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混联型五自由度机械臂

基本信息

  • 申请号 CN202010593925.7 
  • 公开号 CN111469121A 
  • 申请日 2020/06/28 
  • 公开日 2020/07/31 
  • 申请人 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所  
  • 优先权日期  
  • 发明人 张举中 储雨奕 蔡黎明 杨洪波 王之森 张莹莹  
  • 主分类号 B25J9/00 
  • 申请人地址 215163 江苏省苏州市高新区科技城科灵路88号 
  • 分类号 B25J9/00;B25J18/00 
  • 专利代理机构 北京远大卓悦知识产权代理事务所(普通合伙) 11369 
  • 当前专利状态 发明专利申请公布 
  • 代理人 张川 
  • 有效性 审查中-实审 
  • 法律状态 审查中-实审
  •  

摘要

本发明公开了一种混联型五自由度机械臂,包括:相互串联的一个三自由度串联机构和一个二自由度并联机构。
根据二自由度并联机构所在的位置可包括两种方案:所述二自由度并联机构串联在所述三自由度串联机构的输出端,或者所述三自由度串联机构串联在所述二自由度并联机构的输出端。
本发明提出的混联型五自由度机械臂可实现五自由度的姿态调整,与纯并联机构相比,增大了工作空间,并且可以把驱动部件都固定安装在前置杆件(基部)上,可以大幅减轻后置机构(输出端部)的质量,降低前置驱动部件的功率,从而可以使整个机械臂结构更紧凑、更灵活;本发明可应用于多自由度机械臂中实现五自由度的姿态调整。
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权利要求书


1.一种混联型五自由度机械臂,其特征在于,包括:相互串联的一个三自由度串联机构和一个二自由度并联机构;所述三自由度串联机构包括第一连杆、通过第一旋转副与所述第一连杆连接的第二连杆、通过第二旋转副与所述第二连杆连接的第三连杆、通过第三旋转副与所述第三连杆连接的第四连杆以及用于对所述第一旋转副提供旋转力矩的第一驱动机构、用于对所述第二旋转副提供旋转力矩的第二驱动机构、用于对所述第三旋转副提供旋转力矩的第三驱动机构;第四连杆作为所述三自由度串联机构的输出端;所述二自由度并联机构包括第五连杆、通过第四旋转副与所述第五连杆连接的第六连杆、通过第五旋转副与所述第六连杆连接的第七连杆、第一球铰副、第一端与所述第一球铰副连接的第一球杆、连接于所述第一球杆的第二端和所述第七连杆之间的第一万向副、第二球铰副、第一端与所述第二球铰副连接的第二球杆、连接于所述第二球杆的第二端和所述第七连杆之间的第二万向副、用于对所述第一球铰副提供驱动力的第四驱动机构以及用于对所述第二球铰副提供驱动力的第五驱动机构;第七连杆作为所述二自由度并联机构的输出端;其中:所述二自由度并联机构串联在所述三自由度串联机构的输出端,从而将所述第七连杆作为该混联型五自由度机械臂的输出端,此时所述第五连杆省去,所述第四旋转副通过所述第四连杆与所述第三旋转副连接,或所述第四连杆省去,所述第四旋转副通过所述第五连杆与所述第三旋转副连接;或者,所述三自由度串联机构串联在所述二自由度并联机构的输出端,从而将所述第四连杆作为该混联型五自由度机械臂的输出端,此时所述第七连杆省去,所述第五旋转副通过所述第一连杆与所述第一旋转副连接,或所述第一连杆省去,所述第五旋转副通过所述第七连杆与所述第一旋转副连接。
2.根据权利要求1所述的混联型五自由度机械臂,其特征在于,所述第一旋转副、第二旋转副、第三旋转副的旋转轴线均单独与坐标系中的X轴、Y轴或Z轴平行,且3个旋转轴线不同时与X轴、Y轴或Z轴中的同一个平行。
3.根据权利要求2所述的混联型五自由度机械臂,其特征在于,通过所述第一驱动机构对所述第一旋转副提供旋转力矩、所述第二驱动机构对所述第二旋转副提供旋转力矩、所述第三驱动机构对所述第三旋转副提供旋转力矩、所述第四驱动机构对所述第一球铰副提供驱动力、所述第五驱动机构对所述第二球铰副提供驱动力,从而实现所述混联型五自由度机械臂的输出端在X轴、Y轴和Z轴方向位置的调整,以及在绕X轴、Y轴和Z轴中的2个的旋转角度的调整。
4.根据权利要求3所述的混联型五自由度机械臂,其特征在于,所述第一球杆两端的第一球铰副与第一万向副位置互换,和/或所述第二球杆两端的第二球铰副与第二万向副位置互换。
