专利名称：四自由度全解耦线性传动柱坐标式机械手的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种四自由度全解耦线性传动柱坐标式机械手，应用于 工业自动化生产线上，起提拿移运物件的作用。
背景技术：
在工业生产中，机械手是一种能自动化定位控制并可重新编制程序以变 动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各种不同环境 中的工作。已有技术中的机械手通常采用开式链传动的结构形式，主要存在 以下两处欠缺 一是第一关节的运动参数会影响到第二关节的运动参数，第 三关节的运动参数受第一、第二关节的影响，依此类推。很显然，由于其是 一种耦合方式，因而不利于控制，且任一驱动源的运动精度都会以不同的可 变的影响因子影响到各级输出，从而使输出运动的精度降低。因为，当机械 手有n个(无数个)运动自由度输出时，相应地有ii个(无数个)驱动源(Si)，
若用公式表示则为i=l， 2, 3……n;而机械手的输出运动方程为X产f; ， S2 , S3……Sn)。在开式链的手关节式机械手中，若以&表示驱动源的参数， 以&表示第一关节运动参数，那么，方程式为X产A (Si )， x2=f2(S2 ， Xl)。
二是由于驱动源逐级安装在开式链的各级杆件上，因增加了杆件的质量而造
成运动惯性，导致动力学特性差。
发明内容
本实用新型的任务是要提供一种驱动源输出运动精度高，结构简单、杆 件运动惯性小，运动稳定、动力学特性好的四自由度全解耦线性传动柱坐标 式机械手。
本实用新型的任务是这样来完成的， 一种四自由度全解耦线性传动柱坐 标式机械手，它包括具有一纵臂和一横臂并且纵、横臂之间构成为直角坐标
关系的机架平台，该机架平台借助于横臂固定于主轴上，主轴枢置在底座上; 一大齿轮，设在底座上；第一、第二、第三驱动电机，其中第一、第二驱 动电机设在纵臂上，并且第一驱动电机与所述的大齿轮相配合，第三驱动电机设在横臂上； 一连杆机构，与第二、第三驱动电机联结； 一随动机构，设 在横臂上，并且与连杆机构联结； 一机械爪，与随动机构联结。
在本实用新型的一个具体的实施例中，所述的第一驱动电机的电机轴上 固设有一小齿轮，小齿轮与大齿轮啮合，第二驱动电机的第一输出轴为螺杆 轴，其上配设有一纵向滑块，并且该纵向滑块与纵臂滑动配合，第三驱动电 机的第二输出轴为螺杆轴，其上配设有一横向滑块，并且该横向滑块与横臂 滑动配合，所述的连杆机构与纵、横向滑块联结；所述的连杆机构包括第一、 第二、第三、第四连杆，第一连杆的一端由第一铰接轴与所述的纵向滑块铰 接；另一端通过第二铰接轴与第四连杆的一端铰接，第四连杆的另一端与联 结有机械爪的随动机构联结，第二连杆的一端通过第三铰接轴与第一连杆铰 接，另一端通过第四铰接轴与横向滑块铰接，第三连杆的一端通过第五铰接 轴与第四连杆铰接，另一端铰接在所述的第四铰接轴上。
在本实用新型的另一个具体的实施例中，所述的纵臂上开设有纵向滑块 槽，所述的纵向滑块与纵向滑块槽滑动配合。
在本实用新型的还一个具体实施例中，所述的横臂上开设有横向滑块 槽，所述的横向滑块与横向滑块槽滑动配合。
在本实用新型的又一个具体的实施例中，所述的第二、第三铰接轴之间 的距离与所述的第四、第五铰接轴之间的距离相等，并且，第三、第四铰接 轴之间的距离与第二、第五铰接轴之间的距离相等。
在本实用新型的再一个具体的实施例中，所述的第一、第二、第三驱动 电机为步进电机。
