一種基于平動并聯機構的六自由度機械臂的制作方法

本發明涉及一種基于平動并聯機構的六自由度機械臂。

背景技術：

串聯機器人因其工作空間大、結構簡單、易于控制等優點在工業生產中得到了廣泛應用。但在某些行業，需要機械手能高速、平穩、精確地執行對物體進行抓取、分揀等操作；考慮到執行對象的不同，有時也會對末端執行器操作的力度和安全性有較高的要求。串聯機器人由于驅動電機和傳動系統都安裝在運動部件上，系統慣量大，動態性能差，不適合完成高速高精度的細微操作，而且高速下系統的安全性較低，一旦機械臂脫出后果不堪設想。

并聯機構為動平臺和靜平臺通過至少兩個獨立的運動鏈相連接，具有兩個或兩個以上的自由度，且以并聯方式驅動的一種閉環機構。和串聯機器人相比，并聯機器人具有以下優點：累積誤差小、精度較高；驅動裝置可置于定平臺上或接近定平臺的位置，運動部分重量輕，速度高，動態響應好；結構緊湊，剛度高，承載能力大，安全性好。因此，并聯機器人在對設備剛度、運動速度、定位精度、負載能力或系統安全性要求較高的場合應用較為廣泛。

delta機器人是一類典型的并聯機器人，因其高速、高運動靈巧性在食品、醫藥等行業的分揀工作中應用較為普遍，但它只能完成從一個平面到另一個平行平面的操作，缺乏在曲面或非平行的平面間操作的能力，而且其末端執行器只有一個回轉自由度，以上因素都限制了它的進一步推廣和應用，因此有必要研發一種新型的并聯機器人，在繼承delta機器人高速、輕型、靈巧等優點的基礎上，解決在非平行平面間或曲面上移動和操作的問題。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是提供一種基于平動并聯機構的六自由度機械臂，繼承delta機器人高速、輕型、靈巧等優點的同時解決delta機器人無法在非平行平面間或曲面上移動和操作的問題。

為了解決上述技術問題，本發明采取以下技術方案：

一種基于平動并聯機構的六自由度機械臂，包括機座，還包括機械臂主體和兩組設置在機座上的三自由度平動并聯機構，機械臂主體包括近端動平臺、遠端動平臺、推桿和末端執行器，近端動平臺與其中一個三自由度平動并聯機構連接，遠端動平臺與另外一個三自由度平動并聯機構連接，推桿一端通過近端運動副與近端動平臺轉動連接、另一端穿過遠端動平臺與末端執行器連接，推桿與遠端動平臺之間通過遠端運動副連接，推桿通過該遠端運動副能夠相對于遠端動平臺作出沿遠端動平臺法線的轉動運動、和沿與遠端動平臺平行的水平軸上的轉動運動、以及與推桿中心軸線方向的移動運動。

所述遠端運動副由第一轉動副、第二轉動副和移動副串聯構成，第一轉動副在遠端動平臺上設置形成，該第一轉動副的軸線與遠端動平臺的法線重合，第二轉動副與第一轉動副轉動連接，該第二轉動副的軸線與遠端動平臺的法線垂直，推桿與第二轉動副串聯安裝形成移動副，該移動副的軸線與推桿中心軸線重合，末端執行器與第二轉動副固定連接。

所述近端運動副為球副。

所述近端運動副由兩個串聯的法線轉動副和水平軸轉動副構成，法線轉動副在近端動平臺上設置形成，該法線轉動副的軸線與近端動平臺的法線重合，水平軸轉動副與法線轉動副轉動連接，該水平軸轉動副的軸線與近端動平臺的法線垂直。

所述近端動平臺位于遠端動平臺與機座之間。

所述末端執行器包括固定連接座、連桿和夾鉗，固定連接座與遠端運動副中的第二轉動副固定連接，連桿一端與推桿轉動連接、另一端與夾鉗轉動連接，夾鉗還與固定連接座轉動連接。

所述末端執行器為法蘭盤，該法蘭盤與遠端運動副中的第二轉動副固定連接，并且該法蘭盤與推桿連接形成螺旋副。

本發明通過兩個三自由度平動并聯機構控制機械臂主體的三個平動，兩個轉動和一個張合運動，使得末端執行器能夠實現高速高精度的靈巧運動，其結構剛度高，動態響應好，整個機構沒有驅動電機安置于動平臺上，可完成抓取、夾持等操作，在工業、農業、日常生活和醫療保健等行業有廣泛的應用前景。

