本發(fā)明屬于并聯(lián)機(jī)器人領(lǐng)域，特別涉及一種可實(shí)現(xiàn)scara運(yùn)動的四自由度(三維移動和一維轉(zhuǎn)動)高速并聯(lián)機(jī)器人。該機(jī)器人可應(yīng)用于具有拾取和放臵操作的工況環(huán)境。

背景技術(shù)：

scara(selectivecomplianceassemblyrobotarm)意為具有選擇順應(yīng)性的裝配機(jī)器人手臂，該機(jī)器人手臂具有四個運(yùn)動自由度，包括沿x，y，z方向的移動和繞z方向的轉(zhuǎn)動，在水平面內(nèi)具有很好的順應(yīng)性，在垂直于水平面方向上具有優(yōu)異的剛性。該類機(jī)器人手臂主要功能是pick-and-place(拾取和放臵)，因此廣泛應(yīng)用于塑料工業(yè)、電子工業(yè)、藥品工業(yè)和食品工業(yè)領(lǐng)域，可以高效地完成包裝、制造、裝配以及搬運(yùn)等操作。

全球首款scara運(yùn)動機(jī)器人由串聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，串聯(lián)機(jī)構(gòu)通過運(yùn)動副依次連接而成，為開環(huán)結(jié)構(gòu)，具有大的工作空間和高的靈活度，但其也具有明顯的缺點(diǎn)：各運(yùn)動副誤差累積導(dǎo)致末端精度低、剛度底、慣性大，動力學(xué)性能不好。并聯(lián)機(jī)構(gòu)是一種閉環(huán)結(jié)構(gòu)，其動平臺通過至少兩個獨(dú)立的運(yùn)動鏈與定平臺相連接。與串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比，并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有剛度高、精度高、動力學(xué)性能好、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。

基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，clavel提出了由三條對稱支鏈構(gòu)成的可實(shí)現(xiàn)三維平動的delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)(us4976582)，具有高速運(yùn)動特性，在此構(gòu)型的基礎(chǔ)上，abb公司研發(fā)了“flexpicker”并聯(lián)機(jī)器人并應(yīng)用于食品包裝生產(chǎn)線中代替人工完成食品等的快速分揀操作；為進(jìn)一步增加拾取動作的柔性和效率，pierrot等提出了具有四條支鏈，雙動平臺特征的可實(shí)現(xiàn)scara運(yùn)動的h4并聯(lián)機(jī)構(gòu)(us20090019960和ep1084802)；隨后adept公司成功將其商業(yè)化，典型代表有“adeptquattrro”并聯(lián)機(jī)器人。

對于以上部分設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)，有文獻(xiàn)進(jìn)行了點(diǎn)評，不足之處總結(jié)如下：專利cn202592386指出專利us4976582中delta機(jī)構(gòu)只具有空間平動的三個自由度，不能實(shí)現(xiàn)拾取角度的旋轉(zhuǎn)；專利cn102161200指出專利us20090019960和ep1084802中h4機(jī)構(gòu)動平臺的多個部件處于同一平面內(nèi)，使得動平臺尺寸較大，不夠緊湊，且相鄰的兩條支鏈驅(qū)動動平臺的一個部件，傳力效果不好，不利于提高機(jī)構(gòu)效率；專利cn101863024、cn102161201指出專利us20090019960和ep1084802中動平臺尺寸較大，其上設(shè)置的放大機(jī)構(gòu)增加了動平臺的重量；專利cn102152306指出專利us20090019960和ep1084802中動平臺受驅(qū)動的部件是相當(dāng)于平行四邊形的一組對邊，結(jié)構(gòu)不緊湊，活動不靈活，受力不均勻，不利于提高機(jī)構(gòu)效率；專利cn102229141指出專利us20090019960和ep1084802中動平臺受驅(qū)動的部件只有兩個，這兩個部件相當(dāng)于平行四邊形的一組對邊，這樣的驅(qū)動方式不靈活，受力情況不均勻，不利于機(jī)構(gòu)的順暢運(yùn)行。

綜上，設(shè)計(jì)研發(fā)性能優(yōu)異的scara運(yùn)動并聯(lián)機(jī)器人仍是機(jī)器人領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)問題，一款結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動靈活的高性能scara并聯(lián)機(jī)器人必將具有廣闊的科研及應(yīng)用前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對串聯(lián)scara機(jī)器人的缺點(diǎn)和現(xiàn)有并聯(lián)scara機(jī)器人存在的不足，提出了一種新型的可實(shí)現(xiàn)scara運(yùn)動的四自由度高速并聯(lián)機(jī)器人，該并聯(lián)機(jī)器人包括定平臺、安裝執(zhí)行器的動平臺以及第一支鏈、第二支鏈、第三支鏈、第四支鏈，所述四條支鏈分別連接于定平臺和動平臺之間，并與該定平臺和動平臺構(gòu)成空間閉環(huán)機(jī)構(gòu)。通過四條支鏈內(nèi)部的驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，將運(yùn)動傳遞至動平臺末端的執(zhí)行器，可以實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器的scara運(yùn)動。

