一种五自由度混联工业机器人

1.一种五自由度混联工业机器人，该工业机器人由竖直转动关节、竖直升降关节、双转动自由度腕部关节、平面两自由度并联操作机构和末端快换工具共同组成；竖直转动关节为第一运动关节，由旋转台驱动电机(6)驱动旋转台(3)完成，扩大了所述工业机器人在同一水平面内的作业范围；竖直升降关节为第二运动关节，由升降驱动电机(5)驱动丝杆(28)带动上滑块(30)、下滑块(31)、弧形支撑臂(26)、支撑轴(27)、F形连接座(23)升降，扩大了所述工业机器人在同一竖直面内的作业范围；双转动自由度腕部关节为第三运动关节和第四运动关节，由腕部驱动电机甲(16)和腕部驱动电机乙(18)分别驱动的两个比邻的正交转动关节组成；双转动自由度腕部关节通过两个转动自由度的协调工作实现该工业机器人的多种工作姿态，从而增强工业机器人的灵活性和柔性；腕部转动座甲(24)为功能过渡零件，既作为串联机构的输出，同时又作为平面两自由度并联操作机构的基本位姿的输入，在拓扑结构上使该工业机器人兼具串、并联机构的特点；大臂驱动电机、曲柄驱动电机、小臂连杆(9)、小臂(10)、大臂(11)、三角连杆(12)、大臂连杆(13)、曲连杆(14)、曲柄(15)、动平台(8)构成平面两自由度并联操作机构，该平面两自由度并联操作机构形成第五运动关节和第六运动关节，具有保持动平台姿态的功能，并通过大臂驱动电机和曲柄驱动电机的协调工作，实现平面两自由度并联操作机构所在平面内同一姿态下任意方向的往复运动，提高了该工业机器人往复工作的执行效率。

一种五自由度混联工业机器人\n技术领域\n[0001] 本发明属于机械制造设计领，具体涉及一种工作范围大，具有高度灵活性和柔性的一种五自由度混联工业机器人。\n背景技术\n[0002] 随着我国制造工业的迅速发展，工业机器人已成为提高生产效率，保证生成质量的重要技术手段。在汽车、飞机等典型工业装备的生产过程中，工业机器人正在逐步取代人工劳动成为生产线上的主力军。\n[0003] 目前工业机器人主要有串联机器人、并联机器人和既含有串联又含有并联的混联机器人三种形式。串联机器人具有工作范围大，姿态调整灵活的优点，但其不足是刚度差、控制精度较低。并联机器人的特点则正好相反，并联机器人刚度高，控制精度高，易实现高速控制，其不足在于工作范围较小，灵活性和柔性相对较差。混联机器人则兼具有串联机器人和并联机器人的特点，在工业机器人领域具有巨大的应用前景。\n[0004] 目前大多数生产线上的工业机器人采用了关节形式的串联机器人，该种工业机器人的典型结构是由转动机身，转动大臂(或移动大臂)，转动小臂(或移动小臂)与具有两个或三个转动自由度的腕关节以及末端执行器组成。这种拓扑结构决定了工业机器人在工作范围和姿态调整上具有高度的灵活性和柔性，但冗长的悬臂结构却使得工业机器人的负载能力和动态性能相当有限。在包装行业中，很多生产线上的分拣机器人选择了并联机器人。\n并联操作机构的结构特点在于，多个输入支链共同连接一个动平台，通过多个驱动的协调作用来实现动平台的位姿调整，因而具有高刚度，快速和高动态精度等特点。例如包装线上的德尔塔机构以独有的高速特性和高动态精度，使得瓶盖的分拣效率提高了数倍。但并联机器人却因工作范围有限，柔性不足，难以拓展到更为广阔的应用领域。\n[0005] 鉴于串、并联机器人各自的优缺点，在机器人拓扑结构上进行规划，形成具有工作范围大，高刚度，高柔性和灵活性，动态性能优越的混联机器人将是未来工业机器人发展的方向。为此，本专利借鉴串联机器人腕部关节姿态调整的灵活性，将具有两个正交转动自由度的腕部关节与移动关节大臂直接相连，再在腕部关节的输出端连接平面两自由度并联操作机构，平面两自由度并联操作机构动平台用以装卡快换工具。如此形成的兼具工作范围大，灵活性和柔性高，刚度大，动态精度高的混联工业机器人，将能有效弥补单一串联或并联机器人的不足。