专利名称：过约束五自由度机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机器人。特别是涉及一种过约束五自由度机器人。
背景技术：
现有专利GB2173472 (或 EP0200369、US4790718)、SE8502327 (或 US4732525)、EP0674969 (或US6336375)、CN1524662 (或W02005025816)所公开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固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。而其他各调节装置则是一端通过铰链紧固与固定架上，以使其能相对于固定架绕各个方向的转动，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，由于与固接定位头的从动或主动长度调节装置连接的铰链为三自由度铰链，其不足是机构 的整体刚度低，负载能力差，因而不适于高速重载的加工应用场合。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种高刚度多坐标的过约束五自由度机器人。本发明所采用的技术方案是一种过约束五自由度机器人，包括固定架、动平台、连接在所述动平台末端的定位头，以及设置在所述固定架与动平台之间的第一支链、第二支链和第三支链。所述的第一支链、第二支链和第三支链结构相同，其中任一个都包括有转动叉，通过具有一个转动自由度的铰链连接在转动叉的凹槽内的长度调节装置，固接在长度调节装 置一端的驱动装置，固接在长度调节装置另一端的T形铰；所述的转动叉的底端通过具有一个转动自由度的铰链与所述的固定架相连，连接转动叉和固定架的转动轴线与连接长度调节装置和转动叉的转动轴线垂直相交；所述第一支链上的T形铰通过具有一个转动自由度的铰链连接第一转动圈，连接第一支链上的长度调节装置和转动叉的转动轴线与连接第一支链上的T形铰和第一转动圈的转动轴线相平行；所述第二支链上的T形铰通过具有一个转动自由度的铰链连接第二转动圈，连接第二支链上的长度调节装置和转动叉的转动轴线与连接第二支链上的T形铰和第二转动圈的转动轴线相平行；所述第三支链上的T形铰通过具有一个转动自由度的铰链连接第三转动圈，连接第三支链上的长度调节装置和转动叉的转动轴线与连接第三支链上的T形铰和第三转动圈的转动轴线相平行；所述的第一转动圈和第三转动圈各自分别通过一个具有一个转动自由度的铰链与动平台相连，所述的第二转动圈与动平台固接，连接所述第一转动圈与动平台的转动轴线与连接所述第三转动圈与动平台的转动轴线共线。所述的定位头是具有两个转动自由度的串联头。所述的第一支链上的转动叉O、第二支链上的转动叉0和第三支链上的转动叉三对称的布置在固定架的周围，且连接第一支链上的转动叉和固定架的转动轴线、连接第二支链上的转动叉和固定架的转动轴线以及连接第三支链上的转动叉和固定架的转动轴线相交于一点。一种过约束五自由度机器人，包括固定架、动平台、连接在所述动平台末端的定位头，以及设置在所述固定架与动平台之间的第一支链、第二支链和第三支链，还设置有贯穿固定架中心部的被动支链；所述的第一支链、第二支链和第三支链结构相同，均包括有转动叉，通过具有一个转动自由度的铰链连接在转动叉的凹槽内的长度调节装置，固接在长度调节装置一端的驱动装置，固接在长度调节装置另一端的T形铰；所述的转动叉的底端通过具有一个转动自由度的铰链与所述的固定架相连，连接转动叉和固定架的转动轴线与连接长度调节装置和转动叉的转动轴线垂直相交；所述第一支链上的T形铰通过具有一个转动自由度的铰链连接第一转动圈，连接第一支链上的长度调节装置和转动叉的转动轴线与连接第一支链上的T形铰和第一转动圈的转动轴线相平行；所述第二支链上的T形铰通过具有一个转动自由度的铰链连接第二转动圈，连接第二支链上的长度调节装置和转动叉的转动轴线与连接第二支链上的T形铰和第二转动圈的转动轴线相平行；所述第三支链