本發(fā)明提出的一種可實(shí)現(xiàn)scara運(yùn)動的四自由度高速并聯(lián)機(jī)器人，其特征在于，包括：定平臺(1)、安裝執(zhí)行器的動平臺部件(8)以及第一支鏈(i)、第二支鏈(ii)、第三支鏈(iii)、第四支鏈(iv)，四條所述支鏈相對定平臺呈圓周對稱布置，該四條支鏈分別連接于定平臺和動平臺部件之間，并與所述定平臺和動平臺部件構(gòu)成空間閉環(huán)機(jī)構(gòu)；其中，四條支鏈的一端分別通過螺栓與定平臺(1)緊固，四條支鏈的一另端分別與動平臺部件通過轉(zhuǎn)動副配合。

四條所述支鏈結(jié)構(gòu)相同，均包括：驅(qū)動電機(jī)(2)、減速器(3)、驅(qū)動大臂前端(4)、驅(qū)動大臂(5)、驅(qū)動大臂末端(6)、平行四邊形部件(7)以及運(yùn)動副；其中，驅(qū)動電機(jī)的輸出軸與減速器的輸入軸配合以傳遞扭矩與轉(zhuǎn)速，驅(qū)動大臂前端與驅(qū)動大臂一端緊固，驅(qū)動大臂另一端與驅(qū)動大臂末端緊固；所述運(yùn)動副有3個：一個是連接于驅(qū)動大臂前端和減速器輸出軸之間的轉(zhuǎn)動副r，一個是連接于驅(qū)動大臂末端和平行四邊形部件一端之間的轉(zhuǎn)動副r，一個是連接于平行四邊形部件(7)另一端與動平臺部件(8)之間的轉(zhuǎn)動副r；所述減速器與定平臺(1)緊固。

所述動平臺部件(8)包括：上動平臺(8-1)和下動平臺(8-2)，執(zhí)行器(8-3)，以及兩個固定轉(zhuǎn)動件(8-4、8-7)和兩個連接轉(zhuǎn)動件(8-5、8-6)；所述上動平臺包括兩個支臂，在上動平臺兩支臂的匯交點(diǎn)設(shè)有中心軸；所述下動平臺包括兩個支臂，在下動平臺兩支臂的匯交點(diǎn)設(shè)有中心孔；其中，第一固定轉(zhuǎn)動件(8-4)、第二固定轉(zhuǎn)動件(8-7)分別與下動平臺的第一、第二支臂末端緊固，上動平臺的中心軸和下動平臺的中心孔通過轉(zhuǎn)動副配合，上動平臺中心軸末端與執(zhí)行器(8-3)緊固，第一連接轉(zhuǎn)動件(8-5)、第二連接轉(zhuǎn)動件(8-6)分別與上動平臺的第一、第二支臂末端通過轉(zhuǎn)動副配合；所述第一固定轉(zhuǎn)動件(8-4)、第一連接轉(zhuǎn)動件(8-5)、第二連接轉(zhuǎn)動件(8-6)和第二固定轉(zhuǎn)動件(8-7)分別與四條支鏈的另一端通過轉(zhuǎn)動副配合。

所述平行四邊形部件(7)具有兩種實(shí)現(xiàn)方式：

第一種平行四邊形部件(7)包括：兩個小臂短桿和兩個小臂長桿，其中，第一小臂短桿(7-1-a)兩端分別與第一小臂長桿(7-1-c)、第二小臂長桿(7-1-d)的上端通過轉(zhuǎn)動副配合，第一小臂長桿、第二小臂長桿的下端分別與第二小臂短桿(7-1-b)的兩端通過轉(zhuǎn)動副配合。

第二種平行四邊形部件(7)包括：兩個小臂短桿、兩個小臂橫桿和兩個小臂長桿，兩個所述小臂橫桿為抗扭彈性桿，裝配時為預(yù)拉伸狀態(tài)；其中，第一小臂短桿(7-2-a)兩端分別與第一小臂長桿(7-2-c)、第二小臂長桿(7-2-d)的上端通過球面配合，第一小臂長桿、第二小臂長桿的下端分別與第二小臂短桿(7-2-b)兩端通過球面配合，第一小臂橫桿(7-2-e)兩端分別與第一小臂長桿、第二小臂長桿的中上端通過轉(zhuǎn)動副配合，第一小臂長桿、第二小臂長桿的中下端分別與第二小臂橫桿(7-2-f)的兩端通過轉(zhuǎn)動副配合。

