專(zhuān)利名稱(chēng)：五自由度機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)器人，特別是涉及五自由度混聯(lián)機(jī)器人。
背景技術(shù)：
申請(qǐng)日為2003年9月16日的中國(guó)專(zhuān)利CN1524662公開(kāi)了一種帶定位頭且具有非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的空間混聯(lián)機(jī)器人，包括三個(gè)可沿軸向伸長(zhǎng)或縮短的調(diào)節(jié)裝置；其中一個(gè)調(diào)節(jié)裝置的一端通過(guò)鉸鏈與固定架連接，另一端與動(dòng)平臺(tái)固定連接，以限制動(dòng)平臺(tái)的某幾個(gè)自由度；另外兩個(gè)調(diào)節(jié)裝置的一端通過(guò)鉸鏈與固定架連接，使其能相對(duì)于固定架繞各個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，另一端通過(guò)鉸鏈與動(dòng)平臺(tái)連接。這一類(lèi)機(jī)器人由于三個(gè)長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置的連接方式采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，當(dāng)要求具有較大工作空間時(shí)，三個(gè)調(diào)節(jié)裝置均需要較長(zhǎng)的調(diào)節(jié)行程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種既具有大工作空間，又使調(diào)節(jié)裝置所需調(diào)節(jié)行程較小，同時(shí)保持一定剛度和精度的可重構(gòu)模塊化的五自由度混聯(lián)機(jī)器人。
五自由度機(jī)器人，包括固定架、第一長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置、第二長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置、第三長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置、動(dòng)平臺(tái)和定位頭，固定架的中間部位設(shè)置有第一鉸鏈，該鉸鏈由內(nèi)、外同心環(huán)構(gòu)成，第一長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置的上部通過(guò)所述第一鉸鏈和其與第一鉸鏈構(gòu)成的滑移副設(shè)置在固定架上，動(dòng)平臺(tái)固定安裝在第一長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置的末端，可提供兩轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的定位頭安裝在所述動(dòng)平臺(tái)的底部，所述固定架兩側(cè)對(duì)稱(chēng)地連接有第二、第三鉸鏈，所述第二、第三長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置一端分別與所述第二、第三鉸鏈相連，其另一端分別通過(guò)具有三轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的鉸鏈與構(gòu)成第一鉸鏈的內(nèi)環(huán)連接。
本發(fā)明的五自由度混聯(lián)機(jī)器人，與中國(guó)專(zhuān)利CN1524662公開(kāi)的一種帶定位頭且具有非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的空間混聯(lián)機(jī)器人相比，將第二、第三長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置的末端分別與構(gòu)成第一鉸鏈的內(nèi)環(huán)相連構(gòu)成并聯(lián)機(jī)構(gòu)，第一長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置與第二、第三長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置構(gòu)成混聯(lián)機(jī)構(gòu)，因而在結(jié)構(gòu)上具有運(yùn)動(dòng)空間放大的特點(diǎn)，即雖然第二、第三長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置的調(diào)節(jié)行程較小，但是位于第一長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置末端的動(dòng)平臺(tái)和定位頭可以產(chǎn)生大的空間運(yùn)動(dòng)。


圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1的正面視圖；圖3為圖1的側(cè)面視圖；圖4為本發(fā)明的實(shí)施例中第一長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明的實(shí)施例中固定架及與其連接的鉸鏈的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作以詳細(xì)描述。
如圖1～圖3所示，本發(fā)明的五自由度機(jī)器人，包括固定架1、第一長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置2、第二長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置3、第三長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置4、動(dòng)平臺(tái)5和定位頭6。固定架1的中間部位設(shè)置有第一鉸鏈21，該鉸鏈由兩同心環(huán)22、23構(gòu)成，固定架上還對(duì)稱(chēng)的連接有第二、第三鉸鏈31、41；第一長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置2的上部通過(guò)第一鉸鏈21和其與第一鉸鏈構(gòu)成的滑移副設(shè)置在固定架1上，第二、第三長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置3、4的一端分別通過(guò)第二、第三鉸鏈31、41連接在固定架1上，它們的另一端分別通過(guò)具有三轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的鉸鏈32、42與構(gòu)成第一鉸鏈的內(nèi)環(huán)22連接，所述的三轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的鉸鏈32、42可以采用球鉸鏈或其它形式的等價(jià)結(jié)構(gòu)；動(dòng)平臺(tái)5固定安裝在第一長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置2的末端，可提供兩轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的定位頭6安裝在動(dòng)平臺(tái)5的底部。
