一种五自由度串并混联机器人

1.本发明涉及串并混联机器人领域，具体是一种由五自由度串并混联机器人构成的用于机床加工制造的机器人装备。


背景技术：

2.当今社会工业水平快速发展，机床是整个加工制造领域的重要设备，随着汽车、飞机、船舶等行业的不断兴起，加工零件的结构和形状的日益复杂化，对加工机床的刚度和灵巧性的要求也必然越来越高。因此，机床作为加工制造领域发展的一个重要分支，在对加工机床进行设计时必须要满足结构多样化、高效率、高可靠性的设计理念，需要研制具有工作空间大、刚度高、精度高及灵巧性高等优点的加工机床，以推动制造业的迅速发展。
3.在加工制造领域，通常采用传统三坐标机床、传统五坐标机床或并联机器人等加工装备进行工件加工。传统五坐标机床以串联机构为主执行机构，其针对小型工件进行加工时能够获得较高的加工质量，由于此类加工机床的串联结构特点，具有五个自由度，且坐标轴间的运动相互独立，在加工灵巧性、系统控制方面有突出优势，但是串联机构在承载能力、动态响应性和灵巧性问题上存在一定不足，而且在实际工程应用与研究中发现累积误差克服困难，难以满足工件高效率、高精度、高质量的加工技术需求。相较于以串联机构为主执行机构的传统五坐标机床，另一种加工装备则是将并联机构用于机床设计与应用中，集成串联和并联机床在工作空间、刚度、灵巧性及静/动力学特性等方面的优点，为复杂异型工件加工提供了新的解决方案。
4.但是现有以并联机构为主执行机构的加工机床在稳定可靠性及工作灵巧性方面仍存在不足，随着对此类加工机床的进一步研究，冗余驱动并联机构具有更少奇异位姿，更高刚度及灵巧性等优点，能够设计成为负载能力和动力稳定性更优的串并混联机器人加工装备。因此，发明具有自主知识产权的串并混联机器人加工装备，不仅有利于丰富和拓展并联机构的工程实际应用，而且对于促进我国制造业的发展具有十分重要的意义。
5.

