一种具有解析正解和俯仰转动的四自由度并联机器人

1.本发明涉及一种具有解析正解和俯仰转动的四自由度并联机器人，属于机器人技术领域。
技术背景
2.四自由度并联机器人的自由度包括：三维移动加一维转动、二维移动加二维转动、一维移动加三维转动等，其中三维移动加一维转动又包括：三维移动加自转和三维移动加俯仰转动，具有三维移动加俯仰转动的四自由度并联机器人并不多见，其可广泛应用于分拣、装配、加工等多个领域，以满足工业生产的需求。
3.中国专利(cn 108274457 b)提出了一种四自由度机器人操作臂，该机构平面运动组件实现了操作臂末端执行器的上下和前后运动，螺旋运动组件实现了操作臂末端执行器的左右平移和翻转运动，整个操作臂属于混联结构，可整齐有效地堆码工件，但结构复杂、占地面积大、灵活性差，对于装配与日常维护要求较高；中国专利(cn 105234922 a)提出了一种三平移一转动并联机器人装置，提供两个操作工位供用户选择使用，具有控制解耦、运动分析简单等优点，虽然具有运动学解析正解，但由于该机构为四分支结构，杆件易干涉，工作空间小；中国专利(cn 112743519 a)提出了具有俯仰转动的空间三移动和一转动的四自由度并联机构，包括支撑在框架组件的四个不同位置的四个驱动支链，四个驱动支链的滑块都被设置成沿互相平行的直线方向运动，该机构刚度大、结构紧凑、易于装配，但工作空间小、易出现奇异位形、解析正解解算复杂。
4.现有的不同类型的四自由度并联机器人存在如下问题：(1)四自由度并联机器人中多为三维移动加自转，能实现三维移动加俯仰转动的机器人构型较少；(2)现有的三维移动加俯仰转动的并联机器人没有运动学解析正解或者解析正解解算复杂，难以与机器视觉技术相结合；(3)现有的三维移动加俯仰转动的并联机器人至少是四个分支，工作空间小，易出现奇异位形，缺乏三个分支的方案；(4)不能同时具有结构简单紧凑、解析正解解算简单、运动分支少、工作空间大、奇异位形少等优点，无法满足工业工程应用的需求。
5.本发明提出的一种具有解析正解和俯仰转动的四自由度并联机器人，具有运动学解析正解且解算简单，易于与机器视觉技术结合；机器人仅采用三分支就实现了三维移动加俯仰转动，结构简单紧凑、制造成本低、装配和日常维护方便；所有驱动组件布置于定平台上，分支与末端质量轻，机构惯性低，运动性能优越；同时机器人运动构件少，具有工作空间大、奇异位形少、精度高、速度快等优点，能满足食品分拣、工业装配等场景的需求。


