一種五自由度混聯(lián)工業(yè)機器人的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種工作空間大，具有高度靈活性和柔性的五自由度混聯(lián)工業(yè)機器人。該五自由度混聯(lián)工業(yè)機器人由豎直轉動關節(jié)，豎直升降關節(jié)，雙轉動自由度腕部關節(jié)，并聯(lián)操作機構和末端快換工具共同組成。該五自由度混聯(lián)工業(yè)機器人結構緊湊，工作范圍大，姿態(tài)調整靈活，自動化程度高，控制相對簡單，應用范圍廣，可實現搬運，噴涂，裝配等多種工程作業(yè)。
【專利說明】一種五自由度混聯(lián)工業(yè)機器人
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于機械制造設計領，具體涉及一種工作范圍大，具有高度靈活性和柔性的一種五自由度混聯(lián)工業(yè)機器人。
【背景技術】
[0002]隨著我國制造工業(yè)的迅速發(fā)展，工業(yè)機器人已成為提高生產效率，保證生成質量的重要技術手段。在汽車、飛機等典型工業(yè)裝備的生產過程中，機器人正在逐步取代人工勞動成為生產線上的主力軍。
[0003]目前工業(yè)機器人主要有串聯(lián)機器人、并聯(lián)機器人和既含有串聯(lián)又含有并聯(lián)的混聯(lián)機器人三種形式。串聯(lián)機器人具有工作范圍大，姿態(tài)調整靈活的優(yōu)點，但其不足是剛度差、控制精度較低。并聯(lián)機器人的特點則正好相反，并聯(lián)機器人剛度高，控制精度高，易實現高速控制，其不足在于工作范圍較小，靈活性和柔性相對較差?；炻?lián)機器人則兼具有串聯(lián)機器人和并聯(lián)機器人的特點，在工業(yè)機器人領域具有巨大的應用前景。
[0004]目前大多數生產線上的工業(yè)機器人采用了關節(jié)形式的串聯(lián)機器人，該種機器人的典型結構是由轉動機身，轉動大臂(或移動大臂)，轉動小臂(或移動小臂)與具有兩個或三個轉動自由度的腕關節(jié)以及末端執(zhí)行器組成。這種拓撲結構決定了機器人在工作范圍和姿態(tài)調整上具有高度的靈活性和柔性，但冗長的懸臂結構卻使得機器人的負載能力和動態(tài)性能相當有限。在包裝行業(yè)中，很多生產線上的分揀機器人選擇了并聯(lián)機器人。并聯(lián)機構的結構特點在于，多個輸入支鏈共同連接一個動平臺，通過多個驅動的協(xié)調作用來實現動平臺的位姿調整，因而具有高剛度，快速和高動態(tài)精度等特點。例如包裝線上的德爾塔機構以獨有的高速特性和高動態(tài)精度，使得瓶蓋的分揀效率提高了數倍。但并聯(lián)機器人卻因工作范圍有限，柔性不足，難以拓展到更為廣闊的應用領域。
[0005]鑒于串、并聯(lián)機器人各自的優(yōu)缺點，在機器人拓撲結構上進行規(guī)劃，形成具有工作范圍大，高剛度，高柔性和靈活性，動態(tài)性能優(yōu)越的混聯(lián)機器人將是未來工業(yè)機器人發(fā)展的方向。為此，本專利借鑒串聯(lián)機器人腕部關節(jié)姿態(tài)調整的靈活性，將具有兩個正交轉動自由度的腕部關節(jié)與移動關節(jié)大臂直接相連，再在腕部關節(jié)的輸出端連接具有兩個自由度的并聯(lián)機構，并聯(lián)機構動平臺用以裝卡快換工具。如此形成的兼具工作范圍大，靈活性和柔性聞，剛度大，動態(tài)精度聞的混機器人，將能有效彌補單一串聯(lián)或并聯(lián)機器人的不足。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種五自由度混聯(lián)工業(yè)機器人，該五自由度混聯(lián)工業(yè)機器人具有工作范圍大、靈活性和柔性高、剛度高、動態(tài)性能好等特點，從而能有效彌補單一串聯(lián)或并聯(lián)機器人的不足。
