CN102615645A - 六自由度高机动高精度实用并联机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了六自由度高机动高精度实用并联机器人，在机座上固定有两组左右平行的导轨，每组导轨的前部、中部及后部各安装一个滑板，在每个滑板上均安装有下球铰座和光栅尺读数头，下球铰安装在下球铰座上，同一边的滑板上的光栅尺读数头位于对应的光栅尺的上方；在所述机座的上方设有动平台，动平台底部的四个角处均装有上球铰，所述动平台的后侧设有一斜板，该斜板上也安装有两个左右对称的上球铰，六个上球铰与对应的六个下球铰之间均通过拉杆连接。并联机器人通过高速的六个直线电机为驱动，能够实现动平台所需的六自由度运动。本发明具有速度快，精度高，刚度大，量程大，适应能力强等特点，可广泛应用到各相关领域。

Description

六自由度高机动高精度实用并联机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，特别涉及六自由度高机动高精度实用并联机器人。

背景技术

近年来，并联机器人技术取得了极大的发展，它已广泛应用到医疗、并联机床、微电子组装、空间对接平台等多种复杂领域。但由于六自由度并联机构机构复杂、运动副多、强耦合性、精度非线性等约束条件，造成并联机构实现高机动、高精度的实用六自由度并联机器人比较困难。使用传统方式驱动的并联机器人，因铰链间隙误差、驱动传动误差等影响，造成并联机构的运动精度差、精度控制复杂等难点。为解决上述问题，在机构设计方面通常采用高加工精度、柔性铰链等方式来提高精度；在控制方面采用耦合控制策略、反馈解耦控制等方法，从控制反馈出发提高精度；在驱动元件中采用高速的直线电机提高并联机器人的驱动速度和精度。因此，虽然精度或驱动速度得到了某方面的提高，但随之而来带来的问题是：柔性铰链造成运动空间范围有限；反馈解耦控制造成机构控制复杂，响应速度慢，不能很好的发挥实用性能；直线电机高速驱动造成机构尺寸过大，运动链不能承受高速带来的冲击，机构部件容易损伤等影响。在高机动、高精度、大工作空间的应用场合，六自由度并联机器人还没有得到实用性的广泛应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种六自由度高机动、高精度实用并联机器人，能够快速灵活的实现动平台的高精度六自由度运动。

本发明的技术方案如下：一种六自由度高机动高精度实用并联机器人，在机座(1)上固定有两组左右平行的导轨(2)，每组导轨(2)的旁边设有一根光栅尺(10)，所述光栅尺(10)固定在机座(1)上，各光栅尺(10)与对应的导轨(2)平行，并保持一定距离安装；在每组导轨(2)的前部、中部及后部各安装一个滑板(3)，该滑板(3)能在对应的导轨(2)上滑动，左右两边导轨(2)上的滑板(3)对称布置，每个滑板(3)的正下方安设置有直线电机(4)，该直线电机(4)的初级(4a)与滑板(3)相固定，直线电机(4)的次级(4b)固定在机座(1)上，直线电机(4)驱动滑板(3)运动；所述每个滑板(3)的旁边均设有拖链(5)，该拖链(5)的运动端与滑板(3)连接，拖链(5)的固定端与机座(1)连接，在每个滑板(3)上均安装有下球铰座(6a)和光栅尺读数头(11)，下球铰(6)安装在下球铰座(6a)上，同一边的滑板(3)上的光栅尺读数头(11)位于对应的光栅尺(10)的上方，光栅尺读数头(11)与对应的光栅尺(10)之间具有间隙；在所述机座(1)的上方设有动平台(9)，该动平台(9)为台体结构，动平台的底面为矩形，在动平台(9)底部的四个角处均装有上球铰(8)，所述动平台(9)的后侧设有一斜板(9a)，该斜板(9a)上也安装有两个左右对称的上球铰(8)，所述动平台(9)底部前端角落处的两个上球铰(9)分别通过拉杆(7)与左右两边导轨前部滑板(3)上的下球铰(6)连接，动平台(9)底部后端角落处的两个上球铰(8)分别通过拉杆(7)与左右两边导轨后部滑板(3)上的下球铰(6)连接，动平台斜板(9a)上的两个上球铰(8)分别通过拉杆(7)与左右两边导轨中部滑板(3)上的下球铰(6)连接。

