一類可重構工業機器人的製作方法

2023-05-30 19:21:51

專利名稱：一類可重構工業機器人的製作方法
技術領域：
本發明隸屬於工業機器人領域，涉及並聯機構、串聯機構、協作機構與可拆分並聯機構。
背景技術：
串聯機構是指把機器人關節或運動副依次用連杆連接而成的開環鏈式機構。並聯機構是 指由兩個或兩個以上串聯機構並行連接到一個公共基座和一個公共動平臺，機構具有兩個或 兩個以上自由度，且以並聯方式驅動的機構。並聯機器人機構由於具有剛度重量比大、承載 能力強、誤差累積小、動態性能好、結構緊湊等特點，近年來被廣泛應用丁眾多技術領域， 但是與串聯機構相比，其可用工作空間比較小，存在較多奇異形位，對部分高自由度並聯機 構而言，其安裝精度要求較卨，這些缺點又進一步限制了並聯機構的應用範圍。而串聯機構 的特點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 各個連杆和關節誤差的累加，因而誤差累計較大。並聯機構和串聯機構在性能上的優缺點是 互補的。
協作機構是指通過兩個獨立的機構，這兩個獨立的機構可以是並聯機構或者串聯機構， 利用這兩個機構末端操作器的相對剛體運動來完成給定機器人工作運動任務的機構系統。其 優點是可以把多自由度的複雜機構變成少自由度的兩個機構來實現給定運動，即可把複雜機 構簡化，長支鏈變短，從而提高系統的剛性與可靠性；通過這樣的機構系統，可以方便可靠 的實現不同獨立機構的組合獲得不同的自由度類型，以滿足不同機器人作業任務的需要，從 而方便可靠地實現系統的自由度可重構，大多數情況卜一還可以實現自由度自重構。
可拆分並聯機構是指一個並聯機構的支鏈可以與動平臺實現自動連接或者拆分，當一個 工作任務需要高剛性的並聯機構來完成時，它工作在並聯機構狀態，當系統需要獲得較大的 空間，而對剛性的要求不高時，機構的支鏈與動平臺自動分開，工作在串聯機構狀態。可拆 分並聯機構適用於多工作任務和作業任務性能要求多樣性的場合，可方便可靠的實現fi由度 的自重構。
迄今，在並聯機構研究方面，少自由度並聯機構己經成為研究的熱點。相對於六自由度 並聯機構，少自由度並聯機構f其特有的性質其結構簡單，設計、製造及控制成本相對較 低。其應用領域不斷擴展，如輕工、醫藥、食品和電子行業的自動化生產線，加工製造業、 自動化裝配，PCB (印刷線路板)的貼片機構，自由曲面拋光機構等。本發明以結構簡單而性 能可靠的少自由度並聯機構為基礎，通過具有不同自由度類型的少自由度並聯機構的不同組 合而形成多種功能的協作機構，而部分並聯機構又根據實際需要可以設計成可拆分並聯機構， 實現功能的進一步多樣化，並能充分發揮並聯機構和串聯機構的優點，避免它們的缺點。本發明的特色表現在提供一類可重構工業機器人機構，該類機構系統能夠根據實際需 要進行自由度類型重構，實現多種運動功能的任務需求。
本發明的所採用的技術方案是協作機構和可拆分並聯機構。
其工作原理是通過不同的少自由度並聯或串聯機構的組合組成協作機構，可以快捷可靠 的實現不同自由度類型的重構，適用於不同的機器人作業任務的需要；又可以通過可拆分並 聯機構實現了另外一種自動重構，應用於對機構剛性和工作空間的不同需要的場合。
本發明機構結構緊湊，可實現系統多功能性，部分機構在整體工作過程中被多次重複利 用，從而用較少的自由度個數實現更多的功能性，符合綠色設計和可再生設計思想，具有良 好的環保功能。其重構過程快捷可靠，機構的運動控制簡單且易於對運動平臺進行反饋控制， 可應用於現代工業多任務加工、製造、裝配、檢測等場合。


圖1:本發明實施樣例1機構簡圖。
圖2:圖1所示機構CAD模型。
圖3:本發明實施樣例2機構簡圖。
圖4:圖3所示機構CAD模型。
圖5:本發明樣例2的不同安裝方式模型圖。
