一種六自由度混聯機器人的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種六自由度混聯機器人，尤其是一種由兩類少自由度并聯機構混聯 而成的六自由度機器人。
【背景技術】
[0002] 六自由度機器人因其在工程應用中具有通用性而備受關注，主要分為串聯式、并 聯式和混聯式三種型式。
[0003] 典型的串聯機構為六自由度旋轉關節機構(6R機器人），該類機構通常由若干連桿 和關節順次連接而成，因而其運動學方程很容易由D-Η參數法迅速建立和求解；另外，通過 優化設計各個連桿的參數很容易使機構末端獲得很大的工作空間；隨著技術的進步，該類 機構的承載能力以及速度和精度已經提升到較高的水平，在汽車焊接與噴漆、產品搬運與 包裝等生產線上發揮著極其重要的作用，是目前應用最為廣泛的工業機器人。
[0004] 六自由度并聯機構的典型結構為六支鏈的Stewart平臺，該并聯機構由動靜平臺 以及連接動靜平臺的六條相同的支鏈構成，動平臺在六條支鏈的驅動下具有六個自由度， 可以實現各類復雜位姿的調整，并且動平臺具有較高的負載能力，主要被用作汽車和飛行 器等的運動模擬器。
[0005] 串聯機構和并聯機構都具有各自突出的優勢，但同時又存在各自的缺點。串聯機 構由于連桿和驅動等的疊加，導致機構慣量比較大，限制了其速度進一步的提升;并聯機構 由于其構型特點導致工作空間較小，成為限制其推廣的主要因素;其次，并聯機構運動學及 動力學方程往往存在不同程度的耦合，進一步增加了運動控制器的設計難度。
[0006] 故，需要一種新的技術方案以解決上述問題

【發明內容】

[0007] 本發明的目的是在于提供一種新的六自由度機器人，具有工作空間大、動力學模 型簡單且易于控制的優點。
[0008] 本發明新型混聯機構的結構組成如下：
[0009] 一種六自由度混聯機器人，包括過渡平臺、連接過渡平臺一面的三個傳動支鏈、一 一對應三個傳動支鏈的三個直線驅動部件、連接過渡平臺另一面的三個弧形主動連桿、連 接三個弧形主動連桿的三個弧形從動連桿、驅動弧形主動連桿轉動的三個驅動裝置、連接 從動連桿的動平臺；所述每個傳動支鏈的一端分別安裝在對應直線驅動部件上并在直線驅 動部件的驅動下沿直線運動，而每個傳動支鏈的另一端連接于過渡平臺一面上;所述的弧 形主動連桿的一端安裝在過渡平臺上，而每個弧形主動連桿的另一端連接于一一對應的弧 形從動連桿上，弧形從動連桿的另一端連接于動平臺。
[0010] 相對于現有技術，本發明中將兩種少自由度并聯機構通過串聯的形式進行拼裝而 得到一種混聯六自由度機器人，根據兩類少自由度并聯機構的自由度性質易知，機構末端 的空間位置完全由一種三自由度移動的并聯機構獨立控制，空間姿態完全由一種三自由度 轉動的并聯機構獨立控制，即平動自由度與轉動自由度互不影響，相輔相成，使該混聯的六 自由度機器人工作空間大、機構末端位置和姿態解耦、動力學模型簡單且易于控制，而且其 動作頻率能滿足電子組裝時快速重復動作的要求。
【附圖說明】
[0011] 圖1為本發明新型混聯機構的立體圖；
[0012] 圖2為本發明的一種三自由度轉動的并聯機構的立體圖；
[0013]圖3為一種三自由度轉動的并聯機構的單條傳動支鏈示意圖。
【具體實施方式】