\n发明内容\n[0006] 本发明的目的在于提供一种五自由度混联工业机器人，该五自由度混联工业机器人具有工作范围大、灵活性和柔性高、刚度高、动态性能好等特点，从而能有效弥补单一串联或并联机器人的不足。\n[0007] 本发明要求保护一种五自由度混联工业器人，该工业机器人由竖直转动关节，竖直升降关节，双转动自由度腕部关节，平面两自由度并联操作机构和末端快换工具共同组成，竖直转动关节由旋转台驱动电机驱动旋转台完成，该转动关节扩大所述工业机器人在同一水平面内的作业范围；竖直升降关节由升降驱动电机驱动丝杆带动上滑块、下滑块、弧形支撑臂、支撑轴、F形连接座的升降，扩大所述工业机器人在同一竖直面内的作业范围；双转动自由度腕部关节由腕部驱动电机甲和腕部电机乙分别驱动的两个比邻的正交转动关节组成，双转动自由度腕部关节通过两个转动自由度的协调工作实现工业机器人的多种工作姿态，从而增强工业机器人的灵活性和柔性；平面两自由度并联操作机构是由大臂驱动电机、曲柄驱动电机、大臂、小臂、曲柄、连杆、动平台等组成，该平面两自由度并联操作机构具有保持动平台姿态的功能，并通过大臂驱动电机和曲柄驱动电机的协调工作实现机构所在平面内同一姿态下任意方向的往复运动，提高了工业机器人往复工作的执行效率；所述工业机器人的动平台设置快速装卡接口，在动平台上装卡不同的快换工具可实现不同的工程任务。\n[0008] 根据本发明所述的五自由度混联工业机器人，竖直转动关节与双转动自由度腕部关节的两个转动自由度分别为同轴和正交关系，旋转台与腕部转轴甲同轴，旋转台与腕部转轴乙正交。\n[0009] 根据本发明所述的五自由度混联工业机器人，弧形支撑臂与支撑轴共同支撑F形连接座，并在上滑块和下滑块的作用下上下升降，使得该工业机器人机构紧凑且双转动自由度腕部关节的安装座具有更强的刚度。腕部转动座甲为功能过渡零件，既作为串联机构的输出，同时又作为平面两自由度并联操作机构基本位姿的输入，在拓扑结构上使该工业机器人兼具串、并联操作机构的特性。\n[0010] 根据本发明所述的五自由度混联工业机器人，在动平台上装卡不同的快换工具可实现不同的操作任务。如在动平台上装卡喷枪用于机械装备的喷涂，在动平台上装卡焊枪用于点焊操作，在动平台上装卡夹持器用于搬运和码垛。\n[0011] 根据本发明的优点在于：通过旋转台的圆周转动和竖直导轨的升降，大大增加了工业机器人末端执行器的运动范围；通过双转动自由度腕部关节的姿态调整大大增强了工业机器人在工作空间的灵活性和柔性；平面两自由度并联操作机构具有保持姿态的机构特性，并可以大大增强工业机器人在局部的往复工作效率和负载刚度。此外，该五自由度混联工业机器人还具有机构紧凑，模块化特点明显，控制容易等特点，因此具有广阔的应用价值。\n附图说明\n[0012] 图1为本发明所述的五自由度混联工业机器人整体示意图。\n[0013] 图2为本发明所述的五自由度混联工业机器人侧向工作示意图(为与图1中各个零部件的标号行对应，图2中的标号未按固定顺序展开)。\n[0014] 图中：1-基座，2-线槽，3-旋转台，4-旋转筒，5-升降驱动电机，6-旋转台驱动电机，\n7-快换工具，8-动平台，9-小臂连杆，10-小臂，11-大臂，12-三角连杆，13-大臂连杆，14-曲连杆，15-曲柄，16-腕部驱动电机甲，17-E形转动座，18-腕部驱动电机乙，19-腕部小同步带轮，20-腕部大同步带轮，21-腕部转轴甲，22-腕部转轴乙，23-F形连接座，24-腕部转动座甲，25-盖板，26-弧形支撑臂，27-支撑轴，28-丝杠，29-立柱，30-上滑块，31-下滑块，32-大臂驱动电机，33-曲柄驱动电机，34-升降驱动小同步带轮，35-升降驱动大同步带轮，36-旋转台驱动大同步带轮，37-旋转台驱动小同步带轮，38-密封底板。