圖1、 2中l.旋轉關節，2.運動平臺，3.旋轉關節，4.旋轉關節，5.末端操作器，6. 旋轉關節，7.直線關節，8.旋轉關節，9.直線關節，IO.旋轉關節，ll.旋轉關節，12.電磁 鐵連接接口， 13.旋轉關節，14.抓取器。
圖3、 4中l.抓取器，2.旋轉關節，3.旋轉關節，4.旋轉關節，5.旋轉關節，6.旋轉關， 7.球關節，8.直線驅動，9.直線驅動，IO.動平臺，ll.基座，12.直線驅動，13旋轉關節， 14.直線驅動，15.球關節，16.旋轉關節，17.球關節，18.定位平臺直線驅動，19.導軌， 20.定位平臺，21.導軌，22.定位平臺直線驅動，23.安裝機架。
具體實施例方式
下面結合實施例及其附圖進一步敘述本發明。
實施樣例h
圖1為本發明中的可重構機器人的第一個實施例機構簡圖。該機構由三個支鏈組成，分 別是由關節l、 3、 4與連杆組成的3自由度支鏈l;由關節6、 7、 8與連杆組成的3自由 度支鏈2;由關節9、 10、 11、 13與連杆組成的4自由度支鏈3。支鏈3可以實現抓取-放置 運動，它在工作過程中負責抓取需要加工的工件並定位到支鏈1的動平臺2上，由動平臺2 上的自動夾具實現對工件的加緊，在工件抓取與放置完畢後，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連杆2自由度並聯機構，此時，該2自由度並聯機 構與支鏈2通過相互協作，利用動平臺2與支鏈2上的末端操作器5之間的相對運動實現需要加工的運動任務。支鏈2是可替換機構，可以根據不同的加工需要，替換成l自由度平移、 1轉動1移動和1移動2轉動等自由度類型的機構，也可以用實現需要類型的自由度的並聯 機構替換。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繼續抓取未加工工件，進入下一個加工循環。
在這一實施例中，機構通過電磁鐵接口，把2個串聯機構連接到一個公共的動平臺2上 而組成了並聯機構，其它特點是可以充分利用了串聯機構工作空間比較大的優點，而又利用 了在並聯機構的剛性好，精度高的優點，而避免了串聯機構剛性差和並聯機構工作空間小的 缺點。並且整個機構在工作過程中部分自由度被重複利用，與傳統的流水線作業相比可以節 約能源，實現綠色化製造，其結構也比較緊湊，用戶可以根據不同的加工需要，之需要更換 支鏈2即可，因此可以實現多功能性和適應不同的需要。
實施樣例2:
圖3為本發明中利用高性能少自由度並聯機構的不同組合成不同協作機構，實現自由度 重構的應用實例。該機構包括三個功能獨立的並聯機構模塊，分別是模塊1如圖3 (a)所 示，是用於抓取放置操作的平面2自由度5連杆並聯機構；模塊2如圖2 (b)所示，是用於 加工操作的1移動2轉動3PRS並聯機構；模塊3如圖3 (c)所示，是用於加工時工件定位 的平面2自由度並聯定位平臺。模塊3是一種並聯定位平臺，它的優點是可以在垂直於定位 平臺平面的方向上有比較好的剛性，並且是一種解耦機構，方便實現位置控制以及實現高精 度定位。該機構系統的工作原理是由模塊1實現把需要加工的工件抓取並放置到模塊3上， 實現裝夾與定位後，由模塊2與模塊3相互協作，組成協作機構，實現加工運動。待加工完 畢，模塊1負責把完成的工件搬運到指定位置，接著抓取下一個待加工工件。即模塊1與模 塊3組成協作機構，實現工件的裝夾與卸載，模塊2與模塊3組成協作機構，完成加工運動， 模塊3在整個工作過程中被重複利用，實現自由度類型的重構。
在這一實施例中，通過利用少自由度高性能的並聯機構的不同組合獲得具有不同類型自 由度的協作機構，與多自由度並聯機構相比，它可以獲得更好的運動學和動力學性能，工作 空間得到改善，並且少自由度與多自由度相比，可以簡化設計，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複利用，實現資源優化配置。該系統統一適用 於多加工任務的工業作業。
