一種基于平動并聯(lián)機構(gòu)的六自由度機械臂的制作方法

本發(fā)明涉及一種基于平動并聯(lián)機構(gòu)的六自由度機械臂。

背景技術(shù)：

串聯(lián)機器人因其工作空間大、結(jié)構(gòu)簡單、易于控制等優(yōu)點在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。但在某些行業(yè)，需要機械手能高速、平穩(wěn)、精確地執(zhí)行對物體進行抓取、分揀等操作；考慮到執(zhí)行對象的不同，有時也會對末端執(zhí)行器操作的力度和安全性有較高的要求。串聯(lián)機器人由于驅(qū)動電機和傳動系統(tǒng)都安裝在運動部件上，系統(tǒng)慣量大，動態(tài)性能差，不適合完成高速高精度的細微操作，而且高速下系統(tǒng)的安全性較低，一旦機械臂脫出后果不堪設(shè)想。

并聯(lián)機構(gòu)為動平臺和靜平臺通過至少兩個獨立的運動鏈相連接，具有兩個或兩個以上的自由度，且以并聯(lián)方式驅(qū)動的一種閉環(huán)機構(gòu)。和串聯(lián)機器人相比，并聯(lián)機器人具有以下優(yōu)點：累積誤差小、精度較高；驅(qū)動裝置可置于定平臺上或接近定平臺的位置，運動部分重量輕，速度高，動態(tài)響應(yīng)好；結(jié)構(gòu)緊湊，剛度高，承載能力大，安全性好。因此，并聯(lián)機器人在對設(shè)備剛度、運動速度、定位精度、負載能力或系統(tǒng)安全性要求較高的場合應(yīng)用較為廣泛。

delta機器人是一類典型的并聯(lián)機器人，因其高速、高運動靈巧性在食品、醫(yī)藥等行業(yè)的分揀工作中應(yīng)用較為普遍，但它只能完成從一個平面到另一個平行平面的操作，缺乏在曲面或非平行的平面間操作的能力，而且其末端執(zhí)行器只有一個回轉(zhuǎn)自由度，以上因素都限制了它的進一步推廣和應(yīng)用，因此有必要研發(fā)一種新型的并聯(lián)機器人，在繼承delta機器人高速、輕型、靈巧等優(yōu)點的基礎(chǔ)上，解決在非平行平面間或曲面上移動和操作的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于平動并聯(lián)機構(gòu)的六自由度機械臂，繼承delta機器人高速、輕型、靈巧等優(yōu)點的同時解決delta機器人無法在非平行平面間或曲面上移動和操作的問題。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：

一種基于平動并聯(lián)機構(gòu)的六自由度機械臂，包括機座，還包括機械臂主體和兩組設(shè)置在機座上的三自由度平動并聯(lián)機構(gòu)，機械臂主體包括近端動平臺、遠端動平臺、推桿和末端執(zhí)行器，近端動平臺與其中一個三自由度平動并聯(lián)機構(gòu)連接，遠端動平臺與另外一個三自由度平動并聯(lián)機構(gòu)連接，推桿一端通過近端運動副與近端動平臺轉(zhuǎn)動連接、另一端穿過遠端動平臺與末端執(zhí)行器連接，推桿與遠端動平臺之間通過遠端運動副連接，推桿通過該遠端運動副能夠相對于遠端動平臺作出沿遠端動平臺法線的轉(zhuǎn)動運動、和沿與遠端動平臺平行的水平軸上的轉(zhuǎn)動運動、以及與推桿中心軸線方向的移動運動。

所述遠端運動副由第一轉(zhuǎn)動副、第二轉(zhuǎn)動副和移動副串聯(lián)構(gòu)成，第一轉(zhuǎn)動副在遠端動平臺上設(shè)置形成，該第一轉(zhuǎn)動副的軸線與遠端動平臺的法線重合，第二轉(zhuǎn)動副與第一轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)動連接，該第二轉(zhuǎn)動副的軸線與遠端動平臺的法線垂直，推桿與第二轉(zhuǎn)動副串聯(lián)安裝形成移動副，該移動副的軸線與推桿中心軸線重合，末端執(zhí)行器與第二轉(zhuǎn)動副固定連接。

所述近端運動副為球副。

所述近端運動副由兩個串聯(lián)的法線轉(zhuǎn)動副和水平軸轉(zhuǎn)動副構(gòu)成，法線轉(zhuǎn)動副在近端動平臺上設(shè)置形成，該法線轉(zhuǎn)動副的軸線與近端動平臺的法線重合，水平軸轉(zhuǎn)動副與法線轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)動連接，該水平軸轉(zhuǎn)動副的軸線與近端動平臺的法線垂直。

