低。
专利CN02822735.2(或WO2003055653-A1、US2005092121-A1)公开了一种采用并联构型的平面抓取机器人，该机器人的机座上安装有两个可转动的驱动装置，每个驱动装置分别通过连杆机构与动平台连接，每个连杆机构由一个主动杆和一个从动杆组成，主动杆的一端与驱动装置固接，并随驱动装置旋转，从动杆的一端与动平台铰接，所述主动杆与从动杆的另一端通过转动副相连接。所述连杆机构还包括定位部分，以便保持动平台相对子机座的姿态不变。此类机器人由于采用并联构型，所以运动部件惯性较小，因而具有较高的刚度和精度，但是由于其两个驱动轴非同轴布置，因此不能在运动平面内实现整周转动，工作空间较小，且运动学性能和动力学性能会随位形的变化而变化。
发明内容
本发明所要解决的问题，就是克服上述现有技术“刚度和精度较低”、“不能在运动平面内实现整周转动”、“运动学和动力学性能不具有轴对称性”等缺陷，从而提供一种可实现整周回转的四自由度混联抓放式机器人机构。
本发明的可实现整周回转的四自由度混联抓放式机器人机构，包括机座和设置在所述机座上的第一支链、第二支链以及执行装置；所述的第一支链包括第一驱动装置、第一驱动轴、第一主动臂、第一铰轴及第一从动臂，所述第一驱动装置固定设置于机座上，其输出端与所述第一驱动轴的一端连接，所述第一驱动轴为中空结构，它的另一端与第一主动臂的一端固定连接，所述第一主动臂的另一端通过第一销轴与第一从动臂铰接；所述的第二支链包括第二驱动装置、第二主动臂、第二铰轴及第二从动臂，所述第二驱动装置固定设置于机座上，其输出端与所述第二驱动轴的一端连接，所述的第二驱动轴设置在中空结构的第一驱动轴的中心并与其形成同轴设置形式，它的另一端与第二主动臂的一端固定连接，所述第二主动臂的另一端通过第二销轴与第二从动臂铰接；所述第一从动臂的末端与第二从动臂的末端通过由轴承构成的回转副铰接，其铰接处设置有执行装置；所述的执行装置包括回转运动驱动装置、直线运动驱动装置以及末端执行器，所述的回转运动驱动装置固定设置于第二从动臂的末端，其输出轴固接直线运动驱动装置，所述的直线运动驱动装置的输出端固接末端执行器，所述的末端执行器可以是手爪或吸盘等。
所述第一驱动装置和第二驱动装置的结构为伺服电机——减速齿轮副结构或力矩电机——等速齿轮副结构；所述回转运动驱动装置的结构为伺服电机——减速器结构；所述直线驱动装置的结构为气缸驱动机构。
本发明与现有技术相比，其有益效果体现在以下几点(1)由于第一驱动装置及第二驱动装置均固定设置在机座上，且其输出端分别与第一驱动轴及第二驱动轴固接，所以无需附加传动装置，有利于减轻运动部件的质量，提高机构的整体动态性能；(2)由于采用由一个机座和两条支链组成的平面两自由度并联机构，具有更好精度、刚度以及更快的速度；(3)由于采用两个驱动轴同轴布置形式，使得平面两自由度并联机构能够实现绕其驱动轴轴线的整周回转，具有环形工作空间，同时使其运动学和动力学性能具有良好的轴对称性。
图1是本发明一种实施例的整体结构示意图；图2是图1所示结构的俯视图。
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和图2所示，本发明的可实现整周回转的四自由度混联抓放式机器人机构，包括机座、设置在所述机座上的第一支链1、第二支链2以及设置在所述第一支链1和第二支链2之间的执行装置3。所述的第一支链1包括第一驱动装置11、第一驱动轴12、第一主动臂13、第一销轴14及第一从动臂15；所述的第二支链2包括第二驱动装置21、第二驱动轴22、第二主动臂23、第二销轴24及第二从动臂25；所述的第一驱动装置11固定设置于机座0上，其输出端与所述第一驱动轴12的一端连接，使所述的第一驱动轴12能够相对于机座0绕第一驱动轴12的轴线z自由转动，所述第一驱动轴12的另一端与第一主动臂13的一端固定连接，所述第一主动臂13的另一端通过第一销轴14与第一从动臂15铰接，使所述第一从动臂15能够相对于第一主动臂13具有一个转动自由度，其转动轴线与所述第一驱动轴12的轴线z平行；所述的第二驱动装置21同样固定设置于机座0上，其输出端与所述第二驱动轴22的一端连接，所述的第二驱动轴22与第一驱动轴12采用同轴布置形式，即在安装时将所述的第二驱动轴22穿过中空结构的第一驱动轴12的中心，即使它们的轴线相重合，又使两者能够相对独立的转动，所述第二驱动轴22的另一端与第二主动臂23的一端固定连接，所述第二主动臂23的另一端通过第二销轴24与第二从动臂25铰接，使所述的第二从动臂25相对于第二主动臂23具有一个转动自由度，其转动轴线与第二驱动轴22的轴线z平行(轴线z为所述第一驱动轴12、第二驱动轴22的共同轴线)；所述第二从动臂25的末端与所述第一从动臂15的末端通过由轴承构成的回转副铰接，使它们之间具有一个相对回转的自由度，其转动轴线也与第一驱动轴12和第二驱动轴22的重合轴线z平行；所述的机座0、第一支链1与第二支链2共同构成一个平面两自由度并联机构；在所述第二从动臂25与所述第一从动臂15的铰接处设置有执行装置3，所述的执行装置3包括回转运动驱动装置31、直线运动驱动装置32、以及末端执行器33，所述的回转运动驱动装置31固定设置于第二从动臂25末端，并随第二从动臂25一同运动，其输出轴与直线运动驱动装置32固接，所述直线运动驱动装置32的输出端与末端执行器33固接，从而使得所述的末端执行器33能够相对于所述的第二从动臂25具有一个回转自由度和一个移动自由度，所述的末端执行器33可以是手爪或吸盘等。