在本实用新型的更而一个具体的实施例中，所述的随动机构包括第四驱 动电机、第一、第二、第三传动带轮、第一传动带、随动连杆、第二传动带、 第四传动带轮、连结杆，第四驱动电机设在横臂上，第一传动带轮固设在第 四驱动电机的动力输出轴上，第二、第三传动带轮并列地固设在第一传动带 轮轴上，第一传动带轮轴以悬臂的形态地枢置在随动连杆的上端部，第一传 动带套置在第一、第二传动带轮上，第二传动带的一端套置在第三传动带轮 上，另一端套置在第四传动带轮上，第四传动带轮固设在第二传动带轮轴的 中部，第二传动带轮轴的一端枢置在第四连杆的下端，另一端枢置在随动连杆的下端，连结杆的两端分别枢置在动力输出轴、第一传动带轮轴上，所述 的机械爪固设在第二传动带轮轴的任意一端。
在本实用新型的进而一个具体的实施例中，所述的第一、第二、第三、 第四传动带轮为彼此直径相等、齿数相同的同步带轮。
在本实用新型的又更而一个具体的实施例中，所述的第一、第二传动带 为同步带。
在本实用新型的又进而一个具体的实施例中，所述的第四驱动电机为步 进电机。
本实用新型由于将作为驱动源的第一、第二、第三驱动电机以及将随动 机构均以机架平台为载体而设置，从而使连杆机构的各连杆的重量轻，运动 惯性小，能确保连杆运动的平稳，藉以获得理想的动力学特性；第一驱动电 机与大齿轮的配合能使机架平台转动，而第二、第三驱动电机在分别使连杆 机构实现径向、轴向运动，进而通过与连杆机架联结的随动机构带动联结于 随动机构上的机械爪作径向、轴向移动，因此由第一、第二、第三驱动电机 使机械爪实现定位运动，由随动机构单独设机械爪实现摆动即取向运动。由 于各驱动电机的运动量与机械爪的相应运动量均构成为简单的线性关系，从 而不仅简化了结构，而且使各驱动电机的输出运动精度得以保障。
附图为本实用新型的一实施例结构图具体实施方式
请见附图，给出了由一纵臂ll和一横臂ll、 12之间构成为直角(卯° ) 坐标关系的机架平台1，从而使机架平台1的整体形状大体上呈L形。机架 平台1通过其横臂12固定在主轴2的上端端面上，而主轴2的下端通过轴承 22枢置于底座21上，轴承22可以有一个，也可以有一对，本实施例来用一 对，置于底座21上所加工出的轴承孔中或称底座内孔中。在使用现场，底座 21与地坪固定，在底座21的偏上部固设大齿轮3。
第一、第二、第三驱动电机4、 5、 6各为步进电机，其中，第一驱动电 机4固置在机架平台1的纵臂11的背面偏下方，作为其动力输出轴的电机轴 41上固设有小齿轮411，该小齿轮411与大齿轮3相啮合。当第一驱动电4机接受指令工作，其电机轴41转动一定角度时，便可使小齿轮411在大齿轮 3上产生公转和自转，由公转带动整个机架平台1绕主轴2的轴心产生由图中 以第一箭头10a示意的转角，申请人将该转角定义定4)转角，由于随动机构9 是联结在机架平台1的横臂12上的，还由于机械爪7是联结在随动机构9上 的，因此，当机架平台1绕主轴2的轴心产生4)转角时，机械爪7也相应运 动。4)转角与第一驱动电机4的转角成线性关系，且与第二、第三驱动电机5、 6的运动量无关。第二驱动电机5固设在机架平台1的纵臂11的正面偏上方， 其第一输出轴51为螺杆轴(也称丝杠)，在第一输出轴51上螺纹配设纵向滑 块511，纵向滑块511滑配在纵臂11上所开设的形状优选为燕尾形的纵向滑 块槽111上。当第二驱动电机5接受指令工作，其第一输出轴51旋转，从而 使纵向滑块511沿纵向滑块槽111作圆柱坐标轴线运动，即作由图中以第二 箭头10b示意的方向运动，申请人将该运动方向定义为Z方向。第二驱动电 机5的转动量可根据第一输出轴51 (螺杆轴)的螺纹螺距线性地转换为纵向 滑块511的移动量。第三驱动电机6安装在机架平台1横臂12的尾端部，即 靠近于纵臂11的一端端部，其第二输出轴61同样为螺杆轴(也称丝杠)，在 第二输出轴61上螺纹配设横向滑块611，横向滑块611滑配在横臂12上所开 设的形状同样优选为燕尾形的横向滑块槽121上。