5.根据权利要求1所述的混联型五自由度机械臂,其特征在于,所述第一万向副和/或第二万向副均通过两个等效的旋转副替换。
6.根据权利要求3所述的混联型五自由度机械臂,其特征在于,所述第一万向副替换为球铰副,和/或所述第二万向副替换为球铰副。
7.根据权利要求3所述的混联型五自由度机械臂,其特征在于,所述第四旋转副与第五旋转副位置互换;所述第四旋转副与第五旋转副的旋转轴线相交时,所述第六连杆省去,所述第四旋转副与第五旋转副之间通过第三万向副连接。
8.根据权利要求7所述的混联型五自由度机械臂,其特征在于,所述第一驱动机构包括固接在所述第一连杆上的第一电机,所述第二连杆连接在所述第一电机的输出轴上;所述第二驱动机构包括固接在所述第二连杆上的第二电机,所述第三驱动机构包括固接在所述第二连杆上的第三电机;所述第三连杆的第一端与所述第二电机的输出轴驱动连接,所述第四连杆的第一端与所述第三连杆的第二端可转动连接,且所述第四连杆与所述第三电机的输出轴驱动连接;所述二自由度并联机构串联在所述三自由度串联机构的输出端,其中,所述第五连杆和第六连杆省去,所述第七连杆通过第三万向副连接在所述第四连杆的第二端,所述第三万向副为十字轴;所述第四驱动机构包括固接在所述第二连杆上的第四电机,所述第五驱动机构包括固接在所述第二连杆上的第五电机,所述第四电机的输出轴和第五电机的输出轴均与所述第七连杆驱动连接。
9.根据权利要求8所述的混联型五自由度机械臂,其特征在于,所述第四连杆的第二端的两侧分别可转动连接有第一曲柄和第二曲柄,所述第一球铰副与所述第一曲柄的末端连接,所述第二球铰副与所述第二曲柄的末端连接;所述第一球杆的第一端与所述第一球铰副连接,所述第一球杆的第二端通过第一万向节与所述第七连杆连接;所述第二球杆的第一端与所述第二球铰副连接,所述第二球杆的第二端通过第二万向节与所述第七连杆连接;所述第四电机的输出轴通过第一平行四连杆机构与所述第一曲柄的末端驱动连接,所述第五电机的输出轴通过第二平行四连杆机构与所述第二曲柄的末端驱动连接。
10.根据权利要求9所述的混联型五自由度机械臂,其特征在于,所述第一平行四连杆机构包括与所述第四电机的输出轴转动连接的第一摇杆、第一端与所述第一摇杆转动连接的第一三角曲柄以及与所述第一三角曲柄的第二端转动连接的第二摇杆,所述第二摇杆的另一端与所述第一曲柄的末端转动连接,所述第一三角曲柄还与所述第四连杆的第一端转动连接;所述第二平行四连杆机构包括与所述第五电机的输出轴转动连接的第三摇杆、第一端与所述第三摇杆转动连接的第二三角曲柄以及与所述第二三角曲柄的第二端转动连接的第四摇杆,所述第四摇杆的另一端与所述第二曲柄的末端转动连接,所述第二三角曲柄还与所述第四连杆的第一端转动连接。
11.根据权利要求10所述的混联型五自由度机械臂,其特征在于,所述第二连杆上固接有底座,所述底座上可转动设置有旋转套,所述旋转套的端部与所述第二电机的输出轴连接,所述旋转套的外壁与所述第三连杆的第一端固接;所述第四连杆的第一端朝向远离其第二端的方向延伸形成延长柄段;所述旋转套内可转动插设有驱动轴,所述驱动轴与所述第三电机的输出轴连接,所述驱动轴上固定套设有第三曲柄,所述第三曲柄的另一端转动连接有二轴连杆,所述二轴连杆的另一端与所述延长柄段的末端转动连接;所述第三连杆的第一端的中部开设有可容纳所述第三曲柄的第一转动槽,所述第三连杆的第二端的中部开设有可容纳所述延长柄段的第二转动槽。
12.根据权利要求8所述的混联型五自由度机械臂,其特征在于,所述三自由度串联机构串联在所述二自由度并联机构的输出端,所述第七连杆和所述第六连杆省去,所述第一连杆的第一端通过十字轴与所述第五连杆连接,所述第二连杆的第一端与所述第一连杆的第二端转动连接,所述第三连杆转动连接在所述第二连杆的第二端,所述第四连杆转动连接在所述第三连杆上;所述第一驱动机构包括设置在所述第一连杆上的第一电机,所述第一电机的输出轴通过曲柄摇杆机构与所述第二连杆驱动连接;所述第二驱动机构包括设置在所述第一连杆上的第二电机,所述第二电机的输出轴通过平行四连杆机构与所述第三连杆驱动连接;所述第三驱动机构包括设置在所述第二连杆上的第三电机,所述第三电机的输出轴通过万向联轴器与所述第四连杆驱动连接;所述第四驱动机构包括设置在所述第五连杆上的第四电机,所述第五驱动机构包括设置在所述第五连杆上的第五电机,所述第四电机和第五电机的输出轴均单独与所述第一连杆驱动连接。
