并联-串联-并联型高负载自重比机械臂制造技术

本发明专利技术公开了一种并联‑串联‑并联型高负载自重比机械臂，包括基部二自由度并联机构、通过第三旋转副与所述基部二自由度并联机构串联的端部二自由度并联机构以及用于对所述第三旋转副提供旋转力矩的旋转驱动机构。本发明专利技术的并联‑串联‑并联型高负载自重比机械臂具有结构紧凑灵活、高负载自重比、高强度、高刚度和低惯量等特点，尤其适合于重载多自由度机械臂的应用领域；本发明专利技术中通过第一驱动机构和第二驱动机构两个动力源来驱动第三连杆工作，能够提供更大的驱动力，且可实现第三连杆的回转与俯仰调节功能；相较于使用单个功率相同的驱动机构，能够提供两倍的驱动力，且结构更加简单、紧凑。

【技术实现步骤摘要】
并联-串联-并联型高负载自重比机械臂
本专利技术涉及机器人领域，特别涉及一种并联-串联-并联型高负载自重比机械臂。
技术介绍
根据运动链的数目，运动机构可分为串联机构和并联机构。串联机构是指若干个单自由度的基本杆件顺序联接，每一个前置杆件的输出运动是后置杆件的输入，从基座到末端执行器之间只有一条运动链的开环机构；并联机构是指定平台(基座)和动平台(末端执行器)通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。串联机构和并联机构各有优缺点：串联机构是典型的机械臂构型，具有工作空间大、运动灵活的特点，但由于其驱动机构安装在各个关节处，从而导致惯量大、负载自重比小等缺点。与串联机构相比，并联机构具有刚度大、负载自重比大、惯量小、精度高等优点，有效地弥补了串联机构的不足，但也存在工作空间小和运动耦合等缺点。混联机构一般具有串联机构和并联机构的共同优点，性能更加优良。混联机构主要有三种类型：并联-串联，串联-并联，并联-串联-并联。上述三种类型有各自的应用特点。并联-串联构型的混联机构主要应用于机床领域，其中以3自由度并联机构和2自由度串联机构组合的混联机构应用最为成熟。这主要因为机床的末端执行器需要提供较大负载并且同时要兼顾执行器的灵活性，而3自由度并联机构可以提供执行器所需的负载要求并在一定程度上满足工作空间的需求。所以5自由度混联机床的核心部件一般都采用这种构型。串联-并联构型的混联机构主要应用于外科手术、大曲面抛光等领域，这主要因为串联机构能够提供足够大的工作空间并且运动灵活性高，末端的并联机构具有精细的姿态调整功能，更能适用于要求精细化操作的外科手术领域和连续曲率变化的曲面抛光领域。例如专利CN111469121B公开了一种混联型五自由度机械臂，包括：相互串联的一个三自由度串联机构和一个二自由度并联机构，其可实现五自由度的姿态调整，与纯并联机构相比，增大了工作空间，降低了前置驱动部件的功率，但其也存在一些不足：例如其中第三连杆13的俯仰运动是通过单个电机以及对应的驱动连接机构来实现，然后再通过单个电机及对应的驱动连接机构实现第三连杆13的回转运动，单个电机能提供的动力较小，导致末端驱动载荷较低，难以满足负载高的应用场景的需求。所以，现在有必要提供一种更可靠的方案。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种并联-串联-并联型高负载自重比机械臂。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种并联-串联-并联型高负载自重比机械臂，包括基部二自由度并联机构、通过第三旋转副与所述基部二自由度并联机构串联的端部二自由度并联机构以及用于对所述第三旋转副提供旋转力矩的旋转驱动机构；所述基部二自由度并联机构包括第一连杆、通过第一旋转副与所述第一连杆连接的第二连杆、通过第二旋转副与所述第二连杆连接的第三连杆、第一球铰副、第一端与所述第一球铰副连接的第一球杆、连接于所述第一球杆的第二端和所述第三连杆之间的第一万向副、第二球铰副、第一端与所述第二球铰副连接的第二球杆、连接于所述第二球杆的第二端和所述第三连杆之间的第二万向副、用于对所述第一球铰副提供驱动力的第一驱动机构以及用于对所述第二球铰副提供驱动力的第二驱动机构；所述端部二自由度并联机构包括通过所述第三旋转副与所述第三连杆连接的第四连杆、通过第四旋转副与所述第四连杆连接的第五连杆、通过第五旋转副与所述第五连杆连接的第六连杆、第三球铰副、第一端与所述第三球铰副连接的第三球杆、连接于所述第三球杆的第二端和所述第六连杆之间的第三万向副、第四球铰副、第一端与所述第四球铰副连接的第四球杆、连接于所述第四球杆的第二端和所述第六连杆之间的第四万向副、用于对所述第三球铰副提供驱动力的第三驱动机构以及用于对所述第四球铰副提供驱动力的第四驱动机构；所述第一旋转副和第二旋转副中的一个与Z轴平行，另一个与Y轴平行；所述第三旋转副和第四旋转副中的一个与Z轴平行，另一个与Y轴平行；所述第四连杆通过所述第三旋转副与所述第三连杆连接，所述第六连杆作为输出端。