采用以上技术方案，根据动平台运动要求，利用并联机器人运动学逆解得到直线电机的运动规律。直线电机作为机器人的驱动设备，带动六个滑板运动，拖链随滑板一起运动，能够为控制直线电机提供电缆支撑作用；滑板运动带动拉杆运动，最终实现动平台的六自由度运动。根据光栅尺读数头的信号反馈对直线电机进行位置控制，能够精确实现动平台的高机动、高精度六自由度运动。

为了简化结构、方便加工制作及装配，所述机座(1)为平板结构，动平台(9)位于机座(1)的正上方，该动平台(9)与机座(1)相平行。

为了尽可能地提高快速运动性能，左右两边导轨(2)与滑块(3)相配合的面为斜面，该斜面与机座(1)之间具有15-45°的夹角，并且左右两边导轨(2)的斜面相对。

为保证机器人的整体刚度和精度，减小运动部件重量：滑板(3)采用钛合金加工制造，动平台(9)采用航空铝锻造加工，动平台为一整体结构，所述斜板(9a)的上端与动平台(9)的底部固连为一体，该斜板(9a)与动平台(9)的底面之间具有20-60°的夹角。

所述拉杆(7)由金属件(7a)和碳纤维复合管(7b)组成，金属件(7a)安装在碳纤维复合管(7b)两端的管内，这样拉杆具有刚度高、变形小等特点。

为了提高滑板的稳定性，所述滑板(3)通过四个按矩形分布的滑块(2a)与导轨(2)滑动配合。

本发明的有益效果是：

1)采用6-PSS台体机构，上球铰坐标不在同一平面内，下球铰坐标也不在同一平面内，导轨可以为无限长度，具有大工作空间，提高了实用性。

2)采用碳纤维复合管、钛合金、航空铝等材料，减轻了整体质量，提高机动性。

3)直线电机直接驱动，取消了齿轮箱、丝杆螺母等机械传动；选用高速高精度球铰、导轨，提高了精度、速度及机动性。

4)两组导轨结构，简化了机构组成，提高了精度、实用性及可靠性。三滑板共用一组直线电机初级，三个光栅尺读数头共用一光栅尺，滑板的运动行程得到重复循环有效利用，增大了滑板的运动范围和机器人的工作空间。

5)并联机器人具有速度高，精度高，刚度高，量程大，适应能力强等特点，能够灵活实现动平台的六自由度运动。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图。

图2为本发明的局部放大示意图。

图3为本发明拉杆结构示意图。

图4为本发明动平台结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1、图2所示，机座1为矩形平板结构，在机座1上固定有两组左右平行的导轨2。在每组导轨2的前部、中部及后部各安装一个滑板3，滑板3通过四个按矩形分布的滑块2a与导轨2滑动配合，该滑板3能在对应的导轨2上滑动，左右两边导轨2上的滑板3对称布置，并且左右两边导轨1与滑板2相配合的面为斜面，该斜面与机座1之间具有15-45°的夹角，左右两边导轨1的斜面相对。每组导轨2的旁边设有一根光栅尺10，所述光栅尺10固定在机座1上，左边光栅尺10位于左边导轨2的右侧，右边光栅尺10位于右边导轨2的左侧，各光栅尺10与对应的导轨2相平行并紧挨在一起。

如图1所示，在左边三个滑板3的左侧中部安装有拖链5，该拖链5的运动端和对应的滑板3相固定，拖链5的固定端与基座1固定连接。在右边三个滑板3的右侧中部也安装有拖链5，该拖链5的运动端和对应的滑板3固定，拖链5的固定端与基座1固定连接。在左边三个滑板3的右侧边中部均安装有光栅尺读数头11，该光栅尺读数头11位于左边光栅尺10的上方，且该光栅尺读数头11与左边光栅尺10之间具有间隙。在右边三个滑板2的左侧边中部也安装有光栅尺读数头11，该光栅尺读数头11位于右边光栅尺10的上方，且该光栅尺读数头11与右边光栅尺10之间具有间隙。在每个滑板3上均安装有下球绞座6a，每个下球绞座6a对应一个下球铰6，下球铰6安装在下球铰座6a上，左右两边的下球铰6对称分布，左右两边的光栅尺读数头11也对称分布。下球铰6的球铰坐标不在同一个平面上。

