专利名称：四自由度并联机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机器人，特别是涉及一种可实现四自由度作业功能的并联机器人。
背景技术：
根据专利US4732525、ZL200510015095. 5可知，现有的带定位头的多坐标机器人， 其实现形式一般为少自由度并联机构辅以主动摆头的混联结构形式。其中，少自由度并联机构通过调节安装在主动支链上的伺服电机实现机构动平台的位置定位，主动摆头通过调节安装在摆头上的伺服电机实现末端执行器的姿态定位，从而实现机构的多坐标加工能力。此类机械手，由于伺服电机和减速器等安装在主动摆头中，其不足是末端执行器的重量过大，影响机构的快进能力及动态性能。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种动态性能好、刚度/质量比大、 仅靠主动支链伺服电机驱动即可实现动平台位姿定位的四自由度并联机器人。本发明的四自由度并联机器人，它包括固定架，在所述的固定架上沿同一圆周方向每隔90°开有一个开孔，在四个开孔内分别通过第一、第二、第三、第四铰链与第一、第二、第三、第四主动支链转动相连，其中第一和第三主动支链相对设置，第二和第四主动支链相对设置，第一、第三铰链分别包括通过具有一个转动自由度的铰链与所述固定架相连的第一外圈以及通过具有一个转动自由度的铰链与第一外圈相连的第一内圈，连接所述第一外圈与固定架的铰链的转动轴线为近架轴线，连接所述第一内圈与第一外圈的铰链的转动轴线为远架轴线，所述的近架轴线和远架轴线不共线，第一铰链和第三铰链的近架轴线相互平行，第二、第四铰链分别包括通过具有一个转动自由度的铰链与所述的固定架相连的第二外圈、通过具有一个转动自由度的铰链与第二外圈相连的第二内圈以及通过具有一个转动自由度的铰链与所述第二内圈相连的铰轴，所述的铰轴在第二主动支链或第四主动支链的驱动下能够绕自身轴线转动，连接所述第二外圈与固定架的铰链的转动轴线与连接所述第二内圈与第二外圈的铰链的转动轴线不共线且与铰轴的转动轴线交于一点；第一和第三主动支链能够与相应设置的第一内圈的开孔内壁通过第一导轨滑块结构相连接配合， 所述的第一导轨滑块结构中的滑块能够在第一和第三主动支链的驱动下在第一导轨滑块结构中的导轨槽中上下移动，在所述的固定架的下方设置有一个动平台，所述第一、第二、 第三、第四主动支链的下端与动平台分别通过第五、第六、第七、第八铰链相连，所述第五、 第六、第七铰链为销轴结构，所述第八铰链采用虎克铰结构，所述第五、第七铰链转动副轴线相互平行并与第六铰链转动轴线垂直布置，第五、第六、第七、第八铰链的铰链座各自与一个滑动杆的一端相连，每一个所述的滑动杆与动平台垂直设置，每一个所述的滑动杆的侧壁与动平台上的开孔内壁通过第二导轨滑块结构滑动相连，在每一所述的滑动杆的底部固定连接有一个螺母，每一个螺母与一个丝杠的一端相螺纹连接，与所述的动平台沿垂直方向设置的所述的丝杠的另一端安装在设置在动平台上的轴承内，其中第一丝杠和第三丝杠的螺纹方向一致，第二丝杠和第四丝杠的螺纹方向一致，所述的第一丝杠和第三丝杠的螺纹方向与第二丝杠和第四丝杠的螺纹方向相反，在所述的每一个丝杠上连接有一个齿轮，在四个齿轮的中间设置有一个与所述的四个齿轮能够分别啮合配合的中心齿轮，所述的中心齿轮的齿轮轴安装在设置在动平台上的轴承内，在所述的中心齿轮的齿轮轴的下端固定连接一末端执行器。本发明的四自由度并联机器人有益效果是动平台采用丝杠螺母副和齿轮啮合的结构形式，丝杠螺母副可变移动为转动，为齿轮提供动力。齿轮啮合采用四个小齿轮与一个大齿轮啮合的形式，只有四个小齿轮转向一致才能使大齿轮发生转动，从而主动支链位置定位与末端执行器位姿定位互不影响。动平台不需安置伺服电机和减速器，可有效减轻其质量，有利于机械手提升快进能力和动态性能。本机械手可进行模块化结构设计，具有优势进给方向，定位头质量小，刚度/质量比大、动态性能好、定位精度与重复定位精度高。