[0014]請參閱圖1及圖2所示，本發明公開一種六自由度混聯機器人，包括過渡平臺1、連 接過渡平臺的三個傳動支鏈2、一一對應三個傳動支鏈2的三個直線驅動部件3、連接過渡平 臺1的三個弧形主動連桿4、連接三個弧形主動連桿4的三個弧形從動連桿5、驅動弧形主動 連桿4轉動的三個驅動裝置6、動平臺7;所述三個弧形從動連桿5均連接在該動平臺7上。其 中，三個傳動支鏈2及三個直線驅動部件3為一個并聯機構，而三個弧形主動連桿4、三個弧 形從動連桿5、三個驅動裝置6形成另一個并聯機構，該兩個并聯機構的混聯即形成該六自 由度混聯機器人。所述過渡平臺1位于傳動支鏈2與弧形主動連桿4之間的位置。所述每個傳 動支鏈2的一端分別安裝在對應直線驅動部件3上并在直線驅動部件3的驅動下沿直線運 動，而每個傳動支鏈2的另一端連接于過渡平臺1上。進一步的，所述直線驅動部件3上設有 直線運動的移動塊31。所述每個傳動支鏈2包含一個主動桿件21及一個從動桿件22。所述主 動桿件21的一端連接在所述移動塊31上并且與該移動塊31之間形成第一轉動副23。所述主 動桿件21與從動桿件22連接處形成第二轉動副24。所述從動桿件22與過渡平臺1連接，且從 動桿件22與過渡平臺1之間形成第三轉動副25。且所述第一轉動副23的軸線、第二轉動副24 的軸線、第三轉動副25的軸線均互相平行。在本實施方式中，所述直線驅動部件3為由電機 驅動的絲桿與沿著絲桿移動的移動塊31組成，從而形成移動塊31的移動，而在其他實施方 式中，采用如齒輪齒條、液壓、氣壓結構等本領域常規的直線驅動的方式均可以成為該直線 驅動部件3,在此不再贅述。本實施方式中還設有機架8,所述三個直線驅動部件3安裝在機 架8上。
[0015]進一步的，所述過渡平臺1上設有支架11，所述三個驅動裝置6安裝于支架11上，且 三個驅動裝置6與三個弧形主動連桿4形成三個第四轉動副41，該三個第四轉動副41分別位 于同一個圓周的的三個三等分點。所述三個弧形主動連桿4與三個弧形從動連桿5連接處形 成三個第五轉動副51;三個弧形從動連桿5分別與動平臺7的連接處形成三個第六轉動副 71;所述三個第六轉動副71分別位于同一圓周的三個三等分點;所述三個第四轉動副41、三 個第五轉動副51及三個第六轉動副71的共九條軸線始終相交于一點。為了避免干涉，所述 主動連桿4及從動連桿5均為弧形，且弧形主動連桿4位于弧形從動連桿5形成的圓周范圍 內，而所述三個驅動裝置6位于三個弧形主動連桿4的內側。
[0016]其中，在本發明中，所述過渡平臺1的移動由三個傳動支鏈2及三個直線驅動部件3 實現，形成第一層平動自由度;而動平臺7在第一層平動自由度的基礎上，再由三個弧形主 動連桿4、三個弧形從動連桿5形成第二層轉動自由度。
[0017] 根據兩類少自由度并聯機構的自由度性質易知，機構末端(動平臺）的空間位置完 全由一種三自由度移動的并聯機構獨立控制，空間姿態完全由一種三自由度轉動的并聯機 構獨立控制，即平動自由度與轉動自由度互不影響，相輔相成，二者混聯之后的機構為一種 空間位置和姿態解耦的六自由度機器人。
[0018] 為了獲得混聯機構的逆運動學方程，需要分別對兩類少自由度并聯機構的逆運動 學進行研究。
[0019] 通過螺旋理論對一種三自由度移動的并聯機構進行自由度分析可知，該機構的三 個移動副分別獨立控制動平臺的空間位置，即一種三自由度移動的并聯機構的逆運動學方 程如下：
[0021]其中，Hcb分別表示三個移動副的位移，[X y ζ]τ表示動平臺的位置坐標。 [0022]對于一種三自由度轉動的并聯機構，若以Ζ-Υ-Χ歐拉角旋轉矩陣描述一種三自由 度轉動的并聯機構的位姿，ΒΡ:
[0024]則一種三自由度轉動的并聯機構的逆運動學解可由下式求得，即：
[0028]其中，0^02,03分別表示一種三自由度轉動的并聯機構三個驅動電機的轉角。
[0029]至此，混聯機構的驅動參數[(11，(12，(13，0 1，02，03]7與動平臺末端位姿4,7,2，( 1，后， γ]τ之間的映射關系已經求得，即逆運動學方程已經建立。根據式（1)和式(2)，通過控制驅 動參數即可實現對動平臺位姿的控制。
【主權項】
1. 一種六自由度混聯機器人，其特征在于:包括過渡平臺、連接過渡平臺一面的三個傳 動支鏈、一一對應三個傳動支鏈的三個直線驅動部件、連接過渡平臺另一面的三個弧形主 動連桿、驅動弧形主動連桿轉動的三個驅動裝置、連接三個弧形主動連桿的三個弧形從動 連桿、連接弧形從動連桿的動平臺；所述三個從動連桿均連接在該動平臺上； 所述每個傳動支鏈的一端分別安裝在對應直線驅動部件上并在直線驅動部件的驅動 下沿直線運動，而每個傳動支鏈的另一端連接于過渡平臺一面上;所述的弧形主動連桿的 一端安裝在過渡平臺另一面上，而每個弧形主動連桿的另一端連接于一一對應的弧形從動 連桿上，弧形從動連桿的另一端連接于動平臺。2. 如權利要求1所述的六自由度混聯機器人，其特征在于:所述直線驅動部件上設有直 線運動的移動塊;所述每個傳動支鏈包含一個主動桿件及一個從動桿件;所述主動桿件的 一端連接在所述移動塊上并且與該移動塊之間形成第一轉動副，所述主動桿件與從動桿件 連接處形成第二轉動副，所述從動桿件與過渡平臺連接，且從動桿件與過渡平臺之間形成 第三轉動副，且所述第一轉動副的軸線、第二轉動副的軸線、第三轉動副的軸線均互相平 行。3. 如權利要求1或2所述的六自由度混聯機器人，其特征在于:所述過渡平臺上設有支 架，所述三個驅動裝置安裝于支架上，且三個驅動裝置與三個弧形主動連桿形成三個第四 轉動副，該三個第四轉動副分別位于同一個圓周的的三個三等分點；所述三個弧形主動連 桿與三個弧形從動連桿連接處形成三個第五轉動副;三個弧形從動連桿分別與動平臺的連 接處形成三個第六轉動副；所述三個第六轉動副分別位于同一圓周的三個三等分點；所述 三個第四轉動副、三個第五轉動副及三個第六轉動副的共九條軸線始終相交于一點。4. 如權利要求1或2所述的六自由度混聯機器人，其特征在于：弧形主動連桿位于弧形 從動連桿形成的圓周范圍內。5. 如權利要求1或2所述的六自由度混聯機器人，其特征在于:所述過渡平臺位于傳動 支鏈與弧形主動連桿之間的位置。6. 如權利要求1或2所述的六自由度混聯機器人，其特征在于:還包括機架，所述三個直 線驅動部件安裝在機架上。7. 如權利要求1或2所述的六自由度混聯機器人，其特征在于:所述三個驅動裝置位于 三個弧形主動連桿的內側。
【專利摘要】本發明涉及一種六自由度混聯機器人。混聯機構的組合形式是多樣的，其中一種就是將兩個或若干少自由度并聯機構以串聯的形式連接，形成具有多個自由度的新型機構。該類混聯機構不僅具有相對較大的工作空間，而且機構慣性較小，運動學簡單易于控制，集成了串、并聯機構的優點，同時又彌補了串、并聯機構的缺點。研究混聯機構將進一步推動新型工業機器人的創新與發展。
【IPC分類】B25J9/00, B25J9/08
【公開號】CN105500365
【申請號】CN201610052381
【發明人】陳柏, 高踔, 吳志恒, 寇月陽, 繆群華
【申請人】南京航空航天大學
【公開日】2016年4月20日
【申請日】2016年1月26日