具有相同支链结构的四自由度柱坐标并联机器人的制作方法

本发明涉及并联机器人领域，尤其涉及一种具有相同支链结构的四自由度柱坐标并联机器人。

背景技术：

塑料工业、电子产品工业、药品工业和食品工业是我国国民工业体系中重要环节。为提高上述产业生产效率，各种产品的生产流水线被不断开发使用。然而，我国目前所属产业的轻型生产流水线货品的包装、分拣、组合和拆解任务仍大部分采用人工劳动，一方面导致人力生产成本居高不下，另一方面也不利于发挥出生产流水线的潜在生产效率。我国上述产业竞争力正在下降，产业自动化程度急需提高。引入工业机器人技术成为解决上述问题不可或缺的重要手段。

早期用于轻型生产流水线货品的包装、分拣、组合和拆解任务的工业机器人由串联机构实现。串联机构通过运动副依次连接而成，为开环结构，具有大的工业空间和高的灵活度，但其也具有明显的缺点：各运动副误差累积导致末端精度低、刚度低、惯性大、动力学性能不好。并联机构是一种闭环结构，其动平台部件通过至少两个独立的运动链与定平台相连接。与串联机构相比，并联机构具有刚度高、精度高、动力学性能好、结构紧凑等优点。

基于并联机构的优点，clavel提出了由三条对称支链构成的可实现三维平动的delta并联机构(us4976582)，具有高速运动特征，在此构型的基础上，abb公司研发了“flexpicker”并联机器人并应用于食品包装生产线中代替人工完成食品等的快速分拣操作；为进一步增加拾取动作的柔性和效率，pierrot等提出了具有四条支链，双动平台部件特征的可实现scara运动的h4并联机构(us2009019960和ep1084802)；随后adept公司成功将其商业化，典型代表有“adeptquattrro”并联机器人。

对于以上部分设计的优缺点，有文献进行了点评，不足之处总结如下：

专利cn202592386指出专利us20090019960和ep1084802中h4机构动平台部件的多个部件处于同一平面内，导致动平台部件尺寸较大，不够紧凑，且相邻两条支链驱动动平台部件的一个部件，传力效果不好，不利于提高机构效率；专利cn101863024、cn10261201指出专利us20090019960和ep1084802中动平台部件尺寸较大，其上设置的放大机构增加了动平台部件，驱动部件相当于平行四边形的一组对边，结构不紧凑，活动不灵活，受力不均匀，不利于提高机构效率；专利cn102229141指出专利us20090019960和ep1084802中动平台部件受驱动的部件只有两个，这两个部件相当于平行四边形的一组对边，这样的驱动方式不灵活，受力情况不均匀，不利于机构的顺畅运行。

综上，设计研发性能优异的四自由度高速并联机器人仍是机器人领域关注的热点问题，一款结构紧凑、运动灵活的四自由度高速并联机器人必将具有广阔的科研及应用前景。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种具有相同支链结构的四自由度柱坐标并联机器人，实现四自由度运动，且结构简单，运动灵活。

根据本发明实施例的具有相同支链结构的四自由度柱坐标并联机器人，包括：

柱平台，所述柱平台限定出yoz参考面，所述柱平台的长度方向沿z轴延伸；

两个第一驱动装置，每个所述第一驱动装置均包括第一驱动器、第一转轴和第一主动臂；所述第一驱动器设置在所述柱平台上且与所述第一转轴相连，以驱动所述第一转轴转动，所述第一主动臂的一端套设固定在所述第一转轴的外周面上，以使所述第一主动臂跟随所述第一转轴转动而转动，两个所述第一转轴沿平行于z轴的方向设置，两个所述第一主动臂相对所述yoz参考面对称；

两个第二驱动装置，每个所述第二驱动装置均包括第二驱动器、第二转轴和第二主动臂；所述第二驱动器设置在所述柱平台上且与所述第二转轴相连，以驱动所述第二转轴转动，所述第二主动臂的一端套设固定在所述第二转轴的外周面上，以使所述第二主动臂跟随所述第二转轴转动而转动，两个所述第二转轴沿平行于z轴的方向设置且相对于两个所述第一转轴在z轴方向上间隔开，两个所述第一主动臂相对所述yoz参考面对称；