技术实现要素：

6.基于以上技术问题，本发明提供一种五自由度串并混联机器人，目的是设计全新的新型冗余驱动并联机构，以并联机构为主执行机构解决复杂异型工件加工难题，使加工过程更高效，改善工件的加工质量。
7.本发明采用以下技术方案：一种五自由度串并混联机器人，其特征包括：冗余驱动并联机构1、直线导轨工作台2、床身机架3和末端执行机构4，该机器人的冗余驱动并联机构2具有三个自由度，分别为一个移动自由度及两个转动自由度，直线导轨工作台3具有两个移动自由度，通过串并混联集成的形式构成五自由度串并混联机器人。该机器人的冗余驱动并联机构的驱动源为六个伺服电机，直线导轨工作台的驱动源为两个伺服电机。
8.所述冗余驱动并联机构2包括静平台、动平台及连接动静平台的三条运动支链组
成；其中所述第一运动支链由一个移动副、一个球副和两个转动副依次连接按序形成psrr型运动支链，该运动支链上端通过球副与滑动导轨支链基座相连接，运动支链铰接点可沿导轨方向相对滑动，运动支链下端通过转动副与动平台相连接；第二运动支链和第三运动支链运动副的构成及连接顺序完全相同，由一个移动副、两个转动副和一个虎克铰依次连接按序形成prru型运动支链，该运动支链上端通过转动副与滑动导轨支链基座相连接，运动支链铰接点可沿导轨方向相对滑动，运动支链下端通过虎克铰与动平台相连接；所述三条运动支链上端通过滑动导轨间接与静平台连接，三个滑动导轨成轴对称方式安装固定于静平台上。
9.所述运动支链下端与动平台连接，其中运动支链与动平台连接的铰接点坐标按等腰直角三角形布置，第一运动支链下端与动平台相连接于动平台所在平面的等腰直角三角形直角端点位置处，第二运动支链和第三运动支链下端成轴对称方式分别连接于动平台所在平面的等腰直角三角形底边两端点位置处；所述运动支链上端通过滑动导轨间接与静平台连接，第一运动支链连接的滑动导轨移动轴线垂直于静平台所在平面等腰直角三角形的底边，第二运动支链和第三运动支链连接的滑动导轨移动轴线共线，并且移动轴线与静平台所在平面等腰直角三角形的底边重合，其中三个滑动导轨与静平台的连接成轴对称方式；第一运动支链上端移动副及球副中平行于静平台所在平面等腰直角三角形底边的运动副为第一运动支链的驱动副，第一运动支链下端的两个转动副轴线平行于动平台所在平面等腰直角三角形的底边；第二运动支链和第三运动支链移动副及上端转动副为其各自运动支链的驱动副，该运动支链的两个转动副轴线相互平行于静平台所在平面等腰直角三角形底边的中垂线，虎克铰的两个转动轴线相互垂直，其中一个转动轴线平行于静平台所在平面等腰直角三角形底边的中垂线，另一个转动轴线平行于动平台所在平面等腰直角三角形的底边。
10.所述直线导轨工作台由工作台固定底座、移动平台、驱动电机及夹具组成，其中固定底座与床身支架固定连接，移动平台安装在固定底座上方，夹具安装在移动平台上方，两个驱动电机分别安装在固定底座及移动平台的末端；所述末端执行机构安装在下端动平台上，其工作时可以绕动平台所在平面法线方向旋转。
11.本发明是一种五自由度串并混联机器人，该机器人以新型冗余驱动并联机构为主执行机构，将两自由度串联工作台模块与三自由度冗余驱动并联机构模块组合起来，实现机床加工的灵巧运动和稳定可靠工作。与现有机床加工技术相比，本发明的一种五自由度串并混联机器人具有如下优点：(1)通过旋转和平移提供了一种类似圆周运动的组合运动，其中并联机构部分可以完成两个方向的旋转运动及一个方向的平移运动，在机器人工作空间内的加工灵巧性高；(2)采用串联模块和并联模块相结合方式，相较与以串联机构为主执行机构的传统机床减少了累积误差的影响，提高工件加工精度；(3)冗余驱动并联机构提高了机器人的整体刚度和负载能力，并且在规避奇异位姿方面具有优势；(4)直线导轨工作台可增加机器人的移动工作空间。
附图说明
12.图1是本发明一种五自由度串并混联机器人的整体组成示意图；
13.图2是本发明一种五自由度串并混联机器人的冗余驱动并联机构结构示意图；
14.图3是本发明一种五自由度串并混联机器人的直线导轨工作台结构示意图；
15.图4是本发明一种五自由度串并混联机器人的床身支架结构示意图；
16.图5是本发明一种五自由度串并混联机器人的第一运动支链结构示意图；
17.图6是本发明一种五自由度串并混联机器人的第二运动支链结构示意图；
18.图7是本发明一种五自由度串并混联机器人的静平台直线滑台模组结构示意图；
19.其中：
20.图1中：1.冗余驱动并联机构；2.直线导轨工作台；3.床身机架；4.末端执行机构；
21.图2中：110.静平台；120.动平台；130.第一运动支链；140.第二运动支链；150.第三运动支链；
22.图3中：210.工作台固定底座；211.第一光滑导杆；212.第二光滑导杆；213.第一滚珠丝杠；214.第一驱动电机；220.移动平台；221.第三光滑导杆；222.第四光滑导杆；223.第二滚珠丝杠；224.第二驱动电机；230.夹具；
23.图4中：310.机架底座；320.固定吊架；330.机架主体；340.加强筋；