\n具体实施方式\n[0015] 本发明的一种五自由度混联工业机器人的附图说明及实施细则说明如下：\n[0016] 本发明的技术方案通过图1、图2所示进行说明和例证。\n[0017] 本发明所述的一种五自由度混联工业机器人由竖直转动关节，竖直升降关节，双转动自由度腕部关节，平面两自由度并联操作机构和末端快换工具共同组成，各组成部分的具体连接关系及实施细则如下。\n[0018] 基座1为一带四个安装脚的圆柱形内空圆台，基座1通过螺栓连接与大地紧固。线槽2为一提供缆线活动的弧形槽路，线槽2通过螺栓连接与基座1上端面紧固，且二者保持同心的关系。旋转台3为一带有阶梯轴的圆柱转台，旋转台3的阶梯轴通过轴承配合与基座1上端面的中心孔形成转动副。旋转筒4为一上端面封闭的圆筒，旋转筒4通过螺栓连接将其下端面与旋转台3的上端面紧固连接。旋转台驱动电机6通过螺栓与基座1的上端面紧固，旋转台驱动电机6的电机轴则通过普通平键与旋转台驱动小同步带轮37配合连接。旋转台驱动大同步带轮36通过普通平键与旋转台3穿过基座1的圆孔内轴承的阶梯轴配合连接，旋转台驱动大同步带轮36与旋转台驱动小同步带轮37通过同步带传递力矩，从而将旋转台驱动电机6的扭矩传递给旋转台3及其上部连接零部件。密封底板38为一带有止口的圆盘，密封底板38通过止口和螺栓与基座1连接紧固，从而将基座内部的同步带轮传动系统(此处也可以为齿轮传动系统，或其它功能类似的传动系统)密封起来。升降驱动电机5通过螺栓与旋转筒4的上端面紧固连接，升降驱动电机5的电机轴则穿过旋转筒4上端面的圆孔并通过普通平键与升降驱动小同步带轮34配合连接。立柱29为底部带有螺栓孔的弧形厚壁立柱，立柱\n29的底端通过螺栓与旋转筒4的上端面紧固连接。旋转筒4的上表面对称安装着两个立柱\n29，两个立柱29的内侧竖直平面上分别为一直线导轨(或通过螺栓连接的形式将一导轨紧固在立柱29内侧面)。上滑块30和下滑块31分别通过两侧的燕尾槽与两立柱29内侧的直线导轨配合形成移动副。下滑块31的中部开有螺纹孔，并通过螺纹孔与丝杠28形成螺旋副。丝杠28传动螺纹与下滑块31螺纹孔配合的同时，其下端阶梯轴与旋转筒4中部的圆孔通过轴承配合连接，且其穿过轴承的阶梯轴部分通过普通平键与升降驱动大同步带轮35配合连接。升降驱动大同步带轮35和升降驱动小同步带轮34则通过同步带传递动力，从而将升降驱动电机5的扭矩转化为滑块31升降的动力。弧形支撑臂26为一刚度较大的厚壁圆弧形支撑臂，其上下端均具有水平的连接面。弧形支撑臂26的下端连接面通过螺栓连接作用，上端面与上滑块30紧固，下端面与下滑块31紧固；弧形支撑臂26的上端连接面则通过螺栓连接作用与F形连接座紧固连接。上滑块30上表面中部开有通孔，丝杠28可穿过通孔自由转动。\n上滑块30上表面左右侧各均布四个螺纹孔，上滑块30上表面螺纹孔与支撑轴27下端面阶梯圆台的螺纹孔配对，再通过螺栓连接作用将两根支撑轴27紧固在上滑块30的上表面。盖板\n25通过螺栓连接与两个立柱29紧固，盖板25左右侧各有一光滑圆孔可与支撑轴27圆柱表面配合形成移动副，盖板25中部的圆孔内装有轴承可与丝杠28上端的阶梯轴配合形成转动副。盖板25一方面通过螺栓连接作用可增强立柱29的刚度，另一方面则对丝杠28和支承轴\n27起到约束定位作用，此外盖板25还对支撑轴27在升降过程中起到导向作用。两根支撑轴\n27的上端面通过螺栓连接与F形连接座23紧固。支撑轴27的上端面与弧形支撑臂26的上端面务必在同一水平面，从而共同支撑F形连接座23并确保F形连接座23处于水平状态。F形连接座23为双转动自由度腕部关节的基础支撑部件，腕部转轴乙22两端的阶梯轴分别通过轴承与F形连接座23的两竖直立板配合形成转动副。腕部转轴乙22外侧阶梯轴穿过F形连接座\n23外侧立板内的轴承，腕部转轴乙22最外端阶梯轴通过普通平键与腕部大同步带轮20配合连接。