附圖說明

附圖1為本發明的立體示意圖；

附圖2為本發明的俯視結構示意圖；

附圖3為附圖2中的a處放大結構示意圖；

附圖4為本發明中遠端運動副的局部結構示意圖；

附圖5為本發明中末端執行器的局部結構示意圖；

附圖6為本發明完成水平方向運動的初始示意圖；

附圖7為本發明完成水平方向運動的狀態示意圖；

附圖8為本發明完成豎直方向運動的初始示意圖；

附圖9為本發明完成豎直方向運動的狀態示意圖；

附圖10為本發明中末端執行器跟隨第二轉動副轉動狀態示意圖；

附圖11為本發明中末端執行器繞第一轉動副轉動狀態示意圖。

附圖12為本發明通過近遠端動平臺差動運動完成末端執行器張開運動的示意圖；

附圖13為本發明通過近遠端動平臺差動運動完成末端執行器閉合運動的示意圖；

附圖14為本發明末端執行器為法蘭盤的立體結構示意圖；

附圖15為附圖14中b處的放大示意圖；

附圖16為附圖15的剖面示意圖。

具體實施方式

為能進一步了解本發明的特征、技術手段以及所達到的具體目的、功能，下面結合附圖與具體實施方式對本發明作進一步詳細描述。

如附圖1、2和3所示，本發明揭示了一種基于平動并聯機構的六自由度機械臂，包括機座1，還包括機械臂主體和兩組設置在機座1上的三自由度平動并聯機構2，機械臂主體包括近端動平臺4、遠端動平臺3、推桿7和末端執行器5，近端動平臺4與其中一個三自由度平動并聯機構連接，遠端動平臺3與另外一個三自由度平動并聯機構連接，推桿7一端通過近端運動副6與近端動平臺4轉動連接、另一端穿過遠端動平臺3與末端執行器5連接，推桿7與遠端動平臺3之間通過遠端運動副8連接，推桿7通過該遠端運動副8能夠相對于遠端動平臺作出沿遠端動平臺法線的轉動運動、和沿與遠端動平臺平行的水平軸上的轉動運動、以及與推桿中心軸線方向的移動運動。兩個三自由度平動并聯機構分別帶動近端動平臺和遠端動平臺實現三個自由度的運動，實現在x軸、y軸和z軸方向的三個平動運動。該三自由度平動并聯機構并無特定結構，只要能夠滿足在x軸、y軸和z軸方向的運動即可。推桿利用近端運動副，可實現推桿軸線、和沿與近端動平臺表面平行的水平方向的兩個方向的轉動運動。近端動平臺設置在機座與遠端動平臺之間，即近端動平臺相對于遠端動平臺而言更加靠近于機座。通過推桿將近端動平臺、遠端動平臺和末端執行器連接，實現運動傳遞到末端執行器。

如附圖4和5所示，所述遠端運動副8由第一轉動副81、第二轉動副82和移動副83串聯構成，第一轉動副81在遠端動平臺上設置形成，該第一轉動副81的軸線與遠端動平臺3的法線重合，第二轉動副82與第一轉動81副轉動連接，該第二轉動副82的軸線與遠端動平臺3的法線垂直，推桿7與第二轉動副82串聯安裝形成移動副83，該移動副83的軸線與推桿中心軸線重合，末端執行器與第二轉動副固定連接。通過以上的第一轉動副、第二轉動副和移動副，使得推桿相對于遠端動平臺，能夠精確的作出繞遠端動平臺法線方向的轉動，和遠端動平臺水平軸方向的轉動，以及推桿自身中心軸線方向的移動，從而形成三個自由度的運動，進一步帶動末端執行器作出三自由度運動。通過該推桿與遠端動平臺的約束關系，可將遠端動平臺的三軸平動傳遞到末端執行器，使該末端執行器發生相應三個方向的移動。

所述近端運動副6為球副。或者近端運動副由兩個串聯的法線轉動副和水平軸轉動副構成，法線轉動副在近端動平臺上設置形成，該法線轉動副的軸線與近端動平臺的法線重合，水平軸轉動副與法線轉動副轉動連接，該水平軸轉動副的軸線與近端動平臺的法線垂直。保證推桿相對于近端動平臺能夠做出兩個方向轉動（推桿軸線、近端動平臺水平方向）運動即可。

如附圖3所示，所述末端執行器5包括固定連接座51、連桿52和夾鉗53，固定連接座51與遠端運動副8中的第二轉動副82固定連接，連桿52一端與推桿7轉動連接、另一端與夾鉗53轉動連接，夾鉗53還與固定連接座51轉動連接。通過固定連接座與第二轉動副的固定連接，并且推桿從中穿過，有效提高了末端執行器的結構強度和穩定性，從而保證輸出運動的平穩可靠。利用推桿沿其自身中心軸線的前后移動，從而帶動夾鉗的張開和閉合動作。再利用推桿的兩個方向轉動，還可以帶動夾鉗的兩個方向的轉動。

另外，末端執行器還可以為其他結構形式，將近端動平臺和遠端動平臺沿移動副方向的差動運動轉換成末端執行器繞移動副軸線的轉動，從而實現三平動三轉動的空間全自由度運動，適應不同場合的需求。如附圖14-16所示，末端執行器為法蘭盤9，該法蘭盤與遠端運動副8中的第二轉動副82連接形成轉動副，此時法蘭盤可繞推桿軸線方向發生轉動。該法蘭盤9與推桿7連接形成螺旋副，則近端動平臺4和遠端動平臺3沿推桿中心軸線方向的差動運動通過推桿7及螺旋副配合傳遞到法蘭盤，使其繞同一軸線發生轉動，實現三平動三轉動的空間全自由度運動。

如附圖6-9所示，由兩個三自由度平動并聯機構帶動近端動平臺和遠端動平臺在x軸、y軸和z軸三個方向的平動運動，進而利用推桿與遠端動平臺的約束關系，將遠端動平臺的三軸平動傳遞到末端執行器，使該末端執行器對應的三個自由度上的運動。

如附圖10和11所示，近端運動副使近端動平臺與推桿相連，并與遠端運動副相配合，推動推桿，從而將兩個動平臺的，在與上下兩個運動副（近端運動副和第二轉動副）連線相垂直的平面里兩個正交方向的差動運動，轉化成末端執行器的兩個轉動，為兩個轉動自由度。

如附圖12和13所示，當推桿受到三自由度平動并聯機構的帶動朝向遠端動平臺方向移動時，連桿與推桿發生相對轉動，連桿收縮靠近推桿，帶動夾鉗張開。當推桿向著機座方向移動時，連桿與推桿發生相對轉動，連桿張開遠離推桿，夾鉗閉合。從而實現夾鉗的張合，為一個轉動自由度。

需要說明的是，以上僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，盡管參照實施例對本發明進行了詳細的說明，對于本領域的技術人員來說，其依然可以對前述實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換，但是凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。