專利名稱：一類可重構(gòu)工業(yè)機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明隸屬于工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，涉及并聯(lián)機(jī)構(gòu)、串聯(lián)機(jī)構(gòu)、協(xié)作機(jī)構(gòu)與可拆分并聯(lián)機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
串聯(lián)機(jī)構(gòu)是指把機(jī)器人關(guān)節(jié)或運(yùn)動(dòng)副依次用連桿連接而成的開環(huán)鏈?zhǔn)綑C(jī)構(gòu)。并聯(lián)機(jī)構(gòu)是 指由兩個(gè)或兩個(gè)以上串聯(lián)機(jī)構(gòu)并行連接到一個(gè)公共基座和一個(gè)公共動(dòng)平臺(tái)，機(jī)構(gòu)具有兩個(gè)或 兩個(gè)以上自由度，且以并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)由于具有剛度重量比大、承載 能力強(qiáng)、誤差累積小、動(dòng)態(tài)性能好、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，近年來被廣泛應(yīng)用丁眾多技術(shù)領(lǐng)域， 但是與串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比，其可用工作空間比較小，存在較多奇異形位，對部分高自由度并聯(lián)機(jī) 構(gòu)而言，其安裝精度要求較卨，這些缺點(diǎn)又進(jìn)一步限制了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用范圍。而串聯(lián)機(jī)構(gòu) 的特點(diǎn)是可以獲得較大的工作空間，但是其剛性比較差，支鏈一般較長，末端的位置誤差是 各個(gè)連桿和關(guān)節(jié)誤差的累加，因而誤差累計(jì)較大。并聯(lián)機(jī)構(gòu)和串聯(lián)機(jī)構(gòu)在性能上的優(yōu)缺點(diǎn)是 互補(bǔ)的。
協(xié)作機(jī)構(gòu)是指通過兩個(gè)獨(dú)立的機(jī)構(gòu)，這兩個(gè)獨(dú)立的機(jī)構(gòu)可以是并聯(lián)機(jī)構(gòu)或者串聯(lián)機(jī)構(gòu)， 利用這兩個(gè)機(jī)構(gòu)末端操作器的相對剛體運(yùn)動(dòng)來完成給定機(jī)器人工作運(yùn)動(dòng)任務(wù)的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)。其 優(yōu)點(diǎn)是可以把多自由度的復(fù)雜機(jī)構(gòu)變成少自由度的兩個(gè)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)給定運(yùn)動(dòng)，即可把復(fù)雜機(jī) 構(gòu)簡化，長支鏈變短，從而提高系統(tǒng)的剛性與可靠性；通過這樣的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，可以方便可靠 的實(shí)現(xiàn)不同獨(dú)立機(jī)構(gòu)的組合獲得不同的自由度類型，以滿足不同機(jī)器人作業(yè)任務(wù)的需要，從 而方便可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自由度可重構(gòu)，大多數(shù)情況卜一還可以實(shí)現(xiàn)自由度自重構(gòu)。
可拆分并聯(lián)機(jī)構(gòu)是指一個(gè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的支鏈可以與動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連接或者拆分，當(dāng)一個(gè) 工作任務(wù)需要高剛性的并聯(lián)機(jī)構(gòu)來完成時(shí)，它工作在并聯(lián)機(jī)構(gòu)狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)需要獲得較大的 空間，而對剛性的要求不高時(shí)，機(jī)構(gòu)的支鏈與動(dòng)平臺(tái)自動(dòng)分開，工作在串聯(lián)機(jī)構(gòu)狀態(tài)?？刹?分并聯(lián)機(jī)構(gòu)適用于多工作任務(wù)和作業(yè)任務(wù)性能要求多樣性的場合，可方便可靠的實(shí)現(xiàn)fi由度 的自重構(gòu)。
