一种基于运动分岔机构的多模式混联机械臂制造技术

本发明专利技术涉及一种基于运动分岔机构的多模式混联机械臂，包括依次连接的末端执行器、臂部和并联基座，其中：所述臂部为8杆单环运动分岔机构，包括对称设置的两条臂支链，两条臂支链两端分别活动连接形成单环闭链结构，各所述臂支链包括四个依次活动连接的连杆；所述并联基座为两转动自由度空间并联机构；所述并联基座上安装有用于实现两条臂支链串联、并联转换的模式切换机构。与现有技术相比，本发明专利技术具有工作效率高、结构尺寸小、整体稳定性高优点。

A Multi-mode Hybrid Manipulator Based on Motion Bifurcation Mechanism

【技术实现步骤摘要】
一种基于运动分岔机构的多模式混联机械臂
本专利技术涉及机器人和机械制造领域，特别涉及一种基于运动分岔机构的多模式混联机械臂，可以实现臂部串并联切换。
技术介绍
目前，机器人的应用场合多样化，特别是对于超大型机械设备、特殊环境作业、工位性质多样的生产流水线等应用场景，存在尺寸比普通的机械结构高大，工位性质多样，零部件样式多的工况，而传统的加工装配操作设备有操作模式单一的局限性。以往的解决方案一种是通过使用并联机构，利用并联机构刚度高，精度高的特点提高工作效率和质量，但这些方案存在并联机构固有的缺点，即工作空间较小。另一种就是通过增加机器人的数目，对于性质不同的工位，需要使用不同的加工机器人去完成，该方案将大大增加生产投入成本，往往会限制机器人执行任务的能力，消耗工作时间，会降低工作效率。现有技术中也有由多个并联机构进一步串联而成的机械构型，但其系统中的运动副较多，坐标运动坐标的建立过程较为复杂。为了有效提高对于大型机械结构的加工效率，更好地保证工作质量，使操作设备可以根据任务性质，需要选择更优的一种操作模式，而开发一种能同时提供几种不同操作模式、且操作方便的加工机器人，是亟待解决的一个技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于运动分岔机构的多模式混联机械臂。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于运动分岔机构的多模式混联机械臂，包括依次连接的末端执行器、臂部和并联基座，其中：所述臂部为8杆单环运动分岔机构，包括对称设置的两条臂支链，两条臂支链两端分别活动连接形成单环闭链结构，各所述臂支链包括四个依次活动连接的连杆；所述并联基座为两转动自由度空间并联机构；所述并联基座上安装有用于实现两条臂支链串联、并联转换的模式切换机构。进一步地，各所述臂支链的四个连杆的形状不同。进一步地，各所述连杆间通过转动副连接，且部分连杆上布置有驱动电机。进一步地，所述并联基座包括上平台、下平台、支链机构和支链驱动机构，所述支链机构活动连接于上平台和下平台之间，所述支链驱动机构与支链机构连接，所述模式切换机构安装于上平台上，所述下平台安装于一固定底板上。进一步地，所述支链机构包括三条分支链和一条中间支链，所述三条分支链中间对称布置上平台和下平台边沿，各分支链包括两个活动连接的连杆，所述中间支链包括依次活动连接的固定杆Ⅰ、中间连接件和固定杆Ⅱ，固定杆Ⅰ与上平台固定连接，固定杆Ⅱ与下平台固定连接。进一步地，各分支链的两个所述连杆间通过等效球面副连接。进一步地，所述支链驱动机构设有三个，分别与三条分支链对应连接。进一步地，所述支链驱动机构为丝杆驱动机构，该丝杆驱动机构固定于所述固定底板上。进一步地，所述模式切换机构包括依次连接的伺服电机、齿轮组件和传动销，所述传动销与臂支链连接。进一步地，所述模式切换机构设有两个，分别与两条臂支链对应连接，两个所述模式切换机构采用嵌套方式安装于并联基座上。本专利技术区别于以往机械臂仅具有单一操作模式的特点，可以实现串联和平面并联两种操作模式，集串联构型工作空间大和并联机构刚度高的性能于一身，解决了串联构型、并联构型在性能上对偶互补，却不能同时兼顾的问题。与现有技术相比，本专利技术具有以如下有益效果：(1)本专利技术臂部采用单环8杆运动分叉机构，通过模式切换机构可以方便实现串联和平面并联两种模式的切换，功能上兼备串联机械臂工作空间大和并联机构刚度高等性能的优势，环境适应性强，工作效率高，解决了以往操作设备操作模式单一，环境适应能力差的问题，可满足超大型机械设备的加工装配、特殊环境作业、工位性质多样的生产流水线等情况，应对操作任务性质多样的应用需求，面对不同的工况可以从两种操作模式中挑选更适合的操作模式完成任务，使机械臂有更好的适应性，提高了工作效率和完成质量。(2)本专利技术整体结构采用混联结构，一台设备即可以完成本来两台设备才可以完成的任务，明显地减小机械设备的生产投入成本，在结构上减小了产品结构尺寸，降低存储空间，方便运输，减少运输成本(特别对于航空运载)。(3)本专利技术臂部将以往两种操作设备集成于一种结构，功能上兼顾了串联机械臂工作空间大和并联机构刚度高等性能优势，允许机械臂根据不同的工况，选择更优的操作模式执行任务，具有更好的环境适应性，从而可以提高工作效率、保证更好的完成质量。(4)本专利技术采用二转动自由度3-RSR/S并联机构作为基座，充分利用了并联机构高刚度、高承载能力的特点，同时，增大了机械臂的工作空间，提高了机构的的稳定性、精度和刚度。(5)本专利技术的3-RSR/S并联机构包含的四条支链的中间关节，均采用一种等效球面副替代一般的球副更易于润滑和维护，减小了物理干涉，扩大了活动范围。等效球面副具有3个转动副相交于一点的特征，一般的球面副很难润滑和维护，并且存在固有的物理干涉，最严重的缺陷是活动范围小，该等效球面副在以上性能上均有显著改善。(6)本专利技术的臂部可切换至2-RRR平面六杆模式，该构型下平面并联机构为两支链的结构，有效减少了连杆间的物理干涉，具有更大的工作空间，不同于以往应用广泛的3-RRR机构，且与应用更为广泛的5杆平面操作机器人相比，可以提供更多的自由度，具有更好的灵活性。(7)本专利技术臂部为3轴串联机械臂，本身具有3个自由度，臂部与上平台的连接方式增加了一个绕Z轴的转动自由度，3-RSR/S(R为转动副，S为球副)并联机构有2个转动自由度，混联机械臂整体具有6个自由度，灵活度高。(8)从理论上讲，本专利技术依据8杆单环运动分叉机构的奇异位型，实现模式切换；从实际驱动方案上来讲，通过布置于上平台上的两个伺服电机分别驱动两组齿轮齿圈，进一步，通过两个传动销分别驱动臂部两个并联分支连的开合，实现对臂部的模式切换控制。附图说明图1为本专利技术总体结构立体图；图2为末端执行器与臂部以及并联基座的上平台连接方式示意图；图3为机械臂处于串联模式下的示意图，其中，(3a)为总体结构示意图，(3b)为整体机构简图；图4为机械臂处于六杆平面并联模式下的示意图，其中，(4a)为总体结构示意图，(4b)为整体机构简图；图5为臂部结构立体图；图6为臂部驱动电机安装方式示意图；图7为臂部处于并联模式下示意图，其中，(7a)为结构示意图，(7b)为整体机构简图；图8为臂部处于串联模式下示意图，其中，(8a)为结构示意图，(8b)为整体机构简图；图9为臂部模式切换过程各状态示意图，其中，(9a)为串联构型分支，(9b)为奇异位型Ⅰ，(9c)为过渡状态Ⅰ，(9d)为过渡状态Ⅱ，(9e)为过渡状态Ⅲ，(9f)为奇异位型Ⅱ，(9g)为平面六杆构型分支；图10为3-RSR/S并联机构示意图，其中，(10a)为结构示意图，(10b)为整体机构简图；图11为3-RSR/S并联机构上平台上表面局部细节放大图；图12为3-RSR/S并联机构上平台下表面局部细节放大图；图13为电机固定底板下部局部细节放大图；图14为3-RSR/S并联机构中间3R支链爆炸结构示意图；图15为模式切换机构结构示意图；图16为支链驱动机构爆炸结构示意图。图中标号说明：1.连杆Ⅰ，2.连杆Ⅱ，3.连杆Ⅲ，4.连杆Ⅳ，5.连杆Ⅴ，6.连杆Ⅵ，7.连杆Ⅶ，8.连杆Ⅷ，9.上支链连杆，10.下支链连杆，11.下平台，12.上平台本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于运动分岔机构的多模式混联机械臂，其特征在于，包括依次连接的末端执行器、臂部和并联基座，其中：所述臂部为8杆单环运动分岔机构，包括对称设置的两条臂支链，两条臂支链两端分别活动连接形成单环闭链结构，各所述臂支链包括四个依次活动连接的连杆；所述并联基座为两转动自由度空间并联机构；所述并联基座上安装有用于实现两条臂支链串联、并联转换的模式切换机构。