图1是本发明的四自由度并联机器人的结构示意图；图2是图1所示的机构中的第一、第三主动支链的结构示意图；图3是图1所示的机构中的第二、第四主动支链的结构示意图；图4是图1所示的机构中的动平台剖视图；图5是图4所示的动平台内部结构的俯视图；图6是图1所示的机构应用实施例的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明作以详细描述。本发明的四自由度并联机器人，它包括固定架，在所述的固定架上沿同一圆周方向每隔90°开有一个开孔，在四个开孔内分别通过第一、第二、第三、第四铰链与第一、第二、第三、第四主动支链转动相连，其中第一和第三主动支链5、18相对设置，第二和第四主动支链1、16相对设置，第一、第三铰链4、17分别包括通过具有一个转动自由度的铰链与所述固定架相连的第一外圈35-1以及通过具有一个转动自由度的铰链与第一外圈相连的第一内圈36-1，连接所述第一外圈与固定架的铰链的转动轴线为近架轴线，连接所述第一内圈与第一外圈的铰链的转动轴线为远架轴线，所述的近架轴线和远架轴线不共线，第一铰链4和第三铰链17的近架轴线相互平行，第二、第四铰链2、15分别包括通过具有一个转动自由度的铰链与所述的固定架相连的第二外圈35-2、通过具有一个转动自由度的铰链与第二外圈相连的第二内圈36-2以及通过具有一个转动自由度的铰链与所述第二内圈相连的铰轴37，所述的铰轴在第二主动支链或第四主动支链的驱动下能够绕自身的轴线转动，连接所述第二外圈与固定架的铰链的转动轴线与连接所述第二内圈与第二外圈的铰链的转动轴线不共线且与铰轴37的转动轴线交于一点；第一和第三主动支链5、18能够与相应设置的第一内圈的开孔内壁通过第一导轨滑块结构相连接配合，所述的第一导轨滑块结构中的滑块能够在第一和第三主动支链5、18的驱动下在第一导轨滑块结构中的导轨槽中上下移动，在所述固定架的下方设置有一个动平台10，所述第一、第二、第三、第四主动支链的下端与动平台分别通过第五、第六、第七、第八铰链7、6、14、12相连，所述第五、第六、第七铰链为销轴结构，所述第八铰链采用虎克铰结构，所述第五、第七铰链转动副轴线相互平行并与第六铰链6转动轴线垂直布置，第五、第六、第七、第八铰链的铰链座各自与一个滑动杆的一端相连，每一个所述的滑动杆与动平台垂直设置，每一个所述的滑动杆的侧壁与动平台上的开孔内壁通过第二导轨滑块结构滑动相连，在每一所述的滑动杆的底部固定连接有一个螺母24，每一个螺母与一个丝杠的一端相螺纹连接，与所述的动平台沿垂直方向设置的所述的丝杠的另一端安装在设置在动平台上的轴承内，其中第一丝杠和第三丝杠23、29 的螺纹方向一致，第二丝杠和第四丝杠25、31的螺纹方向一致，所述的第一丝杠和第三丝杠的螺纹方向与第二丝杠和第四丝杠的螺纹方向相反，在所述的每一个丝杠上连接有一个齿轮，在四个齿轮的中间设置有一个与所述的四个齿轮能够分别啮合配合的中心齿轮33， 所述的中心齿轮的齿轮轴安装在设置在动平台上的轴承内，齿轮轴下端固定连接一末端执行器27。下面再结合每一幅图对本发明进一步说明如图1所示的本发明的四自由度并联机器人，它包括固定架3、动平台10以及沿动平台10圆周方向间隔90°设置在所述固定架3的开孔内的第一主动支链5、第二主动支链 1、第三主动支链18、第四主动支链16。如图1和图2所示，所述第一主动支链5、第三主动支链18与所述固定架3分别通过第一铰链4、第三铰链17相连。所述第一铰链4和第三铰链17具有两个转动自由度， 它由第一外圈35-1和第一内圈36-1构成；所述的第一外圈35-1通过具有一个转动自由度的铰链连接所述固定架3，此处所述具有一个转动自由度的铰链与所述固定架3的连接可采用将所述第一外圈35-1通过销轴与轴承构成的转动副连接在固定安装于所述固定架 3上的轴承座的形式实现；所述第一内圈36-1通过具有一个转动自由度的铰链连接所述第一外圈35-1，此处所述具有一个转动自由度的铰链可采用销轴与轴承构成的转动副或其他形式的等价结构；连接所述第一外圈35-1与固定架3的铰链其转动轴线Ia为近架轴线，连接所述第一内圈36-1与第一外圈35-1的铰链的转动轴线Ib为远架轴线，所述近架轴线Ia 与所述远架轴线Ib不共线，第一铰链4、第三铰链17的近架轴线相互平行。