CN114932535B - 一种六自由度并联机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种六自由度并联机器人，涉及机器人技术领域，所述六自由度并联机器人包括动平台、静平台及至少一条支链，各支链设于动平台与静平台之间，支链包括由静平台到动平台方向依次连接的第一圆柱副、第二圆柱副及第三圆柱副，同一支链的第一圆柱副的轴线、第二圆柱副的轴线和第三圆柱副的轴线依次正交。本发明的六自由度并联机器人，每条支链均有三个圆柱副，可实现六个自由度的运动，大大增加支链的运动范围；而且支链上的各圆柱副轴线彼此相互垂直，解算机构模型更为简单，动平台的位置解算更为准确。

Description

一种六自由度并联机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体而言，涉及一种六自由度并联机器人。

背景技术

传统的六自由度并联机器人，一般在动静平台之间设置六条由直线运动副构成的支链，动平台的六维空间运动由六个直线运动副的共同运动决定，单条支链只有一个直线运动副，支链运动范围受限；各直线运动副呈任意方向设置，六自由度并联机器人运动学模型复杂，动平台通常无法得到准确唯一的运动学正解。

发明内容

本发明旨在提出一种六自由度并联机器人，以解决现有六自由度并联机器人的单链运动范围受限，以及动平台位置解算不准确的技术问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样的：

一种六自由度并联机器人，包括动平台、静平台及至少一条支链，各所述支链设于所述动平台与所述静平台之间，所述支链包括由所述静平台到所述动平台方向依次连接的第一圆柱副、第二圆柱副及第三圆柱副，同一所述支链的所述第一圆柱副的轴线、所述第二圆柱副的轴线和所述第三圆柱副的轴线依次正交。

本发明所述的六自由度并联机器人，每条支链均有三个圆柱副，由于每个圆柱副包括一个直线运动副和一个转动副，使得每条支链可单独实现六个自由度的运动，大大增加支链的运动范围，可通过驱动支链上的圆柱副中的直线运动副和/或转动副实现六自由度，机器人构成六自由度的方式相较于传统六自由度并联机器人大大增加；而且支链上的第一圆柱副、第二圆柱副及第三圆柱副的轴线两两相互垂直，分别沿X轴、Y轴、Z轴所示方向设置，每条支链可以带动动平台实现沿X轴、Y轴、Z轴方向的平动，以及绕X轴、Y轴及Z轴方向的转动，解算机构模型更为简单，动平台的位置解算更为准确。

可选地，各所述支链的所述第一圆柱副的轴线相互平行或重合，各所述支链的所述第三圆柱副的轴线相互平行；

或者，各所述支链的所述第一圆柱副的轴线相交或交叉，各所述支链的所述第三圆柱副的轴线相交或交叉设置。

可选地，各所述支链的所述第二圆柱副的轴线相互平行。

可选地，所述支链至少设有三条，每条所述支链的所述第一圆柱副、所述第二圆柱副及所述第三圆柱副中的两个副为主动副。

可选地，所述主动副为相应圆柱副中的直线运动副。

可选地，所述主动副适于通过直线电机驱动。

可选地，所述支链设有三条，分别为第一支链、第二支链及第三支链，所述第一支链的所述第二圆柱副及所述第三圆柱副为主动副，所述第二支链的所述第二圆柱副及所述第三圆柱副为主动副，所述第三支链的所述第一圆柱副及所述第二圆柱副为主动副。

可选地，三条所述支链中的其中两条所述支链的第一圆柱副的轴线重合；

或者，三条所述支链的所述第一圆柱副的轴线依次相交，三条所述支链的所述第三圆柱副的轴线相交于一点；

或者，三条所述支链的所述第一圆柱副的轴线两两交叉，三条所述支链的所述第三圆柱副的轴线相交或交叉设置。

可选地，所述支链设有四条，其中两条所述支链的第一圆柱副的轴线重合，另两条所述支链的第三圆柱副的轴线重合；

或者，四条所述支链的第一圆柱副的轴线依次相交，四条所述支链的所述第三圆柱副的轴线相交于一点。

可选地，所述第一圆柱副包括第一圆柱杆和第一滑套，所述第二圆柱副为伸缩旋转杆，所述第三圆柱副包括第三圆柱杆和第三滑套，所述伸缩旋转杆的两端分别与所述第一滑套和所述第三滑套连接，所述第一圆柱杆穿过所述第一滑套并与所述静平台连接，所述第三圆柱杆穿过所述第三滑套并与所述动平台连接。

