專利名稱:一種與位置機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)解耦的機(jī)器人姿態(tài)調(diào)節(jié)手腕機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于機(jī)器人制造領(lǐng)域,涉及機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)或機(jī)器人手腕機(jī)構(gòu),特別涉及一種與位置機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)解耦的機(jī)器人姿態(tài)調(diào)節(jié)手腕機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù):
工業(yè)機(jī)器人通常由機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和智能系統(tǒng)三個(gè)部分組成。機(jī)械系統(tǒng)又分為執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般由手部、腕部、臂部、腰部和基座組成。
機(jī)器人腕部(即手腕)是臂部與手部的連接部件,是機(jī)器人的姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),是工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)中最復(fù)雜的部件。手腕按自由度個(gè)數(shù)可分為單自由度手腕,二自由度手腕和三自由度手腕。為了使手部能處于空間任意方向,要求腕部具有三個(gè)自由度。但采用幾個(gè)自由度的手腕,應(yīng)根據(jù)機(jī)器人的工作性能和工作需要來確定。
機(jī)器人手腕的典型結(jié)構(gòu)主要有由液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)的手腕機(jī)構(gòu)和由齒輪傳動(dòng)構(gòu)成的手腕機(jī)構(gòu)兩大類。對(duì)于后一類,根據(jù)齒輪傳動(dòng)形式的不同,又有球面齒輪、直齒輪和錐齒輪等。目前使用較多的三自由度手腕,大多采用多軸差動(dòng)輪系構(gòu)成。
上述各種手腕機(jī)構(gòu)與機(jī)器人的位置機(jī)構(gòu)存在非線性運(yùn)動(dòng)耦合,也就是說,在進(jìn)行手部姿態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)將改變機(jī)器人手部的空間位置,因此,必須要在控制算法中加以補(bǔ)償,位置控制算法相對(duì)比較復(fù)雜。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于,提供一種與機(jī)器人位置機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)解耦的機(jī)器人姿態(tài)調(diào)節(jié)手腕機(jī)構(gòu)。
實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的的技術(shù)解決方案是,一種與位置機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)解耦的機(jī)器人姿態(tài)調(diào)節(jié)手腕機(jī)構(gòu),其特點(diǎn)是,該機(jī)器人姿態(tài)調(diào)節(jié)手腕由回轉(zhuǎn)軸AD和設(shè)置在回轉(zhuǎn)軸AD上的連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)成;連桿機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)形式由五個(gè)活動(dòng)構(gòu)件和七個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副構(gòu)成。利用該手腕機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)器人的姿態(tài)調(diào)節(jié)時(shí),機(jī)器人手部工作點(diǎn)的空間位置保持不變,使得機(jī)器人的位置機(jī)構(gòu)與姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)互不影響,實(shí)現(xiàn)了位置機(jī)構(gòu)與姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)解耦。
該與位置機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)解耦的機(jī)器人姿態(tài)調(diào)節(jié)手腕機(jī)構(gòu),由兩個(gè)或者三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度構(gòu)成,機(jī)器人姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的兩個(gè)或三個(gè)回轉(zhuǎn)軸匯交于一點(diǎn)。
本發(fā)明的機(jī)器人姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),可以選擇使其具有兩個(gè)或三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,利用該手腕機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)器人的姿態(tài)調(diào)節(jié)時(shí),機(jī)器人手部工作點(diǎn)的空間位置保持不變,實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人位置機(jī)構(gòu)與姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)解耦,解決了傳統(tǒng)的姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與位置機(jī)構(gòu)存在非線性運(yùn)動(dòng)耦合的問題,極大地簡(jiǎn)化了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分析和控制算法。
