CN111300380B - 一种基于冗余驱动的六自由度并联机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于冗余驱动的六自由度并联机器人，包括固定框架、活动平台、中央支链、四条随动支链；中央支链包括中央连杆、三个移动副、球副，中央支链通过该三个移动副与固定框架连接，中央支链通过该球副与活动平台间连接；三个移动副具有三个不同的驱动单元，以驱动三个移动副进行X、Y、Z三轴移动；随动支链包括随动连杆、移动副与虎克铰、球副，随动支链通过该移动副与固定框架连接，随动支链通过该球副与活动平台之间连接；其四条随动支链中的四个移动副具有四个不同的驱动单元，以驱动四个移动副在Z轴方向移动。本发明具有优良的刚性和动力学性能，有效规避关节角度的限制，增加工作空间的大小，并克服运动奇异性。

Description

一种基于冗余驱动的六自由度并联机器人

技术领域

本发明属于工业机器人技术领域，具体涉及一种基于冗余驱动的六自由度并联机器人。

背景技术

在制造业中，大多数五面加工操作需要五个自由度，即三个平移和两个旋转(3T2R)。并联机器人(PMs)具有比串联机器人更低的惯量、更高的刚度、更高的精度等优点，并联机器人(PMs)在五面加工领域也有很好的应用前景，尤其适用于高硬度材料的制造，在制造业中得到了广泛的应用。

并联机构存在有多闭环，其工作空间相对较小，工作空间内奇异多，倾角能力较小，现有的五自由度并联机构不适合复杂的表面加工应用。

例如申请人的在先中国专利申请（200910110141.8）公开的一种大倾角六自由度并联机器人，它涉及一种可实现大角度倾转能力的六自由度并联机器人。该并联机器人机构包含基座、动平台、以及连接于动平台与基座之间的5 个6 自由度运动支链组成。其特征在于：连接于动平台与基座的5 个支链中有4 个分布在动平台的周边并与基座连接，称之为周边支链，周边支链只有一个关节为驱动关节，第5 个支链置于动平台中间并与基座连接，称之为中央支链，中央支链由两个移动副和两个虎克铰组成，两个移动副为驱动关节，中央支链的作用是通过控制其驱动输入，使得中央支链能够推动机器人动平台实现大角度的倾转运动。其基于特殊的结构，采用双驱动的中央分支有无穷多个运动学逆解，在末端执行器的每一种位形中，中央支链可以自适应调整到最佳的灵巧性，但是在工作空间内存在较多的奇异点位置，导致其虽然理论倾角较大（其理论情况下可以达到约正负90°的倾转能力），但是各个奇异点的存在，导致其运动学行列式值为零，此时其机构速度反解不存在，存在某些不可控的自由度，可操控性差；另外当机构处于奇异位形附近时，关节驱动力将趋于无穷大从而造成并联机器人的损坏，机构稳定性有待提高。

近年来，并联机床的加工制造能力得到了飞速的发展，例如其工作空间的大小、倾转能力和系统的刚度等也都有了一定程度的改善。其主要方式有采用混联结构的，在并联机构的动平台上增加串联结构，这种机构可以实现非常大的转动范围，适用于五面加工（倾转角达到±90°）。也有采用混合协同运动结构的，利用两个独立机械手的相对运动来完成一个给定的运动任务，也比较适合可重构的机床应用。这种结构带来的优势是：可以快速更换独立的机械手，得到不同自由度或不同性能的协同运动结构。还存在冗余驱动的方案，冗余驱动为消除并联机构的奇异性提供了一种有效的方法，从而提高了并联机构的刚度和输出力等性能，在给定末端执行器位姿的情况下，冗余机器人可以有无穷多的关节构型。冗余机器人的额外自由度可以用来规避障碍物和运动奇异性，或者优化机器人的运动同时也可以优化各个电机输出的力矩大小。此外，如果存在关节限制，还可以使用冗余驱动增加工作空间的大小。

基于此，本申请提出了一种基于冗余驱动的六自由度并联机器人，以消除运动奇异性。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于冗余驱动的六自由度并联机器人，其具有优良的刚性和动力学性能，有效规避关节角度的限制，增加工作空间的大小，并且克服运动奇异性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于冗余驱动的六自由度并联机器人，包括固定框架、活动平台、连接在活动平台与固定框架之间的一条中央支链、连接在活动平台与固定框架之间的四条随动支链，四条随动支链环绕布置或相对布置在中央支链的外侧；

中央支链为六自由度支链，其包括中央连杆、位于该中央连杆一端的三个移动副、位于该中央连杆另一端的球副，中央连杆的一端通过该三个移动副与固定框架之间连接，中央连杆的另一端通过该球副与活动平台之间连接；其中，三个移动副具有三个不同的驱动单元，三个不同的驱动单元驱动三个移动副进行X、Y、Z 三轴移动；