上的T形铰通过具有一个转动自由度的铰链连接第三转动圈，连接第三支链上的长度调节装置和转动叉的转动轴线与连接第三支链上的T形铰和第三转动圈的转动轴线相平行；所述的第一转动圈、第二转动圈和第三转动圈分别通过具有一个转动自由度的铰链与动平台相连，并且，连接所述第一转动圈与动平台的转动轴线、连接所述第二转动圈与动平台的转动轴线和连接所述第三转动圈与动平台的转动轴线共线；所述的被动支链包括有通过具有一个转动自由度的铰链连接在固定架中心的外圈，通过具有一个转动自由度的铰链连接在所述外圈内周的内圈，以及贯穿内圈的伸缩杆，所述的内圈的内周面上固定设置有滑块，所述的伸缩杆上与所述的滑块相对应的固定设置有导轨，所述的滑块0与导轨滑移的连接，从而使所述的伸缩杆与所述的内圈构成移动畐|J，并且，连接所述的外圈和固定架的转动轴线与连接所述的内圈和外圈的转动轴线垂直相交，所述的伸缩杆的末端与动平台固定相连。所述的定位头是具有两个转动自由度的串联头。所述的第一支链上的转动叉、第二支链上的转动叉和第三支链上的转动叉三对称的布置在固定架的周围，且连接第一支链上的转动叉和固定架的转动轴线、连接第二支链上的转动叉和固定架的转动轴线以及连接第三支链上的转动叉和固定架的转动轴线相交于一点，且所述的该点与连接所述外圈和固定架的转动轴线与连接所述内圈和外圈的转动轴线相交的交点重合。连接所述第一转动圈与动平台的转动轴线、连接所述第二转动圈与动平台的转动轴线和连接所述第三转动圈与动平台的转动轴线，均通过连接第一支链上的转动叉和固定架的转动轴线、连接第二支链上的转动叉和固定架的转动轴线以及连接第三支链上的转动叉和固定架的转动轴线所相交的那一点。本发明的过约束五自由度机器人，具有的优点和积极效果是
(I)运动学逆解求解具有解析解，方便实时控制；
(2)机构为过约束机构，具有较高的结构刚度；(3)末端动平台轴线可绕一定点做定点转动，故机构可增加被动支链；有利于机构做成位置测量装置。
图I是本发明实施例I的结构示意图；图2是本发明实施例I中的T形铰的结构示意图；图3是本发明实施例2的结构示意图之一；图4为本发明实施例2的结构示意图之二 ；图5为本发明实施例2中被动支链4及其末端的动平台6和定位头7的结构示意图。图中
I:第-歧链2:第支链
3第 :支链4:被动支链
5 Nd定架6动—f ft
7；定位头8转动义
9 K度调节装艽10 了形铰
11 动装-W12-第---转动_
13第转动圈14:第-转动_
41外_42:内 B
-13仲缩杆44导轨
45；滑块
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明的过约束五自由度机器人做出详细说明。如图I所示，本发明的过约束五自由度机器人，包括固定架5、动平台6、连接在所述动平台6末端的定位头7，以及设置在所述固定架5与动平台6之间的第一支链I、第二支链2和第三支链3。所述的定位头7是具有两个转动自由度的串联头。所述的第一支链I、第二支链2和第三支链3结构相同，其中任一个都包括有转动叉8，通过具有一个转动自由度的铰链连接在转动叉8的凹槽内的长度调节装置9，固接在长度调节装置9 一端的驱动装置11，该驱动装置11使长度调节装置9成为主动移动副。固接在长度调节装置9另一端的T形铰10 ;如图2所示,所述T形铰10包括有主体101,所述主体101的一侧与长度调节装置9固定连接，所述主体101远离长度调节装置9的那一侧的两端分别延长的形成有用于与第一转动圈(12)/第二转动圈(13)/第三转动圈(14)连接的纵铰轴102。所述的转动叉8的底端通过具有一个转动自由度的铰链与所述的固定架5相连，连接转动叉8和固定架5的转动轴线与连接长度调节装置9和转动叉8的转动轴线垂直相交；所述的第一支链I上的转动叉8、第二支链2上的转动叉8和第三支链3上的转动叉8三对称的设置在固定架5的周围，且连接第一支链I上的转动叉8和固定架5的转动轴线、连接第二支链2上的转动叉8和固定架5的转动轴线以及连接第三支链3上的转动叉8和固定架5的转动轴线相交于一点。