所述動平臺部件(8)還包括增速器模塊(8-8)，該增速器模塊由密封外殼和位于外殼內(nèi)的行星輪系結(jié)構(gòu)組成；其中，密封外殼頂部與下動平臺(8-2)緊固，行星輪系結(jié)構(gòu)的輸入軸與上動平臺(8-1)緊固，行星輪系結(jié)構(gòu)的輸出軸與執(zhí)行器(8-3)緊固。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明動平臺部件中的上動平臺相對下動平臺具有一維轉(zhuǎn)動自由度，上動平臺和下動平臺共同具有的三維移動自由度。動平臺部件具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊和運(yùn)動靈活等特點(diǎn)。動平臺部件和平行四邊形部件作為單獨(dú)部件，可以整體替換，模塊化程度高。本發(fā)明整體為并聯(lián)機(jī)構(gòu)，具有剛度高、精度高、動力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明上動平臺和下動平臺之間可以加入增速器模塊，實(shí)現(xiàn)角度放大功能，因此，上動平臺相對下動平臺只需要轉(zhuǎn)動較小的角度即可實(shí)現(xiàn)大角度輸出，使得結(jié)構(gòu)更加緊湊。另外，增速器模塊可實(shí)現(xiàn)密封潤滑，具有傳動精度和效率高等特點(diǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1的部件7結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1的部件7局部放大視圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例1的部件8結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例2的部件7結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例2的部件7局部放大視圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例3的部件8結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出的一種可實(shí)現(xiàn)scara運(yùn)動的四自由度高速并聯(lián)機(jī)器人結(jié)合附圖及實(shí)施例詳細(xì)說明如下：

實(shí)施例1：

本實(shí)施例的一種可實(shí)現(xiàn)scara運(yùn)動的四自由度高速并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括定平臺1、用于安裝執(zhí)行器的動平臺部件8以及第一支鏈i、第二支鏈ii、第三支鏈iii、第四支鏈iv，所述四條支鏈相對定平臺1呈圓周對稱布置，該四條支鏈分別連接于定平臺1和動平臺部件8之間，并與該定平臺1和動平臺部件8構(gòu)成空間閉環(huán)機(jī)構(gòu)。

所述第一支鏈i、第二支鏈ii、第三支鏈iii和第四支鏈iv結(jié)構(gòu)相同，如圖1所示，以第一支鏈i為例，包括：驅(qū)動電機(jī)2、減速器3、驅(qū)動大臂前端4、驅(qū)動大臂5、驅(qū)動大臂末端6、平行四邊形部件7以及運(yùn)動副；各零部件的裝配關(guān)系為：驅(qū)動電機(jī)2的輸出軸與減速器3的輸入軸配合以傳遞扭矩與轉(zhuǎn)速，減速器3的輸出軸與驅(qū)動大臂前端4配合以傳遞扭矩與轉(zhuǎn)角，驅(qū)動大臂前端4與驅(qū)動大臂5一端緊固，驅(qū)動大臂5另一端與驅(qū)動大臂末端6緊固，驅(qū)動大臂末端6和平行四邊形部件7的一端(第一小臂短桿7-1-a，如圖3所示)通過轉(zhuǎn)動副連接，平行四邊形部件7的另一端(第二小臂短桿7-1-b，如圖3所示)與動平臺部件8通過轉(zhuǎn)動副連接。所述運(yùn)動副有3個，一個是連接于驅(qū)動大臂前端4和減速器3之間的轉(zhuǎn)動副r，一個是連接于驅(qū)動大臂末端6和平行四邊形部件7的一端(第一小臂短桿7-1-a)之間的轉(zhuǎn)動副r，一個是連接于平行四邊形部件7另一端(第二小臂短桿7-1-b)與動平臺部件8之間的轉(zhuǎn)動副r。

所述平行四邊形部件7的結(jié)構(gòu)如圖2所示(局部結(jié)構(gòu)放大見圖3)，包括第一小臂短桿7-1-a、第二小臂短桿7-1-b、第一小臂長桿7-1-c和第二小臂長桿7-1-d；各零件的裝配關(guān)系為：第一小臂短桿7-1-a兩端分別與第一小臂長桿7-1-c、第二小臂長桿7-1-d的上端通過轉(zhuǎn)動副配合，第一小臂長桿7-1-c、第二小臂長桿7-1-d的下端分別與第二小臂短桿7-1-b的兩端通過轉(zhuǎn)動副配合。