随动支链为六自由度支链，其包括随动连杆、位于该随动连杆一端的一个移动副与一个虎克铰、位于该随动连杆另一端的球副，随动连杆的一端通过该虎克铰与设置在固定框架上的该移动副之间连接，随动连杆的另一端通过该球副与活动平台之间连接；其中，四条随动支链中的四个移动副具有四个不同的驱动单元，四个不同的驱动单元分别驱动四个移动副在Z 轴方向移动。在本发明的上述技术方案中，中央支链设置了三个移动副，分别控制中央连杆进行沿X、Y、Z 三轴的移动，具体为空间内的三维运动，其为运动的驱动输入端，中央支链中三个移动副的推进力方向垂直于倾转轴线，四个随动支链对活动平台本身不起约束作用，在中央支链的作用下，使得活动平台有良好的受力作用，可以实现较大的倾转能力。

相较于现有技术（200910110141.8）中的双驱动方式，本发明的主要创新之处在于中央支链的改进，其一是在中央连杆的另一端通过球副与活动平台进行连接，增大了可转动的空间，避免了虎克铰关节角度的限制；其二是在中央连杆的一端设置了三个主动的移动副，一方面可以达到自适应调整倾转角的目的，更好的发挥其大倾角的优势，另一方面实现冗余驱动，通过三个主动移动副的运动，实现跨越并联结构的奇异点，从而提高了并联机构的刚度和输出力等性能。

此外，上述现有技术中在竖向方向倾转受限制较为明显，其通过中央支链中的连杆发生倾斜，以提供动平台在竖向范围内的活动，所提供的竖向活动范围较小。

此外，上述现有技术中为了避免奇异，需要将底座设计为例如梯形，其对向的两边不能同时互相平行，这么设置的原因在于，初始装配形态下，如果采用例如矩形的方式，四个周边分支的延长线会交汇于一点，而且四个周边分支关于该交点中心对称，此时，该机构处于奇异位置，即初始装配状态下，即为奇异点位置，导致其运动学行列式值为零，此时其机构速度反解不存在，存在不可控的自由度，难以直接执行后续的操作，造成操作性差的缺陷；

上述现有技术中，为了避免该缺陷，因此，需要将底座的对向的两组对边设置为不能同时互相平行，例如其附图中采用的梯形，以使得初始装配形态下不处于奇异点位置。

然而，四个周边分支分布在梯形的四个顶点上，这样会造成整体的结构不对称，进而引起工作空间的不对称，机器人的常用的工作空间形状为长方体或圆柱体。由于工作空间的不对称，最后可以让实际机器人的运动范围减小，本申请中采用中央支链为冗余驱动的优势之一在于，可以将底座设计为长方形，整体结构更对称，可以让机器人末端运动的范围更大。

此外，现有技术中的中央支链有两个虎克铰，当初始装配时，动平台处于水平姿态，此时，要求两个虎克铰转动轴线所在平面之间必须互相平行，这对加工和装配都提出了更高的要求。本申请中的中央支链采用移动副和球副，不会有上述问题，更方便装配与加工的过程。

具体的，本发明中采用冗余驱动规避关节角度的限制，三个主动的移动副，实现跨越并联结构的奇异点，使得中央支链存在确定的运动学逆解，具有操控性强、稳定性好的优点。

根据本发明的另一种具体实施方式，固定框架设有四个竖向的支撑柱，随动支链通过移动副滑动连接在支撑柱上。

根据本发明的另一种具体实施方式，四个支撑柱分布于矩形的四个角部。

根据本发明的另一种具体实施方式，中央支链中的三个移动副具有的三个驱动单元和随动支链中的四个移动副具有的四个驱动单元均包括安装座、驱动电机、丝杆、提供移动副的滑块，安装座上设有直线槽，丝杆位于直线槽内，驱动电机位于安装座上，并与丝杆之间驱动连接，滑块位于直线槽内，并与丝杆之间驱动连接。

根据本发明的另一种具体实施方式，中央支链中的中央连杆始终处于竖直形态。

本发明具备以下有益效果：

本发明的六自由度并联机器人基于冗余驱动进行设计，通过控制中央支链中三个主动的移动副分别沿X、Y、Z 三轴方向的推进，使得活动平台有良好的受力作用，从而与四个随动支链共同作用实现具有较大的倾转能力，并且中央支链具有确定的运动学逆解，消除其奇异性，从而提高了并联机构的刚度和输出力等性能。

此外，本发明中的随动支链中采用球副与活动平台之间进行连接，提高其运动过程的平稳性能，便于提高整体的精度。

此外，本发明中提供各个移动副的滑块均处于直线槽中，运动过程更加平稳，流畅度更高。

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明六自由度并联机器人的结构示意图；

图2是本发明六自由度并联机器人的俯视示意图；

图3是本发明其中一个驱动单元的结构示意图；

图4是本发明六自由度并联机器人一种倾角姿态的结构示意图；

图5是本发明六自由度并联机器人另一种倾角姿态的结构示意图；

图6是本发明六自由度并联机器人又一种倾角姿态的结构示意图；

图7是本发明六自由度并联机器人还一种倾角姿态的结构示意图。

具体实施方式

一种基于冗余驱动的六自由度并联机器人，参见图1、图2，包括固定框架10、活动平台20、一条中央支链30、随动支链40与驱动单元50，其中，中央支链30连接在活动平台20与固定框架10之间，四条随动支链40连接在活动平台20与固定框架10之间，并且四条随动支链40与固定框架10相连的端部分布在矩形的四个角部。