13.根据权利要求12所述的混联型五自由度机械臂,其特征在于,所述第一球铰副通过第一曲柄与所述第四电机的输出轴驱动连接,所述第一球杆的第一端与所述第一球铰副连接,所述第一球杆的第二端通过第一万向节与所述第一连杆连接;所述第二球铰副通过第二曲柄与所述第五电机的输出轴驱动连接,所述第二球杆的第一端与所述第二球铰副连接,所述第二球杆的第二端通过第二万向节与所述第一连杆连接;所述曲柄摇杆机构包括与所述第一电机的输出轴驱动连接的第一前曲柄以及与所述第一前曲柄转动连接的小臂连杆,所述小臂连杆的另一端与所述第二连杆转动连接;所述第二电机的输出轴上驱动连接有第二前曲柄,所述平行四连杆机构包括与所述第三连杆转动连接的第一摇杆、第一端与所述第一摇杆转动连接的第一三角曲柄以及与所述第一三角曲柄的第二端转动连接的第二摇杆,所述第二摇杆的另一端与所述第二前曲柄的末端转动连接,所述第一三角曲柄还与所述第一连杆的第二端转动连接;所述第二连杆中部具有供所述万向联轴器插入的空腔,所述第三连杆上开设有供所述万向联轴器的末端穿过的开口。
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说明书

技术领域
本发明涉及机器人领域,特别涉及一种混联型五自由度机械臂。
背景技术
根据运动链的数目,运动机构可分为串联机构和并联机构。
串联机构是指若干个单自由度的基本杆件顺序联接,每一个前置杆件的输出运动是后置杆件的输入,从基座到末端执行器之间只有一条运动链的开环机构;并联机构是指定平台(基座)和动平台(末端执行器)通过至少两个独立的运动链相连接,机构具有两个或两个以上自由度,且以并联方式驱动的一种闭环机构。
串联机构和并联机构各有优缺点。
串联机构具有工作空间大、结构简单和控制算法成熟等优点,目前被广泛应用于工业机械臂等领域。
然而,串联机构每个单自由度的杆件都必须配置驱动部件,如电机、电动缸、液压缸或液压马达等,越靠近基座的杆件不但要承担与之相连的下一个杆件的载荷,而且还有来自相应驱动部件的重量。
考虑到驱动部件的质量往往比较大,它们在机器人工作时会产生很大的离心载荷,结果就需要功率更大的前置驱动部件,消耗更多的能源。
而且,为了保证足够的强度和刚度,串联机械臂的结构常常设计得非常“粗壮”,整个机器人都比较笨重。
并联机构具有以下优点:无累积误差,精度较高;驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置,这样运动部分重量轻,速度高,动态响应好;结构紧凑,刚度高,承载能力大;完全对称的并联机构具有较好的各向同性。
与串联机构相比,并联机构的缺点也比较明显,即工作空间较小。
混联机构是适当整合了串、并联机构优点的一种集成式机构,通常即利用了并联机构的优点,同时又避免了纯并联机构工作空间狭小的缺点。
但是对于多自由度混联机构,现在的方案中还普遍存在结构笨重、体积庞大,功耗大等缺陷。
所以现在需要一种可靠的方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足,提供一种混联型五自由度机械臂。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:一种混联型五自由度机械臂,包括:相互串联的一个三自由度串联机构和一个二自由度并联机构;所述三自由度串联机构包括第一连杆、通过第一旋转副与所述第一连杆连接的第二连杆、通过第二旋转副与所述第二连杆连接的第三连杆、通过第三旋转副与所述第三连杆连接的第四连杆以及用于对所述第一旋转副提供旋转力矩的第一驱动机构、用于对所述第二旋转副提供旋转力矩的第二驱动机构、用于对所述第三旋转副提供旋转力矩的第三驱动机构;第四连杆作为所述三自由度串联机构的输出端;所述二自由度并联机构包括第五连杆、通过第四旋转副与所述第五连杆连接的第六连杆、通过第五旋转副与所述第六连杆连接的第七连杆、第一球铰副、第一端与所述第一球铰副连接的第一球杆、连接于所述第一球杆的第二端和所述第七连杆之间的第一万向副、第二球铰副、第一端与所述第二球铰副连接的第二球杆、连接于所述第二球杆的第二端和所述第七连杆之间的第二万向副、用于对所述第一球铰副提供驱动力的第四驱动机构以及用于对所述第二球铰副提供驱动力的第五驱动机构;第七连杆作为所述二自由度并联机构的输出端;其中:所述二自由度并联机构串联在所述三自由度串联机构的输出端,从而将所述第七连杆作为该混联型五自由度机械臂的输出端,此时所述第五连杆省去,所述第四旋转副通过所述第四连杆与所述第三旋转副连接,或所述第四连杆省去,所述第四旋转副通过所述第五连杆与所述第三旋转副连接;;或者,所述三自由度串联机构串联在所述二自由度并联机构的输出端,从而将所述第四连杆作为该混联型五自由度机械臂的输出端,此时所述第七连杆省去,所述第五旋转副通过所述第一连杆与所述第一旋转副连接,或所述第一连杆省去,所述第五旋转副通过所述第七连杆与所述第一旋转副连接。