第一鉸鏈的內(nèi)環(huán)22上連接的兩鉸鏈32、42運(yùn)動(dòng)中心的分布，既可以使其重合，亦可不重合。
定位頭6為子模塊設(shè)計(jì)，由第一框架61和第二框架62構(gòu)成，第一框架61與動(dòng)平臺(tái)5通過(guò)第一轉(zhuǎn)軸相連，并可相對(duì)動(dòng)平臺(tái)5繞軸線(xiàn)21c旋轉(zhuǎn)，第二框架62與第一框架61通過(guò)第二轉(zhuǎn)軸相連，并可相對(duì)第一框架61繞軸線(xiàn)6a旋轉(zhuǎn)，軸線(xiàn)6a與軸線(xiàn)21c垂直。本實(shí)施例中，定位頭6末端安裝了一臺(tái)電主軸。
在此機(jī)構(gòu)中，第一、第二、第三長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置2、3、4均可以沿軸向做伸縮運(yùn)動(dòng)，第一、第二、第三鉸鏈21、31、41分別具有至少兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，以使各長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置均可相對(duì)于固定架1繞各個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)；動(dòng)平臺(tái)5剛性安裝在第一長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置2的末端，使得動(dòng)平臺(tái)5在發(fā)生空間位移時(shí)，其機(jī)構(gòu)的空間姿態(tài)也同時(shí)發(fā)生改變；具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的定位頭6，可在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中隨時(shí)調(diào)整由動(dòng)平臺(tái)5位置變化引起的姿態(tài)變化，其末端可以安裝各種執(zhí)行器，如刀具、焊槍、夾持裝置等。
如圖4所示，第一長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置2包括有背面開(kāi)有槽孔的管狀結(jié)構(gòu)26、位于管狀結(jié)構(gòu)26內(nèi)部的絲杠27、以及與絲杠27構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副并與第一鉸鏈21的內(nèi)環(huán)22剛性連接的絲杠螺母28，管狀結(jié)構(gòu)26的外部沿軸向?qū)ΨQ(chēng)設(shè)置有兩根導(dǎo)軌25。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，管狀結(jié)構(gòu)26連同電機(jī)、絲杠27相對(duì)絲杠螺母28沿軸向運(yùn)動(dòng)。
如圖5所示，設(shè)置在第一長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置2與固定架1之間的第一鉸鏈21，由內(nèi)外兩個(gè)同心環(huán)22、23組成。第一長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置2的管狀結(jié)構(gòu)26的外徑略小于內(nèi)環(huán)22的內(nèi)徑，內(nèi)環(huán)22的內(nèi)壁上開(kāi)有兩個(gè)滑槽與第一長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置2的外徑上設(shè)置的兩根導(dǎo)軌25構(gòu)成滑移副，使得第一長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置2可以相對(duì)于內(nèi)環(huán)22沿軸向滑動(dòng)；內(nèi)環(huán)22通過(guò)前后兩個(gè)共線(xiàn)轉(zhuǎn)軸與外環(huán)23連接，使得第一長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置2和內(nèi)環(huán)22可以同時(shí)相對(duì)外環(huán)23繞軸線(xiàn)21b旋轉(zhuǎn)；外環(huán)23通過(guò)左右兩個(gè)共線(xiàn)轉(zhuǎn)軸與固定架1連接，使得第一長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置2和內(nèi)、外兩環(huán)22、23可以同時(shí)相對(duì)固定架1繞軸線(xiàn)21a旋轉(zhuǎn)。故此，第一長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置2可以相對(duì)固定架1繞各個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，并沿軸向滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度調(diào)節(jié)。