当第三驱动电机6接受指 令工作，其第二输出轴61旋转，从而使横向滑块611沿横向滑块槽121圆柱 坐标半径方向的移动，即作由图中以第三箭头10C示意的方向移动，申请人 将该方向定义为半径R方向。第三驱动电机6的移动量可根据第二输出轴61 (螺杆轴)的螺纹螺距线性地转换为横向滑块611的移动量。为了使纵向滑 块511的垂直移动单独而且线性地造成对机械爪7的爪掌71的垂直移动，以 及为了使横向滑块611的径向移动单独而且线性地造成对机械爪7的爪掌71 的径向移动，因此，将纵、横向滑块511、 611分别与连杆机构8联结。
请继续见附图，连杆机构8包括第一、第二、第三、第四连杆81、 82、 83、 84，其中第一连杆81的一端通过第一铰接轴811与纵向滑块511铰接， 另一端通过第二铰接轴812与第四连杆84的一端铰接，第四连杆84的另一 端与随动机构9联结，第二连杆82的一端通过第三铰接轴821与第一连杆81 的近中部铰接，另一端通过第四铰接轴822与横向滑块611铰接，第三连杆83的一端通过第五铰接轴831与第四连杆84的近中部铰接，另一端铰接在第 四铰接轴822上。为了便于说明，申请人将第一、第二、第三、第四、第五 铰接轴811、 812、 821、 822、 831与相应的连杆实现铰接的铰接点分别定义 为A、 D、 B、 C、 E以及将第四连杆84与随动机构9的联结点即与下面还要 提及的第二传动带轮轴981相联结的联结点(铰接点)定义为F，那么BD的 长度等于CE， BC的长度等于DE，且CE/AB等于EF/BC等于K (K表示 比例系数)。同时对第一连杆81而言，A、 B和D点在一条直线上；对第四 连杆84而言，D、 E和F在一条直线上。有了这种特殊的几何尺寸关系，当 纵向滑块511作垂直方向移动时，F点也以K为比例作垂直方向移动；当横 向滑块611作径向(向径方向)移动时，F点也以K为比例作径向(向径方 向)移动。因此，在任一位置，A、 C和F始终在一条直线上。由此，第二 驱动电5单独线性驱动F点作垂直运动，第三驱动电机6单独线性驱动F点 作径向(向径方向)运动。
综上所述，由于每个自由度的运动都只与各自的驱动电机有关而与其它 驱动电机无关，因而第一、第二、第三箭头10a、 10b、 10c的运动都是相应 独立的，彼此之间没有影响，即所谓的全解耦。同时，三个方向的各自的运 动位移与各自的驱动电机的输出成正比例关系，也就是受力和运动之间的关 系十分简单，且第一、第二、第三驱动电机4、 5、 6都安装在机架平台1上 而并否象现有技术那样安装在各级连杆上，因而动力学特性优异。
仍请见附图，本实用新型所推荐的随动机构9的第四驱动电机91同样采 用步进电机，安装在电机座912上，电机座912设在机架平台1的横臂12上， 并且居于横臂12的前端即图示位置状态的右端，第四驱动电机9的动力输出 轴911上固设第一传动带轮92，第一传动带轮92上套置第一传动带93的一 端，而第一传动带93的另一端套置到固设于第一传动带轮轴941上的第二传 动带轮94上，在第一传动带轮轴941上还固设有一第三传动带轮95。第一传 动带轮轴941上以悬臂形状地枢置在随动连杆96的上端，而随动连杆96的 下端枢置在第二传动带轮轴981的一端，第二传动带轮轴981的另一端枢置 在连杆机构8的第四连杆84的下端，第二传动带轮轴981的中部固设第四传 动带轮98,第四传动带轮98上套置第二传动带97的一端，第二传动带97的另一端套设在第三传动带轮95上。优选地，将第一、第二、第三、第四传 动带轮92、 94、 95、 98择用同步带轮；将第一、第二传动带93、 97择用同 步带，连结板99的两端分别枢置在动力输出轴911和第一传动带轮轴941上。 在本实施例中，申请人将机械爪7通过其爪掌71固设在了图示状态的第二传 动带轮轴981的右端，如果将其设置到即联结到第二传动带轮轴981的左端 则同样是可以的。