优选的是,所述第一旋转副、第二旋转副、第三旋转副的旋转轴线均单独与坐标系中的X轴、Y轴或Z轴平行,且3个旋转轴线不同时与X轴、Y轴或Z轴中的同一个平行。
优选的是,通过所述第一驱动机构对所述第一旋转副提供旋转力矩、所述第二驱动机构对所述第二旋转副提供旋转力矩、所述第三驱动机构对所述第三旋转副提供旋转力矩、所述第四驱动机构对所述第一球铰副提供驱动力、所述第五驱动机构对所述第二球铰副提供驱动力,从而实现所述混联型五自由度机械臂的输出端在X轴、Y轴和Z轴方向位置的调整,以及在绕X轴、Y轴和Z轴中的2个的旋转角度的调整。
优选的是,所述第一球杆两端的第一球铰副与第一万向副位置互换,和/或所述第二球杆两端的第二球铰副与第二万向副位置互换。
优选的是,所述第一万向副和/或第二万向副均通过两个等效的旋转副替换。
优选的是,所述第一万向副替换为球铰副,和/或所述第二万向副替换为球铰副。
优选的是,所述第四旋转副与第五旋转副位置互换;所述第四旋转副与第五旋转副的旋转轴线相交时,所述第六连杆省去,所述第四旋转副与第五旋转副之间通过第三万向副连接。
优选的是,所述第一驱动机构包括固接在所述第一连杆上的第一电机,所述第二连杆连接在所述第一电机的输出轴上;所述第二驱动机构包括固接在所述第二连杆上的第二电机,所述第三驱动机构包括固接在所述第二连杆上的第三电机;所述第三连杆的第一端与所述第二电机的输出轴驱动连接,所述第四连杆的第一端与所述第三连杆的第二端可转动连接,且所述第四连杆与所述第三电机的输出轴驱动连接;所述二自由度并联机构串联在所述三自由度串联机构的输出端,其中,所述第五连杆和第六连杆省去,所述第七连杆通过第三万向副连接在所述第四连杆的第二端,所述第三万向副为十字轴;所述第四驱动机构包括固接在所述第二连杆上的第四电机,所述第五驱动机构包括固接在所述第二连杆上的第五电机,所述第四电机的输出轴和第五电机的输出轴均与所述第七连杆驱动连接。
优选的是,所述第四连杆的第二端的两侧分别可转动连接有第一曲柄和第二曲柄,所述第一球铰副与所述第一曲柄的末端连接,所述第二球铰副与所述第二曲柄的末端连接;所述第一球杆的第一端与所述第一球铰副连接,所述第一球杆的第二端通过第一万向节与所述第七连杆连接;所述第二球杆的第一端与所述第二球铰副连接,所述第二球杆的第二端通过第二万向节与所述第七连杆连接;所述第四电机的输出轴通过第一平行四连杆机构与所述第一曲柄的末端驱动连接,所述第五电机的输出轴通过第二平行四连杆机构与所述第二曲柄的末端驱动连接。
优选的是,所述第一平行四连杆机构包括与所述第四电机的输出轴转动连接的第一摇杆、第一端与所述第一摇杆转动连接的第一三角曲柄以及与所述第一三角曲柄的第二端转动连接的第二摇杆,所述第二摇杆的另一端与所述第一曲柄的末端转动连接,所述第一三角曲柄还与所述第四连杆的第一端转动连接;所述第二平行四连杆机构包括与所述第五电机的输出轴转动连接的第三摇杆、第一端与所述第三摇杆转动连接的第二三角曲柄以及与所述第二三角曲柄的第二端转动连接的第四摇杆,所述第四摇杆的另一端与所述第二曲柄的末端转动连接,所述第二三角曲柄还与所述第四连杆的第一端转动连接。
优选的是,所述第二连杆上固接有底座,所述底座上可转动设置有旋转套,所述旋转套的端部与所述第二电机的输出轴连接,所述旋转套的外壁与所述第三连杆的第一端固接;所述第四连杆的第一端朝向远离其第二端的方向延伸形成延长柄段;所述旋转套内可转动插设有驱动轴,所述驱动轴与所述第三电机的输出轴连接,所述驱动轴上固定套设有第三曲柄,所述第三曲柄的另一端转动连接有二轴连杆,所述二轴连杆的另一端与所述延长柄段的末端转动连接;所述第三连杆的第一端的中部开设有可容纳所述第三曲柄的第一转动槽,所述第三连杆的第二端的中部开设有可容纳所述延长柄段的第二转动槽。
优选的是,所述三自由度串联机构串联在所述二自由度并联机构的输出端,所述第七连杆和所述第六连杆省去,所述第一连杆的第一端通过十字轴与所述第五连杆连接,所述第二连杆的第一端与所述第一连杆的第二端转动连接,所述第三连杆转动连接在所述第二连杆的第二端,所述第四连杆转动连接在所述第三连杆上;所述第一驱动机构包括设置在所述第一连杆上的第一电机,所述第一电机的输出轴通过曲柄摇杆机构与所述第二连杆驱动连接;所述第二驱动机构包括设置在所述第一连杆上的第二电机,所述第二电机的输出轴通过平行四连杆机构与所述第三连杆驱动连接;所述第三驱动机构包括设置在所述第二连杆上的第三电机,所述第三电机的输出轴通过万向联轴器与所述第四连杆驱动连接;所述第四驱动机构包括设置在所述第五连杆上的第四电机,所述第五驱动机构包括设置在所述第五连杆上的第五电机,所述第四电机和第五电机的输出轴均单独与所述第一连杆驱动连接。
