專利名稱：一種與位置機構運動解耦的機器人姿態(tài)調節(jié)手腕機構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于機器人制造領域，涉及機器人機械結構或機器人手腕機構，特別涉及一種與位置機構運動解耦的機器人姿態(tài)調節(jié)手腕機構。
背景技術：
工業(yè)機器人通常由機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和智能系統(tǒng)三個部分組成。機械系統(tǒng)又分為執(zhí)行機構和驅動機構，其中執(zhí)行機構一般由手部、腕部、臂部、腰部和基座組成。
機器人腕部(即手腕)是臂部與手部的連接部件，是機器人的姿態(tài)調節(jié)機構，是工業(yè)機器人操作機中最復雜的部件。手腕按自由度個數(shù)可分為單自由度手腕，二自由度手腕和三自由度手腕。為了使手部能處于空間任意方向，要求腕部具有三個自由度。但采用幾個自由度的手腕，應根據機器人的工作性能和工作需要來確定。
機器人手腕的典型結構主要有由液壓馬達直接驅動的手腕機構和由齒輪傳動構成的手腕機構兩大類。對于后一類，根據齒輪傳動形式的不同，又有球面齒輪、直齒輪和錐齒輪等。目前使用較多的三自由度手腕，大多采用多軸差動輪系構成。
上述各種手腕機構與機器人的位置機構存在非線性運動耦合，也就是說，在進行手部姿態(tài)調節(jié)時將改變機器人手部的空間位置，因此，必須要在控制算法中加以補償，位置控制算法相對比較復雜。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于，提供一種與機器人位置機構運動解耦的機器人姿態(tài)調節(jié)手腕機構。
實現(xiàn)上述發(fā)明目的的技術解決方案是，一種與位置機構運動解耦的機器人姿態(tài)調節(jié)手腕機構，其特點是，該機器人姿態(tài)調節(jié)手腕由回轉軸AD和設置在回轉軸AD上的連桿機構構成；連桿機構的基本結構形式由五個活動構件和七個回轉運動副構成。利用該手腕機構進行機器人的姿態(tài)調節(jié)時，機器人手部工作點的空間位置保持不變，使得機器人的位置機構與姿態(tài)調節(jié)機構互不影響，實現(xiàn)了位置機構與姿態(tài)調節(jié)機構的運動解耦。
該與位置機構運動解耦的機器人姿態(tài)調節(jié)手腕機構，由兩個或者三個轉動自由度構成，機器人姿態(tài)調節(jié)機構的兩個或三個回轉軸匯交于一點。
本發(fā)明的機器人姿態(tài)調節(jié)機構，可以選擇使其具有兩個或三個轉動自由度，利用該手腕機構進行機器人的姿態(tài)調節(jié)時，機器人手部工作點的空間位置保持不變，實現(xiàn)了機器人位置機構與姿態(tài)調節(jié)機構的運動解耦，解決了傳統(tǒng)的姿態(tài)調節(jié)機構與位置機構存在非線性運動耦合的問題，極大地簡化了機器人的運動分析和控制算法。


圖1是本發(fā)明的機器人姿態(tài)調節(jié)手腕機構原理簡圖；圖2是姿態(tài)調節(jié)手腕在金屬電弧噴涂快速制模機器人中的應用示意圖；圖3是本發(fā)明的姿態(tài)調節(jié)機構回轉軸匯交示意圖；具體實施方式
以下結合附圖和發(fā)明人依本發(fā)明的技術方案給出的具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述。
1、與位置機構運動解耦的機器人姿態(tài)調節(jié)手腕機構原理如圖1所示，該機器人姿態(tài)調節(jié)手腕由回轉軸AD、連桿機構ABCEFGD構成，具有兩個自由度。圖中末端執(zhí)行器是金屬電弧噴涂快速制模機器人的噴槍。根據末端執(zhí)行器的需要，可以增加繞III軸軸線(平行于連桿機構EF桿)的回轉自由度，從而構成三自由度手腕。
本發(fā)明所采用的連桿機構ABCEFGD的基本結構形式由五個活動構件和七個回轉運動副構成，其中ABCD構成一個平行四邊形機構，CEFG構成第二個平行四邊形機構，五個活動構件構成了兩個平行四邊形機構。AB桿與CGD桿相互平行，BCE桿、FG桿及AD桿相互平行，EF桿與CGD桿平行，回轉軸III固連于EF桿上且平行于EF桿。
該手腕機構的三個回轉軸分別是I軸、II軸和III軸。其中II軸軸線是過軸線I與軸線III的交點P且垂直于由軸線I與軸線III所決定的平面一條直線，三軸軸線匯交于P點，P點就是機器人手部末端執(zhí)行器的工作點位置，即機器人的工作點位置。
機器人手部工作點空間位置P由其位置機構確定，該點與手腕的三個回轉軸線的匯交點，即I軸、II軸和III軸三軸軸線的交點重合。