固定架1上對(duì)稱(chēng)設(shè)置有第二鉸鏈31、第三鉸鏈41，均為U形結(jié)構(gòu)；第二長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置3和第三長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置4分別通過(guò)轉(zhuǎn)軸與第二鉸鏈31、第三鉸鏈41連接，使第二長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置3和第三長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置4可以分別相對(duì)第二鉸鏈31、第三鉸鏈41繞水平軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)；第二鉸鏈31、第三鉸鏈41通過(guò)轉(zhuǎn)軸與固定架1連接，從而使第二長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置3和第三長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置4又可以與第二鉸鏈31、第三鉸鏈41同時(shí)相對(duì)固定架1繞豎直軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)。故此，第二長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置3和第三長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置4可以相對(duì)固定架1繞各個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。
本實(shí)施例中，第一長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置2采用了電機(jī)-螺母-滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，第二、第三長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置3、4采用了電機(jī)-帶螺紋花鍵軸的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，第二、第三長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置3、4中的絲杠螺母在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使帶螺紋花鍵軸沿軸向做伸縮運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)第一鉸鏈內(nèi)環(huán)22繞軸線(xiàn)21a或21b轉(zhuǎn)動(dòng)，由于第一長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置2通過(guò)滑移副與第一鉸鏈內(nèi)環(huán)22相連接，上述運(yùn)動(dòng)亦實(shí)現(xiàn)了第一長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置2繞軸線(xiàn)21a或21b的轉(zhuǎn)動(dòng)。在某種情況下，也可以采用液壓結(jié)構(gòu)或氣動(dòng)結(jié)構(gòu)中的任一種作為其驅(qū)動(dòng)方式。
綜上所述，本發(fā)明的五自由度機(jī)器人為模塊化設(shè)計(jì)，包括有固定架、三個(gè)長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置、動(dòng)平臺(tái)和定位頭。其中，固定架的中間部位設(shè)置有第一鉸鏈，該鉸鏈由兩同心環(huán)構(gòu)成，固定架上還對(duì)稱(chēng)設(shè)置有第二、第三鉸鏈；第一長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置2的上部通過(guò)第一鉸鏈21和其與第一鉸鏈構(gòu)成的滑移副設(shè)置在的固定架1上，第二、第三長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置的上部分別通過(guò)兩自由度的鉸鏈31、41與固定架1連接，它們的末端分別與構(gòu)成第一鉸鏈的內(nèi)環(huán)通過(guò)三自由度的鉸鏈連接；動(dòng)平臺(tái)固定安裝在第一長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置的末端；可提供兩轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的定位頭安裝在動(dòng)平臺(tái)的底部。這種設(shè)置方式，使第一長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置2可以相對(duì)于固定架1繞各個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，并沿軸向做伸縮運(yùn)動(dòng)；同時(shí)還使第二長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置3和第三長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置4相對(duì)于固定架1實(shí)現(xiàn)繞各個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，并沿軸向做伸縮運(yùn)動(dòng)。由于動(dòng)平臺(tái)5上安裝了具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的定位頭6，所以末端執(zhí)行器可實(shí)現(xiàn)五自由度運(yùn)動(dòng)。
由于本發(fā)明為模塊化設(shè)計(jì)，可以通過(guò)固定架1上的機(jī)械接口與固定龍門(mén)結(jié)構(gòu)、大距離或大角度進(jìn)給機(jī)構(gòu)以及活動(dòng)機(jī)架連接使用，還可將若干臺(tái)本發(fā)明機(jī)器人安裝在同一個(gè)固定結(jié)構(gòu)上聯(lián)合作業(yè)。