迄今，在并聯(lián)機(jī)構(gòu)研究方面，少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)己經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。相對于六自由度 并聯(lián)機(jī)構(gòu)，少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)f其特有的性質(zhì)其結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)、制造及控制成本相對較 低。其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，如輕工、醫(yī)藥、食品和電子行業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)線，加工制造業(yè)、 自動(dòng)化裝配，PCB (印刷線路板)的貼片機(jī)構(gòu)，自由曲面拋光機(jī)構(gòu)等。本發(fā)明以結(jié)構(gòu)簡單而性 能可靠的少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過具有不同自由度類型的少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的不同組 合而形成多種功能的協(xié)作機(jī)構(gòu)，而部分并聯(lián)機(jī)構(gòu)又根據(jù)實(shí)際需要可以設(shè)計(jì)成可拆分并聯(lián)機(jī)構(gòu)， 實(shí)現(xiàn)功能的進(jìn)一步多樣化，并能充分發(fā)揮并聯(lián)機(jī)構(gòu)和串聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，避免它們的缺點(diǎn)。本發(fā)明的特色表現(xiàn)在提供一類可重構(gòu)工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，該類機(jī)構(gòu)系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際需 要進(jìn)行自由度類型重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)功能的任務(wù)需求。
本發(fā)明的所采用的技術(shù)方案是協(xié)作機(jī)構(gòu)和可拆分并聯(lián)機(jī)構(gòu)。
其工作原理是通過不同的少自由度并聯(lián)或串聯(lián)機(jī)構(gòu)的組合組成協(xié)作機(jī)構(gòu)，可以快捷可靠 的實(shí)現(xiàn)不同自由度類型的重構(gòu)，適用于不同的機(jī)器人作業(yè)任務(wù)的需要；又可以通過可拆分并 聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了另外一種自動(dòng)重構(gòu)，應(yīng)用于對機(jī)構(gòu)剛性和工作空間的不同需要的場合。
本發(fā)明機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)多功能性，部分機(jī)構(gòu)在整體工作過程中被多次重復(fù)利 用，從而用較少的自由度個(gè)數(shù)實(shí)現(xiàn)更多的功能性，符合綠色設(shè)計(jì)和可再生設(shè)計(jì)思想，具有良 好的環(huán)保功能。其重構(gòu)過程快捷可靠，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制簡單且易于對運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行反饋控制， 可應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)多任務(wù)加工、制造、裝配、檢測等場合。


圖1:本發(fā)明實(shí)施樣例1機(jī)構(gòu)簡圖。
圖2:圖1所示機(jī)構(gòu)CAD模型。
圖3:本發(fā)明實(shí)施樣例2機(jī)構(gòu)簡圖。
圖4:圖3所示機(jī)構(gòu)CAD模型。
圖5:本發(fā)明樣例2的不同安裝方式模型圖。
圖1、 2中l(wèi).旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，2.運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，3.旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，4.旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，5.末端操作器，6. 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，7.直線關(guān)節(jié)，8.旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，9.直線關(guān)節(jié)，IO.旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，ll.旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，12.電磁 鐵連接接口， 13.旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，14.抓取器。