[0007]本發(fā)明要求保護一種五自由度混聯(lián)工業(yè)器人，該噴涂機器人由豎直轉動關節(jié)，豎直升降關節(jié)，雙轉動自由度腕部關節(jié)，并聯(lián)操作機構和末端快換工具共同組成，豎直轉動關節(jié)由旋轉臺驅動電機驅動旋轉臺完成，該轉動關節(jié)擴大所述工業(yè)機器人在同一水平面內的作業(yè)范圍；豎直升降關節(jié)由升降驅動電機驅動絲桿帶動上滑塊、下滑塊、弧形支撐臂、支撐軸、F形連接座的升降，擴大所述工業(yè)機器人在同一豎直面內的作業(yè)范圍；雙轉動自由度腕部關節(jié)由腕部驅動電機甲和腕部電機乙分別驅動的兩個正交轉動關節(jié)組成，雙轉動自由度腕部關節(jié)通過兩個轉動自由度的協(xié)調工作實現機器人的多種工作姿態(tài)，從而增強機器人的靈活性和柔性；并聯(lián)操作機構是由大臂驅動電機、曲柄驅動電機、大臂、小臂、曲柄、連桿、動平臺等組成的平面兩自由度平面并聯(lián)機構，該并聯(lián)機構具有保持動平臺姿態(tài)的功能，并通過大臂驅動電機和曲柄驅動電機的協(xié)調工作實現機構所在平面內同一姿態(tài)下任意方向的往復運動，特高機器人往復工作的執(zhí)行效率；所述工業(yè)機器人的動平臺設置快速裝卡接口，在動平臺上裝卡不同的快換工具可實現不同的工程任務。
[0008]根據本發(fā)明所述的五自由度混聯(lián)工業(yè)機器人，機身轉動關節(jié)與雙自由度腕部關節(jié)的兩個轉動自由度分別為同軸和正交關系，旋轉臺與腕部轉軸甲同軸，旋轉臺與腕部轉軸乙正交。
[0009]根據本發(fā)明所述的五自由度混聯(lián)工業(yè)機器人，弧形支撐臂與支撐軸共同支撐F形連接座，并在上滑塊和下滑塊的作用下上下升降，使得機器人機構緊湊且雙自由度腕部關節(jié)的安裝座具有更強的剛度，雙自由度腕部關機以腕部轉動座甲為功能過渡零件，既作為串聯(lián)機構的輸出，同時又作為并聯(lián)機構的基本位姿的輸出，在拓撲結構上使機器人兼具串、并聯(lián)機構的特性。
[0010]根據本發(fā)明所述的五自由度混聯(lián)工業(yè)器人，在動平臺上裝卡裝卡噴槍用于機械裝備的噴涂。
[0011]根據本發(fā)明所述的五自由度混聯(lián)工業(yè)器人，在動平臺上裝卡焊槍用于點焊操作。
[0012]根據本發(fā)明所述的五自由度混聯(lián)工業(yè)器人，在動平臺上裝卡裝卡加持器用于搬運和碼垛。
[0013]根據本發(fā)明的優(yōu)點在于:通過旋轉臺的圓周轉動和豎直導軌的升降，大大增加了機器人末端執(zhí)行器的運動范圍；通過雙自由度腕部關節(jié)的姿態(tài)調整大大增強了機器人在工作空間的靈活性和柔性；并聯(lián)操作機構具有姿態(tài)機構特性可以大大增強機器人在局部的往復工作效率和負載剛度。此外，該五自由度混聯(lián)工業(yè)機器人還具有機構緊湊，模塊化特點明顯，控制容易等特點，因此具有廣闊的應用價值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明所述的五自由度混聯(lián)工業(yè)機器人整體示意圖。