优选的是,所述第一球铰副通过第一曲柄与所述第四电机的输出轴驱动连接,所述第一球杆的第一端与所述第一球铰副连接,所述第一球杆的第二端通过第一万向节与所述第一连杆连接;所述第二球铰副通过第二曲柄与所述第五电机的输出轴驱动连接,所述第二球杆的第一端与所述第二球铰副连接,所述第二球杆的第二端通过第二万向节与所述第一连杆连接;所述曲柄摇杆机构包括与所述第一电机的输出轴驱动连接的第一前曲柄以及与所述第一前曲柄转动连接的小臂连杆,所述小臂连杆的另一端与所述第二连杆转动连接;所述第二电机的输出轴上驱动连接有第二前曲柄,所述平行四连杆机构包括与所述第三连杆转动连接的第一摇杆、第一端与所述第一摇杆转动连接的第一三角曲柄以及与所述第一三角曲柄的第二端转动连接的第二摇杆,所述第二摇杆的另一端与所述第二前曲柄的末端转动连接,所述第一三角曲柄还与所述第一连杆的第二端转动连接;所述第二连杆中部具有供所述万向联轴器插入的空腔,所述第三连杆上开设有供所述万向联轴器的末端穿过的开口。
本发明的有益效果是:本发明提出的混联型五自由度机械臂可实现五自由度的姿态调整,与纯并联机构相比,增大了工作空间,并且可以把驱动部件都固定安装在前置杆件(基部)上,可以大幅减轻后置机构(输出端部)的质量,降低前置驱动部件的功率,从而可以使整个机械臂结构更紧凑、更灵活;本发明可应用于多自由度机械臂中实现五自由度的姿态调整。
附图说明
图1为本发明的实施例1中的混联型五自由度机械臂的原理图;图2为本发明的实施例2中的混联型五自由度机械臂的原理图;图3为本发明的实施例1中的混联型五自由度机械臂的结构示意图;图4为本发明的实施例1中的混联型五自由度机械臂的底部视角的结构示意图;图5为本发明的实施例1中的混联型五自由度机械臂的另一个侧视视角的结构示意图;图6为本发明的实施例1中的图3中A处的局部放大结构示意图;图7为本发明的实施例1中的混联型五自由度机械臂的另一个侧视视角的结构示意图;图8为本发明的实施例1中的图7中B处的局部放大结构示意图;图9为本发明的实施例1中的混联型五自由度机械臂卸去部分组件后的结构示意图;图10为本发明的实施例1中的第二连杆及其上的各组件的结构示意图;图11为本发明的实施例1中的第二连杆及其上的各组件的分解结构示意图;图12为本发明的实施例2中的混联型五自由度机械臂的结构示意图;图13为本发明的实施例2中的混联型五自由度机械臂的另一个侧视视角的结构示意图;图14为本发明的实施例2中的混联型五自由度机械臂的俯视方向的结构示意图。
附图标记说明:11—第一连杆;12—第二连杆;13—第三连杆;14—第四连杆;15—第五连杆;16—第六连杆;17—第七连杆;121—底座;122—旋转套;123—驱动轴;124—第三曲柄;125—二轴连杆;131—第三连杆的第一端;132—第三连杆的第二端;133—第一转动槽;134—第二转动槽;141—第四连杆的第一端;142—第四连杆的第二端;143—延长柄段;21—第一旋转副(R1);22—第二旋转副(R2);23—第三旋转副(R3);24—第四旋转副(R4);25—第五旋转副(R5);26—第一球铰副(S1);27—第二球铰副(S2);28—第一球杆(l1);29—第二球杆(l2);30—第一万向副(U1);31—第二万向副(U2);41—第一电机;42—第二电机;43—第三电机;44—第四电机;45—第五电机;46—万向联轴器;51—十字轴;52—第一曲柄;53—第二曲柄;54—第一万向节;55—第二万向节;61—第一平行四连杆机构;62—第一摇杆;63—第一三角曲柄;64—第二摇杆;65—第二平行四连杆机构;66—第三摇杆;67—第二三角曲柄;68—第四摇杆;71—曲柄摇杆机构;72—第一前曲柄;73—小臂连杆;74—平行四连杆机构;75—第二前曲柄。