圖3、 4中l(wèi).抓取器，2.旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，3.旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，4.旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，5.旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，6.旋轉(zhuǎn)關(guān)， 7.球關(guān)節(jié)，8.直線驅(qū)動(dòng)，9.直線驅(qū)動(dòng)，IO.動(dòng)平臺(tái)，ll.基座，12.直線驅(qū)動(dòng)，13旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)， 14.直線驅(qū)動(dòng)，15.球關(guān)節(jié)，16.旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，17.球關(guān)節(jié)，18.定位平臺(tái)直線驅(qū)動(dòng)，19.導(dǎo)軌， 20.定位平臺(tái)，21.導(dǎo)軌，22.定位平臺(tái)直線驅(qū)動(dòng)，23.安裝機(jī)架。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例及其附圖進(jìn)一步敘述本發(fā)明。
實(shí)施樣例h
圖1為本發(fā)明中的可重構(gòu)機(jī)器人的第一個(gè)實(shí)施例機(jī)構(gòu)簡圖。該機(jī)構(gòu)由三個(gè)支鏈組成，分 別是由關(guān)節(jié)l、 3、 4與連桿組成的3自由度支鏈l;由關(guān)節(jié)6、 7、 8與連桿組成的3自由 度支鏈2;由關(guān)節(jié)9、 10、 11、 13與連桿組成的4自由度支鏈3。支鏈3可以實(shí)現(xiàn)抓取-放置 運(yùn)動(dòng)，它在工作過程中負(fù)責(zé)抓取需要加工的工件并定位到支鏈1的動(dòng)平臺(tái)2上，由動(dòng)平臺(tái)2 上的自動(dòng)夾具實(shí)現(xiàn)對工件的加緊，在工件抓取與放置完畢后，支鏈1與支鏈3通過電磁鐵接 口 12粘合到一起，支鏈1和支鏈3組成5連桿2自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，此時(shí)，該2自由度并聯(lián)機(jī) 構(gòu)與支鏈2通過相互協(xié)作，利用動(dòng)平臺(tái)2與支鏈2上的末端操作器5之間的相對運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)需要加工的運(yùn)動(dòng)任務(wù)。支鏈2是可替換機(jī)構(gòu)，可以根據(jù)不同的加工需要，替換成l自由度平移、 1轉(zhuǎn)動(dòng)1移動(dòng)和1移動(dòng)2轉(zhuǎn)動(dòng)等自由度類型的機(jī)構(gòu)，也可以用實(shí)現(xiàn)需要類型的自由度的并聯(lián) 機(jī)構(gòu)替換。待加工完畢，電磁鐵接口12斷電，支鏈1和支鏈3分開，支鏈l把完成加工的工 件傳送到下一道加工的工位，而支鏈3繼續(xù)抓取未加工工件，進(jìn)入下一個(gè)加工循環(huán)。
在這一實(shí)施例中，機(jī)構(gòu)通過電磁鐵接口，把2個(gè)串聯(lián)機(jī)構(gòu)連接到一個(gè)公共的動(dòng)平臺(tái)2上 而組成了并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其它特點(diǎn)是可以充分利用了串聯(lián)機(jī)構(gòu)工作空間比較大的優(yōu)點(diǎn)，而又利用 了在并聯(lián)機(jī)構(gòu)的剛性好，精度高的優(yōu)點(diǎn)，而避免了串聯(lián)機(jī)構(gòu)剛性差和并聯(lián)機(jī)構(gòu)工作空間小的 缺點(diǎn)。并且整個(gè)機(jī)構(gòu)在工作過程中部分自由度被重復(fù)利用，與傳統(tǒng)的流水線作業(yè)相比可以節(jié) 約能源，實(shí)現(xiàn)綠色化制造，其結(jié)構(gòu)也比較緊湊，用戶可以根據(jù)不同的加工需要，之需要更換 支鏈2即可，因此可以實(shí)現(xiàn)多功能性和適應(yīng)不同的需要。
實(shí)施樣例2:
圖3為本發(fā)明中利用高性能少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的不同組合成不同協(xié)作機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)自由度 重構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例。該機(jī)構(gòu)包括三個(gè)功能獨(dú)立的并聯(lián)機(jī)構(gòu)模塊，分別是模塊1如圖3 (a)所 示，是用于抓取放置操作的平面2自由度5連桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)；模塊2如圖2 (b)所示，是用于 加工操作的1移動(dòng)2轉(zhuǎn)動(dòng)3PRS并聯(lián)機(jī)構(gòu)；模塊3如圖3 (c)所示，是用于加工時(shí)工件定位 的平面2自由度并聯(lián)定位平臺(tái)。模塊3是一種并聯(lián)定位平臺(tái)，它的優(yōu)點(diǎn)是可以在垂直于定位 平臺(tái)平面的方向上有比較好的剛性，并且是一種解耦機(jī)構(gòu)，方便實(shí)現(xiàn)位置控制以及實(shí)現(xiàn)高精 度定位。該機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的工作原理是由模塊1實(shí)現(xiàn)把需要加工的工件抓取并放置到模塊3上， 實(shí)現(xiàn)裝夾與定位后，由模塊2與模塊3相互協(xié)作，組成協(xié)作機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)加工運(yùn)動(dòng)。待加工完 畢，模塊1負(fù)責(zé)把完成的工件搬運(yùn)到指定位置，接著抓取下一個(gè)待加工工件。即模塊1與模 塊3組成協(xié)作機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)工件的裝夾與卸載，模塊2與模塊3組成協(xié)作機(jī)構(gòu)，完成加工運(yùn)動(dòng)， 模塊3在整個(gè)工作過程中被重復(fù)利用，實(shí)現(xiàn)自由度類型的重構(gòu)。
在這一實(shí)施例中，通過利用少自由度高性能的并聯(lián)機(jī)構(gòu)的不同組合獲得具有不同類型自 由度的協(xié)作機(jī)構(gòu)，與多自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)相比，它可以獲得更好的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能，工作 空間得到改善，并且少自由度與多自由度相比，可以簡化設(shè)計(jì)，獲得更好的剛性與可靠性。 通過不同的組合，部分模塊在工作過程中被重復(fù)利用，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置。該系統(tǒng)統(tǒng)一適用 于多加工任務(wù)的工業(yè)作業(yè)。
實(shí)施樣例3:
圖5為本發(fā)明中實(shí)施樣例2中的不同安裝方式實(shí)現(xiàn)的不同功能，和樣例2的區(qū)別在于把 樣例2中的模塊1水平安裝。本樣例主要應(yīng)用于多任務(wù)裝配作業(yè)，比如裝配一個(gè)產(chǎn)品需要把 N個(gè)零件裝配到一起，那么可以通過模塊l抓取相應(yīng)的零件，然后模塊1與模塊2進(jìn)行協(xié)作， 首先是模塊1把需要安裝的工件放置到模塊2的操作器上，由模塊2與模塊3進(jìn)行協(xié)作，實(shí) 現(xiàn)把零件裝配到產(chǎn)品上，利用模塊2進(jìn)行裝配主要是因?yàn)槟K2可以實(shí)現(xiàn)任意姿態(tài)下的安裝，待所有零件安裝完畢，模塊1把完成的產(chǎn)品搬運(yùn)到指定位置。
在此實(shí)施例中，主要是模塊1和模塊3進(jìn)行協(xié)作，完成把需要裝配的零件傳送到模塊2 的裝夾器上，再由模塊2與模塊3進(jìn)行協(xié)作，完成裝配動(dòng)作，待裝配完成，模塊l又與模塊 3協(xié)作，實(shí)現(xiàn)把完成的產(chǎn)品卸載。
本發(fā)明專利不限于以上實(shí)施樣例。
權(quán)利要求
1.一類可重構(gòu)工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，該機(jī)器人機(jī)構(gòu)包含兩類可以實(shí)現(xiàn)自由度類型重構(gòu)的機(jī)構(gòu)一類是通過兩個(gè)獨(dú)立機(jī)構(gòu)的相互作用，利用其末端操作器的相對剛體運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)給定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)任務(wù)的協(xié)作機(jī)構(gòu)；二類是支鏈可以實(shí)現(xiàn)與動(dòng)平臺(tái)自動(dòng)連接或者拆分的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，協(xié)作機(jī)構(gòu)可方便快捷地將不同自由度類型的機(jī)構(gòu)的進(jìn)行組合，從而獲得不同的剛體運(yùn)動(dòng)，而可拆分并聯(lián)機(jī)構(gòu)的支鏈可以通過拆分與連接到共同的動(dòng)平臺(tái)，使得機(jī)構(gòu)可以工作在串聯(lián)機(jī)構(gòu)狀態(tài)或者并聯(lián)機(jī)構(gòu)狀態(tài)，從而獲得多種不同自由度類型運(yùn)動(dòng)。