[0015]圖2為本發(fā)明所述的五自由度混聯(lián)工業(yè)機器人側向工作示意圖(為與圖1中各個零部件的標號行對應，圖2中的標號未按固定順序展開)。圖中:1_基座，2-線槽，3-旋轉臺，4-旋轉筒，5-升降驅動電機，6-旋轉臺驅動電機，7-快換工具，8-并聯(lián)動平臺，9-小臂連桿，10-小臂，11-大臂，12-三角連桿，13-大臂連桿，14-曲連桿，15-曲柄，16-腕部驅動電機甲，17-E形轉動座，18-腕部驅動電機乙，19-腕部小同步帶輪，20-腕部大同步帶輪，21-腕部轉軸甲，22-腕部轉軸乙，23-F形連接座，24-腕部轉動座甲，25-蓋板，26-弧形支撐臂，27-支撐軸，28-絲杠，29-立柱，30-上滑塊，31-下滑塊，32-大筆驅動電機，33-曲柄驅動電機，34-升降驅動小同步帶輪,35-升降驅動大同步帶輪,36-旋轉臺驅動大同步帶輪，37-旋轉臺驅動小同步帶輪，38-密封底板?！揪唧w實施方式】
[0016]本發(fā)明的一種五自由度混聯(lián)工業(yè)機器人的【專利附圖】

【附圖說明】及實施細則說明如下:
[0017]本發(fā)明的技術方案通過圖1、圖2所示進行說明和例證。
[0018]本發(fā)明所述的一種五自由度混聯(lián)工業(yè)機器人由豎直轉動關節(jié)，豎直升降關節(jié)，雙轉動自由度腕部關節(jié)，并聯(lián)操作機構和末端快換工具共同組成，各組成部分的具體連接關系及實施細則如下。
[0019]基座I為一帶四個安裝腳的圓柱形內空圓臺，基座I通過螺栓連接與大地緊固。線槽2為一提供纜線活動的弧形槽路，線槽2通過螺栓連接與基座I上端面緊固，且二者保持同心的關系。旋轉臺3為一帶有階梯軸的圓柱轉臺，轉臺3的階梯軸通過軸承配合與基座I上端面的中心孔形成轉動副。旋轉筒4為一上端面封閉的圓筒，旋轉筒4的通過螺栓連接將其下端面與旋轉臺3的上端面緊固連接。旋轉臺驅動電機6通過螺栓與基座I的上端面緊固，旋轉臺驅動電機6的電機軸則通過普通平鍵與旋轉臺驅動小同步帶輪37配合連接。旋轉臺驅動大同步帶輪36通過普通平鍵與旋轉臺3穿過基座I的圓孔內軸承的階梯軸配合連接，旋轉臺驅動大同步帶輪36與旋轉臺驅動小同步帶輪37通過同步帶傳遞力矩，從而將轉臺驅動電機6的扭矩傳遞給旋轉臺3及其上部連接零部件。密封底板38為一帶有止口的圓盤，密封底板38通過止口和螺栓與基座I連接緊固，從而將基座內部的同步帶輪傳動系統(tǒng)(此處也可以為齒輪傳動系統(tǒng)，或其它功能類似的傳動系統(tǒng))密封起來。升降驅動電機5通過螺栓與旋轉筒4的上端面緊固連接，升降驅動電機5的電機軸則穿過旋轉筒4上端面的圓孔并通過普通平鍵與升降驅動小同步帶輪34配合連接。立柱29為底部帶有螺栓孔的弧形厚壁立柱，立柱29的底端通過螺栓與旋轉筒4的上端面緊固連接。旋轉筒4的上表面對稱安裝著兩個立柱29，兩個立柱29的內側豎直平面上分別為一直線導軌(或通過螺栓連接的形式將一導軌緊固在立柱29內側面)。上滑塊30和下滑塊31分別通過兩側的燕尾槽與兩立柱29內側的直線導軌配合形成移動副。下滑塊31的中部開有螺紋孔，并通過螺紋孔與絲杠28形成螺旋副。絲杠28傳動螺紋與下滑塊31螺紋孔配合的同時，其下端階梯軸與旋轉筒4中部的圓孔通過軸承配合連接，且其穿過軸承的階梯軸部分通過普通平鍵與升降驅動大同步帶輪35配合連接。升降驅動大同步帶輪35和升降驅動小同步帶輪34則通過同步帶傳遞動力，從而將升降驅動電機5的扭矩轉化為滑塊31升降的動力。弧形支撐臂26為一剛度較大的厚壁圓弧形支撐臂，其上下端均具有水平的連接面。弧形支撐臂26的下端連接面通過螺栓連接作用，上端面與上滑塊30緊固，下端面與下滑塊31緊固；弧形支撐臂26的上端連接面則通過螺栓連接作用與F形連接座緊固連接。上滑塊30上表面中部開有通孔，絲杠28可穿過通孔自由轉動。上滑塊30上表面左右側各均不四個螺紋孔，上滑塊30上表面螺紋孔與支撐軸27下端面階梯圓臺的螺紋孔配對，再通過螺栓連接作用將兩根支撐軸27緊固在上滑塊30的上表面。蓋板25通過螺栓連接與兩個立柱29緊固，蓋板25左右側各有一光滑圓孔可與支撐軸27圓柱表面配合形成移動副，蓋板25中部的圓孔內裝有軸承可與絲杠28上端的階梯軸配合形成轉動副。