具有空间支链结构的两自由度并联机器人的制作方法

本发明涉及并联机器人领域，尤其涉及一种具有空间支链结构的两自由度并联机器人。

背景技术：

随着工业水平的发展，机器人和机床的应用需求不断提高，如塑料工业、电子工业、药品工业和食品工业领域内的轻物质的快速包装、分拣以及搬运等；如个性化小型平面数控操作的切割、打印及雕刻等；如制造领域中金属切削、材料焊接以及表面喷涂等。分析表明，针对以上两维点到点以及任意曲线运动，仅需平面两移动自由度即可实现。

传统的平面两自由度机构多采用串联形式实现，存在误差积累、运动部件质量大等问题。与串联机构不同，并联机构是由两个或多个运动学支链构成的闭环结构，具有结构紧凑、刚度高、承载能力大等优点，成为机器人和机床设计的理想选择之一。但相关技术中的并联机构在实现平面两自由度的同时，仍存在一些问题需要解决，如冗余和被动约束支链带来的运动学以及结构复杂性等。现有技术公开的一种并联机器人中，提出利用在主动臂上设置平行的运动构件来提高运动学性能，但是这一技术方案仍有待提高。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提出一种具有空间支链结构的两自由度并联机器人，所述两自由度并联机器人具有结构紧凑、易装配、控制精度高和工作空间大等特点。可实现高速、高加速特性。

根据本发明实施例的具有空间支链结构的两自由度并联机器人，包括：定平台；两个驱动装置，每个所述驱动装置包括一个主动臂和用于驱动所述主动臂转动的驱动单元，所述驱动单元设置在所述定平台上，两个所述主动臂位于同一参考面内；动平台，所述动平台具有与所述参考面始终垂直的主平面；子支链，每个所述主动臂与所述动平台之间均连接有所述子支链，每个所述子支链包括：两个等长的轴杆和两个等长的链杆，两个所述轴杆平行设置，两个所述轴杆中一个设在所述主动臂上、另一个设在所述动平台上，两个所述链杆的两端分别与两个所述轴杆相连形成平行四边形，每个所述轴杆与每个所述链杆之间为球面铰接；其中，至少一个所述主动臂上铰接有末端支架，所述末端支架通过加强杆与所述定平台相连，所述定平台、所述主动臂、所述末端支架和所述加强杆构成平行四边形；且，当所述主动臂直接与所述子支链相连时，所述主动臂上连接有一个所述子支链；当所述主动臂上设有所述末端支架时，所述子支链连接在所述末端支架上以间接连接所述主动臂，且一个所述末端支架上连接有两个所述子支链，连接在同一所述末端支架上的两个所述子支链相对所述参考面对称；另外，连接在同一所述末端支架上的两个所述子支链中，连接在所述末端支架上的两个所述轴杆形成大于0度小于180度的夹角，连接在所述动平台上的两个所述轴杆形成大于0度小于180度的夹角，且连接在所述末端支架上的两个所述轴杆之间距离大于连接在所述动平台上的两个所述轴杆之间距离；所述驱动装置、所述末端支架以及连接在同一所述末端支架上的两个所述子支链共同构成具有空间支链结构的两自由度并联机器人的一条空间支链。

根据本发明实施例的具有空间支链结构的两自由度并联机器人，通过在末端支架两侧的布置，即主动臂-加强杆组合杆以及双支链组合杆的相互影响，使并联机器人整机刚度大、控制精度高、易装配性、性能一致性和保持性均非常突出。

在一些实施例中，每个所述子支链中，两个所述链杆之间连接有至少一个抗扭杆，所述抗扭杆与所述轴杆等长且平行设置。

具体地，每个所述链杆上均设有沿其长度方向延伸的滑孔，所述抗扭杆的转轴穿设在所述滑孔内。

在一些实施例中，所述动平台包括中心板和多对耳板，每对所述耳板连接在所述中心板的外周上，每对所述耳板包括间隔开的设有耳孔的两个耳板，每个所述轴杆连接在一对所述耳板的所述耳孔上。

在一些实施例中，所述主动臂上设有减重孔。

在一些实施例中，所述末端支架包括：支板，所述主动臂铰接在所述支板上；一对上延伸耳，一对所述上延伸耳设在所述支板的一侧，所述加强杆铰接在一对所述上延伸耳之间；两对下延伸耳，两对所述下延伸耳连接在所述支板的另一侧，每对所述下延伸耳上连接一个所述子支链的所述轴杆。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施例一的具有空间支链结构的两自由度并联机器人的结构示意图；

图2是本发明实施例二的具有空间支链结构的两自由度并联机器人的结构示意图；

图3是图2中圈示a区放大图；

图4是图2中圈示b区放大图。

附图标记：

两自由度并联机器人100、

定平台1、

驱动装置2、主动臂21、减重孔211、驱动单元22、

子支链3、轴杆31、上轴杆311、下轴杆312、链杆32、滑孔321、抗扭杆33、

动平台4、中心板41、耳板42、耳孔421、

末端支架5、支板51、上延伸耳52、下延伸耳53、

加强杆6。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面参考图1-图4描述根据本发明实施例的具有空间支链结构的两自由度并联机器人100。