以上對(duì)本發(fā)明及其實(shí)施方式的描述是示意性的，沒(méi)有限制性，附圖中所示的也只是本發(fā)明的實(shí)施方式之一，實(shí)際的結(jié)構(gòu)并不局限于此。所以，如果本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員受其啟示，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造宗旨的情況下，采用其它固定架布局、長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置、鉸鏈以及定位頭的結(jié)構(gòu)方式所做出的實(shí)施例，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.五自由度機(jī)器人，包括固定架、第一長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置、第二長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置、第三長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置、動(dòng)平臺(tái)和定位頭，固定架的中間部位設(shè)置有第一鉸鏈，該鉸鏈由內(nèi)、外同心環(huán)構(gòu)成，第一長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置的上部通過(guò)所述第一鉸鏈和其與第一鉸鏈構(gòu)成的滑移副設(shè)置在固定架上，動(dòng)平臺(tái)固定安裝在第一長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置的末端，可提供兩轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的定位頭安裝在所述動(dòng)平臺(tái)的底部，其特征在于所述固定架兩側(cè)對(duì)稱(chēng)地連接有第二、第三鉸鏈，所述第二、第三長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置一端分別與所述第二、第三鉸鏈相連，其另一端分別通過(guò)具有三轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的鉸鏈與構(gòu)成第一鉸鏈的內(nèi)環(huán)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的五自由度機(jī)器人，其特征在于所述第一長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置包括有背面開(kāi)有槽孔的管狀結(jié)構(gòu)、設(shè)置在管狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部的絲杠以及與絲杠形成運(yùn)動(dòng)副的絲杠螺母，所述管狀結(jié)構(gòu)的外周面沿軸向設(shè)置有兩根導(dǎo)軌。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的五自由度機(jī)器人，其特征在于所述第二、三長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置分別由管結(jié)構(gòu)、位于所述管結(jié)構(gòu)內(nèi)部的帶有螺紋的花鍵軸以及與所述的花鍵軸形成運(yùn)動(dòng)副的絲杠螺母構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的五自由度機(jī)器人，其特征在于所述第一鉸鏈的外環(huán)通過(guò)左右兩個(gè)共線(xiàn)轉(zhuǎn)軸與固定架相連接，內(nèi)環(huán)與外環(huán)通過(guò)其前后兩個(gè)共線(xiàn)轉(zhuǎn)軸相連接，所述內(nèi)環(huán)的內(nèi)壁上開(kāi)有兩個(gè)滑槽并與所述第一長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置中管狀結(jié)構(gòu)外部的兩根導(dǎo)軌構(gòu)成滑移副。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的五自由度機(jī)器人，其特征在于所述的第二、第三鉸鏈為“U”型結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的五自由度機(jī)器人，其特征在于所述的定位頭由第一框架和第二框架構(gòu)成，第一框架與動(dòng)平臺(tái)通過(guò)第一轉(zhuǎn)軸相連，第二框架與第一框架通過(guò)第二轉(zhuǎn)軸相連，所述第一轉(zhuǎn)軸和第二轉(zhuǎn)軸的軸線(xiàn)相互垂直。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的五自由度機(jī)器人，其特征在于連接在所述第一鉸鏈內(nèi)環(huán)上的兩鉸鏈運(yùn)動(dòng)中心的分布為重合或不重合。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了五自由度機(jī)器人，包括固定架、第一、第二、第三長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置、動(dòng)平臺(tái)和定位頭，固定架的中間部位設(shè)置有由內(nèi)、外同心環(huán)構(gòu)成的第一鉸鏈，第一長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置的上部通過(guò)所述第一鉸鏈和其與第一鉸鏈構(gòu)成的滑移副設(shè)置在固定架上，動(dòng)平臺(tái)固定安裝在第一長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置的末端，定位頭安裝在所述動(dòng)平臺(tái)的底部，所述固定架兩側(cè)對(duì)稱(chēng)地連接有第二、第三鉸鏈，所述第二、第三長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置一端分別與所述第二、第三鉸鏈相連，其另一端分別通過(guò)鉸鏈與構(gòu)成第一鉸鏈的內(nèi)環(huán)連接。本發(fā)明機(jī)器人，在結(jié)構(gòu)上具有運(yùn)動(dòng)空間放大的特點(diǎn)，即雖然第二、第三長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置的調(diào)節(jié)行程較小，但是位于第一長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置末端的動(dòng)平臺(tái)和定位頭可以產(chǎn)生大的空間運(yùn)動(dòng)。
文檔編號(hào)B25J9/00GK1709657SQ200510014459
公開(kāi)日2005年12月21日 申請(qǐng)日期2005年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月11日
發(fā)明者黃田, 劉海濤, 李曚 申請(qǐng)人:天津大學(xué)