該手腕機構的工作原理如下連桿機構固連于回轉軸I軸上，末端執(zhí)行器固連于連桿機構的EF桿上，其回轉軸線III與EF平行。I軸轉動時，帶動其上的II軸和III軸作繞I軸的回轉運動。連桿機構的原動件可以選擇AB或者DC桿，連桿機構原動件AB或DC作回轉運動，即相當于II軸轉動時，帶動EF桿上的III軸作繞II軸軸線的回轉運動。I軸與II軸協(xié)同運動，即可以使III軸作圓錐運動，錐頂就是I軸與III軸軸線的交點P，即三軸匯交點。I軸、II軸和III軸聯(lián)動，就可以完成機器人的姿態(tài)調節(jié)，并且在姿態(tài)調節(jié)過程中，三軸匯交點P的空間位置保持不變，實現(xiàn)了姿態(tài)調節(jié)機構與機器人位置機構的運動解耦，可以極大簡化機器人的運動分析與控制算法。
應當注意，平行四邊形機構在原動件與機架共線的時候，存在運動不確定的點，必須設法加以限制。在將本發(fā)明應用于金屬電弧噴涂快速制模機器人時，申請人采用雙平行四邊形機構克服了這個缺點。
2.本發(fā)明的姿態(tài)調節(jié)手腕在金屬電弧噴涂快速制模機器人中的應用金屬電弧噴涂快速模具制造專用機器人，要求作業(yè)過程中噴槍軸線始終與工件表面，即母模表面保持垂直，并且噴槍工作點與模具表面的距離要求始終保持恒定。該機器人的姿態(tài)調節(jié)機構采用了本發(fā)明的姿態(tài)調節(jié)手腕，極大地簡化了機器人的運動控制。
參見圖2及圖3，圖2和圖3給出了本發(fā)明的具體實現(xiàn)方法及注意事項。
圖2是金屬電弧噴涂快速模具制造專用機器人的手腕機構，該手腕機構的三個回轉軸分別是I軸、II軸和III軸，末端執(zhí)行器是執(zhí)行金屬電弧噴涂作業(yè)的噴槍，無需轉動，其軸線為III，所以該手腕機構為具有兩個回轉自由度的姿態(tài)調節(jié)機構。I軸軸線與III軸軸線共面(見圖2所示)且相交于P點，II軸軸線過P點且垂直于I軸和III軸所在平面。三軸線的匯交點P就是機器人手部末端執(zhí)行器——噴槍的工作點位置，這個工作點位置由機器人的位置機構進行控制。噴槍在工作過程中需要始終垂直于工件的表面，并且要保持與工件表面的距離不變，本發(fā)明的手腕機構在進行姿態(tài)調節(jié)時能夠保持機器人手部工作點的空間位置不變，能夠很好地滿足金屬電弧噴涂作業(yè)的需要。由于本發(fā)明的手腕機構實現(xiàn)了機器人位置機構與姿態(tài)調節(jié)機構的運動解耦，解決了傳統(tǒng)的姿態(tài)調節(jié)機構與位置機構存在非線性運動耦合的問題，所以極大地簡化了機器人的運動分析和控制算法。
本發(fā)明的機器人姿態(tài)調節(jié)手腕機構包含一個特殊的連桿機構，這個連桿機構又由兩個平行四邊形機構組成，而平行四邊形機構在連桿與機架共線的位置存在運動不確定現(xiàn)象，因此必須要設法克服。常用的解決方法是利用在相位上相差一定角度的兩個平行四邊形機構來克服這種運動不確定現(xiàn)象，金屬電弧噴涂快速模具制造專用機器人就采用了這樣的結構。
權利要求
1.一種與位置機構運動解耦的機器人姿態(tài)調節(jié)手腕機構，其特征在于，該機器人姿態(tài)調節(jié)手腕由回轉構件AD和固連于回轉構件AD上的連桿機構組成連桿機構ABCEFGD的基本結構形式由AB桿、CD桿、BCE桿、FG桿及AD桿五個活動構件和A、B、C、D、E、F及G七個回轉運動副構成；其中ABCD構成一個平行四邊形機構，CEFG構成第二個平行四邊形機構，五個活動構件構成了兩個平行四邊形機構；AB桿與CGD桿相互平行，BCE桿、FG桿及AD桿相互平行，EF桿與CGD桿平行；機器人手部與EF桿固連，如果需要作繞其自身軸線的轉動，其轉動軸線平行于EF桿；該手腕機構的三個回轉軸分別是I軸、II軸和III軸，I軸軸線與III軸軸線共面且相交于P點，II軸軸線過P點且垂直于I軸和III軸所在平面；三軸線的匯交點P就是機器人手部末端執(zhí)行器的工作點位置。
2.如權利要求1所述的與位置機構運動解耦的機器人姿態(tài)調節(jié)手腕機構，其特征在于，機器人末端執(zhí)行器的工作點空間位置P由其位置機構確定，該點與手腕的三個回轉軸線的匯交點，即I軸、II軸和III軸三軸軸線的交點重合，即機器人的工作點位置與手腕上三個軸線的匯交點為同一點。
3.如權利要求1所述的與位置機構運動解耦的機器人姿態(tài)調節(jié)手腕機構，其特征在于，根據需要可以增加繞III軸軸線的回轉自由度，構成三自由度機器人姿態(tài)調節(jié)手腕機構。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種機器人姿態(tài)調節(jié)機構，該機構具有兩個或三個轉動自由度，包含了一個特別設計的連桿機構，這個連桿機構又由兩個平行四邊形機構組成。利用該手腕機構進行機器人的姿態(tài)調節(jié)時，機器人手部工作點的空間位置保持不變，實現(xiàn)了機器人位置機構與姿態(tài)調節(jié)機構的運動解耦，解決了傳統(tǒng)的姿態(tài)調節(jié)機構與位置機構存在非線性運動耦合的問題，極大地簡化了機器人的運動分析和控制算法。
文檔編號B25J9/00GK1528566SQ0313461
公開日2004年9月15日 申請日期2003年9月26日 優(yōu)先權日2003年9月26日
發(fā)明者盧秉恒, 朱東波, 何仲云, 洪軍, 趙萬華 申請人:西安交通大學