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明,以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解,本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1-2所示,本实施例的一种混联型五自由度机械臂,包括:相互串联的一个三自由度串联机构和一个二自由度并联机构;三自由度串联机构包括第一连杆11、通过第一旋转副21(R1)与第一连杆11连接的第二连杆12、通过第二旋转副22(R2)与第二连杆12连接的第三连杆13、通过第三旋转副23(R3)与第三连杆13连接的第四连杆14以及用于对第一旋转副21提供旋转力矩的第一驱动机构、用于对第二旋转副22提供旋转力矩的第二驱动机构、用于对第三旋转副23提供旋转力矩的第三驱动机构;第四连杆14作为三自由度串联机构的输出端;二自由度并联机构包括第五连杆15、通过第四旋转副24(R4)与第五连杆15连接的第六连杆16、通过第五旋转副25(R5)与第六连杆16连接的第七连杆17、第一球铰副26(S1)、第一端与第一球铰副26连接的第一球杆28(l1)、连接于第一球杆28的第二端和第七连杆17之间的第一万向副30(U1)、第二球铰副27(S2)、第一端与第二球铰副27连接的第二球杆29(l2)、连接于第二球杆29的第二端和第七连杆17之间的第二万向副31(U2)、用于对第一球铰副26提供驱动力的第四驱动机构以及用于对第二球铰副27提供驱动力的第五驱动机构;第七连杆17作为二自由度并联机构的输出端;其中,根据二自由度并联机构所在的位置(基座或端部),混联型五自由度机械臂包括以下两种组合方案:方案1:参照图1,二自由度并联机构串联在三自由度串联机构的输出端,从而将第七连杆17作为该混联型五自由度机械臂的输出端,此时第五连杆15省去,第四旋转副24通过第四连杆14与第三旋转副23连接,或第四连杆14省去,第四旋转副24通过第五连杆15与第三旋转副23连接。
方案2:参照图2,三自由度串联机构串联在二自由度并联机构的输出端,从而将第四连杆14作为该混联型五自由度机械臂的输出端,此时第七连杆17省去,第五旋转副25通过第一连杆11与第一旋转副21连接,或第一连杆11省去,第五旋转副25通过第七连杆17与第一旋转副21连接。
其中,第一旋转副21、第二旋转副22、第三旋转副23的旋转轴线均单独与坐标系中的X轴、Y轴或Z轴平行,且3个旋转轴线不同时与X轴、Y轴或Z轴中的同一个平行。
其中,通过第一驱动机构对第一旋转副21提供旋转力矩、第二驱动机构对第二旋转副22提供旋转力矩、第三驱动机构对第三旋转副23提供旋转力矩(如图1中的M1、M2、M3)、第四驱动机构对第一球铰副26提供驱动力、第五驱动机构第二球铰副27提供驱动力(如图1中的F1、F2),从而实现混联型五自由度机械臂的输出端在X轴、Y轴和Z轴方向位置的调整,以及在绕X轴、Y轴和Z轴中的2个的旋转角度的调整,即实现五自由度的姿态调整。
其中,第一球杆28两端的第一球铰副26与第一万向副30位置可互换,第二球杆29两端的第二球铰副27与第二万向副31位置也可互换。
其中,在一种优选的实施例中,所述第一万向副30和/或第二万向副31均可通过两个等效的旋转副替换。
其中,第一万向副30、第二万向副31均可替换为球铰副。
其中,第四旋转副24与第五旋转副25位置可互换;第四旋转副24与第五旋转副25的旋转轴线相交时,第六连杆16省去,第四旋转副24与第五旋转副25之间通过第三万向副连接。
若将第三万向副更换为球铰副,则两个球杆的两端均可使用万向副连接。
本发明的混联型五自由度机械臂可实现五自由度的姿态调整,可应用于机器人的机械臂中实现多自由度调整。
以上为本发明的总体构思,以下在其基础上提供更为具体的实施例,以对本发明做进一步说明。
实施例1参照图3-11,本实施例中,二自由度并联机构位于末端,即二自由度并联机构串联在三自由度串联机构的输出端。
具体的,本实施例中,第一驱动机构包括固接在第一连杆11上的第一电机41,第二连杆12连接在第一电机41的输出轴上;第二驱动机构包括固接在第二连杆12上的第二电机42,第三驱动机构包括固接在第二连杆12上的第三电机43;第三连杆13的第一端131与第二电机42的输出轴驱动连接,第四连杆14的第一端141与第三连杆13的第二端132可转动连接,且第四连杆14与第三电机43的输出轴驱动连接;其中,第五连杆15和第六连杆16省去,第七连杆17通过第三万向副连接在第四连杆14的第二端142,第三万向副为十字轴51;第四驱动机构包括固接在第二连杆12上的第四电机44,第五驱动机构包括固接在第二连杆12上的第五电机45,第四电机44的输出轴和第五电机45的输出轴均与第七连杆17驱动连接。
其中,第四连杆14的第二端142的两侧分别可转动连接有第一曲柄52和第二曲柄53,第一球铰副26与第一曲柄52的末端连接,第二球铰副27与第二曲柄53的末端连接;第一球杆28的第一端与第一球铰副26连接,第一球杆28的第二端通过第一万向节54与第七连杆17连接;第二球杆29的第一端与第二球铰副27连接,第二球杆29的第二端通过第二万向节55与第七连杆17连接;第四电机44的输出轴通过第一平行四连杆机构61与第一曲柄52的末端驱动连接,第五电机45的输出轴通过第二平行四连杆机构65与第二曲柄53的末端驱动连接。