附图说明

图1为本发明实施例的六自由度并联机器人的第一种结构示意图；

图2为本发明实施例的支链的结构示意图；

图3为本发明实施例的六自由度并联机器人的第二种结构示意图；

图4为本发明实施例的六自由度并联机器人的第三种结构示意图；

图5为本发明实施例的六自由度并联机器人的第四种结构示意图；

图6为本发明实施例的六自由度并联机器人的第五种结构示意图；

图7为本发明实施例的六自由度并联机器人的第六种结构示意图；

图8为本发明实施例的六自由度并联机器人的第七种结构示意图；

图9为本发明实施例的六自由度并联机器人的第八种结构示意图；

图10为本发明实施例的六自由度并联机器人的第九种结构示意图。

附图标记说明：

1、静平台；2、动平台；3、支链；31、第一圆柱副；311、第一圆柱杆；312、第一滑套；32、第二圆柱副；33、第三圆柱副；331、第三圆柱杆；332、第三滑套。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“配合”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，还需要说明的是，在本发明的描述中，应当说明的是，各实施例中的术语名词例如“上”、“下”、“前”、“后”等指示方位的词语，只是为了简化描述基于说明书附图的位置关系，并不代表所指的元件和装置等必须按照说明书中特定的方位和限定的操作及方法、构造进行操作，该类方位名词不构成对本发明的限制。

本文中设置有坐标系XYZ，其中，X轴的正向代表左方，X轴的反向代表右方，Y轴的正向代表前方向，Y轴的反向代表后方向，Z轴的正向代表上方，Z轴的反向代表下方。

如图1、3-10所示，本发明实施例的一种六自由度并联机器人，包括动平台2、静平台1及至少一条支链3，各所述支链3设于所述动平台2与所述静平台1之间，所述支链3包括由所述静平台1到所述动平台2方向依次连接的第一圆柱副31、第二圆柱副32及第三圆柱副33，同一所述支链3的所述第一圆柱副31的轴线、所述第二圆柱副32的轴线和所述第三圆柱副33的轴线依次正交。

在本实施例中，所述动平台2和所述静平台1的结构不限于图中所示的结构形式。要实现动平台2相对静平台1的六维运动，一般需要设置六个驱动机构，所述静平台1可作为驱动机构的固定平台，保持各驱动机构之间位置的相对固定，每个所述驱动机构驱动对应的支链3上的圆柱副运动，六个驱动机构协同动作，实现动平台2的六维运动。

圆柱副包括一个转动副和一个直线运动副，圆柱副可实现绕其自身轴线的转动以及沿轴线方向的平动。

每条所述支链3均包括依次连接的第一圆柱副31、第二圆柱副32及第三圆柱副33，使得每条支链3具有三个方向的转动和三个方向的平动，也即每条支链可实现六维运动，相较于传统的仅有一个直线运动副构成的支链而言，支链3的运动自由度极大提高；通过各支链以构成六个自由度的组合方式大大增加，比如设有三个支链，共有9个圆柱副，只需要对其中的部分圆柱副进行驱动，产生六维运动即可，组合形式更加多样。而现有的都是设置六个支链，每个支链包括一个直线运动副，产生六维运动的形式单一、固定，而且支链运动受限。

记第一圆柱副的轴线为L1，第二圆柱副的轴线为L2、第三圆柱副的轴线为L3，由于每一支链3中的L1、L2及L3两两垂直，分别记第一圆柱副31的轴线方向为X轴所示方向、第二圆柱副32的轴线方向为Z轴所示方向、第三圆柱副33的轴线方向为Y轴所示方向，则每条支链3可单独实现沿X轴、Y轴、Z轴方向的平动及绕X轴、Y轴、Z轴方向的转动，运动学解算构型更为简单，更易解算。

可选地，如图1、8所示，各所述支链3的所述第一圆柱副31的轴线相互平行或重合，各所述支链3的所述第三圆柱副33的轴线相互平行；

或者，如图3-5、9-10所示，各所述支链3的所述第一圆柱副31的轴线相交或交叉，各所述支链3的所述第三圆柱副33的轴线相交或交叉设置；

或者，如图6-7所示，三条所述支链的所述第一圆柱副的轴线两两交叉，三条所述支链的所述第三圆柱副的轴线相交或交叉设置。

在本实施例中，如图1、8所示，各支链3的第一圆柱副31与第三圆柱副33的分别平行，能够实现各支链3首尾线性运动的相对平行，减小支链间的耦合度，运动范围更大。

如图3-7、9-10所示，各支链3的首尾圆柱副的轴线分别相交或交叉，相较于首尾圆柱副轴线平行的情况而言，增加了支链之间的相对约束，使得各支链之间具有良好的协调性，整体的匀称性更好，提高六自由度并联机器人的可靠性、平稳性。

如图3、9所示，各支链3的第三圆柱副33的轴线平面相交于一点，第二圆柱副32的轴线相互平行，当机构整体受到XY平面的作用力时，其稳定性差；而在如图4-7、10所示的方案中，各支链的第三圆柱副33的轴线空间相交或交叉，第二圆柱副32的轴线不平行，此种结构设置，能够增加机构整体对各向受力的稳定性。