2. 按照權(quán)利要求l所述的可重構(gòu)工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，其特征在于該類可重構(gòu)工業(yè)機(jī)器人 通過協(xié)作機(jī)構(gòu)或可拆分并聯(lián)機(jī)構(gòu)或者這兩種機(jī)構(gòu)兼有之，機(jī)器人可根據(jù)不同的作業(yè)任務(wù)需要 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)重構(gòu)或者人為重構(gòu)，從而獲得機(jī)器人作業(yè)所需要的不同自由度類型；協(xié)作機(jī)構(gòu)中的 兩個(gè)獨(dú)立機(jī)構(gòu)可以包含相同的自由度類型或者完全不同的自由度類型，但其末端操作器的相 對剛體運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)需要的運(yùn)動(dòng)自由度；可拆分并聯(lián)機(jī)構(gòu)可工作在串聯(lián)機(jī)構(gòu)狀態(tài)或者鏈接到一 個(gè)共同的動(dòng)平臺(tái)而工作在并聯(lián)機(jī)構(gòu)狀態(tài)，該機(jī)構(gòu)可充分發(fā)揮并聯(lián)和串聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)而避免它 們的缺點(diǎn)，該類可重構(gòu)機(jī)器人機(jī)構(gòu)適用于多作業(yè)任務(wù)或作業(yè)任務(wù)性能要求多樣性的工作場合， 通過機(jī)器人重構(gòu)的方式適應(yīng)多種作業(yè)任務(wù)的需要。
3. 按照權(quán)利要求2所述一類可重構(gòu)工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，該類機(jī)構(gòu)可以根據(jù)實(shí)際工作任務(wù)的 需要，包含多個(gè)協(xié)作機(jī)構(gòu)與可拆分并聯(lián)機(jī)構(gòu)，該類可重構(gòu)工業(yè)機(jī)器人在工作過程中部分自由 度可以多次被重復(fù)利用，從而用較少的自由度數(shù)實(shí)現(xiàn)較多的功能。
全文摘要
本發(fā)明公開一類可重構(gòu)工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，它涉及一類自由度類型可變的工業(yè)機(jī)器人。該類型機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是通過協(xié)作機(jī)構(gòu)、可拆分并聯(lián)機(jī)構(gòu)或兩者兼有來實(shí)現(xiàn)自由度類型的重構(gòu)。協(xié)作機(jī)構(gòu)是指利用兩個(gè)獨(dú)立的機(jī)構(gòu)的末端操作器的相對剛體運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)給定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)任務(wù)的機(jī)構(gòu)，可拆分并聯(lián)機(jī)構(gòu)是指支鏈可以實(shí)現(xiàn)與動(dòng)平臺(tái)自動(dòng)連接或者拆分的一類特殊并聯(lián)機(jī)構(gòu)。協(xié)作機(jī)構(gòu)可方便地將不同自由度類型機(jī)構(gòu)進(jìn)行組合以獲得不同的剛體運(yùn)動(dòng)，而可拆分并聯(lián)機(jī)構(gòu)的支鏈可以通過拆分與連接到共同的動(dòng)平臺(tái)，使得機(jī)構(gòu)可工作在串聯(lián)或者并聯(lián)機(jī)構(gòu)狀態(tài)，從而獲得多種不同自由度類型的運(yùn)動(dòng)。該類機(jī)構(gòu)可根據(jù)實(shí)際任務(wù)需要，包含多個(gè)協(xié)作機(jī)構(gòu)與可拆分并聯(lián)機(jī)構(gòu)，且該類可重構(gòu)工業(yè)機(jī)器人在工作中部分自由度可被多次重復(fù)利用，從而用較少的自由度數(shù)實(shí)現(xiàn)較多的功能，因此它適用于多作業(yè)任務(wù)和作業(yè)任務(wù)性能要求多樣性的工作場合。
文檔編號(hào)B25J9/00GK101633166SQ20091010848
公開日2010年1月27日 申請日期2009年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月13日
發(fā)明者兵 李, 楊曉鈞, 黃海林 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院