在上述平面两自由度并联机构中，各旋转轴的轴线相互平行，且所述第一驱动轴12与第二驱动轴22采用同轴布置形式。这样的设置可使本发明获得如下技术效果当第一驱动轴12与第二驱动轴22同向旋转或反向旋转时，能够实现所述执行装置3中末端执行器33绕轴线z的整周转动，并确定所述的末端执行器33在某一平面内的位置；所述末端执行器33在前述平面内的姿态可由所述执行装置3中的回转运动驱动装置31确定；所述末端执行器33沿轴线z的抓放动作可由所述执行装置3中的直线运动驱动装置32配合实现。
在本实施例中，所述的第一驱动装置11及第二驱动装置21采用了伺服电机——减速齿轮副的结构形式，为与其连接的第一驱动轴12及第二驱动轴22提供转动自由度；。为了达到同样目的，还可以采用力矩电机——等速齿轮副结构形式，为与其连接的第一驱动轴12及第二驱动轴22提供转动自由度。当然，在具体实施时，采用其它任意一种可实现相同运动功能的结构形式作为驱动方式都是可以的。
在本实施例的执行装置3中，所述的回转运动驱动装置31采用了伺服电机——减速器的结构形式，为与其连接的直线运动驱动装置32提供一个回转自由度；所述的直线驱动装置32采用气缸驱动形式，为与其连接的末端执行器33提供了一个移动自由度。当然，在具体实施时，执行装置的具体结构也不局限于此。
本发明的可实现整周回转的四自由度混联抓放式机器人机构，有如下优点(1)采用由一个机座和两个结构相同的支链组成的两自由度并联机构，在尺度和工作空间等同的情况下，比现有的SCARA机器人具有更好精度、刚度以及更快的速度；(2)采用两个驱动轴同轴布置形式，实现执行装置的整周回转，在尺度等同的情况下，比现有的平面两自由度并联机器人机构具有更大的工作空间，同时运动学和动力学性能具有轴对称性。
以上结合附图和具体实施例对本发明进行了示意性描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明一种实施方式之一，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，采用其它形式的机座布局、同轴驱动方式、以及铰链连接方式，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
1.一种可实现整周回转的四自由度混联抓放式机器人机构，包括机座和设置在所述机座上的第一支链、第二支链以及执行装置，其特征是，所述的第一支链包括第一驱动装置、第一驱动轴、第一主动臂、第一铰轴及第一从动臂，所述第一驱动装置固定设置于机座上，其输出端与所述第一驱动轴的一端连接，所述的第一驱动轴为中空结构，它的另一端与第一主动臂的一端固定连接，所述第一主动臂的另一端通过第一销轴与第一从动臂铰接；所述的第二支链包括第二驱动装置、第二主动臂、第二铰轴及第二从动臂，所述第二驱动装置固定设置于机座上，其输出端与所述第二驱动轴的一端连接，所述的第二驱动轴设置在中空结构的第一驱动轴的中心并与其形成同轴设置形式，它的另一端与第二主动臂的一端固定连接，所述第二主动臂的另一端通过第二销轴与第二从动臂铰接；所述第一从动臂的末端与第二从动臂的末端通过由轴承构成的回转副铰接，其铰接处设置有执行装置；所述的执行装置包括回转运动驱动装置、直线运动驱动装置以及末端执行器，所述的回转运动驱动装置固定设置于第二从动臂末端，其输出轴固接直线运动驱动装置，所述直线运动驱动装置的输出端固接末端执行器。
2.根据权利要求1所述的可实现整周回转的四自由度混联抓放式机器人机构，其特征是，所述的末端执行器为手爪或吸盘。
3.根据权利要求1所述的可实现整周回转的四自由度混联抓放式机器人机构，其特征是，所述第一驱动装置和第二驱动装置的结构为伺服电机——减速齿轮副结构。
4.根据权利要求1所述的可实现整周回转的四自由度混联抓放式机器人机构，其特征是，所述第一驱动装置和第二驱动装置的结构为力矩电机——等速齿轮副结构。
5.根据权利要求1所述的可实现整周回转的四自由度混联抓放式机器人机构，其特征是，所述回转运动驱动装置的结构为伺服电机——减速器结构。
6.根据权利要求1所述的可实现整周回转的四自由度混联抓放式机器人机构，其特征是，所述直线驱动装置的结构为气缸驱动结构。
全文摘要
本发明公开了一种可实现整周回转的四自由度混联抓放式机器人机构，其构成包括机座和设置在所述机座上的第一支链、第二支链以及执行装置；所述的第一支链由第一驱动装置、第一驱动轴、第一主动臂和第一从动臂构成，所述的第二支链由第二驱动装置、第二驱动轴、第二主动臂和第二从动臂铰接构成；所述的第一驱动轴与第二驱动轴采用同轴布置形式；所述第一从动臂的末端与第二从动臂的末端通过回转副铰接，由回转运动驱动装置、直线运动驱动装置以及末端执行器构成的执行装置设置在其铰接处。本发明的优点是比现有的同类机器人具有更好精度、刚度以及更快的速度，可提高机构的整体动态性能，并实现末端执行器绕其驱动轴轴线的整周转动。
文档编号B25J9/08GK1903519SQ20061001511
公开日2007年1月31日 申请日期2006年8月3日 优先权日2006年8月3日
发明者黄田, 刘海涛, 王攀峰, 赵学满, 梅江平 申请人:天津大学