蓋板25 —方面通過螺栓連接作用可增強立柱29的剛度，另一方面則對絲杠28和支承軸27起到約束定位作用，此外蓋板25還對支撐軸27在升降過程中起到導向作用。兩根支撐軸27的上端面通過螺栓連接與F形連接座23緊固。支撐軸27的上端面與弧形支撐臂26的上端面務必在同一水平面，從而共同支撐F形連接座23并確保F形連接座23處于水平狀態(tài)。F形連接座23為雙自由度腕部關節(jié)的基礎支撐部件，腕部轉軸乙22兩端的階梯軸分別通過軸承與F形連接座23的兩豎直立板配合形成轉動副。腕部轉軸乙22外側階梯軸穿過F形連接座23外側立板內的軸承，腕部轉軸乙22最外端階梯軸通過普通平鍵與腕部大同步帶輪20配合連接。腕部驅動電機乙18通過螺栓連接于F形連接座23外側立板的上部，與腕部轉軸乙22的軸線在同一豎直面內。腕部驅動電機乙22的電機軸通過普通平鍵與腕部小同步帶輪19配合連接，腕部小同步帶輪19通過同步帶與腕部大同步帶輪20傳遞動力，從而將腕部驅動電機乙22的轉動力矩轉換為腕部轉軸乙22的轉動力矩。腕部轉軸乙22通過焊接或螺栓連接的形式與E形轉動座17緊固，E形轉動座17為雙自由度腕部關節(jié)第二轉動自由度的支撐。腕部驅動電機甲16通過螺栓連接緊固于E形轉動座17上端的立板(圖1所示)，腕部轉軸甲21兩端的階梯軸通過軸承與E形轉動座17中部和下端立板的圓孔形成轉動副。腕部轉軸甲21與腕部驅動電機甲16的電機軸同軸，且二者通過聯(lián)軸器連接，從而將腕部驅動電機甲16的扭矩傳遞給腕部轉軸甲21。腕部轉軸甲21通過普通平鍵與腕部轉動座甲24配合連接，進一步將腕部驅動電機甲16的轉動傳遞給腕部轉動座甲24。腕部轉動座甲24為一 U形連接座，它在整個混聯(lián)機器人中起到過渡連接的作用，其既是串聯(lián)機構的輸出，同時又是并聯(lián)操作機構單元的基本位姿的輸入，從而在拓撲結構上使機器人兼具串、并聯(lián)機構的特性，形成具有優(yōu)良機構特性混聯(lián)機器人。
[0020]并聯(lián)操作機構中各零部件的連接關系如下。曲柄15和大臂11分別通過軸承配合形成轉動副與腕部轉動座甲24聯(lián)接，并分別由與之通過普通平鍵配合連接的大臂驅動電機32和曲柄驅動電機33驅動。大臂驅動電機32和曲柄驅動電機33則分別通過機械螺釘緊固在腕部轉動座甲24U型結構的外側，且兩電機軸同軸。小臂10中部通過軸承與大臂11末端構成被動轉動副，小臂10前端通過軸承配合形成轉動副與并聯(lián)動平臺8聯(lián)接,小臂10后端通過軸承配合形成轉動副與曲連桿14聯(lián)接。曲連桿14的另一端則通過軸承配合形成轉動副與曲柄15聯(lián)接。三角連桿12鈍角頂點處圓孔通過軸承形成轉動副與大臂11聯(lián)接，并且該轉動副與小臂10和大臂11所形成的轉動副同軸。三角連桿12外形為三角形，其長邊為I連桿，其于兩短邊為II連桿。I連桿通過軸承配合形成轉動副一端與小臂連桿9連接，另一端與大臂連桿13聯(lián)接。大臂連桿13的另一端則通過軸承配合形成轉動副與腕部轉動座甲24上的耳形連桿聯(lián)接；小臂連桿9的另一端則通過軸承配合形成轉動副與并聯(lián)動平臺8聯(lián)接。并聯(lián)動平臺8的圓孔內裝卡有快換工具7，裝卡不同的快換工具可以進行不同的工程作業(yè)。