可选地，如图1、3、8、9所示，各所述支链3的所述第二圆柱副32的轴线相互平行。

在本实施例中，通过平行设置的第二圆柱副32，能够减小各支链之间的耦合度，充分发挥单个支链的运动能力，提高动平台2的运动范围。

可选地，如图1、3-10所示，所述支链3至少设有三条，每条所述支链3的所述第一圆柱副31、所述第二圆柱副32及所述第三圆柱副33中的两个副为主动副。

在本实施例中，最少可通过一条支链实现动平台2的六维运动，这种情况下，就需要直线驱动机构和旋转驱动机构，分别对每个圆柱副的直线运动副和转动副进行驱动。

为了增加六自由度并联机器人构成六自由度的方式，可以设置多条支链，选取每条支链3的第一圆柱副31、第二圆柱副32、第三圆柱副33中的一个或两个，作为主动副进行驱动。

可选地，所述主动副为相应圆柱副中的直线运动副。

在本实施例中，出于对驱动方式的方便考虑，可以仅对圆柱副中的直线运动副进行驱动，此时则可通过设置两条、三条甚至更多条支链3，从所有支链3的第一圆柱副31、第二圆柱副32及第三圆柱副33中选取六个圆柱副，对六个圆柱副中的直线运动副进行驱动。

可选地，所述主动副适于通过直线电机驱动。

在本实施例中，通过驱动三条支链上的六个圆柱副的直线运动副实现动平台的六自由度运动，提高了机器人的定位精度，每个圆柱副既能实现转动又能实现直线运动，能承受更大的外界负载及刚度。当有四条、五条或更多条支链3并联在静平台1与动平台2之间时，部分支链3的运动自由度为冗余自由度，冗余驱动可提高机器人的运动安全性。

用直线电机驱动所述主动副，驱动方式简单；当然在其他的实施例中，也可采用滚珠丝杠传动、液压油缸等驱动方式，在这里不一一列举说明，主要为实现直线驱动形式。

可选地，如图1、3-7所示，所述支链3设有三条，分别为第一支链、第二支链及第三支链，所述第一支链的所述第二圆柱副32及所述第三圆柱副33为主动副，所述第二支链的所述第二圆柱副32及所述第三圆柱副33为主动副，所述第三支链的所述第一圆柱副31及所述第二圆柱副32为主动副。

在本实施例中，给出一种具体的六自由度构成方式，所述第一支链、第二支链均能单独实现沿Y轴、Z轴方向的直线运动，所述第三支链能单独实现沿X轴、Z轴方向的直线运动。由于第一支链、第二支链及第三支链之间的相互作用，分别控制各直线驱动机构驱动主动副的运动量，以实现绕X、Y、Z轴的转动以及沿X、Y、Z轴的直线运动。

例如，如图1所示，当第一支链、第二支链的第二圆柱副32均沿Z轴被驱动，第三条支链上的第一圆柱副、第二圆柱副的不动，则此时可实现带动动平台2绕第三支链的第一圆柱副的轴线、第三圆柱副的轴线转动，运动空间范围大；当第一支链、第二支链上的两个主动副不动，第三支链上的第一圆柱副沿X轴被驱动，则可实现带动所述动平台2沿X轴进行直线运动；当三条支链的第二圆柱副均沿Z轴被驱动，则动平台2可沿Z轴直线运动。

可选地，三条所述支链3中的其中两条所述支链3的第一圆柱副31的轴线重合；

或者，三条所述支链3的所述第一圆柱副31的轴线依次相交，三条所述支链3的所述第三圆柱副33的轴线相交于一点。

在本实施例中，如图1所示，给出三支链并联的六自由度并联机器人的一种具体结构，当三条支链3的第一圆柱副31、第二圆柱副32、第三圆柱副33分别平行时，可最大程度较小三条支链之间的耦合程度，单个支链3的运动能力能够得到更大发挥，提高动平台2的运动空间范围。

如图3所示，给出三支链并联的六自由度并联机器人的又一种结构，各支链3的第一圆柱副31、第三圆柱副33的轴线分别交叉于同一平面，各支链3之间的耦合度极大提高，提高支链之间的相互协调性，机构对称性更好，机器人整体的运动稳定性，但是此种结构下，会减小支链的运动范围。

如图4-6所示，三支链的第三圆柱副33的轴线在空间相交，如图7所示，三支链3的第三圆柱副33轴线在空间交叉设置。

可选地，如图9-10所示，所述支链3设有四条，其中两条所述支链3的第一圆柱副31的轴线重合，另两条所述支链3的第三圆柱副33的轴线重合；

或者，四条所述支链3的第一圆柱副31的轴线依次相交，四条所述支链3的所述第三圆柱副33的轴线相交于一点。

在本实施例中，四支链并联的六自由度并联机器人的运动分析与上述三支链并联时的情况类似，在此不再重复说明。在四支链的情况下会有两个方向的冗余驱动，机构的运行稳定性更有保证。