其中,第一平行四连杆机构61包括与第四电机44的输出轴转动连接的第一摇杆62、第一端与第一摇杆62转动连接的第一三角曲柄63以及与第一三角曲柄63的第二端转动连接的第二摇杆64,第二摇杆64的另一端与第一曲柄52的末端转动连接,第一三角曲柄63还与第四连杆14的第一端141转动连接;第二平行四连杆机构65包括与第五电机45的输出轴转动连接的第三摇杆66、第一端与第三摇杆66转动连接的第二三角曲柄67以及与第二三角曲柄67的第二端转动连接的第四摇杆68,第四摇杆68的另一端与第二曲柄53的末端转动连接,第二三角曲柄67还与第四连杆14的第一端141转动连接。
其中,第二连杆12上固接有底座121,底座121上可转动设置有旋转套122,旋转套122的端部与第二电机42的输出轴连接,旋转套122的外壁与第三连杆13的第一端131固接;第四连杆14的第一端141朝向远离其第二端的方向延伸形成延长柄段143;旋转套122内可转动插设有驱动轴123,驱动轴123与第三电机43的输出轴连接,驱动轴123上固定套设有第三曲柄124,第三曲柄124的另一端转动连接有二轴连杆125,二轴连杆125的另一端与延长柄段143的末端转动连接;第三连杆13的第一端131的中部开设有可容纳第三曲柄124的第一转动槽133,第三连杆13的第二端132的中部开设有可容纳延长柄段143的第二转动槽134。
参照图10-11,旋转套122可在底座121上旋转,第二电机42的输出轴通过旋转套122可带动第三连杆13转动;第三电机43的输出轴通过驱动轴123带动第三曲柄124转动,从而带动二轴连杆125转动,而驱动轴123可在旋转套122内相对转动,故可保证驱动轴123和旋转套122各自连接的组件之间的转动互不干涉。
其中,在优选的实施例中,所有电机均配有减速器和控制器。
参照图3和6,本实施例的混联型五自由度机械臂的工作原理为:第一电机41可带动第二连杆12及其上的组件整体绕Z轴旋转;第二电机42通过旋转套122可带动第三连杆13转动,从而可调整末端的二自由度并联机构在X方向的位置;第三电机43通过驱动轴123带动第三曲柄124转动,再通过二轴连杆125、延长柄段143带动第四连杆14转动,从而可调整末端的二自由度并联机构在Z方向的位置;第一电机41、第二电机42、第三电机43的配合即可实现末端的二自由度并联机构在X、Y、Z三个方向空间位置的调整;第四电机44通过第一平行四连杆机构61以及对应的球铰副、球杆、万向节可带动第七连杆17运动,第五电机45通过第二平行四连杆机构65以及对应的球铰副、球杆、万向节可带动第七连杆17运动(以第四电机44通过第一平行四连杆机构61带动第七连杆17运动为例说明:第四电机44的输出轴带动第一摇杆62转动,然后通过第一三角曲柄63可带动第二摇杆64转动,第二摇杆64推动第一曲柄52转动,从而改变第一球铰副26的位置,再通过第一球杆28、第一万向节54带动第七连杆17转动),且第四电机44和第五电机45通过相互配合来调整第七连杆17绕Z轴和Y轴角度的调整,具体为:当第四电机44和第五电机45工作,并通过平行四连杆机构使第一球铰副26和第二球铰副27的位置均向前移动(由第二摇杆64朝向第七连杆17的方向,即图6中的第一球杆28旁的箭头所示方向)或是均向后移动时,实现第三连杆13俯仰方向的旋转(即绕Y轴方向的旋转,且均向前移动时,第七连杆17仰向旋转,如图6中第七连杆17旁的箭头所示方向;均向后移动时,第七连杆17俯向旋转);当第四电机44和第五电机45工作,使第一球铰副26、第二球铰副27的位置一个向前一个向后时,实现第七连杆17回转角度调节(即绕Z轴方向,且第一球铰副26向前、第二球铰副27向后移动时,在图6中,第七连杆17逆时针旋转;第一球铰副26向后、第二球铰副27向前移动时,第七连杆17顺时针旋转);X、Y、Z三个方向空间位置的调整与绕Z轴和Y轴角度的调整叠加,从而可实现五自由度的姿态调整。
本实施例中,所有的驱动部件都固定安装在机械臂的基部(第二连杆12上),可以大幅减轻机械臂杆件的重量,降低电机的驱动功率,降低成本,使整个机械臂结构更紧凑。