申请人将动力输出轴911的轴心定义为G点和将第一传动带轮轴841的 轴心定义为H点以及将第二传动带轮轴981的轴心定义为F点。虽然自G点 至H点以及自H点至F点的长度距离无特殊要求，但G、 H和F处的各传动带 轮的直径应保持一致，也就是说，设在动力输出轴911上的第一传动带轮92 和设在第一传动带轮轴941上的第二、第三传动带轮94、 95以及设在第二传 动带轮轴981上的第四传动带轮98的直径相同。当第四驱动电机91接受指 令而工作时，便可单独地以线性方式驱动机械爪7发生图中以第四箭头10d 示意的方向上下摆动，申请人将该摆动方向定义为a方向。当F点作垂直方 向或径向移动时，如果第四驱动电机91不转动，那么机械爪7始终不会转动。
由上述描述可知，在本实用新型的技术方案中，首先采用了第一、第二、 第三驱动电机4、 5、 6实现机械爪的定位运动，因为机械爪7是通过其爪掌 71联在第二传动带轮轴981上的，而第二传动带轮轴981又是联结在第四连 杆84上的。因此，第一驱动电机6单独驱动机架平台1转动，从而使机械爪 7绕圆柱轴线转动，根据行星齿轮机构的计算方式可得到机械爪7的相应的转 动量线性比例系数。第二驱动电机5和第三驱动电机6通过连杆机构8分别 单独驱动联结机械爪7的F点即第二传动带轮轴981作垂直和水平径向移动， 移动量线性比例系数K=CE/AB。进一步采用第四驱动电机91通过由随动连 杆96和第一、第二、第三、第四传动带轮92、 94、 95、 98及第一、第二传 动带93、 97的作用，即通过随动机构9的独立作用实现F点的取向运动。这 种做法实现了全解耦和线性传动，从而方便了控制，保证了运动精度，且结 构简单。同时，机械爪7的自重小，运动惯性小、运动稳定、且偏差小，动 力学性能好。
权利要求1、一种四自由度全解耦线性传动柱坐标式机械手，其特征在于它包括具有一纵臂(11)和一横臂(12)并且纵、横臂(11、12)之间构成为直角坐标关系的机架平台(1)，该机架平台(1)借助于横臂固定于主轴(2)上，主轴(2)枢置在底座(21)上；一大齿轮(3)，设在底座(21)上；第一、第二、第三驱动电机(4、5、6)，其中第一、第二驱动电机(4、5)设在纵臂(11)上，并且第一驱动电机(4)与所述的大齿轮(3)相配合，第三驱动电机(6)设在横臂(12)上；一连杆机构(8)，与第二、第三驱动电机(5、6)联结；一随动机构(9)，设在横臂(12)上，并且与连杆机构(8)联结；一机械爪(7)，与随动机构(9)联结。
2、 根据权利要求1所述的四自由度全解耦线性传动柱坐标式机械手， 其特征在于所述的第一驱动电机(4)的电机轴(41)上固设有一小齿轮(411)，小 齿轮(411)与大齿轮(3)啮合，第二驱动电机(5)的第一输出轴(51)为螺杆轴，其 上配设有一纵向滑块(511)，并且该纵向滑块(511)与纵臂(11)滑动配合，第三 驱动电机(6)的第二输出轴(61)为螺杆轴，其上配设有一横向滑块(611)，并且 该横向滑块(611)与横臂(12)滑动配合，所述的连杆机构(8)与纵、横向滑块 (511、 611)联结；所述的连杆机构(8)包括第一、第二、第三、第四连杆(81、 82、 83、 84),第一连杆(81)的一端由第一铰接轴(811)与所述的纵向滑块(511) 铰接；另一端通过第二铰接轴(812)与第四连杆(84)的一端铰接，第四连杆(84) 的另一端与联结有机械爪(7)的随动机构(9)联结，第二连杆(82)的一端通过第 三铰接轴(821)与第一连杆(81)铰接，另一端通过第四铰接轴(822)与横向滑块 (611)铰接，第三连杆(83)的一端通过第五铰接轴(831)与第四连杆(84)铰接， 另一端铰接在所述的第四铰接轴(822)上。