技术实现要素：

6.针对上述问题，本发明提出了一种具有解析正解和俯仰转动的四自由度并联机器人，实现本发明目的所采用的技术方案为：
7.一种具有解析正解和俯仰转动的四自由度并联机器人，属于机器人技术领域；包括定平台、动平台、末端执行器、四个驱动电机以及并联连接在定平台与动平台之间的第
一、第二、第三分支，其特征在于：所述第一、第二分支结构完全相同且对称布置，第一分支从定平台到动平台顺序连接有转动副一、主动臂一、四万向铰平行四边形机构；所述主动臂一的一端通过转动副一与定平台连接，所述主动臂一的另一端通过转动副二与四万向铰平行四边形机构连接；所述动平台与四万向铰平行四边形机构固连；所述末端执行器安装在动平台上；所述转动副一的轴线平行于定平台平面；所述第三分支从定平台到动平台顺序连接有平行四边形机构一、平行四边形机构二、u形叉、转动副十七、连接短轴四、转动副十八、轴承座二；所述平行四边形机构一的输入端通过转动副八和转动副九与定平台连接，所述平行四边形机构一的输出端与平行四边形机构二的输入端固连，平行四边形机构二和平行四边形机构一共用y形连杆；所述u形叉与平行四边形机构二的输出端固连，所述连接短轴四通过转动副十七与u形叉连接，所述轴承座二通过转动副十八与连接短轴四连接；所述平行四边形机构一所在的平面垂直于平行四边形机构二所在的平面，所述转动副十七的轴线与转动副十八的轴线垂直且相交，所述转动副十八的轴线平行于动平台平面；所述定平台上安装有四个电机，电机一、电机二分别驱动主动臂一、主动臂四的运动，电机三、电机四共同驱动平行四边形机构一的运动；所述第一分支和第二分支中的四万向铰平行四边形机构替换为四球铰平行四边形机构。
8.本发明的技术方案带来的有益效果为：机器人具有运动学解析正解且解算简单，易于与机器视觉技术结合；仅采用三分支就实现了三维移动加俯仰转动，结构简单紧凑，制造成本低、装配和日常维护方便；所有驱动组件布置于定平台上，分支与末端质量轻，机构惯性低，运动性能优越；同时机器人运动构件少，具有工作空间大、奇异位形少、速度快、精度高等优点。
附图说明
9.图1为本发明一种具有解析正解和俯仰转动的四自由度并联机器人的整机结构示意图；
10.图2为本发明一种具有解析正解和俯仰转动的四自由度并联机器人第一分支的结构示意图；
11.图3为本发明一种具有解析正解和俯仰转动的四自由度并联机器人第三分支的结构示意图。
12.其中1-定平台、2-动平台、3-末端执行器、a-电机一、b-电机二、c-电机三、d-电机四、
ⅰ‑
第一分支、
ⅱ‑
第二分支、
ⅲ‑
第三分支、w-四万向铰平行四边形机构、p1-平行四边形机构一、p2-平行四边形机构二、l1-主动臂一、l2-连接短轴一、l3-长连杆一、l4-长连杆二、l5-轴承座一、l6-连接短轴二、l7-主动臂二、l8-主动臂三、l9-短连杆、l10-y形连杆、l11-长连杆三、l12-长连杆四、l13-连接短轴三、l14-u形叉、l15-连接短轴四、l16-轴承座二、l17-主动臂四、r1-转动副一、r2-转动副二、r3-转动副三、r4-转动副四、r5-转动副五、r6-转动副六、r7-转动副七、r8-转动副八、r9-转动副九、r10-转动副十、r11-转动副十一、r12-转动副十二、r13-转动副十三、r14-转动副十四、r15-转动副十五、r16-转动副十六、r17-转动副十七、r18-转动副十八、r19-转动副十九、r20-转动副二十。
具体实施方式
13.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
14.以下实施的实例中所述的转动副轴线是指转动副转动时所围绕转动的中心线。所述的“上”“下”“左”“右”方位均为基于附图所指的方位，均为了方便描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的元件必须具有特定的方位。
15.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固连”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
16.本发明提出了一种具有解析正解和俯仰转动的四自由度并联机器人，其结构如图1所示，包括定平台1、动平台2、末端执行器3、四个驱动电机a、b、c、d以及并联连接在定平台1与动平台2之间的第一分支ⅰ、第二分支ⅱ、第三分支ⅲ。
17.所述第一分支ⅰ、第二分支ⅱ结构完全相同且对称布置，第一分支ⅰ从定平台1到动平台2顺序连接有转动副一r1、主动臂一l1、四万向铰平行四边形机构w，所述主动臂一l1的一端通过转动副一r1与定平台1连接，所述主动臂一l1的另一端通过转动副二r2与四万向铰平行四边形机构w连接，所述四万向铰平行四边形机构w由连接短轴一l2、长连杆一l3、长连杆二l4、轴承座一l5、连接短轴二l6、转动副二r2、转动副三r3、转动副四r4、转动副五r5、转动副三r6、转动副三r7组成，所述连接短轴一l2通过转动副二r2与主动臂一l1连接，长连杆一l3、长连杆二l4分别通过转动副三r3、转动副r4与连接短轴一l2连接，长连杆一l3、长连杆二l4分别通过转动副r6、转动副r7与连接短轴二l6连接，连接短轴二l6通过转动副r5与轴承座一l5连接，轴承座一l5与动平台2固连；所述转动副一r1的轴线平行于定平台1平面，转动副二r2的轴线与转动副一r1的轴线平行，转动副三r3、转动副四r4的轴线与转动副二r2的轴线垂直且相交，转动副六r6、转动副七r7的轴线与转动副五r5的轴线垂直且相交，转动副三r3、转动副四r4、转动副六r6、转动副七r7的轴线互相平行，转动副五r5的轴线平行于动平台2平面；所述第二分支ⅱ的转动副十九r19的轴线与转动副一r1的轴线平行，转动副二十r20的轴线与转动副五r5的轴线平行；所述第三分支ⅲ从定平台1到动平台2顺序连接有平行四边形机构一p1、平行四边形机构二p2、u形叉l14、转动副十七r17、连接短轴四l15、转动副十八r18、轴承座二l16，所述平行四边形机构一p1由主动臂二l7、主动臂三l8、短连杆l9、y形连杆l10、转动副八r8、转动副九r9、转动副十r10、转动副十一r11、转动副十二r12组成，主动臂二l7通过转动副八r8与定平台1连接，主动臂三l8通过转动副九r9与定平台1连接，短连杆l9通过转动副十r10与主动臂二l7连接，y形连杆l10分别通过转动副十一r11、转动副十二r12与短连杆l9、主动臂三l8连接，所述平行四边形机构二p2由y形连杆l10、长连杆三l11、长连杆四l12、连接短轴三l13、转动副十三r13、转动副十四r14、转动副十五r15、转动副十六r16组成，平行四边形机构二p2和平行四边形机构一p1共用y形连杆l10，长连杆三l11、长连杆四l12分别通过转动副十三r13、转动副十四r14与y形连杆l10连
接，长连杆三l11、长连杆四l12分别通过转动副十六r16、转动副十五r15与连接短轴三l13连接，u形叉l14与连接短轴三l13固连，连接短轴四l15通过转动副十七r17与u形叉l14连接，轴承座二l16通过转动副十八r18与连接短轴四l15连接，轴承座二l16与动平台2固连，末端执行器3安装在动平台2上；所述平行四边形机构一p1所在的平面垂直于平行四边形机构二p2所在的平面；所述转动副八r8、转动副九r9的轴线平行于定平台1平面，转动副八r8的轴线平行于转动副一r1的轴线，转动副八r8、转动副九r9、转动副十r10、转动副十一r11、转动副十二r12的轴线互相平行，转动副十三r13的轴线与转动副十二r12的轴线垂直，转动副十三r13、转动副十四r14、转动副十五r15、转动副十六r16的轴线互相平行，转动副十七r17的轴线与转动副十六r16的轴线垂直，转动副十八r18的轴线与转动副十七r17的轴线垂直且相交，转动副十八r18的轴线与转动副五r5的轴线平行。
18.所述定平台1上安装有四个电机，电机一a、电机二b分别驱动主动臂一l1、主动臂四l17的转动，电机三c、电机四d分别驱动主动臂二l7、主动臂三l8的转动。所述四万向铰平行四边形机构替换为四球铰平行四边形机构。