可选地，如图2所示，所述第一圆柱副31包括第一圆柱杆311和第一滑套312，所述第二圆柱副32为伸缩旋转杆，所述第三圆柱副33包括第三圆柱杆331和第三滑套332，所述伸缩旋转杆的两端分别与所述第一滑套312和所述第三滑套332连接，所述第一圆柱杆311穿过所述第一滑套312并与所述静平台1连接，所述第三圆柱杆331穿过所述第三滑套332并与所述动平台2连接。

在本实施例中，所述第一圆柱杆311与所述第一滑套312的形状适配，所述第一圆柱杆311插入所述第一滑套312内，且可发生沿其自身轴线方向的移动以及绕其自身轴线方向的转动；所述第二圆柱副32可参考伸缩旋转杆的结构，包括相互套接的第一筒体和第二筒体，第二筒体可相对第一筒体沿Z轴所示方向移动，第二筒体可相对第一筒体绕Z轴所示方向转动；所述第三圆柱副33与所述第一圆柱副31的结构相同。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种六自由度并联机器人，其特征在于，包括动平台(2)、静平台(1)及至少三条支链(3)，各所述支链(3)设于所述动平台(2)与所述静平台(1)之间，所述支链(3)包括由所述静平台(1)到所述动平台(2)方向依次连接的第一圆柱副(31)、第二圆柱副(32)及第三圆柱副(33)，同一所述支链(3)的所述第一圆柱副(31)的轴线、所述第二圆柱副(32)的轴线和所述第三圆柱副(33)的轴线依次正交。

2.根据权利要求1所述的六自由度并联机器人，其特征在于，各所述支链(3)的所述第一圆柱副(31)的轴线相互平行或重合，各所述支链(3)的所述第三圆柱副(33)的轴线相互平行；

或者，各所述支链(3)的所述第一圆柱副(31)的轴线相交或交叉，各所述支链(3)的所述第三圆柱副(33)的轴线相交或交叉设置。

3.根据权利要求2所述的六自由度并联机器人，其特征在于，各所述支链(3)的所述第二圆柱副(32)的轴线相互平行。

4.根据权利要求2-3任一项所述的六自由度并联机器人，其特征在于，每条所述支链(3)的所述第一圆柱副(31)、所述第二圆柱副(32)及所述第三圆柱副(33)中的两个副为主动副。

5.根据权利要求4所述的六自由度并联机器人，其特征在于，所述主动副为相应圆柱副中的直线运动副。

6.根据权利要求4所述的六自由度并联机器人，其特征在于，所述主动副适于通过直线电机驱动。

7.根据权利要求4所述的六自由度并联机器人，其特征在于，所述支链(3)设有三条，分别为第一支链、第二支链及第三支链，所述第一支链的所述第二圆柱副(32)及所述第三圆柱副(33)为主动副，所述第二支链的所述第二圆柱副(32)及所述第三圆柱副(33)为主动副，所述第三支链的所述第一圆柱副(31)及所述第二圆柱副(32)为主动副。

8.根据权利要求7所述的六自由度并联机器人，其特征在于，三条所述支链(3)中的其中两条所述支链(3)的第一圆柱副(31)的轴线重合；

或者，三条所述支链(3)的所述第一圆柱副(31)的轴线依次相交，三条所述支链(3)的所述第三圆柱副(33)的轴线相交于一点；

或者，三条所述支链(3)的所述第一圆柱副(31)的轴线两两交叉，三条所述支链(3)的所述第三圆柱副(33)的轴线相交或交叉设置。

9.根据权利要求4所述的六自由度并联机器人，其特征在于，所述支链(3)设有四条，其中两条所述支链(3)的第一圆柱副(31)的轴线重合，另两条所述支链(3)的第三圆柱副(33)的轴线重合；

或者，四条所述支链(3)的第一圆柱副(31)的轴线依次相交，四条所述支链(3)的所述第三圆柱副(33)的轴线相交于一点。

10.根据权利要求1所述的六自由度并联机器人，其特征在于，所述第一圆柱副(31)包括第一圆柱杆(311)和第一滑套(312)，所述第二圆柱副(32)为伸缩旋转杆，所述第三圆柱副(33)包括第三圆柱杆(331)和第三滑套(332)，所述伸缩旋转杆的两端分别与所述第一滑套(312)和所述第三滑套(332)连接，所述第一圆柱杆(311)穿过所述第一滑套(312)并与所述静平台(1)连接，所述第三圆柱杆(331)穿过所述第三滑套(332)并与所述动平台(2)连接。