24.图5中：131.第一移动副；132.球副；133.第一转动副；134.第二转动副；135.第三驱动电机；136.第四驱动电机；
25.图6中：141.第二移动副；142.第三转动副；143.第四转动副；144.虎克铰；145.第五驱动电机；146.第六驱动电机；
26.图7中：111.伺服电机；112.电机支座；113.联轴器；114.轴承；115.滚珠丝杠；116.螺母副；117.运动副固定基座；118.滑轨；119.轴承支座。
具体实施方式
27.为了能够进一步说明本发明，下面将结合具体实施例对本发明作详细阐述。以下描述的具体实施例仅为说明本发明，将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但本发明的保护范围不局限于所述实施例。
28.图1是本发明一种五自由度串并混联机器人的整体组成示意图，其包括冗余驱动并联机构1、直线导轨工作台2、床身机架3和末端执行机构4，该机器人的冗余驱动并联机构1由六个驱动电机控制，利用串并联结构相结合的方式实现对安装在直线导轨工作台2上工件的加工，通过调整电机转动方向及转动角度对工件的加工过程进行控制。为了改善机器人的整体刚度以及拓展移动工作空间，本发明选择具有两个转动自由度和一个移动自由度的冗余驱动并联机构1为主执行机构，在床身机架3下端集成具有两个移动自由度的直线导轨工作台2构成一种五自由度串并混联机器人，通过冗余驱动并联机构1对末端执行机构4的姿态进行调整，能够满足空间复杂异型工件的高质量、高效率加工技术要求。
29.图2是本发明一种五自由度串并混联机器人冗余驱动并联机构结构示意图，所述冗余驱动并联机构1包括静平台110、动平台120、第一运动支链130、第二运动支链140和第三运动支链150。所述第一运动支链上端通过第一移动副131与静平台110相连接，下端通过第二转动副134与动平台120相连接，所述第二运动支链和第三运动支链运动副的构成及连接顺序完全相同，第二运动支链上端通过第二移动副141与静平台110相连接，下端通过虎克铰144与动平台120相连接。为便于说明各运动副的空间位置关系，在静平台设置动坐标系p-xyz及参考坐标系o-xyz，其中运动支链与动静平台连接的铰接点坐标按等腰直角三角
形布置，动坐标系的原点为p，动平台120所在平面法线方向为y轴，过动平台120所在平面的等腰直角三角形底边轴线为x轴，z轴遵循右手准则，参考坐标系的原点为o，静平台110所在平面法线方向为y轴，过静平台110所在平面的等腰直角三角形底边轴线为x轴，z轴方向遵循右手准则。
30.图3是本发明一种五自由度串并混联机器人的直线导轨工作台结构示意图，所述相对于床身支架3底座移动的直线导轨工作台由工作台固定底座210、第一光滑导杆211、第二光滑导杆212、第一滚珠丝杠213、第一驱动电机214、移动平台220、第三光滑导杆221、第四光滑导杆222、第二滚珠丝杠223、第二驱动电机224及夹具230组成，其中在工作台固定底座210上对称安装第一光滑导杆211和第二光滑导杆212，以便辅助第一滚珠丝杠213进行水平方向的运动，提高驱动过程的导向能力以及工作的可靠性和准确性。直线导轨工作台上端安装移动平台220，第二滚珠丝杠223的安装方向垂直与底部第一滚珠丝杠213，夹具230安装在移动平台220上侧，通过夹具夹紧230工件，可以将被加工件的坐标精确地沿x轴和z轴调整，在加工过程中协调配合冗余驱动并联机构1完成加工任务。
31.图4是本发明一种五自由度串并混联机器人的床身支架结构示意图，所述床身支架结构包括固定底座310、固定吊架320、机架主体330和加强筋340组成，床身支架直角弯处设置若干个加强筋340用于提高床身支架结构稳固性，通过支座固定组件中螺杆、固定销的组合,就实现了机床的安装固定，使床身支架得到简化,具有良好的实用性。
32.图5是本发明一种五自由度串并混联机器人的第一运动支链结构示意图，所述第一运动支链由第一移动副141、球副132、第一转动副133和第二转动副134依次连接按序形成psrr型运动支链。第一移动副141及球副132作为第一运动支链的驱动副，第三驱动电机135及第四驱动电机136作为其驱动源。其中第一移动副141可沿z轴滑动，由于运动副之间的约束关系，球副的转动轴线与z轴及x轴的旋转中心线相平行，第一转动副133和第二转动副134的转动轴线与x轴的旋转中心线相平行。
33.图6是本发明一种五自由度串并混联机器人的第二运动支链结构示意图，第二运动支链和第三运动支链运动副的构成及连接顺序完全相同，第二运动支链由第二移动副141、第三转动副142、第四转动副143和虎克铰144依次连接按序形成prru型运动支链。第二移动副141及第三转动副142作为第二运动支链的驱动副，第五驱动电机145及第六驱动电机146作为其驱动源。其中第二移动副141可沿x轴滑动，第三转动副和第四转动副轴线与z轴的旋转中心线相平行，虎克铰144的两个转动轴线互相垂直，其中一个转动轴线与x轴的旋转中心线相平行，另一个转动轴线与z轴的旋转中心线相平行。