所述第一支链I上的T形铰10通过具有一个转动自由度的铰链连接第一转动圈12，连接第一支链I上的长度调节装置9和转动叉8的转动轴线与连接第一支链I上的T形铰10和第一转动圈12的转动轴线相平行；所述第二支链2上的T形铰10通过具有一个转动自由度的铰链连接第二转动圈13，连接第二支链2上的长度调节装置9和转动叉8的转动轴线与连接第二支链2上的T形铰10和第二转动圈13的转动轴线相平行；所述第三支链3上的T形铰10通过具有一个转动自由度的铰链连接第三转动圈14，连接第三支链3上的长度调节装置9和转动叉8的转动轴线与连接第三支链3上的T形铰10和第三转动圈14的转动轴线相平行；
所述的第一转动圈12和第三转动圈14各自分别通过一个具有一个转动自由度的铰链与动平台6相连，所述的第二转动圈13与动平台6固接，连接所述第一转动圈12与动平台6的转动轴线与连接所述第三转动圈14与动平台6的转动轴线共线。如图3、图4所示，本发明的过约束五自由度机器人，还可以是包括固定架5、动平台6、连接在所述动平台6末端的定位头7，设置在所述固定架5与动平台6之间的第一支链I、第二支链2和第三支链3，以及贯穿固定架5中心部的被动支链4。所述的定位头7是具有两个转动自由度的串联头。所述的第一支链I、第二支链2和第三支链3结构相同，均包括有转动叉8，通过具有一个转动自由度的铰链连接在转动叉8的凹槽内的长度调节装置9，固接在长度调节装置9 一端的驱动装置11，该驱动装置11使长度调节装置成为主动移动副。固接在长度调节装置9另一端的T形铰10;所述的转动叉8的底端通过具有一个转动自由度的铰链与所述的固定架5相连，连接转动叉8和固定架5的转动轴线与连接长度调节装置9和转动叉8的转动轴线垂直相交；所述第一支链I上的T形铰10通过具有一个转动自由度的铰链连接第一转动圈12，连接第一支链I上的长度调节装置9和转动叉8的转动轴线与连接第一支链I上的T形铰10和第一转动圈12的转动轴线相平行；所述第二支链2上的T形铰10通过具有一个转动自由度的铰链连接第二转动圈13，连接第二支链2上的长度调节装置9和转动叉8的转动轴线与连接第二支链2上的T形铰10和第二转动圈13的转动轴线相平行；所述第三支链3上的T形铰10通过具有一个转动自由度的铰链连接第三转动圈14，连接第三支链3上的长度调节装置9和转动叉8的转动轴线与连接第三支链3上的T形铰10和第三转动圈14的转动轴线相平行；如图4、图5所示,所述的被动支链4包括有通过具有一个转动自由度的铰链连接在固定架5中心的外圈41，通过具有一个转动自由度的铰链连接在所述外圈41内周的内圈42，以及贯穿内圈42的伸缩杆43，所述的内圈42的内周面上设置有滑块45，所述的伸缩杆43上与所述的滑块45相对应的固定设置有导轨44，所述的滑块45与导轨44滑移的连接，从而使所述的伸缩杆43与所述的内圈42构成移动副，并且，连接所述的外圈41和固定架5的转动轴线与连接所述的内圈42和外圈41的转动轴线垂直相交，所述的伸缩杆43的末端与动平台6固定相连。如图3所示，所述的第一支链I上的转动叉8、第二支链2上的转动叉8和第三支链3上的转动叉8三对称的布置在固定架5的周围，且连接第一支链I上的转动叉8和固定架5的转动轴线、连接第二支链2上 的转动叉8和固定架5的转动轴线以及连接第三支链3上的转动叉8和固定架5的转动轴线相交于一点，且所述的该点与连接所述外圈41和固定架5的转动轴线与连接所述内圈42和外圈41的转动轴线相交的交点重合。所述的第一转动圈12、第二转动圈13和第三转动圈14分别通过具有一个转动自由度的铰链与动平台6相连,并且,连接所述第一转动圈12与动平台6的转动轴线、连接所述第二转动圈13与动平台6的转动轴线和连接所述第三转动圈14与动平台6的转动轴线共线；并且，连接所述第一转动圈12与动平台6的转动轴线、连接所述第二转动圈13与动平台6的转动轴线和连接所述第三转动圈14与动平台6的转动轴线,均通过连接第一支链I上的转动叉8和固定架5的转动轴线、连接第二支链2上的转动叉8和固定架5的转动轴线以及连接第三支链3上的转动叉8和固定架5的转动轴线所相交的那一点。