圖1是本發(fā)明的機(jī)器人姿態(tài)調(diào)節(jié)手腕機(jī)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖;圖2是姿態(tài)調(diào)節(jié)手腕在金屬電弧噴涂快速制模機(jī)器人中的應(yīng)用示意圖;圖3是本發(fā)明的姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)軸匯交示意圖;具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和發(fā)明人依本發(fā)明的技術(shù)方案給出的具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
1、與位置機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)解耦的機(jī)器人姿態(tài)調(diào)節(jié)手腕機(jī)構(gòu)原理如圖1所示,該機(jī)器人姿態(tài)調(diào)節(jié)手腕由回轉(zhuǎn)軸AD、連桿機(jī)構(gòu)ABCEFGD構(gòu)成,具有兩個(gè)自由度。圖中末端執(zhí)行器是金屬電弧噴涂快速制模機(jī)器人的噴槍。根據(jù)末端執(zhí)行器的需要,可以增加繞III軸軸線(平行于連桿機(jī)構(gòu)EF桿)的回轉(zhuǎn)自由度,從而構(gòu)成三自由度手腕。
本發(fā)明所采用的連桿機(jī)構(gòu)ABCEFGD的基本結(jié)構(gòu)形式由五個(gè)活動(dòng)構(gòu)件和七個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副構(gòu)成,其中ABCD構(gòu)成一個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu),CEFG構(gòu)成第二個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu),五個(gè)活動(dòng)構(gòu)件構(gòu)成了兩個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)。AB桿與CGD桿相互平行,BCE桿、FG桿及AD桿相互平行,EF桿與CGD桿平行,回轉(zhuǎn)軸III固連于EF桿上且平行于EF桿。
該手腕機(jī)構(gòu)的三個(gè)回轉(zhuǎn)軸分別是I軸、II軸和III軸。其中II軸軸線是過軸線I與軸線III的交點(diǎn)P且垂直于由軸線I與軸線III所決定的平面一條直線,三軸軸線匯交于P點(diǎn),P點(diǎn)就是機(jī)器人手部末端執(zhí)行器的工作點(diǎn)位置,即機(jī)器人的工作點(diǎn)位置。
機(jī)器人手部工作點(diǎn)空間位置P由其位置機(jī)構(gòu)確定,該點(diǎn)與手腕的三個(gè)回轉(zhuǎn)軸線的匯交點(diǎn),即I軸、II軸和III軸三軸軸線的交點(diǎn)重合。
該手腕機(jī)構(gòu)的工作原理如下連桿機(jī)構(gòu)固連于回轉(zhuǎn)軸I軸上,末端執(zhí)行器固連于連桿機(jī)構(gòu)的EF桿上,其回轉(zhuǎn)軸線III與EF平行。I軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),帶動(dòng)其上的II軸和III軸作繞I軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。連桿機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件可以選擇AB或者DC桿,連桿機(jī)構(gòu)原動(dòng)件AB或DC作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),即相當(dāng)于II軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),帶動(dòng)EF桿上的III軸作繞II軸軸線的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。I軸與II軸協(xié)同運(yùn)動(dòng),即可以使III軸作圓錐運(yùn)動(dòng),錐頂就是I軸與III軸軸線的交點(diǎn)P,即三軸匯交點(diǎn)。I軸、II軸和III軸聯(lián)動(dòng),就可以完成機(jī)器人的姿態(tài)調(diào)節(jié),并且在姿態(tài)調(diào)節(jié)過程中,三軸匯交點(diǎn)P的空間位置保持不變,實(shí)現(xiàn)了姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與機(jī)器人位置機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)解耦,可以極大簡(jiǎn)化機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分析與控制算法。
應(yīng)當(dāng)注意,平行四邊形機(jī)構(gòu)在原動(dòng)件與機(jī)架共線的時(shí)候,存在運(yùn)動(dòng)不確定的點(diǎn),必須設(shè)法加以限制。在將本發(fā)明應(yīng)用于金屬電弧噴涂快速制模機(jī)器人時(shí),申請(qǐng)人采用雙平行四邊形機(jī)構(gòu)克服了這個(gè)缺點(diǎn)。
2.本發(fā)明的姿態(tài)調(diào)節(jié)手腕在金屬電弧噴涂快速制模機(jī)器人中的應(yīng)用金屬電弧噴涂快速模具制造專用機(jī)器人,要求作業(yè)過程中噴槍軸線始終與工件表面,即母模表面保持垂直,并且噴槍工作點(diǎn)與模具表面的距離要求始終保持恒定。該機(jī)器人的姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)采用了本發(fā)明的姿態(tài)調(diào)節(jié)手腕,極大地簡(jiǎn)化了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。
參見圖2及圖3,圖2和圖3給出了本發(fā)明的具體實(shí)現(xiàn)方法及注意事項(xiàng)。