优选的是，所述第一球杆两端的第一球铰副与第一万向副位置互换，和/或所述第二球杆两端的第二球铰副与第二万向副位置互换，和/或所述第三球杆两端的第三球铰副与第三万向副位置互换，和/或所述第四球杆两端的第四球铰副与第四万向副位置互换。优选的是，所述第一万向副替换为球铰副，和/或所述第二万向副替换为球铰副，和/或所述第三万向副替换为球铰副，和/或所述第四万向副替换为球铰副。优选的是，所述第一万向副通过两个等效的旋转副替换，和/或第二万向副通过两个等效的旋转副替换，和/或所述第三万向副通过两个等效的旋转副替换，和/或第四万向副通过两个等效的旋转副替换。优选的是，所述第一旋转副和第二旋转副的旋转轴线相交时，所述第二连杆省去，所述第一旋转副和第二旋转副由一个第五万向副代替，使得所述第一连杆和第三连杆之间直接通过所述第五万向副连接；所述第四旋转副和第五旋转副的旋转轴线相交时，所述第五连杆省去，所述第四旋转副和第五旋转副由一个第六万向副代替，使得所述第四连杆和第六连杆之间直接通过所述第六万向副连接。优选的是，所述第三连杆通过第五万向副与所述第一连杆连接，所述第二连杆省去；所述第一驱动机构包括设置在所述第一连杆上的第一电机和可转动设置在所述第一连杆上且与所述第一电机驱动连接的第一大曲柄；所述第一球杆的第一端通过第一万向副与所述第一大曲柄连接，所述第一球杆的第二端通过第一球铰副与第三连杆连接；所述第二驱动机构包括设置在所述第一连杆上的第二电机和可转动设置在所述第一连杆上且与所述第二电机驱动连接的第二大曲柄；所述第二球杆的第一端通过第二万向副与所述第二大曲柄连接，所述第二球杆的第二端通过第二球铰副与第三连杆连接。优选的是，所述第三连杆通过第五万向副与所述第一连杆连接，所述第二连杆省去；所述第一驱动机构包括设置在所述第一连杆上的第一直线驱动机构和与所述第一直线驱动机构驱动连接的第一直线推杆，所述第一球杆的第一端通过第一万向副与所述第一直线推杆连接，所述第一球杆的第二端通过第一球铰副与第三连杆连接；所述第二驱动机构包括设置在所述第一连杆上的第二直线驱动机构和与所述第二直线驱动机构驱动连接的第二直线推杆，所述第二球杆的第一端通过第二万向副与所述第二直线推杆连接，所述第二球杆的第二端通过第二球铰副与第三连杆连接。优选的是，所述第一连杆上设置有转台架，所述旋转驱动机构包括连接在所述转台架上的旋转电机以及一端与所述旋转电机的输出轴驱动连接且另一端与所述第四连杆可转动连接的俯仰连杆组件；所述俯仰连杆组件包括与所述旋转电机的输出轴驱动连接的第一小臂曲柄、与所述第一小臂曲柄可转动连接的第一小臂连杆以及与所述第一小臂连杆的另一端可转动连接且固定设置在所述第四连杆上的小臂连接块。优选的是，所述第三驱动机构包括连接在所述转台架上的第三电机以及一端与所述第三电机的输出轴驱动连接且另一端本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种并联-串联-并联型高负载自重比机械臂，其特征在于，包括基部二自由度并联机构、通过第三旋转副与所述基部二自由度并联机构串联的端部二自由度并联机构以及用于对所述第三旋转副提供旋转力矩的旋转驱动机构；/n所述基部二自由度并联机构包括第一连杆、通过第一旋转副与所述第一连杆连接的第二连杆、通过第二旋转副与所述第二连杆连接的第三连杆、第一球铰副、第一端与所述第一球铰副连接的第一球杆、连接于所述第一球杆的第二端和所述第三连杆之间的第一万向副、第二球铰副、第一端与所述第二球铰副连接的第二球杆、连接于所述第二球杆的第二端和所述第三连杆之间的第二万向副、用于对所述第一球铰副提供驱动力的第一驱动机构以及用于对所述第二球铰副提供驱动力的第二驱动机构；/n所述端部二自由度并联机构包括通过所述第三旋转副与所述第三连杆连接的第四连杆、通过第四旋转副与所述第四连杆连接的第五连杆、通过第五旋转副与所述第五连杆连接的第六连杆、第三球铰副、第一端与所述第三球铰副连接的第三球杆、连接于所述第三球杆的第二端和所述第六连杆之间的第三万向副、第四球铰副、第一端与所述第四球铰副连接的第四球杆、连接于所述第四球杆的第二端和所述第六连杆之间的第四万向副、用于对所述第三球铰副提供驱动力的第三驱动机构以及用于对所述第四球铰副提供驱动力的第四驱动机构；/n所述第一旋转副和第二旋转副中的一个与Z轴平行，另一个与Y轴平行；所述第三旋转副和第四旋转副中的一个与Z轴平行，另一个与Y轴平行；所述第四连杆通过所述第三旋转副与所述第三连杆连接，所述第六连杆作为输出端。/n...