中央支链30为六自由度支链，包括中央连杆31、位于该中央连杆31一端的三个移动副32、位于该中央连杆31另一端的球副33，中央支链30通过该三个移动副32与固定框架10之间连接，中央支链30通过该球副33与活动平台20之间连接。

三个移动副32分别为X 轴移动副32a、Y 轴移动副32b、Z 轴移动副32c，通过三个不同的驱动单元50，分别驱动中央连杆31进行X、Y、Z 三轴移动。

随动支链40均为四条相同的六自由度支链，分别为第一随动支链、第二随动支链、第三随动支链、第四随动支链。参见图1，依次连接的移动副41a、虎克铰41b、随动连杆41c、球副41d形成第一随动支链41，依次连接的移动副42a、虎克铰42b、随动连杆42c、球副42d形成第二随动支链42，依次连接的移动副43a、虎克铰43b、随动连杆43c、球副43d形成第三随动支链43，依次连接的移动副44a、虎克铰44b、随动连杆44c、球副44d形成第四随动支链44。

其中，固定框架10设有四个竖向的支撑柱11，四条随动支链40中的四个移动副均为Z 轴移动副41a、42a、43a、44a，通过四个不同的驱动单元50，分别驱动四条随动支链40沿着Z 轴方向移动。驱动单元50的结构如图3所示，包括安装座51、驱动电机52、丝杆53、提供移动副的滑块54，安装座51上设有直线槽55，丝杆53位于直线槽55内，驱动电机52位于安装座51上，并丝杆53之间驱动连接，滑块54位于直线槽55内，并与丝杆53之间驱动连接。

相应的，为了稳定Y 轴移动副32b的移动过程，还设置了平衡用的滑轨13。

本发明中，X 轴移动副32a、Y 轴移动副32b、Z 轴移动副32c的移动为主动的推进过程，与其一一对应的驱动单元50为驱动输入端，在中央连杆31进行X、Y、Z 三轴移动的移动过程中，其始终处于竖直形态，并且X 轴移动副32a、Y 轴移动副32b、Z 轴移动副32c的推进方向垂直于活动平台20的倾转轴线，使得活动平台20有良好的受力作用，以实现较大的倾转能力。

进一步的，冗余驱动能够规避关节角度的限制，设置的三个主动的X 轴移动副32a、Y 轴移动副32b、Z 轴移动副32c，可以实现跨越并联结构的奇异点，使得中央支链30存在确定的运动学逆解。

参见图4-7，其显示了不同位置姿态的活动平台，彰显了本发明六自由度并联机器人较大的倾转能力。

虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。

Claims (5)

1.一种基于冗余驱动的六自由度并联机器人，其特征在于，包括固定框架、活动平台、连接在所述活动平台与所述固定框架之间的一条中央支链、连接在所述活动平台与所述固定框架之间的四条随动支链，四条所述随动支链环绕布置或相对布置在所述中央支链的外侧；

所述中央支链为六自由度支链，其包括中央连杆、位于该中央连杆一端的三个移动副、位于该中央连杆另一端的球副，所述中央连杆的一端通过该三个移动副与所述固定框架之间连接，所述中央连杆的另一端通过该球副与所述活动平台之间连接；

其中，三个移动副具有三个不同的驱动单元，三个不同的驱动单元驱动三个移动副进行X、Y、Z三轴移动；

所述随动支链为六自由度支链，其包括随动连杆、位于该随动连杆一端的一个移动副与一个虎克铰、位于该随动连杆另一端的球副，所述随动连杆的一端通过该虎克铰与设置在所述固定框架上的该移动副之间连接，所述随动连杆的另一端通过该球副与所述活动平台之间连接；

其中，四条所述随动支链中的四个移动副具有四个不同的驱动单元，四个不同的驱动单元分别驱动四个移动副在Z 轴方向移动。

2.如权利要求1所述的基于冗余驱动的六自由度并联机器人，其特征在于，所述固定框架设有四个竖向的支撑柱，所述随动支链通过移动副滑动连接在所述支撑柱上。

3.如权利要求2所述的基于冗余驱动的六自由度并联机器人，其特征在于，四个所述支撑柱分布于呈矩形的所述固定框架的四个角部。

4.如权利要求1所述的基于冗余驱动的六自由度并联机器人，其特征在于，所述中央支链中的三个移动副具有的三个驱动单元和所述随动支链中的四个移动副具有的四个驱动单元均包括：安装座、驱动电机、丝杆、提供移动副的滑块，所述安装座上设有直线槽，所述丝杆位于所述直线槽内，所述驱动电机位于所述安装座上，并与所述丝杆之间驱动连接，所述滑块位于所述直线槽内，并与所述丝杆之间驱动连接。

5.如权利要求1所述的基于冗余驱动的六自由度并联机器人，其特征在于，所述中央支链中的中央连杆始终处于竖直形态。

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