34.图7是本发明一种五自由度串并混联机器人的静平台直线滑台模组结构示意图，所述静平台直线滑台模组包括伺服电机111、电机支座112、联轴器113、轴承114、滚珠丝杠115、螺母副116、运动副固定基座117、滑轨118和轴承支座119。
35.为了提高机器人的整体刚度，本发明选择冗余驱动并联机构为主执行机构，集成直线导轨工作台。同时，串联机构能弥补并联机构工作空间小的缺点，可以增大冗余驱动并联机构的移动空间，两种机构的优势可以实现互补。本发明通过冗余驱动并联机构对末端执行机构进行位姿调整，易于实现加工装备的模块化和互换性，具有精度高和灵活性高等优点，能够满足空间复杂异型工件的高质量加工任务要求。
36.以上结合附图所述仅为本发明一种五自由度串并混联机器人的实施例，本发明的
保护范围不局限于上述实施例，在不脱离本发明构思的前提下或进行的各种非实质性的改进，都在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种五自由度串并混联机器人，其特征包括：冗余驱动并联机构、直线导轨工作台、床身机架和末端执行机构，该机器人的冗余驱动并联机构具有三个自由度，分别为一个移动自由度及两个转动自由度，直线导轨工作台具有两个移动自由度，通过串并混联集成的形式构成五自由度串并混联机器人；该机器人的冗余驱动并联机构的驱动源为六个伺服电机，直线导轨工作台的驱动源为两个伺服电机。2.根据权利要求1所述的一种五自由度串并混联机器人，其特征在于：所述冗余驱动并联机构包括静平台、动平台及连接动静平台的三条运动支链组成；其中所述第一运动支链由一个移动副、一个球副和两个转动副依次连接按序形成psrr型运动支链，该运动支链上端通过球副与滑动导轨支链基座相连接，运动支链铰接点可沿导轨方向相对滑动，运动支链下端通过转动副与动平台相连接；第二运动支链和第三运动支链运动副的构成及连接顺序完全相同，由一个移动副、两个转动副和一个虎克铰依次连接按序形成prru型运动支链，该运动支链上端通过转动副与滑动导轨支链基座相连接，运动支链铰接点可沿导轨方向相对滑动，运动支链下端通过虎克铰与动平台相连接；所述三条运动支链上端通过滑动导轨间接与静平台连接，三个滑动导轨成轴对称方式安装固定于静平台上。3.根据权利要求2所述的一种五自由度串并混联机器人，其特征在于：所述运动支链下端与动平台连接，其中运动支链与动静平台连接的铰接点坐标按等腰直角三角形布置，第一运动支链下端与动平台相连接于动平台所在平面的等腰直角三角形直角端点位置处，第二运动支链和第三运动支链下端成轴对称方式分别连接于动平台所在平面的等腰直角三角形底边两端点位置处；所述运动支链上端通过滑动导轨间接与静平台连接，第一运动支链连接的滑动导轨移动轴线垂直于静平台所在平面等腰直角三角形的底边，第二运动支链和第三运动支链连接的滑动导轨移动轴线共线，并且移动轴线与静平台所在平面等腰直角三角形的底边重合，其中三个滑动导轨与静平台的连接成轴对称方式；第一运动支链上端移动副及球副中平行于静平台所在平面等腰直角三角形底边的运动副为第一运动支链的驱动副，第一运动支链下端的两个转动副轴线平行于动平台所在平面等腰直角三角形的底边；第二运动支链和第三运动支链移动副及上端转动副为其各自运动支链的驱动副，该运动支链的两个转动副轴线相互平行于静平台所在平面等腰直角三角形底边的中垂线，虎克铰的两个转动轴线相互垂直，其中一个转动轴线平行于静平台所在平面等腰直角三角形底边的中垂线，另一个转动轴线平行于动平台所在平面等腰直角三角形的底边。4.根据权利要求1所述的一种五自由度串并混联机器人，其特征在于：所述直线导轨工作台由工作台固定底座、移动平台、驱动电机及夹具组成，其中固定底座与床身支架固定连接，移动平台安装在固定底座上方，夹具安装在移动平台上方，两个驱动电机分别安装在固定底座及移动平台的末端；所述末端执行机构安装在下端动平台上，其工作时可以绕动平台所在平面法线方向旋转。

技术总结
一种五自由度串并混联机器人，其包括冗余驱动并联机构、直线导轨工作台、床身支架和末端执行机构，所述冗余驱动并联机构本体含有三条运动支链，每条运动支链含有两个驱动源，其中第一运动支链含有一个移动副、一个球副及两个转动副，第二运动支链与第三运动支链结构完全等同，且含有一个移动副、两个转动副及一个虎克铰，该冗余驱动并联机构具有两个转动和一个移动自由度，直线导轨工作台安装于床身支架底部，具有两个移动自由度，可在两个方向上调整被夹紧工件的位置，末端执行机构安装于冗余驱动并联机构下端的动平台。本发明以串并混联集成的形式构成五自由度串并混联机器人，累积误差影响小，加工灵巧性高，可满足复杂异型构件的加工要求。件的加工要求。件的加工要求。


技术研发人员：张海强 唐江龙 崔国华 袁涣芝 李相帅 田和强 石侃 姚燕安
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：2022.03.07
技术公布日：2022/5/25