3、 根据权利要求2所述的四自由度全解耦线性传动柱坐标式机械手， 其特征在于所述的纵臂(ll)上开设有纵向滑块銜m)，所述的纵向滑块(511) 与纵向滑块槽(lll)滑动配合。
4、 根据权利要求2所述的四自由度全解耦线性传动柱坐标式机械手， 其特征在于所述的横臂(12)上开设有横向滑块槽(121)，所述的横向滑块(611)与横向滑块槽(121)滑动配合。
5、 根据权利要求2所述的四自由度全解耦线性传动柱坐标式机械手， 其特征在于所述的第二、第三铰接轴(812、 821)之间的距离与所述的第四、 第五铰接轴(822、 831)之间的距离相等，并且，第三、第四铰接轴(821、 822) 之间的距离与第二、第五铰接轴(812、 831)之间的距离相等。
6、 根据权利要求1或2所述的四自由度全解耦线性传动柱坐标式机械 手，其特征在于所述的第一、第二、第三驱动电机(4、 5、 6)为步进电机。
7、 根据权利要求2所述的四自由度全解耦线性传动柱坐标式机械手， 其特征在于所述的随动机构9包括第四驱动电机(91)、第一、第二、第三传 动带轮(92、 94、 95)、第一传动带(93)、随动连杆(96)、第二传动带(97)、第 四传动带轮(98)、连结杆(99)，第四驱动电机(91)设在横臂(12)上，第一传动 带轮(92)固设在第四驱动电机(91)的动力输出轴(911)上，第二、第三传动带 轮(94、 95)并列地固设在第一传动带轮轴(941)上，第一传动带轮轴(941)以悬 臂的形态地枢置在随动连杆(96)的上端部，第一传动带(93)套置在第一、第二 传动带轮(92、 94)上，第二传动带(97)的一端套置在第三传动带轮(95)上，另 一端套置在第四传动带轮(98)上，第四传动带轮(98)固设在第二传动带轮轴 (981)的中部，第二传动带轮轴(981)的一端枢置在第四连杆(84)的下端，另一 端枢置在随动连杆(96)的下端，连结杆(99)的两端分别枢置在动力输出轴 (911)、第一传动带轮轴(941)上，所述的机械爪(7)固设在第二传动带轮轴(981) 的任意一端。
8、 根据权利要求7所述的四自由度全解耦线性传动柱坐标式机械手， 其特征在于所述的第一、第二、第三、第四传动带轮(92、 94、 95、 98)为彼 此直径相等、齿数相同的同步带轮。
9、 根据权利要求7所述的四自由度全解耦线性传动柱坐标式机械手， 其特征在于所述的第一、第二传动带(93、 97)为同步带。
10、 根据权利要求7所述的四自由度全解耦线性传动柱坐标式机械手， 其特征在于所述的第四驱动电机(91)为步进电机。
专利摘要一种四自由度全解耦线性传动柱坐标式机械手，应用于工业自动化生产线上，起提拿移运物件的作用。它包括具有一纵臂和一横臂并且纵、横臂之间构成为直角坐标关系的机架平台，该机架平台借助于横臂固定于主轴上，主轴枢置在底座上；一大齿轮，设在底座上；第一、第二、第三驱动电机，其中第一、第二驱动电机设在纵臂上，并且第一驱动电机与所述的大齿轮相配合，第三驱动电机设在横臂上；一连杆机构，与第二、第三驱动电机联结；一随动机构，设在横臂上，并且与连杆机构联结；一机械爪，与随动机构联结。优点能确保连杆运动的平稳，藉以获得理想的动力学特性；简化了结构，使各驱动电机的输出运动精度得以保障。
文档编号B25J19/00GK201143680SQ20082003146
公开日2008年11月5日 申请日期2008年1月25日 优先权日2008年1月25日
发明者沈世德, 胡朝斌 申请人:常熟理工学院