所述近端動平臺位于遠端動平臺與機座之間。

所述末端執(zhí)行器包括固定連接座、連桿和夾鉗，固定連接座與遠端運動副中的第二轉(zhuǎn)動副固定連接，連桿一端與推桿轉(zhuǎn)動連接、另一端與夾鉗轉(zhuǎn)動連接，夾鉗還與固定連接座轉(zhuǎn)動連接。

所述末端執(zhí)行器為法蘭盤，該法蘭盤與遠端運動副中的第二轉(zhuǎn)動副固定連接，并且該法蘭盤與推桿連接形成螺旋副。

本發(fā)明通過兩個三自由度平動并聯(lián)機構(gòu)控制機械臂主體的三個平動，兩個轉(zhuǎn)動和一個張合運動，使得末端執(zhí)行器能夠?qū)崿F(xiàn)高速高精度的靈巧運動，其結(jié)構(gòu)剛度高，動態(tài)響應(yīng)好，整個機構(gòu)沒有驅(qū)動電機安置于動平臺上，可完成抓取、夾持等操作，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、日常生活和醫(yī)療保健等行業(yè)有廣泛的應(yīng)用前景。

附圖說明

附圖1為本發(fā)明的立體示意圖；

附圖2為本發(fā)明的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖3為附圖2中的a處放大結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖4為本發(fā)明中遠端運動副的局部結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖5為本發(fā)明中末端執(zhí)行器的局部結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖6為本發(fā)明完成水平方向運動的初始示意圖；

附圖7為本發(fā)明完成水平方向運動的狀態(tài)示意圖；

附圖8為本發(fā)明完成豎直方向運動的初始示意圖；

附圖9為本發(fā)明完成豎直方向運動的狀態(tài)示意圖；

附圖10為本發(fā)明中末端執(zhí)行器跟隨第二轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)動狀態(tài)示意圖；

附圖11為本發(fā)明中末端執(zhí)行器繞第一轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)動狀態(tài)示意圖。

附圖12為本發(fā)明通過近遠端動平臺差動運動完成末端執(zhí)行器張開運動的示意圖；

附圖13為本發(fā)明通過近遠端動平臺差動運動完成末端執(zhí)行器閉合運動的示意圖；

附圖14為本發(fā)明末端執(zhí)行器為法蘭盤的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖15為附圖14中b處的放大示意圖；

附圖16為附圖15的剖面示意圖。

具體實施方式

為能進一步了解本發(fā)明的特征、技術(shù)手段以及所達到的具體目的、功能，下面結(jié)合附圖與具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細描述。

如附圖1、2和3所示，本發(fā)明揭示了一種基于平動并聯(lián)機構(gòu)的六自由度機械臂，包括機座1，還包括機械臂主體和兩組設(shè)置在機座1上的三自由度平動并聯(lián)機構(gòu)2，機械臂主體包括近端動平臺4、遠端動平臺3、推桿7和末端執(zhí)行器5，近端動平臺4與其中一個三自由度平動并聯(lián)機構(gòu)連接，遠端動平臺3與另外一個三自由度平動并聯(lián)機構(gòu)連接，推桿7一端通過近端運動副6與近端動平臺4轉(zhuǎn)動連接、另一端穿過遠端動平臺3與末端執(zhí)行器5連接，推桿7與遠端動平臺3之間通過遠端運動副8連接，推桿7通過該遠端運動副8能夠相對于遠端動平臺作出沿遠端動平臺法線的轉(zhuǎn)動運動、和沿與遠端動平臺平行的水平軸上的轉(zhuǎn)動運動、以及與推桿中心軸線方向的移動運動。兩個三自由度平動并聯(lián)機構(gòu)分別帶動近端動平臺和遠端動平臺實現(xiàn)三個自由度的運動，實現(xiàn)在x軸、y軸和z軸方向的三個平動運動。該三自由度平動并聯(lián)機構(gòu)并無特定結(jié)構(gòu)，只要能夠滿足在x軸、y軸和z軸方向的運動即可。推桿利用近端運動副，可實現(xiàn)推桿軸線、和沿與近端動平臺表面平行的水平方向的兩個方向的轉(zhuǎn)動運動。近端動平臺設(shè)置在機座與遠端動平臺之間，即近端動平臺相對于遠端動平臺而言更加靠近于機座。通過推桿將近端動平臺、遠端動平臺和末端執(zhí)行器連接，實現(xiàn)運動傳遞到末端執(zhí)行器。