根据本发明实施例的具有空间支链结构的两自由度并联机器人100，如图1和图2所示，包括：定平台1、两个驱动装置2、动平台4和子支链3。

其中，两个驱动装置2设在定平台1上，每个驱动装置2包括一个主动臂21和用于驱动主动臂21转动的驱动单元22，驱动单元22设置在定平台1上，两个主动臂21位于同一参考面内。也就是说，两个主动臂21的一端可枢转地连接在定平台1上，两个主动臂21的枢转轴相平行，两个主动臂21构成的平面称为参考面。

动平台4具有与参考面始终垂直的主平面。这里提出动平台4具有主平面，主平面是虚拟的面，表示动平台4相对参考面的运动方式受到限制，动平台4仅能沿参考面平动，或者动平台4的转轴只能垂直于参考面。

如图1和图2所示，每个主动臂21与动平台4之间均连接有子支链3，子支链3是平行四边形杆组。每个子支链3包括：两个等长的轴杆31和两个等长的链杆32，两个轴杆31平行设置，两个轴杆31中一个设在主动臂21上、另一个设在动平台4上，两个链杆32的两端分别与两个轴杆31相连。这里，每个子支链3为具有四个连接点的四连杆结构，两个轴杆31等长指的是两个轴杆31在连接点之间的长度部分等长，两个链杆32待长指的是两个链杆32在连接点之间的长度部分等长。一个子支链3的两个轴杆31和两个链杆32形成一个平行四边形。这里要特别强调的是，如图3和图4所示，每个轴杆31与每个链杆32之间为球面铰接，以保证平行四边形形状变化时的灵活性。

其中，至少一个主动臂21上铰接有末端支架5，末端支架5通过加强杆6与定平台1相连，定平台1、主动臂21、末端支架5和加强杆6构成平行四边形。

如图1所示，当主动臂21直接与子支链3相连时，主动臂21上连接有一个子支链3。如图1和图2所示，当主动臂21上设有末端支架5时，子支链3连接在末端支架5上以间接连接主动臂21，且一个末端支架5上连接有两个子支链3。而且当子支链3通过末端支架5与主动臂21相连时，末端支架5上的轴杆31与主动臂21的转动轴不同轴，连接在同一末端支架5上的两个子支链3相对参考面对称。

而且，连接在同一末端支架5上的两个子支链3中，连接在末端支架5上的两个轴杆31形成大于0度小于180度的夹角，连接在动平台4上的两个轴杆31形成大于0度小于180度的夹角。同一末端支架5上的两个子支链3中，连接在末端支架5上的两个轴杆31之间距离大于连接在动平台4上的两个轴杆31之间距离。驱动装置2、末端支架5以及连接在同一末端支架5上的两个子支链3，共同构成具有空间支链结构的两自由度并联机器人100的一条空间支链。

也就是说本发明中，两自由度并联机器人100可以有两个基本构型，分别为图1所示构型和图2所示构型。

在图1中，定平台1上连接两个驱动装置2，每个驱动装置2包括一个主动臂21和用于驱动主动臂21转动的驱动单元22。其中一个主动臂21的末端没有连接末端支架5，另一个主动臂21的末端连接一个末端支架5。末端支架5与定平台1之间还连接有加强杆6，定平台1、主动臂21、末端支架5和加强杆6构成一个平行四边形。

没连接末端支架5的主动臂21上仅连接一个子支链3，而末端支架5上连接两个子支链3。每个子支链3包括：两个轴杆31和两个链杆32，两个轴杆31平行设置，两个轴杆31中一个设在主动臂21上、另一个设在动平台4上，两个链杆32的两端分别与两个轴杆31相连，一个子支链3的两个轴杆31和两个链杆32形成一个平行四边形，每个轴杆31与每个链杆32之间为球面铰接。

这里为方便说明，参照图1所示方向，图1中动平台4位于定平台1的下方，称与主动臂21相连的轴杆31为上轴杆311，称与动平台4相连的轴杆31为下轴杆312。后文中也均借鉴图1所示方向，对各部件的位置进行说明，当然图1仅是用于示例，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。除此之外，下文中为便于参照附图描述并联机器人的工作原理，还引入了图1所示的由x轴、y轴、z轴构成的笛卡尔坐标系。在笛卡尔坐标系中，z轴方向相当于上下方向。

在同一末端支架5上的两个子支链3中，两个上轴杆311之间形成大于0度小于180度的夹角，两个下轴杆312形成大于0度小于180度的夹角，且两个子支链3在末端支架5上的距离大于在动平台4上的距离。驱动装置2、末端支架5以及连接在末端支架5上的两个子支链3共同构成具有空间支链结构的两自由度并联机器人100的一条空间支链。

