面向冗余驱动的自适应柔性连接机构及x-y-z直角坐标机器人的制作方法
【专利说明】面向冗余驱动的自适应柔性连接机构及X-Y-Z直角坐标机
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技术领域
[0001]本发明涉及一种自动化机器人，特别涉及一种面向冗余驱动的自适应柔性连接机构及其在X-Y-Z直角坐标机器人中的应用。
【背景技术】
[0002]作为一种结构简单，成本低廉的自动化机器人解决方案，X-Y-Z直角坐标机器人被广泛应用于点胶、码垛、分拣、包装、装配等工业生产领域。传统X-Y-Z直角坐标机器人直线运动单元的实现多数通过一台伺服电机并配有滚珠丝杠、同步带或者齿轮齿条来实现。比如德国百格拉公司生产的用于汽车涂胶、注液和装配车轮的直角坐标机器人(《现代零部件》，2010, 02:26-27)。还有广泛应用于卧式数控车床上下料的直角坐标机器人(《机械工程师》，2012，08:77-78.)。但是由于有传动装置，导致无法达到很高的运动速度和精度。
[0003]本案发明人此前曾提出过一种X-Y-Z直角坐标机器人，其在X方向采用了直驱技术(X方向采用两个直线电机同时驱动的对称设计)，不仅在很大程度上提高了运动的速度和精度，还减少了机械传动零件，减少了磨损，提高了设备寿命，如图1所示。但是，由于X方向的直线电机和Y方向的横梁之间是刚性连接，如图1所示，采取这样的连接方式会形成冗余驱动(其成因主要在于，采用刚性连接时，因存在多种误差，导致冗余作用力的产生，进而影响整个系统的稳定性和其它工作性能)。特别是当X方向的两个直线电机不同步时会产生诸如一前一后等运动干涉，从而影响运动的平稳性。
【发明内容】
[0004]本发明的主要目的在于提供一种面向冗余驱动的自适应柔性连接机构，其能将刚性连接的冗余驱动转变为具有确定性运动的柔顺驱动，从而克服现有技术中的不足。
[0005]本发明的另一目的在于提供一种X-Y-Z直角坐标机器人，其通过采用所述自适应柔性连接机构作为柔性关节，运行速度得以提升，运动更加平稳。
[0006]为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括:
一种面向冗余驱动的自适应柔性连接机构，包括相互垂直交叉的第一弹簧片和第二弹簧片，所述第一弹簧片的两端部分别与一第一块体的第一面和一第二块体的第一面固定连接，所述第二弹簧片的两端部分别与所述第一块体的第三面和所述第二块体的第三面固定连接，所述第一块体的第一面和第三面分别与所述第二块体的第一面和第三面平行设置，所述第一块体和第二块体分别用于连接第一物体和第二物体。
[0007]作为较为优选的实施方案之一，所述第一块体的第一面、第二面、第三面中的任意两者均相互垂直，所述第二块体的第一面、第二面、第三面中的任意两者均相互垂直，所述第一块体的第二面和第二块体的第二面分别用于连接第一物体和第二物体。
[0008]作为较为优选的实施方案之一，所述第一块体和/或第二块体可绕一轴线旋转，所述轴线分布在所述第一弹簧片所处平面与第二弹簧片所处平面相交处。
[0009]作为较为优选的实施方案之一，所述第一弹簧片和第二弹簧片的中心点均分布在所述轴线上。
[0010]进一步的，所述第一弹簧片和第二弹簧片彼此无直接接触。
[0011]作为较为优选的实施方案之一，第一弹簧片或第二弹簧片的材质采用65Mn钢。
[0012]一种X-Y-Z直角坐标机器人，包括:在三维坐标系中沿Y轴方向设置的横梁；以及，对称设置的两台以上X向驱动机构，用于在三维坐标系中同时沿X轴方向提供往复驱动力；其中，所述X向驱动机构通过柔性关节与所述横梁固定连接，所述柔性关节包括所述的自适应柔性连接机构。
[0013]进一步的，所述自适应柔性连接机构中第一块体的第二面和第二块体的第二面分别与所述X向驱动机构和横梁固定连接。
[0014]进一步的，所述X向驱动机构采用直线电机。
[0015]进一步的，所述机器人在三维坐标系中的X、Y、Z方向上的变形均在5Mm以下。
[0016]进一步的，该两台以上X向驱动机构在X方向上因不同步工作而产生的最大相对位移在2mm以下。
[0017]与现有技术相比，本发明的优点包括:
(1)提供了一种自适应柔性连接机构，其可以作为柔性关节将刚性连接的冗余驱动转变为具有确定性运动的柔顺驱动；
(2)通过所述自适应柔性连接机构代替刚性连接，解决了X-Y-Z直角坐标机器人的冗余驱动，不仅简化了控制还提升了系统的运动性能，例如，能够进一步提升该χ-γ-ζ直角坐标机器人的运行速度，使运动更加平稳。
【附图说明】
[0018]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0019]图1所示为图1所示X-Y-Z直角坐标机器人中直线电机与横梁的刚性连接结构示意图；
图2所示为本发明一具体实施方案之中的五杆机构拓扑分析图；
图3是本发明一较佳实施例之中一种自适应柔性连接机构的结构示意图；
图4是本发明一较佳实施例之中一种柔性关节的应用状态示意图；
附图标记说明:弹簧片1、弹簧片11、12，块体21、第一面211、第二面212、第三面213、块体22、第一面221、第二面222、第三面223、横梁3，直线电机4，旋转轴线5，刚性连接6、压板7、A-连接横梁方向、B-连接直线电机方向。
【具体实施方式】
[0020]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0021]请参阅图1，根据运动的性质和自由度，现有X-Y-Z直角坐标机器人在X方向有两个直线电机驱动，只有一个自由度。本发明主要是通过增加一个自由度来消除冗余驱动。
[0022]更具体的说，为了使X-Y-Z直角坐标机器人实现高速高精度运动，在X方向除了采用直线电机驱动外，还采用了对称设计的冗余驱动方案，但冗余驱动会造成运动控制上的困难，进而影响系统的运动平稳性。为了消除冗余驱动带来的问题，本发明从机构学原理出发，利用连杆机构，将一个