本发明与现有技术相比，其不同点在于(I)运动学逆解求解具有解析解，方便实时控制；(2)机构为过约束机构，具有较高的结构刚度；(3)末端动平台轴线可绕一定点做定点转动，故机构可增加被动支链，如实施例2所示；有利于机构做成位置测量装置；本发明的多自由度混联机器人可视为一个模块，该模块可通过固定架上的机械接口连接于长行程导轨、大角度回转机构等，以便大幅度提高其工作范围，也可将本发明的多自由度度机器人安装在同一机械结构上进行大规模或较大规模的流水作业。尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式
，上述的具体实施方式
仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种过约束五自由度机器人，包括固定架(5)、动平台(6)、连接在所述动平台(6)末端的定位头(7)，以及设置在所述固定架(5)与动平台(6)之间的第一支链(I)、第二支链(2)和第三支链(3)，其特征在于 所述的第一支链(I)、第二支链(2)和第三支链(3)结构相同，其中任一个都包括有转动叉(8)，通过具有一个转动自由度的铰链连接在转动叉(8)的凹槽内的长度调节装置(9)，固接在长度调节装置(9)一端的驱动装置(11)，固接在长度调节装置(9)另一端的T形铰(10)； 所述的转动叉(8)的底端通过具有一个转动自由度的铰链与所述的固定架(5)相连，连接转动叉(8)和固定架(5)的转动轴线与连接长度调节装置(9)和转动叉(8)的转动轴线垂直相交； 所述第一支链(I)上的T形铰(10)通过具有一个转动自由度的铰链连接第一转动圈(12)，连接第一支链(I)上的长度调节装置(9)和转动叉(8)的转动轴线与连接第一支链(1)上的T形铰(10)和第一转动圈(12)的转动轴线相平行；所述第二支链(2)上的T形铰(10)通过具有一个转动自由度的铰链连接第二转动圈(13)，连接第二支链(2)上的长度调节装置(9)和转动叉(8)的转动轴线与连接第二支链(2)上的T形铰(10)和第二转动圈(13)的转动轴线相平行；所述第三支链(3)上的T形铰(10)通过具有一个转动自由度的铰链连接第三转动圈(14)，连接第三支链(3)上的长度调节装置(9)和转动叉(8)的转动轴线与连接第三支链(3)上的T形铰(10)和第三转动圈(14)的转动轴线相平行； 所述的第一转动圈(12)和第三转动圈(14)各自分别通过一个具有一个转动自由度的铰链与动平台(6)相连，所述的第二转动圈(13)与动平台(6)固接，连接所述第一转动圈(12)与动平台(6)的转动轴线与连接所述第三转动圈(14)与动平台(6)的转动轴线共线。
2.根据权利要求I所述的过约束五自由度机器人，其特征在于，所述的定位头7是具有两个转动自由度的串联头。
3.根据权利要求I所述的过约束五自由度机器人，其特征在于，所述的第一支链(I)上的转动叉(8)、第二支链(2)上的转动叉(8)和第三支链(3)上的转动叉(8)三对称的布置在固定架(5)的周围，且连接第一支链(I)上的转动叉(8)和固定架(5)的转动轴线、连接第二支链(2)上的转动叉(8)和固定架(5)的转动轴线以及连接第三支链(3)上的转动叉(8)和固定架(5)的转动轴线相交于一点。
4.一种过约束五自由度机器人，包括固定架(5)、动平台(6)、连接在所述动平台(6)末端的定位头(7)，以及设置在所述固定架(5)与动平台(6)之间的第一支链(I)、第二支链(2)和第三支链(3)，其特征在于，还设置有贯穿固定架(5)中心部的被动支链(4); 所述的第一支链(I)、第二支链(2)和第三支链(3)结构相同，均包括有转动叉(8)，通过具有一个转动自由度的铰链连接在转动叉(8)的凹槽内的长度调节装置(9)，固接在长度调节装置(9) 一端的驱动装置(11)，固接在长度调节装置(9)另一端的T形铰(10); 所述的转动叉(8)的底端通过具有一个转动自由度的铰链与所述的固定架(5)相连，连接转动叉(8)和固定架(5)的转动轴线与连接长度调节装置(9)和转动叉(8)的转动轴线垂直相交； 