【技术特征摘要】
1.一种并联-串联-并联型高负载自重比机械臂，其特征在于，包括基部二自由度并联机构、通过第三旋转副与所述基部二自由度并联机构串联的端部二自由度并联机构以及用于对所述第三旋转副提供旋转力矩的旋转驱动机构；
所述基部二自由度并联机构包括第一连杆、通过第一旋转副与所述第一连杆连接的第二连杆、通过第二旋转副与所述第二连杆连接的第三连杆、第一球铰副、第一端与所述第一球铰副连接的第一球杆、连接于所述第一球杆的第二端和所述第三连杆之间的第一万向副、第二球铰副、第一端与所述第二球铰副连接的第二球杆、连接于所述第二球杆的第二端和所述第三连杆之间的第二万向副、用于对所述第一球铰副提供驱动力的第一驱动机构以及用于对所述第二球铰副提供驱动力的第二驱动机构；
所述端部二自由度并联机构包括通过所述第三旋转副与所述第三连杆连接的第四连杆、通过第四旋转副与所述第四连杆连接的第五连杆、通过第五旋转副与所述第五连杆连接的第六连杆、第三球铰副、第一端与所述第三球铰副连接的第三球杆、连接于所述第三球杆的第二端和所述第六连杆之间的第三万向副、第四球铰副、第一端与所述第四球铰副连接的第四球杆、连接于所述第四球杆的第二端和所述第六连杆之间的第四万向副、用于对所述第三球铰副提供驱动力的第三驱动机构以及用于对所述第四球铰副提供驱动力的第四驱动机构；
所述第一旋转副和第二旋转副中的一个与Z轴平行，另一个与Y轴平行；所述第三旋转副和第四旋转副中的一个与Z轴平行，另一个与Y轴平行；所述第四连杆通过所述第三旋转副与所述第三连杆连接，所述第六连杆作为输出端。


2.根据权利要求1所述的并联-串联-并联型高负载自重比机械臂，其特征在于，所述第一球杆两端的第一球铰副与第一万向副位置互换，和/或所述第二球杆两端的第二球铰副与第二万向副位置互换，和/或所述第三球杆两端的第三球铰副与第三万向副位置互换，和/或所述第四球杆两端的第四球铰副与第四万向副位置互换。


3.根据权利要求1所述的并联-串联-并联型高负载自重比机械臂，其特征在于，所述第一万向副替换为球铰副，和/或所述第二万向副替换为球铰副，和/或所述第三万向副替换为球铰副，和/或所述第四万向副替换为球铰副。


4.根据权利要求2所述的并联-串联-并联型高负载自重比机械臂，其特征在于，所述第一万向副通过两个等效的旋转副替换，和/或第二万向副通过两个等效的旋转副替换，和/或所述第三万向副通过两个等效的旋转副替换，和/或第四万向副通过两个等效的旋转副替换。


5.根据权利要求4所述的并联-串联-并联型高负载自重比机械臂，其特征在于，所述第一旋转副和第二旋转副的旋转轴线相交时，所述第二连杆省去，所述第一旋转副和第二旋转副由一个第五万向副代替，使得所述第一连杆和第三连杆之间直接通过所述第五万向副连接；
所述第四旋转副和第五旋转副的旋转轴线相交时，所述第五连杆省去，所述第四旋转副和第五旋转副由一个第六万向副代替，使得所述第四连杆和第六连杆之间直接通过所述第六万向副连接。


6.根据权利要求5所述的并联-串联-并联型高负载自重比机械臂，其特征在于，所述第三连杆通过第五万向副与所述第一连杆连接，所述第二连杆省去；
所述第一驱动机构包括设置在所述第一连杆上的第一电机和可转动设置在所述第一连杆上且与所述第一电机驱动连接的第一大...

【专利技术属性】
技术研发人员：张举中，储雨奕，蔡黎明，查卿，王之森，叶霆锋，杨洪波，
申请(专利权)人：中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32