如图1、图2所示，每个滑板3的正下方安装有直线电机4，该直线电机4由初级4a和次级4b组成，直线电机4的初级4a安装在滑板3上，直线电机4的次级固定安装在基座1上，位置在对应的导轨2之间，初级4a和次级4b之间留有间隙。

如图1、图4所示，在机座1的上方设有动平台9，本实施例中，动平台9位于机座1的正上方，该动平台9与机座1相平行。所述为台体结构，可以是棱台、圆台或者其它适合的造型。动平台的底面为矩形，在动平台9底部的四个角处均装有上球铰8，所述动平台9的后侧设有一斜板9a，该斜板9a的上端与动平台9的底部固连为一体，斜板9a与动平台9的底面之间具有20-60°的夹角。在所述斜板9a上也安装有两个左右对称的上球铰8，所述动平台9底部前端角落处的两个上球铰9分别通过两根拉杆7与左右两边导轨前部滑板3上的下球铰6连接，动平台9底部后端角落处的两个上球铰8分别通过两根拉杆7与左右两边导轨后部滑板3上的下球铰6连接，动平台斜板9a上的两个上球铰8分别通过两根拉杆7与左右两边导轨中部滑板3上的下球铰6连接。

如图1、图3所示，拉杆7由金属件7a和碳纤维复合管7b组成，金属件7a安装在碳纤维复合管7b两端的管内。碳纤维复合管7b上端的金属件7a与上球铰8连接，碳纤维复合管7b下端的金属件7a与下球铰6连接。动平台9上的上球铰8坐标不在同一平面上。拉杆7两端的上球铰8和下球铰6表示为S，滑板3和导轨2之间是移动副P，并联机器人共有6个运动支链，故并联机器人也被称为6-PSS并联机构。

本发明中，根据动平台六自由度运动要求，利用并联机器人运动学逆解得到六个直线电机4的运动规律。直线电机4为机器人的驱动设备，带动6个滑板3运动，拖链5能够为控制直线电机4提供电缆支撑作用；滑板3运动带动拉杆7运动，最终实现动平台9的六自由度运动。根据光栅尺读数头11的信号反馈对直线电机4进行位置控制，能够精确实现动平台9的高机动、高精度六自由度运动。

运动学逆解

在动平台上建立惯性坐标系O₁-X₁Y₁Z₁，在机座上建立固定坐标系O-XYZ。已知动平台的运动规律，根据并联机构的已知结构参数，上球铰在惯性坐标系中的坐标位置，下球铰(也是滑板位置)在固定坐标系中位置坐标在YZ方向的分量都可直接求出。根据被测运动物体的运动，计算得到滑板X方向位移就是运动学逆解。

上球铰在惯性坐标系中坐标为：

U_i1：(U_ix1，U_iy1，U_iz1)

下球铰在固定坐标系中坐标为：

D_i：(D_ix0，D_iy0，D_iz0)

上球铰在固定坐标系中坐标(U_ix，U_iy，U_iz)从惯性坐标系到固定坐标系转化：

$\left[\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\\ z_0\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}R& P\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ y_1\\ z_1\\ 1\end{array}\right]$

式中，P＝(x，y，z)^T表示惯性坐标系在固定坐标系中的位置向量，R为惯性坐标系到固定坐标系的方向余弦矩阵：

$R=\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{c\βc\α}& -\mathrm{s\βc\γ}+\mathrm{c\βs\αs\γ}& \mathrm{s\βs\γ}+\mathrm{c\βs\αc\γ}\\ \mathrm{s\βc\α}& \mathrm{c\βc\γ}+\mathrm{s\βs\αs\γ}& -\mathrm{c\βs\γ}+\mathrm{s\βs\αc\γ}\\ -\mathrm{s\α}& \mathrm{c\αs\γ}& \mathrm{c\αc\γ}\end{array}\right]$