圖2是金屬電弧噴涂快速模具制造專用機(jī)器人的手腕機(jī)構(gòu),該手腕機(jī)構(gòu)的三個(gè)回轉(zhuǎn)軸分別是I軸、II軸和III軸,末端執(zhí)行器是執(zhí)行金屬電弧噴涂作業(yè)的噴槍,無需轉(zhuǎn)動(dòng),其軸線為III,所以該手腕機(jī)構(gòu)為具有兩個(gè)回轉(zhuǎn)自由度的姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。I軸軸線與III軸軸線共面(見圖2所示)且相交于P點(diǎn),II軸軸線過P點(diǎn)且垂直于I軸和III軸所在平面。三軸線的匯交點(diǎn)P就是機(jī)器人手部末端執(zhí)行器——噴槍的工作點(diǎn)位置,這個(gè)工作點(diǎn)位置由機(jī)器人的位置機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。噴槍在工作過程中需要始終垂直于工件的表面,并且要保持與工件表面的距離不變,本發(fā)明的手腕機(jī)構(gòu)在進(jìn)行姿態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)能夠保持機(jī)器人手部工作點(diǎn)的空間位置不變,能夠很好地滿足金屬電弧噴涂作業(yè)的需要。由于本發(fā)明的手腕機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人位置機(jī)構(gòu)與姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)解耦,解決了傳統(tǒng)的姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與位置機(jī)構(gòu)存在非線性運(yùn)動(dòng)耦合的問題,所以極大地簡(jiǎn)化了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分析和控制算法。
本發(fā)明的機(jī)器人姿態(tài)調(diào)節(jié)手腕機(jī)構(gòu)包含一個(gè)特殊的連桿機(jī)構(gòu),這個(gè)連桿機(jī)構(gòu)又由兩個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)組成,而平行四邊形機(jī)構(gòu)在連桿與機(jī)架共線的位置存在運(yùn)動(dòng)不確定現(xiàn)象,因此必須要設(shè)法克服。常用的解決方法是利用在相位上相差一定角度的兩個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)來克服這種運(yùn)動(dòng)不確定現(xiàn)象,金屬電弧噴涂快速模具制造專用機(jī)器人就采用了這樣的結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種與位置機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)解耦的機(jī)器人姿態(tài)調(diào)節(jié)手腕機(jī)構(gòu),其特征在于,該機(jī)器人姿態(tài)調(diào)節(jié)手腕由回轉(zhuǎn)構(gòu)件AD和固連于回轉(zhuǎn)構(gòu)件AD上的連桿機(jī)構(gòu)組成連桿機(jī)構(gòu)ABCEFGD的基本結(jié)構(gòu)形式由AB桿、CD桿、BCE桿、FG桿及AD桿五個(gè)活動(dòng)構(gòu)件和A、B、C、D、E、F及G七個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副構(gòu)成;其中ABCD構(gòu)成一個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu),CEFG構(gòu)成第二個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu),五個(gè)活動(dòng)構(gòu)件構(gòu)成了兩個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu);AB桿與CGD桿相互平行,BCE桿、FG桿及AD桿相互平行,EF桿與CGD桿平行;機(jī)器人手部與EF桿固連,如果需要作繞其自身軸線的轉(zhuǎn)動(dòng),其轉(zhuǎn)動(dòng)軸線平行于EF桿;該手腕機(jī)構(gòu)的三個(gè)回轉(zhuǎn)軸分別是I軸、II軸和III軸,I軸軸線與III軸軸線共面且相交于P點(diǎn),II軸軸線過P點(diǎn)且垂直于I軸和III軸所在平面;三軸線的匯交點(diǎn)P就是機(jī)器人手部末端執(zhí)行器的工作點(diǎn)位置。
2.如權(quán)利要求1所述的與位置機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)解耦的機(jī)器人姿態(tài)調(diào)節(jié)手腕機(jī)構(gòu),其特征在于,機(jī)器人末端執(zhí)行器的工作點(diǎn)空間位置P由其位置機(jī)構(gòu)確定,該點(diǎn)與手腕的三個(gè)回轉(zhuǎn)軸線的匯交點(diǎn),即I軸、II軸和III軸三軸軸線的交點(diǎn)重合,即機(jī)器人的工作點(diǎn)位置與手腕上三個(gè)軸線的匯交點(diǎn)為同一點(diǎn)。
3.如權(quán)利要求1所述的與位置機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)解耦的機(jī)器人姿態(tài)調(diào)節(jié)手腕機(jī)構(gòu),其特征在于,根據(jù)需要可以增加繞III軸軸線的回轉(zhuǎn)自由度,構(gòu)成三自由度機(jī)器人姿態(tài)調(diào)節(jié)手腕機(jī)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種機(jī)器人姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)具有兩個(gè)或三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,包含了一個(gè)特別設(shè)計(jì)的連桿機(jī)構(gòu),這個(gè)連桿機(jī)構(gòu)又由兩個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)組成。利用該手腕機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)器人的姿態(tài)調(diào)節(jié)時(shí),機(jī)器人手部工作點(diǎn)的空間位置保持不變,實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人位置機(jī)構(gòu)與姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)解耦,解決了傳統(tǒng)的姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與位置機(jī)構(gòu)存在非線性運(yùn)動(dòng)耦合的問題,極大地簡(jiǎn)化了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分析和控制算法。
文檔編號(hào)B25J9/00GK1528566SQ0313461
公開日2004年9月15日 申請(qǐng)日期2003年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月26日
發(fā)明者盧秉恒, 朱東波, 何仲云, 洪軍, 趙萬華 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)