腕部驱动电机乙18通过螺栓连接于F形连接座23外侧立板的上部，与腕部转轴乙22的轴线在同一竖直面内。腕部驱动电机乙18的电机轴通过普通平键与腕部小同步带轮19配合连接，腕部小同步带轮19通过同步带与腕部大同步带轮20传递动力，从而将腕部驱动电机乙18的转动力矩转换为腕部转轴乙22的转动力矩。腕部转轴乙22通过焊接或螺栓连接的形式与E形转动座17紧固，E形转动座17为双转动自由度腕部关节第二转动自由度的支撑。腕部驱动电机甲16通过螺栓连接紧固于E形转动座17上端的立板(图1所示)，腕部转轴甲21两端的阶梯轴通过轴承与E形转动座17中部和下端立板的圆孔形成转动副。腕部转轴甲21与腕部驱动电机甲16的电机轴同轴，且二者通过联轴器连接，从而将腕部驱动电机甲16的扭矩传递给腕部转轴甲21。腕部转轴甲21通过普通平键与腕部转动座甲24配合连接，进一步将腕部驱动电机甲16的转动传递给腕部转动座甲24。腕部转动座甲24为一U形连接座，它在整个混联工业机器人中起到过渡连接的作用，其既是串联机构的输出，同时又是平面两自由度并联操作机构单元的基本位姿的输入，从而在拓扑结构上使该工业机器人兼具串、并联操作机构的特性，形成具有优良机构特性混联工业机器人。\n[0019] 平面两自由度并联操作机构中各零部件的连接关系如下。曲柄15和大臂11分别通过轴承配合形成转动副与腕部转动座甲24联接，并分别由与之通过普通平键配合连接的大臂驱动电机32和曲柄驱动电机33驱动。大臂驱动电机32和曲柄驱动电机33则分别通过机械螺钉紧固在腕部转动座甲24U型结构的外侧，且两电机轴同轴。小臂10中部通过轴承与大臂\n11末端构成被动转动副，小臂10前端通过轴承配合形成转动副与动平台8联接，小臂10后端通过轴承配合形成转动副与曲连杆14联接。曲连杆14的另一端则通过轴承配合形成转动副与曲柄15联接。三角连杆12钝角顶点处圆孔通过轴承形成转动副与大臂11联接，并且该转动副与小臂10和大臂11所形成的转动副同轴。三角连杆12外形为三角形，其长边为I连杆，其于两短边为II连杆。I连杆通过轴承配合形成转动副一端与小臂连杆9连接，另一端与大臂连杆13联接。大臂连杆13的另一端则通过轴承配合形成转动副与腕部转动座甲24上的耳形连杆联接；小臂连杆9的另一端则通过轴承配合形成转动副与动平台8联接。动平台8的圆孔内装卡有快换工具7，装卡不同的快换工具可以进行不同的工程作业。\n[0020] 在本发明中五自由度混联工业机器人的竖直转动关节可以扩大工业机器人末端的快换工具7在同一水平面内的作业范围，而升降关节则可以扩大工业机器人末端快换工具在同一竖直面内的作业范围，竖直转动关节与竖直升降关节配合作用扩大了工业机器人的空间作业范围，使得该工业机器人具有大范围的作业能力。双转动自由度腕部关节具有两个正交的转动自由度，通过两个转动自由度的协调工作可以调整工业机器人末端快换工具姿态，用以实现多种工程任务多姿态的要求，从而增强了工业机器人的灵活性和柔性。平面两自由度并联操作机构不仅具有保持末端快换工具运动姿态的功能，还可以通过平面两自由度并联操作机构的两个输入驱动的配合作用实现机构所在平面内任意方向的往复运动，从而大大提高了工业机器人的执行效率，加之平面两自由度并联操作机构具有快速和高刚度的特性从而可以大大提升工业机器人的负载能力和高速运动特性。此外，由于平面两自由度并联操作机构具有保持末端快换工具姿态的功能，从而使得串联机构与平面两自由度并联操作机构的运动学耦合减少，相应的控制复杂度有所降低。\n[0021] 本发明以一典型实施例进行了说明，本领域的技术人员在不超出本发明范围的情况下，可对旋转台和竖直导轨的相对位置关系进行变化，或对旋转台驱动和升降驱动的传动部分做一般工程范围内的变动。如将旋转台驱动部分和升降驱动部分同步带传动更改为齿轮传动。也可以对某些关节的尺寸和形状做显而易见的变化和修改，以用来适应不同工程任务。