实施例2参照图12-14,本实施例中,二自由度并联机构位于基部,即三自由度串联机构串联在二自由度并联机构的输出端,第七连杆17和第六连杆16省去,第一连杆11的第一端通过十字轴51与第五连杆15连接,第二连杆12的第一端与第一连杆11的第二端转动连接,第三连杆13转动连接在第二连杆12的第二端,第四连杆14转动连接在第三连杆13上;第一驱动机构包括设置在第一连杆11上的第一电机41,第一电机41的输出轴通过曲柄摇杆机构71与第二连杆12驱动连接;第二驱动机构包括设置在第一连杆11上的第二电机42,第二电机42的输出轴通过平行四连杆机构74与第三连杆13驱动连接;第三驱动机构包括设置在第二连杆12上的第三电机43,第三电机43的输出轴通过万向联轴器46与第四连杆14驱动连接;第四驱动机构包括设置在第五连杆15上的第四电机44,第五驱动机构包括设置在第五连杆15上的第五电机45,第四电机44和第五电机45的输出轴均单独与第一连杆11驱动连接。
其中,第一球铰副26通过第一曲柄52与第四电机44的输出轴驱动连接,第一球杆28的第一端与第一球铰副26连接,第一球杆28的第二端通过第一万向节54与第一连杆11连接;第二球铰副27通过第二曲柄53与第五电机45的输出轴驱动连接,第二球杆29的第一端与第二球铰副27连接,第二球杆29的第二端通过第二万向节55与第一连杆11连接;曲柄摇杆机构71包括与第一电机41的输出轴驱动连接的第一前曲柄72以及与第一前曲柄72转动连接的小臂连杆73,小臂连杆73的另一端与第二连杆12转动连接;第二电机42的输出轴上驱动连接有第二前曲柄75,平行四连杆机构74包括与第三连杆13转动连接的第一摇杆62、第一端与第一摇杆62转动连接的第一三角曲柄63以及与第一三角曲柄63的第二端转动连接的第二摇杆64,第二摇杆64的另一端与第二前曲柄75的末端转动连接,第一三角曲柄63还与第一连杆11的第二端转动连接;第二连杆12中部具有供万向联轴器46插入的空腔,第三连杆13上开设有供万向联轴器46的末端穿过的开口。
其中,在优选的实施例中,所有电机均配有减速器和控制器。
参照图12,本实施例的混联型五自由度机械臂的工作原理为:第一电机41带动第一前曲柄72转动,以带动小臂连杆73摆动,以使第二连杆12相对第一连杆11转动,可实现输出端的第四连杆14在X轴方向的位置调整;第四电机44和第五电机45分别通过其对应的球铰副、球杆、万向节可带动第一连杆11运动(以第四电机44带动第一连杆11运动为例说明:第四电机44的输出轴带动第一曲柄52转动,从而改变第一球铰副26的位置,再通过第一球杆28、第一万向节54带动第一连杆11转动,使末端的第四连杆14进行移动),且第四电机44和第五电机45通过相互配合来调整第一连杆11在Y方向和Z方向的位置调整,具体为:当第四电机44和第五电机45工作,使第一球铰副26和第二球铰副27的位置均向前移动(由第五连杆15朝向第一连杆11的方向,即图12中的第一球杆28旁的箭头所示方向)或是均向后移动时,实现第一连杆11俯仰方向的旋转(即绕Y轴方向的旋转,且均向前移动时,第一连杆11仰向旋转,如图12中第七连杆17旁的箭头所示方向;均向后移动时,第一连杆11俯向旋转);当第四电机44和第五电机45工作,使第一球铰副26、第二球铰副27的位置一个向前一个向后时,实现第一连杆11回转角度调节(即绕Z轴方向,且第一球铰副26向前、第二球铰副27向后移动时,在图12中,第一连杆11顺时针旋转;第一球铰副26向后、第二球铰副27向前移动时,第一连杆11逆时针旋转);通过第一连杆11绕Y轴和Z轴的旋转调节,可实现末端的第四连杆14在Z方向位置和Y方向位置的调节,叠加X方向位置的调节可实现X、Y、Z三个方向空间位置的调整;第二电机42通过第二前曲柄75、平行四连杆机构可带动第三连杆13绕Y轴旋转(具体为第二电机42带动第二前曲柄75转动,从而带动第一摇杆62转动,然后通过第一三角曲柄63可带动第二摇杆64转动,第二摇杆64带动第三连杆13相对第二连杆12绕Y轴转动);第三电机43通过万向联轴器46直接带动第四连杆14绕X轴转动;X、Y、Z三个方向空间位置的调整与绕Y轴和X轴角度的调整叠加,从而可实现五自由度的姿态调整。
尽管本发明的实施方案已公开如上,但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用,它完全可以被适用于各种适合本发明的领域,对于熟悉本领域的人员而言,可容易地实现另外的修改,因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下,本发明并不限于特定的细节。
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