动平台，所述动平台与所述柱平台在沿y轴方向上间隔开；

四个支链，四个所述支链均为平行四边形复合链，每个所述平行四边形复合链均包括两个轴杆和两个链杆，同一所述平行四边形复合链中的所述轴杆与所述链杆之间的连接均为球面铰接，同一所述平行四边形复合链的两个所述轴杆中一个固定连接在所述动平台上、另一个固定连接在对应的所述第一主动臂或者所述第二主动臂上，同一所述平行四边形复合链的两个所述轴杆的轴线均平行于z轴；或者

四个所述支链分别为单链，每个所述单链均包括一根单杆和两个十字轴，所述十字轴包括相互垂直的第一轴和第二轴，同一所述单链中的两个所述第一轴与单杆两端转动连接，同一所述单链中的两个所述第一轴互相平行，同一所述单链中的两个所述第二轴中的一个转动连接在所述动平台上，另一个转动连接在对应的所述第一主动臂或者所述第二主动臂上，同一所述单链中的两个所述第二轴均平行于z轴。

根据本发明实施例的具有相同支链结构的四自由度柱坐标并联机器人，可以实现平稳四自由度的控制要求。具体而言，通过控制两个第一驱动装置及两个第二驱动装置驱动相应的支链，实现动平台在柱坐标空间内的沿x、y、z轴的三维移动和绕z轴的一维转动自由度。根据本发明实施例的具有相同支链结构的四自由度柱坐标并联机器人，不仅结构紧凑，运动灵活。

根据本发明的一个实施例，所述柱平台包括柱平台主体和连接在所述柱平台主体上的两个第一安装部和两个第二安装部，两个所述第一安装部的一个和两个所述第二安装部的一个沿z轴方向间隔开地位于所述柱平台主体的一侧，两个所述第一安装部的另一个和两个所述第二安装部的另一个沿z轴方向间隔开地位于所述柱平台主体的另一侧，且两个所述第一安装部及两个所述第二安装部相对所述yoz参考面对称；两个所述第一驱动装置分别安装在两个所述第一安装部上，两个所述第二驱动装置分别安装在两个所述第二安装部上。

根据本发明进一步的实施例，所述第一安装部包括第一板块，所述第一板块在垂直于z轴的一个平面方向上延伸且与所述柱平台主体固定，所述第一板块上设有第一转轴孔，所述第一转轴穿过所述第一转轴孔，所述第一驱动器和所述第一主动臂分别位于所述第一板块的两侧，且所述第一驱动器固定在所述第一板块上；所述第二安装部包括第二板块，所述第二板块与第一板块平行且与所述柱平台主体固定，所述第二板块上设有第二转轴孔，所述第二转轴穿过所述第二转轴孔，所述第二驱动器和所述第二主动臂分别位于所述第二板块的两侧，且所述第二驱动器固定在所述第二板块上。

根据本发明再进一步的实施例，所述第二安装部还包括第三板块，所述第三板块平行设置于所述第二板块和所述第三板块之间，且与所述柱平台主体固定。

根据本发明再进一步的实施例，所述第二安装部还包括连接件，所述第二板块和所述第三板块通过所述连接件固定在所述柱平台主体上。

根据本发明再进一步的实施例，所述连接件包括由第一连接板、第二连接板和第三连接板依次相连形成的框架，所述第一连接板和所述第三连接板的一端均与所述柱平台主体固定，所述第一连接板和所述第三连接板的相对的另一端与通过所述第二连接板与所述第二板块和第三板块固定；所述第一驱动器安装在所述第一板块上时穿过所述框架。

根据本发明再进一步的实施例，所述第一连接板和所述第三连接板分别具有对应的第一斜切面和第二斜切面，所述第一斜切面与所述柱平台主体之间及所述第二斜切面与所述主平台主体之间分别形成第一缺口和第二缺口。

根据本发明的一些实施例，所述动平台包括动平台主体、两个第一连接部和两个第二连接部，两个所述第一连接部的一个和两个所述第二连接部的一个间隔开地位于所述动平台主体的一侧，两个所述第一连接部的另一个和两个所述第二连接部的另一个间隔开地位于所述动平台主体的另一侧，且两个所述第一连接部及两个所述第二连接部相对所述yoz参考面对称；四个所述支链中的两个所述支链一端分别与两个所述第一主动臂的另一端相连，四个所述支链中的两个所述支链另一端分别与所述动平台的两个所述第一连接部相连；四个所述支链中的另两个所述支链一端分别与两个所述第二主动臂的另一端相连，四个所述支链中的另两个所述支链另一端分别与所述动平台的两个所述第二连接部相连。