在图1所示两自由度并联机器人100的基本构型，完全限制了动平台4绕x轴、y轴和z轴的3个转动自由度，也完全限制了动平台4沿y轴的1个平动自由度。所述两自由度并联机器人100可实现沿着x轴和z轴两个方向的移动自由度，具有结构紧凑、易装配、控制精度高和工作空间大等特点，可实现高速、高加速特性。

在图2中，定平台1上连接两个驱动装置2，每个驱动装置2包括一个主动臂21和用于驱动主动臂21转动的驱动单元22。两个主动臂21的末端均连接有末端支架5，每个末端支架5与定平台1之间均连接有加强杆6。在定平台1两侧，定平台1、主动臂21、末端支架5和加强杆6均构成一个平行四边形。

两个末端支架5上均连接有两个子支链3，每个子支链3包括：两个轴杆31和两个链杆32，两个轴杆31为平行设置的上轴杆311和下轴杆312，上轴杆311设在末端支架5上，下轴杆312设在动平台4上，两个链杆32的两端分别与两个轴杆31相连，一个子支链3的两个轴杆31和两个链杆32形成一个平行四边形，每个轴杆31与每个链杆32之间为球面铰接。

在同一末端支架5上的两个子支链3中，两个上轴杆311之间形成大于0度小于180度的夹角，两个下轴杆312形成大于0度小于180度的夹角，且两个子支链3在末端支架5上的距离大于在动平台4上的距离。每个驱动装置2、对应的末端支架5以及连接在该末端支架5上的两个子支链3共同构成具有空间支链结构的两自由度并联机器人100的一条空间支链，两自由度并联机器人100具有两条空间支链。

图2所示两自由度并联机器人100的基本构型，是图1所示两自由度并联机器人100的基本构型的加强版。图2所示两自由度并联机器人100也能完成图1所示两自由度并联机器人100的绕x轴、y轴和z轴的3个转动自由度和沿y轴的1个平动自由度的四自由度限制的方案，即图2所示两自由度并联机器人100同样可实现沿着x轴和z轴两个方向的移动自由度。而且由于图2所示两自由度并联机器人100上，两个主动臂21上均通过末端支架5连接两个子支链3，形成冗余结构可以进一步提高机器人刚度和动平台4末端输出特性。

本发明实施例的两自由度并联机器人100，具有如下优点：

1、末端支架5两侧的布置，即主动臂21-加强杆6组合杆以及双支链组合杆的相互影响，严格限制了动平台4的四个自由度，动平台4在仅剩下的两个自由度下，整机刚度大、控制精度高，易装配性，性能一致性和保持性均非常突出。

2、将驱动单元22固定在定平台1上，而不像传统串联机器人一样随着驱动链的活动而活动。这样设置有利于实现驱动链的轻量化，提高驱动链的动态响应表现。而且驱动链摆脱了驱动单元22的负累后，还能够降低能耗。

优选地，驱动单元22以电机为佳，当然本发明其他实施例中，也可以采用液压驱动机构替代电机。例如，在生产线上多台两自由度并联机器人100操作时，可采用液压缸(通过活塞、齿轮系统等)对各主动臂21传输动力，联动设置成本可得到有效控制。

具体地，每个链杆32的两端均形成有铰接孔，铰接孔内壁面为球面，轴杆31的两端均形成为球头，轴杆31两端的球头配合在两个链杆32上的铰接孔中，从而形成球面铰接。

在一些实施例中，如图1-图4所示，每个子支链3中，两个链杆32之间连接有至少一个抗扭杆33，抗扭杆33与轴杆31等长且平行设置。抗扭杆33可以更有效地避免子支链3发生扭转，保证子支链3工作的稳定。

具体地，如图3和图4所示，每个链杆32上均设有沿其长度方向延伸的滑孔321，抗扭杆33的转轴穿设在滑孔321内。有了滑孔321的设置，可以提高子支链3在各角度的自适应性，提高灵活度。

在一些实施例中，如图1所示，动平台4包括中心板41和多对耳板42，每对耳板42连接在中心板41的外周上，每对耳板42包括间隔开的设有耳孔421的两个耳板42，每个轴杆31连接在一对耳板42的耳孔421上。动平台4结构简单，装配容易。

在一些实施例中，主动臂21上设有减重孔211。减重孔211的设置可以降低主动臂21的重量，增强机器人的动态特性。

在一些实施例中，如图3所示，末端支架5包括：支板51、一对上延伸耳52和两对下延伸耳53。主动臂21铰接在支板51上，一对上延伸耳52设在支板51的一侧，加强杆6铰接在一对上延伸耳52之间。两对下延伸耳53连接在支板51的另一侧，每对下延伸耳53上连接一个子支链3的轴杆31。

根据本发明实施例的具有空间支链的两自由度并联机器人100的其他构成例如电机等以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。