所述動平臺部件8的結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括：上動平臺8-1和下動平臺8-2，執(zhí)行器8-3，以及兩個固定轉(zhuǎn)動件(8-4、8-7)和兩個連接轉(zhuǎn)動件(8-5、8-6)；上動平臺8-1兩個支臂末端分別設(shè)置一個連接轉(zhuǎn)動件、上動平臺兩支臂匯交點(diǎn)設(shè)有中心軸，下動平臺8-2兩個支臂末端分別設(shè)置一個固定連接件、下動平臺兩支臂匯交點(diǎn)設(shè)有中心孔；其中，第一固定轉(zhuǎn)動件8-4與下動平臺8-2的第一支臂末端緊固，第二固定轉(zhuǎn)動件8-7與下動平臺8-2的第二支臂末端緊固，上動平臺的中心軸和下動平臺的中心孔通過轉(zhuǎn)動副配合，上動平臺8-1中心軸末端與執(zhí)行器8-3緊固，第一連接轉(zhuǎn)動件8-5與上動平臺8-1的第一支臂末端通過轉(zhuǎn)動副配合，第二連接轉(zhuǎn)動件8-6與上動平臺8-1的第二支臂末端通過轉(zhuǎn)動副配合；

所述定平臺1、動平臺部件8以及第一支鏈i、第二支鏈ii、第三支鏈iii、第四支鏈iv的總體裝配關(guān)系為：第一支鏈i、第二支鏈ii、第三支鏈iii、第四支鏈iv中的四個減速器3分別通過螺栓與定平臺1緊固，第一支鏈i、第二支鏈ii、第三支鏈iii、第四支鏈iv中的平行四邊形部件7的另一端(第二小臂短桿7-1-b)分別與動平臺部件8中的第一固定轉(zhuǎn)動件8-4、第一連接轉(zhuǎn)動件8-5、第二連接轉(zhuǎn)動件8-6和第二固定轉(zhuǎn)動件8-7通過轉(zhuǎn)動副配合。

綜上，本發(fā)明利用平行四邊形部件7的姿態(tài)保持性，將四個支鏈中各個驅(qū)動電機(jī)的獨(dú)立轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)換為動平臺部件8中上動平臺8-1沿x，y，z方向的三個移動自由度和繞z方向的轉(zhuǎn)動自由度，最終帶動執(zhí)行器8-3沿x，y，z方向的三個移動和繞z方向的轉(zhuǎn)動。

實(shí)施例2：

本發(fā)明的平行四邊形部件7的結(jié)構(gòu)還可以如圖5所示(局部結(jié)構(gòu)放大見圖6)，包括第一小臂短桿7-2-a、第二小臂短桿7-2-b、第一小臂橫桿7-2-e、第二小臂橫桿7-2-f、第一小臂長桿7-2-c、第二小臂長桿7-2-d；值得強(qiáng)調(diào)的是第一小臂橫桿7-2-e和第二小臂橫桿7-2-f為抗扭彈性桿，裝配時為預(yù)拉伸狀態(tài)。各零件的裝配關(guān)系為：第一小臂短桿7-2-a兩端分別與第一小臂長桿7-2-c、第二小臂長桿7-2-d的上端通過球面配合，第一小臂長桿7-2-c、第二小臂長桿7-2-d的下端分別與第二小臂短桿7-2-b兩端通過球面配合，第一小臂橫桿7-2-e兩端分別與第一小臂長桿7-2-c、第二小臂長桿7-2-d的中上端通過轉(zhuǎn)動副配合，第一小臂長桿7-2-c、第二小臂長桿7-2-d的中下端分別與第二小臂橫桿7-2-f的兩端通過轉(zhuǎn)動副配合。

實(shí)施例3：

本發(fā)明的動平臺部件8的結(jié)構(gòu)還可以如圖7所示，本實(shí)施例的動平臺部件8在實(shí)施例1所述的動平臺部件基礎(chǔ)上增設(shè)了增速器模塊8-8，該增速器模塊由密封外殼和位于外殼內(nèi)的行星輪系結(jié)構(gòu)組成；其中，密封外殼頂部與下動平臺8-2緊固，行星輪系結(jié)構(gòu)的輸入軸與上動平臺8-1緊固，行星輪系結(jié)構(gòu)的輸出軸與執(zhí)行器吸盤8-3緊固。本實(shí)施例動平臺部件8的其他組成部件均與實(shí)施例1相同，此處不再贅述。

本發(fā)明平行四邊形部件7的兩種類型(圖2和圖5)和動平臺部件8的2種類型(圖4和圖7)可以按照需求任選其一進(jìn)行搭配組裝。

本發(fā)明以典型實(shí)施例進(jìn)行了說明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不超出本發(fā)明范圍的情況下，可對尺寸和形狀做顯而易見的變化和修改，以用來適應(yīng)不同的應(yīng)用對象和工況條件。