如附圖4和5所示，所述遠端運動副8由第一轉(zhuǎn)動副81、第二轉(zhuǎn)動副82和移動副83串聯(lián)構(gòu)成，第一轉(zhuǎn)動副81在遠端動平臺上設(shè)置形成，該第一轉(zhuǎn)動副81的軸線與遠端動平臺3的法線重合，第二轉(zhuǎn)動副82與第一轉(zhuǎn)動81副轉(zhuǎn)動連接，該第二轉(zhuǎn)動副82的軸線與遠端動平臺3的法線垂直，推桿7與第二轉(zhuǎn)動副82串聯(lián)安裝形成移動副83，該移動副83的軸線與推桿中心軸線重合，末端執(zhí)行器與第二轉(zhuǎn)動副固定連接。通過以上的第一轉(zhuǎn)動副、第二轉(zhuǎn)動副和移動副，使得推桿相對于遠端動平臺，能夠精確的作出繞遠端動平臺法線方向的轉(zhuǎn)動，和遠端動平臺水平軸方向的轉(zhuǎn)動，以及推桿自身中心軸線方向的移動，從而形成三個自由度的運動，進一步帶動末端執(zhí)行器作出三自由度運動。通過該推桿與遠端動平臺的約束關(guān)系，可將遠端動平臺的三軸平動傳遞到末端執(zhí)行器，使該末端執(zhí)行器發(fā)生相應(yīng)三個方向的移動。

所述近端運動副6為球副。或者近端運動副由兩個串聯(lián)的法線轉(zhuǎn)動副和水平軸轉(zhuǎn)動副構(gòu)成，法線轉(zhuǎn)動副在近端動平臺上設(shè)置形成，該法線轉(zhuǎn)動副的軸線與近端動平臺的法線重合，水平軸轉(zhuǎn)動副與法線轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)動連接，該水平軸轉(zhuǎn)動副的軸線與近端動平臺的法線垂直。保證推桿相對于近端動平臺能夠做出兩個方向轉(zhuǎn)動（推桿軸線、近端動平臺水平方向）運動即可。

如附圖3所示，所述末端執(zhí)行器5包括固定連接座51、連桿52和夾鉗53，固定連接座51與遠端運動副8中的第二轉(zhuǎn)動副82固定連接，連桿52一端與推桿7轉(zhuǎn)動連接、另一端與夾鉗53轉(zhuǎn)動連接，夾鉗53還與固定連接座51轉(zhuǎn)動連接。通過固定連接座與第二轉(zhuǎn)動副的固定連接，并且推桿從中穿過，有效提高了末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性，從而保證輸出運動的平穩(wěn)可靠。利用推桿沿其自身中心軸線的前后移動，從而帶動夾鉗的張開和閉合動作。再利用推桿的兩個方向轉(zhuǎn)動，還可以帶動夾鉗的兩個方向的轉(zhuǎn)動。

另外，末端執(zhí)行器還可以為其他結(jié)構(gòu)形式，將近端動平臺和遠端動平臺沿移動副方向的差動運動轉(zhuǎn)換成末端執(zhí)行器繞移動副軸線的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)三平動三轉(zhuǎn)動的空間全自由度運動，適應(yīng)不同場合的需求。如附圖14-16所示，末端執(zhí)行器為法蘭盤9，該法蘭盤與遠端運動副8中的第二轉(zhuǎn)動副82連接形成轉(zhuǎn)動副，此時法蘭盤可繞推桿軸線方向發(fā)生轉(zhuǎn)動。該法蘭盤9與推桿7連接形成螺旋副，則近端動平臺4和遠端動平臺3沿推桿中心軸線方向的差動運動通過推桿7及螺旋副配合傳遞到法蘭盤，使其繞同一軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)三平動三轉(zhuǎn)動的空間全自由度運動。

如附圖6-9所示，由兩個三自由度平動并聯(lián)機構(gòu)帶動近端動平臺和遠端動平臺在x軸、y軸和z軸三個方向的平動運動，進而利用推桿與遠端動平臺的約束關(guān)系，將遠端動平臺的三軸平動傳遞到末端執(zhí)行器，使該末端執(zhí)行器對應(yīng)的三個自由度上的運動。

如附圖10和11所示，近端運動副使近端動平臺與推桿相連，并與遠端運動副相配合，推動推桿，從而將兩個動平臺的，在與上下兩個運動副（近端運動副和第二轉(zhuǎn)動副）連線相垂直的平面里兩個正交方向的差動運動，轉(zhuǎn)化成末端執(zhí)行器的兩個轉(zhuǎn)動，為兩個轉(zhuǎn)動自由度。

如附圖12和13所示，當推桿受到三自由度平動并聯(lián)機構(gòu)的帶動朝向遠端動平臺方向移動時，連桿與推桿發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，連桿收縮靠近推桿，帶動夾鉗張開。當推桿向著機座方向移動時，連桿與推桿發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，連桿張開遠離推桿，夾鉗閉合。從而實現(xiàn)夾鉗的張合，為一個轉(zhuǎn)動自由度。

需要說明的是，以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對前述實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換，但是凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。