根据本发明的一些实施例，还包括支承座，所述支承座与所述柱平台的一端相连，用于支撑所述柱平台。

根据本发明的一个实施例，所述柱平台与电机相连，所述电机驱动所述柱平台绕z轴转动。

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是本发明一个实施例的具有相同支链结构的四自由度柱坐标并联机器人的结构示意图。

图2是本发明另一个实施例的具有相同支链结构的四自由度柱坐标并联机器人的结构示意图。

附图标记：

四自由度柱坐标并联机器人1000。

柱平台1柱平台主体11第一安装部12第一板块121第二安装部13第二板块131第三板块132连接件133第一连接板1331第一斜切面133101第二连接板1332

第一驱动装置2第一驱动器21第一主动臂22

第二驱动装置3第二驱动器31第二主动臂32

动平台4动平台主体41第一连接部42第二连接部43

支链5轴杆51链杆52单杆53十字轴54第一轴541第二轴542

支承座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，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考图1和图2来描述根据本发明实施例的具有相同支链结构的四自由度柱坐标并联机器人1000。

如图1和图2所示，根据本发明实施例的具有相同支链结构的四自由度柱坐标并联机器人1000，包括柱平台1、两个第一驱动装置2、两个第二驱动装置3、动平台4和四个支链5。

其中，柱平台1限定出yoz参考面。这里提出的yoz参考面是假设相对柱平台1固定部不变的虚拟参考面面，而不是说柱平台1上必须某个表面称为参考面，参考面的引用仅为了描述另外的其他部件的相互位置关系。本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和图2所示的由x轴、y轴、z轴以及三轴交点o构成的柱坐标系，并且在限定构件时也引用柱坐标作为定语限定构件，其目的主要是为了体现构件的运动自由度，但是对机器人在实际生产中的方位不具限制。

具体地，柱平台1的长度方向沿z轴延伸。

每个第一驱动装置2均包括第一驱动器21、第一转轴和第一主动臂22；第一驱动器21设置在柱平台1上且与第一转轴相连，以驱动第一转轴转动，第一主动臂22的一端套设固定在第一转轴的外周面上，以使第一主动臂22跟随第一转轴转动而转动，两个第一转轴沿平行于z轴的方向设置，两个第一主动臂22相对yoz参考面对称。

每个第二驱动装置3均包括第二驱动器31、第二转轴和第二主动臂32；第二驱动器31设置在柱平台1上且与第二转轴相连，以驱动第二转轴转动，第二主动臂32的一端套设固定在第二转轴的外周面上，以使第二主动臂32跟随第二转轴转动而转动，两个第二转轴沿平行于z轴的方向设置且相对于两个第一转轴在z轴方向上间隔开，两个第一主动臂22相对yoz参考面对称。

动平台4与柱平台1在沿y轴方向上间隔开。

在本发明实施例中，四个支链5可以均为平行四边形复合链(如图1所示)，也可以均为单链(如图2所示)。

如图1所示，当四个支链5均为平行四边形复合链时，每个平行四边形复合链均包括两个轴杆51和两个链杆52，同一平行四边形复合链中的轴杆51与链杆52之间的连接均为球面铰接，同一平行四边形复合链的两个轴杆51中一个固定连接在动平台4上、另一个固定连接在对应的第一主动臂22或者第二主动臂32上，同一平行四边形复合链的两个轴杆51的轴线均平行于z轴；

如图2所示，当四个支链5分别为单链时，每个单链均包括一根单杆53和两个十字轴54，十字轴54包括相互垂直的第一轴541和第二轴542，同一单链中的两个第一轴541与单杆53两端转动连接，同一单链中的两个第一轴541互相平行，同一单链中的两个第二轴542中的一个转动连接在动平台4上，另一个转动连接在对应的第一主动臂22或者第二主动臂32上，同一单链中的两个第二轴542均平行于z轴。

无论是图1所示的带平行四边形复合链的机器人结构，还是图2所示的带单链的机器人结构，根据本发明实施例的具有相同支链结构的四自由度柱坐标并联机器人1000，都能实现平稳四自由度的控制要求。具体而言，通过控制两个第一驱动装置2及两个第二驱动装置3驱动相应的支链5，实现动平台4在柱坐标空间内的沿x、y、z轴的三维移动和一维转动自由度。根据本发明实施例的具有相同支链结构的四自由度柱坐标并联机器人1000，不仅结构紧凑，运动灵活。