所述第一支链(I)上的T形铰(10)通过具有一个转动自由度的铰链连接第一转动圈(12)，连接第一支链(I)上的长度调节装置(9)和转动叉(8)的转动轴线与连接第一支链(I)上的T形铰(10)和第一转动圈(12)的转动轴线相平行；所述第二支链(2)上的T形铰(10)通过具有一个转动自由度的铰链连接第二转动圈(13)，连接第二支链(2)上的长度调节装置(9)和转动叉(8)的转动轴线与连接第二支链(2)上的T形铰(10)和第二转动圈(13)的转动轴线相平行；所述第三支链(3)上的T形铰(10)通过具有一个转动自由度的铰链连接第三转动圈(14)，连接第三支链(3)上的长度调节装置(9)和转动叉(8)的转动轴线与连接第三支链(3)上的T形铰(10)和第三转动圈(14)的转动轴线相平行； 所述的第一转动圈(12)、第二转动圈(13)和第三转动圈(14)分别通过具有一个转动自由度的铰链与动平台(6)相连，并且，连接所述第一转动圈(12)与动平台(6)的转动轴线、连接所述第二转动圈(13)与动平台(6)的转动轴线和连接所述第三转动圈(14)与动平台(6)的转动轴线共线； 所述的被动支链(4)包括有通过具有一个转动自由度的铰链连接在固定架5中心的外圈(41)，通过具有一个转动自由度的铰链连接在所述外圈(41)内周的内圈(42 )，以及贯穿内圈(42)的伸缩杆(43)，所述的内圈(42)的内周面上固定设置有滑块(45)，所述的伸缩杆(43)上与所述的滑块(45)相对应的固定设置有导轨(44)，所述的滑块(45)与导轨(44)滑移的连接，从而使所述的伸缩杆(43)与所述的内圈(42)构成移动副，并且，连接所述的外圈(41)和固定架(5)的转动轴线与连接所述的内圈(42)和外圈(41)的转动轴线垂直相交，所述的伸缩杆(43)的末端与动平台(6)固定相连。
5.根据权利要求4所述的过约束五自由度机器人，其特征在于，所述的定位头7是具有两个转动自由度的串联头。
6.根据权利要求5所述的过约束五自由度机器人，其特征在于，所述的第一支链(I)上的转动叉(8 )、第二支链(2 )上的转动叉(8 )和第三支链(3 )上的转动叉(8 )三对称的布置在固定架(5)的周围，且连接第一支链(I)上的转动叉(8)和固定架(5)的转动轴线、连接第二支链(2)上的转动叉(8)和固定架(5)的转动轴线以及连接第三支链(3)上的转动叉(8)和固定架(5)的转动轴线相交于一点，且所述的该点与连接所述外圈(41)和固定架(5)的转动轴线与连接所述内圈(42)和外圈(41)的转动轴线相交的交点重合。
7.根据权利要求4和6所述的过约束五自由度机器人，其特征在于，连接所述第一转动圈(12)与动平台(6)的转动轴线、连接所述第二转动圈(13)与动平台(6)的转动轴线和连接所述第三转动圈(14)与动平台(6)的转动轴线，均通过连接第一支链(I)上的转动叉(8)和固定架(5)的转动轴线、连接第二支链(2)上的转动叉(8)和固定架(5)的转动轴线以及连接第三支链(3)上的转动叉(8)和固定架(5)的转动轴线所相交的那一点。
全文摘要
一种过约束五自由度机器人，包括固定架、动平台、连接在所述动平台末端的定位头，以及设置在所述固定架与动平台之间的第一支链、第二支链和第三支链。每条支链均包括转动叉、长度调节装置、T形铰和转动圈，所述3条支链均通过各自的转动叉转动连接于固定架，通过各自的转动圈与动平台连接，其中两条支链的转动圈转动连接于动平台，另一条支链的转动圈与动平台固接；本发明结构紧凑，设计巧妙，为过约束机构，故整机刚度好、精度高，且机构具有大的工作空间机架体积比。
文档编号B25J9/00GK102699902SQ20121018587
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月6日 优先权日2012年6月6日
发明者孙涛, 宋轶民, 李建民, 梅江平, 汪满新, 王攀峰, 黄田 申请人:天津大学