【技术特征摘要】
1.一种基于运动分岔机构的多模式混联机械臂，其特征在于，包括依次连接的末端执行器、臂部和并联基座，其中：所述臂部为8杆单环运动分岔机构，包括对称设置的两条臂支链，两条臂支链两端分别活动连接形成单环闭链结构，各所述臂支链包括四个依次活动连接的连杆；所述并联基座为两转动自由度空间并联机构；所述并联基座上安装有用于实现两条臂支链串联、并联转换的模式切换机构。2.根据权利要求1所述的基于运动分岔机构的多模式混联机械臂，其特征在于，各所述臂支链的四个连杆的形状不同。3.根据权利要求1所述的基于运动分岔机构的多模式混联机械臂，其特征在于，各所述连杆间通过转动副连接，且部分连杆上布置有驱动电机。4.根据权利要求1所述的基于运动分岔机构的多模式混联机械臂，其特征在于，所述并联基座包括上平台、下平台、支链机构和支链驱动机构，所述支链机构活动连接于上平台和下平台之间，所述支链驱动机构与支链机构连接，所述模式切换机构安装于上平台上，所述下平台安装于一固定底板上。5.根据权利要求4所述的基于运动分岔机构的多模式混联机械臂，其特征在于，所述支链机...

【专利技术属性】
技术研发人员：张春燕，殷兴鲁，宛宇，刘香玉，谢明娟，李茂生，朱锦翊，
申请(专利权)人：上海工程技术大学，
类型：发明
国别省市：上海,31