其中cβ＝cosβ，sβ＝sinβ，依次类推。上球铰和下球铰在固定坐标系中的位置坐标全部可以求得。根据拉杆长度计算公式：

$l_i^2={(D_{\mathrm{ix}0}-U_{\mathrm{ix}0})}^2+{(D_{\mathrm{iy}0}-U_{\mathrm{iy}0})}^2+{(D_{\mathrm{iz}0}-U_{\mathrm{iz}0})}^2,(i=1~6)$

可以推导出滑板位移方程：

$D_{\mathrm{ix}0}=U_{\mathrm{ix}0}\±\sqrt{l_i^2-{(D_{\mathrm{iy}0}-U_{\mathrm{iy}0})}^2-{(D_{\mathrm{iz}0}-U_{\mathrm{iz}0})}^2},(i=1~6)$

式中根据滑板的运动特点取“+”或“-”。

由动平台所需运动规律，利用运动学逆解，可得到所需滑板的运动规律。控制直线电机按计算的运动规律运动，就可实现动平台的所需六自由度运动。

Claims (6)

1.一种六自由度高机动高精度实用并联机器人，其特征在于：在机座(1)上固定有两组左右平行的导轨(2)，每组导轨(2)的旁边设有一根光栅尺(10)，所述光栅尺(10)固定在机座(1)上，各光栅尺(10)与对应的导轨(2)平行；在每组导轨(2)的前部、中部及后部各安装一个滑板(3)，该滑板(3)能在对应的导轨(2)上滑动，左右两边导轨(2)上的滑板(3)对称布置，每个滑板(3)的正下方安设置有直线电机(4)，该直线电机(4)的初级(4a)与滑板(3)相固定，直线电机(4)的次级(4b)固定在机座(1)上，所述每个滑板(3)的旁边均设有拖链(5)，该拖链(5)的运动端与滑板(3)连接，拖链(5)的固定端与机座(1)连接，在每个滑板(3)上均安装有下球铰座(6a)和光栅尺读数头(11)，下球铰(6)安装在下球铰座(6a)上，同一边的滑板(3)上的光栅尺读数头(11)位于对应的光栅尺(10)的上方，光栅尺读数头(11)与对应的光栅尺(10)之间具有间隙；在所述机座(1)的上方设有动平台(9)，该动平台(9)为台体结构，动平台的底面为矩形，在动平台(9)底部的四个角处均装有上球铰(8)，所述动平台(9)的后侧设有一斜板(9a)，该斜板(9a)上也安装有两个左右对称的上球铰(8)，所述动平台(9)底部前端角落处的两个上球铰(9)分别通过拉杆(7)与左右两边导轨前部滑板(3)上的下球铰(6)连接，动平台(9)底部后端角落处的两个上球铰(8)分别通过拉杆(7)与左右两边导轨后部滑板(3)上的下球铰(6)连接，动平台斜板(9a)上的两个上球铰(8)分别通过拉杆(7)与左右两边导轨中部滑板(3)上的下球铰(6)连接。

2.根据权利要求1所述的六自由度高机动高精度实用并联机器人，其特征在于：所述机座(1)为平板结构，动平台(9)位于机座(1)的正上方，该动平台(9)与机座(1)相平行。

3.根据权利要求2所述的六自由度高机动高精度实用并联机器人，其特征在于：左右两边导轨(2)与滑块(3)相配合的面为斜面，该斜面与机座(1)之间具有15-45°的夹角，并且左右两边导轨(2)的斜面相对。

4.根据权利要求1或2或3所述的六自由度高机动高精度实用并联机器人，其特征在于：所述斜板(9a)的上端与动平台(9)的底部固连为一体，该斜板(9a)与动平台(9)的底面之间具有20-60°的夹角。

5.根据权利要求1所述的六自由度高机动高精度实用并联机器人，其特征在于：所述拉杆(7)由金属件(7a)和碳纤维复合管(7b)组成，金属件(7a)安装在碳纤维复合管(7b)两端的管内。

6.根据权利要求1所述的六自由度高机动高精度实用并联机器人，其特征在于：所述滑板(3)通过四个按矩形分布的滑块(2a)与导轨(2)滑动配合。

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