如图1和图3所示，所述第二主动支链1、第四主动支链16与所述固定架3通过第二铰链2、第四铰链15相连。所述第二铰链2、第四铰链15具有三个转动自由度，它由第二外圈35-2、第二内圈36-2和铰轴37构成；所述第二外圈35_2通过具有一个转动自由度的铰链连接所述固定架3，所述第二内圈36-2通过具有一个转动自由度的铰链连接所述第二外圈35-2，此处所述具有一个转动自由度的铰链可采用销轴与轴承构成的转动副或其他形式的等价结构，所述铰轴37通过具有一个转动自由度的铰链连接所述第二内圈36-2，此处所述具有一个转动自由度的铰链可采用轴套与轴承构成的转动副或其他形式的等价结构使之实现；连接所述第二外圈35-2与固定架3的铰链其转动轴线加与连接所述第二内圈 36-2与第二外圈35-2的铰链的转动轴线2b不共线且与连接所述第二内圈36_2与铰轴37 的铰链的转动轴2c线交于一点。如图2与图3所示，作为本发明的一种优选的实施方式，所述的第一和第三主动支链分别包括第一连接板22-1，在所述的第一连接板上安装有第一伺服电机19-1和第一移动丝杠21-1，所述的第一伺服电机通过第一减速器20-1与第一移动丝杠相连，在所述第一内圈上固定连接有第一转动螺母，所述的第一移动丝杠与对应设置的第一转动螺母相螺纹连接，所述的第一铰链、第三铰链内圈上设置有第一导轨滑块结构中的导轨槽，与所述的导轨槽相滑动配合的第一导轨滑块结构中的滑块安装在第一主动支链、第三主动支链的第一连接板上。所述的第一和第三主动支链还可以采用液压推杆、气动等其他任意一种可实现相同运动功能的结构形式。作为本发明的一种优选的实施方式，所述的第二和第四主动支链分别包括第二连接板22-2，在所述的第二连接板上安装有第二伺服电机19-2和第二移动丝杠21-2，所述的第二伺服电机通过第二减速器20-2与第二移动丝杠相连，所述的铰轴37通过轴承连接在所述的第二内圈上，所述的第二转动螺母与铰轴固定相连，所述的第二移动丝杠与对应设置的第二转动螺母相螺纹连接。所述的第二和第四主动支链还可以采用其他任意一种可实现相同运动功能的结构形式作为驱动方式。如图4所示，所述第一主动支链5、第二主动支链1、第三主动支链18、第四主动支链16与所述动平台10通过第五铰链7、第六铰链6、第七铰链14、第八铰链12相连。所述第五铰链7、第六铰链6、第七铰链14具有一个转动自由度，包括销轴以及与所述销轴构成转动副的轴承，也可采用其他形式的等价结构，所述第八铰链12具有两个转动自由度，可采用虎克铰形式或其他形式的等价结构，所述第五铰链7、第七铰链14的转动副轴线相互平行并与第六铰链6的转动轴线垂直布置。如图4所示，第一主动支链5下端通过第五铰链7与第一滑动杆9连接，第二主动支链1通过第六铰链6与第二滑动杆8连接，第三主动支链18通过第七铰链14与第三滑动杆13连接，第四主动支链16通过第八铰链12与第四滑动杆11连接。在所述的固定架的下方设置有一个动平台10，在每个主动支链的下端分别连接有一个铰链7、6、14、12，每一所述的铰链的铰链座和一个与动平台垂直设置的滑动杆9、8、13、11的一端相连，所述的滑动杆的侧壁与动平台上的开孔内壁通过导轨滑块结构滑动相连，在每一所述的滑动杆的底部固定连接有一个螺母对，每一个螺母与一个丝杠23、31、四、25的一端相螺纹连接，与所述的动平台10沿垂直方向设置的所述的一个丝杠的另一端安装在设置在动平台上的轴承内，其中第一丝杠23和第三丝杠四的螺纹方向一致，第二丝杠31和第四丝杠25的螺纹方向一致，所述的第一丝杠23和第三丝杠四的螺纹方向与第二丝杠31和第四丝杠25的螺纹方向相反，在所述的每一个丝杠上分别连接有一个齿轮32、30、观、26，在四个齿轮的中间设置有一个与所述的四个齿轮能够分别啮合配合的中心齿轮33，所述的中心齿轮33的齿轮轴34安装在设置在动平台上的轴承内，齿轮轴34的下端固接一末端执行器27。