[0021]在本發(fā)明中五自由度混聯(lián)工業(yè)機器人的豎直轉動關節(jié)可以擴大機器人末端的快換工具7在同一水平面內的作業(yè)范圍，而升降關節(jié)則可以擴大機器人末端快換工具在同一豎直面內的作業(yè)范圍，豎直轉動關節(jié)與豎直升降關節(jié)配合作用擴大了機器人的空間作業(yè)范圍，使得機器人具有大范圍的作業(yè)能力。雙轉動自由度腕部關節(jié)具有兩個正交的轉動自由度，通過兩個轉動自由度的協(xié)調工作可以調整機器人末端快換工具姿態(tài)，用以實現多種工程任務多姿態(tài)的要求，從而增強了機器人的靈活性和柔性。并聯(lián)操作機構不僅具有保持末端快換工具運動姿態(tài)的功能，還可以通過并聯(lián)機構的兩個輸入驅動的配合作用實現機構所在平面內任意方向的往復運動，從而大大提高了機器人的執(zhí)行效率，加之并聯(lián)機構具有快速和高剛度的特性從而可以大大提升機器人的負載能力和高速運動特性。此外，由于并聯(lián)操作機構具有保持末端快換工具姿態(tài)的功能，從而使得串聯(lián)機構與并聯(lián)機構的運動學耦合減少，相應的控制復雜度有所降低。
[0022]本發(fā)明以一典型實施例進行了說明，本領域的技術人員在不超出本發(fā)明范圍的情況下，可對旋轉臺和豎直導軌的相對位置關系進行變化，或對旋轉臺驅動和升降驅動的傳動部分做一般工程范圍內的變動。如將旋轉臺驅動部分和升降驅動部分同步帶傳動更改為齒輪傳動。也可以對某些關節(jié)的尺寸和形狀做顯而易見的變化和修改，以用來適應不同工程任務。
【權利要求】
1.一種五自由度混聯(lián)工業(yè)器人，該噴涂機器人由豎直轉動關節(jié)，豎直升降關節(jié)，雙轉動自由度腕部關節(jié)，并聯(lián)操作機構和末端快換工具共同組成，豎直轉動關節(jié)由旋轉臺驅動電機驅動旋轉臺完成，該轉動關節(jié)擴大所述工業(yè)機器人在同一水平面內的作業(yè)范圍；豎直升降關節(jié)由升降驅動電機驅動絲桿帶動上滑塊、下滑塊、弧形支撐臂、支撐軸、F形連接座的升降，擴大所述工業(yè)機器人在同一豎直面內的作業(yè)范圍；雙轉動自由度腕部關節(jié)由腕部驅動電機甲和腕部電機乙分別驅動的兩個正交轉動關節(jié)組成，雙轉動自由度腕部關節(jié)通過兩個轉動自由度的協(xié)調工作實現機器人的多種工作姿態(tài)，從而增強機器人的靈活性和柔性；并聯(lián)操作機構是由大臂驅動電機、曲柄驅動電機、大臂、小臂、曲柄、連桿、動平臺等組成的平面兩自由度平面并聯(lián)機構，該并聯(lián)機構具有保持動平臺姿態(tài)的功能，并通過大臂驅動電機和曲柄驅動電機的協(xié)調工作實現機構所在平面內同一姿態(tài)下任意方向的往復運動，特高機器人往復工作的執(zhí)行效率；所述工業(yè)機器人的動平臺設置快速裝卡接口，在動平臺上裝卡不同的快換工具可實現不同的工程任務。
2.根據權利要求1所述的五自由度混聯(lián)工業(yè)機器人,機身轉動關節(jié)與雙自由度腕部關節(jié)的兩個轉動自由度分別為同軸和正交關系，旋轉臺與腕部轉軸甲同軸，旋轉臺與腕部轉軸乙正交。
3.根據權利要求1所述的五自由度混聯(lián)工業(yè)機器人，弧形支撐臂與支撐軸共同支撐F形連接座，并在上滑塊和下滑塊的作用下上下升降，使得機器人機構緊湊且雙自由度腕部關節(jié)的安裝座具有更強的剛度，雙自由度腕部關機以腕部轉動座甲為功能過渡零件，既作為串聯(lián)機構的輸出，同時又作為并聯(lián)機構的基本位姿的輸出，在拓撲結構上使機器人兼具串、并聯(lián)機構的特性。
4.根據權利要求1所述的五自由度混聯(lián)工業(yè)器人，在動平臺上裝卡裝卡噴槍用于機械裝備的噴涂。
5.根據權利要求1所述的五自由度混聯(lián)工業(yè)器人，在動平臺上裝卡焊槍用于點焊操作。
6.根據權利要求1所述的五自由度混聯(lián)工業(yè)器人，在動平臺上裝卡裝卡加持器用于搬運和碼垛。
【文檔編號】B25J9/00GK103433918SQ201310405360
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月9日 優(yōu)先權日:2013年9月9日
【發(fā)明者】劉辛軍, 李 杰, 謝福貴 申請人:清華大學