根据本发明的一个实施例，柱平台1与电机(图中未示出)相连，该电机驱动柱平台1绕z轴转动。也就是说，柱平台1可以由电机驱动，实现柱平台1可绕z轴360°旋转，从而带动第一驱动装置2、第二驱动装置3、支链5和动平台4整体绕z轴360°旋转，有利于扩大动平台4的作业空间。

如图1所示，根据本发明的一个实施例，柱平台1包括柱平台主体11和连接在柱平台主体11上的两个第一安装部12和两个第二安装部13，两个第一安装部12的一个和两个第二安装部13的一个沿z轴方向间隔开地位于柱平台主体11的一侧，两个第一安装部12的另一个和两个第二安装部13的另一个沿z轴方向间隔开地位于柱平台主体11的另一侧，且两个第一安装部12及两个第二安装部13相对yoz参考面对称；两个第一驱动装置2分别安装在两个第一安装部12上，两个第二驱动装置3分别安装在两个第二安装部13上。由此，方便第一驱动装置2和第二驱动装置3安装，且第一驱动装置2及第二驱动装置3与柱平台1的装配结构紧凑。。

根据本发明进一步的实施例，第一安装部12包括第一板块121，第一板块121在垂直于z轴的一个平面方向上延伸且与柱平台主体11固定，第一板块121上设有第一转轴孔，第一转轴穿过第一转轴孔，第一驱动器21和第一主动臂22分别位于第一板块121的两侧，且第一驱动器21固定在第一板块121上；第二安装部13包括第二板块131，第二板块131与第一板块121平行且与柱平台主体11固定，第二板块131上设有第二转轴孔，第二转轴穿过第二转轴孔，第二驱动器31和第二主动臂32分别位于第二板块131的两侧，且第二驱动器31固定在第二板块131上。由此，第一板块121和第二板块131结构简单，通过第一板块121安装第一驱动装置2，通过第二板块131安装第二驱动装置3，安装方便且效率高。

根据本发明再进一步的实施例，第二安装部13还包括第三板块132，第三板块132平行设置于第二板块131和第三板块132之间，且与柱平台主体11固定。通过设置第三板块132

根据本发明再进一的实施例，第二安装部13还包括连接件133，第二板块131和第三板块132通过连接件133固定在柱平台主体11上。可以理解的是，连接件133可以支撑第二板块131和第三板块132。

根据本发明再进一步的实施例，连接件133包括由第一连接板1331、第二连接板1332和第三连接板1333依次相连形成的框架，第一连接板1331和第三连接板1333的一端均与柱平台主体11固定，第一连接板1331和第三连接板1333的相对的另一端与通过第二连接板1332与第二板块131和第三板块132固定；第一驱动器21安装在第一板块121上时穿过框架。可以理解的是，一方面，框架支撑第二板块131和第三板块132，另一方面，框架内的空间可以容纳第一驱动器21，避免第一驱动器21与第二安装部13发生干涉，从而有利于本发明实施例的具有相同支链结构的四自由度柱坐标并联机器人1000结构紧凑，且安装方便。

根据本发明再进一步的实施例，第一连接板1331和第三连接板1333分别具有对应的第一斜切面133101和第二斜切面，第一斜切面133101与柱平台主体11之间及第二斜切面与主平台主体之间分别形成第一缺口和第二缺口，通过第一缺口和第二缺口方便第一驱动器21安装，操作方便。

根据本发明的一些实施例，柱平台主体11、第一安装部12和第二安装部13一体成型，从而使得结构相对稳固，同时有利于提高装配效率。

根据本发明的一些实施例，动平台4包括动平台主体41、两个第一连接部42和两个第二连接部43，两个第一连接部42的一个和两个第二连接部43的一个间隔开地位于动平台主体41的一侧，两个第一连接部42的另一个和两个第二连接部43的另一个间隔开地位于动平台主体41的另一侧，且两个第一连接部42及两个第二连接部43相对yoz参考面对称；四个支链5中的两个支链5一端分别与两个第一主动臂22的另一端相连，四个支链5中的两个支链5另一端分别与动平台4的两个第一连接部42相连；四个支链5中的另两个支链5一端分别与两个第二主动臂32的另一端相连，四个支链5中的另两个支链5另一端分别与动平台4的两个第二连接部43相连。通过在动平台主体41上设置两个第一连接部42和两个第二连接部43，方便与对应的四个支链5安装。

根据本发明的一些实施例，还包括支承座6，支承座6与柱平台1的一端相连，用于支撑柱平台1。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”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。