所述第一滑动杆9上安装导轨，动平台设置对应的导轨槽，在第一主动支链5的带动下第一滑动杆9可沿C轴方向平移。同时安装在第一滑动杆9上的螺母M与第一丝杠 23形成丝杠螺母副。第一滑动杆9沿C轴平移带动螺母M沿C轴方向移动，则第一丝杠 23可绕C轴转动，从而安装在第一丝杠23上的第一齿轮32产生绕C轴的转动。所述第二滑动杆8、第三滑动杆13、第四滑动杆11与动平台10的连接均与第一滑动杆9相同。艮口， 第二齿轮30、第三齿轮观、第四齿轮沈分别在第二主动支链1、第三主动支链18、第四主动支链16的带动下通过丝杠螺母副可实现绕C轴的转动。在本发明的技术方案中由于所述第四铰链15具有三个转动自由度，所述第四主动支链16可言其轴线方向做伸缩运动，所述第八铰链12具有两个转动自由度，所以所述第四主动支链对所述动平台10不提供约束；所述第一铰链4、第三铰链17具有两个转动自由度，所以第一主动支链5、第三主动支链18可相对于所述固定架3绕A轴方向与绕B轴方向转动，所述第二铰链2具有三个转动自由度，所以第二主动支链1可相对于所述固定架3绕 A轴方向与绕B轴方向及其自身轴线方向转动；由于各主动支链与第一、二、三、四铰链通过丝杠螺母形成一个移动自由度，所以各主动支链可沿其轴向做伸缩运动；由于所述第五、第六、第七铰链仅具有一个转动自由度，所以可使第一、第二、第三主动支链相对于所述动平台10转动。当各主运动链在所述伺服电机19的驱动下独立运动时，所述动平台10发生空间位移，且机构的空间姿态也同时发生改变，安装在所述动平台10底部的末端执行器27可调整姿态实现绕C轴的转动，从而构成了四自由度并联机器人。末端执行器绕C轴的转动见图4与图5。第一丝杠23、第三丝杠四的螺纹为右旋螺纹，第二丝杠31、第四丝杠25的螺纹为左旋螺纹。当第一滑动杆9、第三滑动杆13以相同的速度同时向下运动时，第一齿轮32、第三齿轮观产生顺时针的转动；第二滑动杆8、第四滑动杆11以同样的速度同时向上运动时，第二齿轮30、第四齿轮沈也产生顺时针的转动。中心齿轮33同时与四个齿轮啮合，则四个齿轮产生同样的顺时针转动时，中心齿轮33 产生逆时针转动；大齿轮33与齿轮轴34通过键连接，齿轮轴34末端固接末端执行器27， 大齿轮33的转动带动末端执行器27产生绕C轴逆时针转动。第一滑动杆9、第三滑动杆 13的运动与第二滑动杆8、第四滑动杆11的运动速度等大反向，可保证动平台的位姿不发生变化，仅有末端执行器27的逆时针转动。类似地，当第一滑动杆9、第三滑动杆13以相同的速度同时向上运动时，第二滑动杆8、第四滑动杆11以同样的速度同时向下运动时，四个齿轮产生同样的逆时针转动，从而大齿轮33产生顺时针转动，带动末端执行器27产生绕C轴的顺时针转动。第一滑动杆9、 第三滑动杆13的运动与第二滑动杆8、第四滑动杆11的运动速度等大反向，可保证动平台的位姿不发生变化，仅有末端执行器的逆时针转动。只有第一滑动杆9、第三滑动杆13的运动与第二滑动杆8、第四滑动杆11的运动速度等大反向，四个齿轮转动的转向一致时，才能使中心齿轮33发生转动。第一滑动杆9、 第三滑动杆13的运动与第二滑动杆8、第四滑动杆11的运动速度不是等大反向的情况下， 四个齿轮转向不一致，中心齿轮33的转动被约束。本发明的四自由度并联机器人使用情况概述如图5实施例1所示，将本发明的四自由度并联机械手作为一个模块，与三个方向的长行程导轨单元集成，实现更大工作空间内的加工能力。以上对本发明的描述仅仅是示意性的，而不是限制性的，所以，本发明的实施方式并不局限于上述的具体实施方式
。如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下，做出其他变化或变型，均属于本发明的保护范围。
权利要求