技术特征：
1.一种具有解析正解和俯仰转动的四自由度并联机器人，属于机器人技术领域；包括定平台、动平台、末端执行器、四个驱动电机以及并联连接在定平台与动平台之间的第一、第二、第三分支，其特征在于：所述第一、第二分支结构完全相同且对称布置，第一分支从定平台到动平台顺序连接有转动副一、主动臂一、四万向铰平行四边形机构；所述主动臂一的一端通过转动副一与定平台连接，所述主动臂一的另一端通过转动副二与四万向铰平行四边形机构连接；所述动平台与四万向铰平行四边形机构固连；所述末端执行器安装在动平台上；所述转动副一的轴线平行于定平台平面；所述第三分支从定平台到动平台顺序连接有平行四边形机构一、平行四边形机构二、u形叉、转动副十七、连接短轴四、转动副十八、轴承座二；所述平行四边形机构一的输入端通过转动副八和转动副九与定平台连接，所述平行四边形机构一的输出端与平行四边形机构二的输入端固连，平行四边形机构二和平行四边形机构一共用y形连杆；所述u形叉与平行四边形机构二的输出端固连，所述连接短轴四通过转动副十七与u形叉连接，所述轴承座二通过转动副十八与连接短轴四连接；所述平行四边形机构一所在的平面垂直于平行四边形机构二所在的平面，所述转动副十七的轴线与转动副十八的轴线垂直且相交，所述转动副十八的轴线平行于动平台平面；所述定平台上安装有四个电机，电机一、电机二分别驱动主动臂一、主动臂四的运动，电机三、电机四共同驱动平行四边形机构一的运动。2.根据权利要求1所述所述的一种具有解析正解和俯仰转动的四自由度并联机器人，其特征在于该机器人第一分支和第二分支的四万向铰平行四边形机构替换为四球铰平行四边形机构。

技术总结
本发明涉及一种具有解析正解和俯仰转动的四自由度并联机器人，属于机器人技术领域，包括定平台、动平台、末端执行器以及并联连接在定平台与动平台之间的第一、第二、第三分支；所述第一、第二分支结构完全相同且对称布置，第一分支从定平台到动平台顺序连接有主动臂一、四万向铰平行四边形机构；第三分支从定平台到动平台顺序连接有平行四边形机构一、平行四边形机构二、U形叉、连接短轴四、轴承座二；与现有技术方案相比，本发明的机器人具有解析正解且解算简单，易于与机器视觉技术结合；仅采用三分支就实现了三维移动和俯仰转动，结构简单紧凑、制造成本低；同时具有工作空间大、速度快、精度高等优点，可广泛应用于分拣、装配等多个领域。个领域。个领域。


技术研发人员：曹文熬 胡泊 汪天龙 黄新博 来敬沛
受保护的技术使用者：中国地质大学（武汉）
技术研发日：2023.07.25
技术公布日：2023/9/9