實施樣例3:
圖5為本發明中實施樣例2中的不同安裝方式實現的不同功能，和樣例2的區別在於把 樣例2中的模塊1水平安裝。本樣例主要應用於多任務裝配作業，比如裝配一個產品需要把 N個零件裝配到一起，那麼可以通過模塊l抓取相應的零件，然後模塊1與模塊2進行協作， 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進行協作，實 現把零件裝配到產品上，利用模塊2進行裝配主要是因為模塊2可以實現任意姿態下的安裝，待所有零件安裝完畢，模塊1把完成的產品搬運到指定位置。
在此實施例中，主要是模塊1和模塊3進行協作，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進行協作，完成裝配動作，待裝配完成，模塊l又與模塊 3協作，實現把完成的產品卸載。
本發明專利不限於以上實施樣例。
權利要求
1.一類可重構工業機器人機構，該機器人機構包含兩類可以實現自由度類型重構的機構一類是通過兩個獨立機構的相互作用，利用其末端操作器的相對剛體運動實現給定機器人運動任務的協作機構；二類是支鏈可以實現與動平臺自動連接或者拆分的並聯機構，協作機構可方便快捷地將不同自由度類型的機構的進行組合，從而獲得不同的剛體運動，而可拆分並聯機構的支鏈可以通過拆分與連接到共同的動平臺，使得機構可以工作在串聯機構狀態或者並聯機構狀態，從而獲得多種不同自由度類型運動。
2. 按照權利要求l所述的可重構工業機器人機構，其特徵在於該類可重構工業機器人 通過協作機構或可拆分並聯機構或者這兩種機構兼有之，機器人可根據不同的作業任務需要 實現自動重構或者人為重構，從而獲得機器人作業所需要的不同自由度類型；協作機構中的 兩個獨立機構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 對剛體運動可實現需要的運動自由度；可拆分並聯機構可工作在串聯機構狀態或者連結到一 個共同的動平臺而工作在並聯機構狀態，該機構可充分發揮並聯和串聯機構的優點而避免它 們的缺點，該類可重構機器人機構適用於多作業任務或作業任務性能要求多樣性的工作場合， 通過機器人重構的方式適應多種作業任務的需要。
3. 按照權利要求2所述一類可重構工業機器人機構，該類機構可以根據實際工作任務的 需要，包含多個協作機構與可拆分並聯機構，該類可重構工業機器人在工作過程中部分自由 度可以多次被重複利用，從而用較少的自由度數實現較多的功能。
全文摘要
本發明公開一類可重構工業機器人機構，它涉及一類自由度類型可變的工業機器人。該類型機構的特點是通過協作機構、可拆分並聯機構或兩者兼有來實現自由度類型的重構。協作機構是指利用兩個獨立的機構的末端操作器的相對剛體運動實現給定機器人運動任務的機構，可拆分並聯機構是指支鏈可以實現與動平臺自動連接或者拆分的一類特殊並聯機構。協作機構可方便地將不同自由度類型機構進行組合以獲得不同的剛體運動，而可拆分並聯機構的支鏈可以通過拆分與連接到共同的動平臺，使得機構可工作在串聯或者並聯機構狀態，從而獲得多種不同自由度類型的運動。該類機構可根據實際任務需要，包含多個協作機構與可拆分並聯機構，且該類可重構工業機器人在工作中部分自由度可被多次重複利用，從而用較少的自由度數實現較多的功能，因此它適用於多作業任務和作業任務性能要求多樣性的工作場合。
文檔編號B25J9/00GK101633166SQ20091010848
公開日2010年1月27日 申請日期2009年7月13日 優先權日2009年7月13日
發明者兵 李, 楊曉鈞, 黃海林 申請人:哈爾濱工業大學深圳研究生院