1.四自由度并联机器人，其特征在于它包括固定架，在所述的固定架上沿同一圆周方向每隔90°开有一个开孔，在四个开孔内分别通过第一、第二、第三、第四铰链与第一、 第二、第三、第四主动支链转动相连，其中第一和第三主动支链相对设置，第二和第四主动支链相对设置，第一、第三铰链分别包括通过具有一个转动自由度的铰链与所述固定架相连的第一外圈以及通过具有一个转动自由度的铰链与第一外圈相连的第一内圈，连接所述第一外圈与固定架的铰链的转动轴线为近架轴线，连接所述第一内圈与第一外圈的铰链的转动轴线为远架轴线，所述的近架轴线和远架轴线不共线，第一铰链和第三铰链的近架轴线相互平行，第二、第四铰链分别包括通过具有一个转动自由度的铰链与所述的固定架相连的第二外圈、通过具有一个转动自由度的铰链与第二外圈相连的第二内圈以及通过具有一个转动自由度的铰链与所述第二内圈相连的铰轴，所述的铰轴在第二主动支链或第四主动支链的驱动下能够绕自身轴线转动，连接所述第二外圈与固定架的铰链的转动轴线与连接所述第二内圈与第二外圈的铰链的转动轴线不共线且与铰轴的转动轴线交于一点；第一和第三主动支链能够与相应设置的第一内圈的开孔内壁通过第一导轨滑块结构相连接配合，所述的第一导轨滑块结构中的滑块能够在第一和第三主动支链的驱动下在第一导轨滑块结构中的导轨槽中上下移动，在所述的固定架的下方设置有一个动平台，所述第一、第二、第三、第四主动支链的下端与动平台分别通过第五、第六、第七、第八铰链相连，所述第五、第六、第七铰链为销轴结构，所述第八铰链采用虎克铰结构，所述第五、第七铰链转动副轴线相互平行并与第六铰链转动轴线垂直布置，第五、第六、第七、第八铰链的铰链座各自与一个滑动杆的一端相连，每一个所述的滑动杆与动平台垂直设置，每一个所述的滑动杆的侧壁与动平台上的开孔内壁通过第二导轨滑块结构滑动相连，在每一所述的滑动杆的底部固定连接有一个螺母，每一个螺母与一个丝杠的一端相螺纹连接，与所述的动平台沿垂直方向设置的所述的丝杠的另一端安装在设置在动平台上的轴承内，其中第一丝杠和第三丝杠的螺纹方向一致，第二丝杠和第四丝杠的螺纹方向一致，所述的第一丝杠和第三丝杠的螺纹方向与第二丝杠和第四丝杠的螺纹方向相反，在所述的每一个丝杠上连接有一个齿轮，在四个齿轮的中间设置有一个与所述的四个齿轮能够分别啮合配合的中心齿轮，所述的中心齿轮的齿轮轴安装在设置在动平台上的轴承内，在所述的中心齿轮的齿轮轴的下端固定连接一末端执行器。
2.根据权利要求1所述的四自由度并联机器人，其特征在于所述的第一和第三主动支链分别包括第一连接板，在所述的第一连接板上安装有第一伺服电机和第一移动丝杠， 所述的第一伺服电机通过第一减速器与第一移动丝杠相连，在所述第一内圈上固定连接有第一转动螺母，所述的第一移动丝杠与对应设置的第一转动螺母相螺纹连接，所述的第一铰链、第三铰链内圈上设置有第一导轨滑块结构中的导轨槽，与所述的导轨槽相滑动配合的第一导轨滑块结构中的滑块安装在第一主动支链、第三主动支链连接板上。
3.根据权利要求1所述的四自由度并联机器人，其特征在于所述的第二和第四主动支链分别包括第二连接板，在所述的第二连接板上安装有第二伺服电机和第二移动丝杠， 所述的第二伺服电机通过第二减速器与第二移动丝杠相连，所述的铰轴通过轴承连接在所述的第二内圈上，所述的铰轴与第二转动螺母固定相连，所述的第二移动丝杠与对应设置的第二转动螺母相螺纹连接。
全文摘要
本发明公开了四自由度并联机器人，它包括固定架，第一和第三主动支链能够与相应设置的第一内圈的开孔内壁通过第一导轨滑块结构相连接配合，在固定架的下方设置有一个动平台，第一、第二、第三、第四主动支链的下端与动平台分别通过第五、第六、第七、第八铰链相连，第五、第六、第七、第八铰链的铰链座各自与一个滑动杆的一端相连，每一个滑动杆的侧壁与动平台上的开孔内壁通过第二导轨滑块结构滑动相连，每一个滑动杆的底部与丝杠螺母副相连。本机械手可进行模块化结构设计，具有优势进给方向，定位头质量小，刚度/质量比大、动态性能好、定位精度与重复定位精度高。
文档编号B23Q1/64GK102490177SQ20111041360
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月13日 优先权日2011年12月13日
发明者孙涛, 宋轶民, 董罡, 连宾宾 申请人:天津大学