[发明专利]一种七自由度索杆复合驱动的混联机械臂

说明书

技术领域

本发明涉及工业机械臂领域，具体是一种七自由度索杆复合驱动的混联机械臂及其搬运方法。

背景技术

机械臂是各种工程机械设备的关键部件，在工、农业等领域中有着广泛的应用。机械臂作为机器人的主要执行机构，直接影响到的是末端执行器的位置，故其结构的优化设计工作至关重要。现有市场上可实现重物搬运的机械臂多为纯粹的刚性结构，其中又以关节型机械臂此类串联型机械臂为代表性产品。关节型机械臂虽具有动作较灵活、占用空间小的优势，但由于其每个关节都安装有驱动电机，而这些电机在机械臂作业时会成为传动负载，所以关节型机械臂具有惯量大、关节误差累积的缺点，无法实现高速重载作业。并联机构作为一种新兴构型，凭借高刚度、高承载能力的优点，向人类社会证明了自己的潜力，在工业领域内拥有良好的应用前景。中国专利CN20141083584900涉及一种索杆复合驱动的并联码垛机器人，拥有柔索并联机构，适用于高速重载场合，但仍有不足之处：第一，柔索只能提供单向的驱动力，该机构小臂在放下时只能依靠自重，减弱了定位准确性；第二，机构不具备自锁功能，安全性、可靠性不强；第三，机构自由度的数量限制了其工作空间的拓展。国际专利 PCT/CA2003/000987公开了一系列采用柔索的轻型并联机械臂，由于其过度追求快速性，机构无法实现重载作业；同时该系列机械臂也存在工作空间小的缺点。由此看来，纯粹的串联或并联机构已经渐渐无法适应机械高精度化、高速化的发展趋势。

发明内容

本发明为克服上述现有技术存在的不足之处，提供一种七自由度索杆复合驱动的混联机械臂及其搬运方法；基于现有的索杆复合驱动的并联码垛机器人，进行了机械臂的优化设计工作，旨在整合纯粹的串联或并联机械臂各自的优点，避免纯粹串联机械臂重量、惯量大和纯粹并联机械臂工作空间相对较小两类问题的出现。除腕部驱动电机外，其余所有电机都通过柔索或传动机构转移至基座(即机架)上，减轻了机械臂运动部件的负载，提高了其运动快速性。所述机械臂采用具有自锁功能的传动机构(如蜗轮蜗杆)和具有缓冲作用的弹簧，提高了机构安全性、可靠性；具有七个自由度，机械臂动作灵活、轨迹多变且工作空间大。

本发明通过以下技术方案达到上述目的：

一种七自由度索杆复合驱动的混联机械臂，包括基座1000、大臂2000、传动齿轮箱3000、小臂4000、末端执行器5000、和柔索驱动器6000。其中，

基座1000安装在地基上。在基座(1000)内设有驱动电机；

大臂2000呈长杆状。大臂2000的一端与基座1000活动连接。大臂2000的另一端与传动齿轮箱3000的一侧端面活动连接。通过大臂2000将由基座1000内驱动电机产生的转矩传输到传动齿轮箱3000中。

传动齿轮箱3000的另一侧端面与小臂4000的一端活动连接。传动齿轮箱3000起传递转矩的作用，将基座1000、大臂2000传输来的转矩传递到小臂4000。

小臂4000的另一端与末端执行器5000活动连接。

在基座1000周围地基上设有2个以上的柔索驱动器6000。在传动齿轮箱3000与每个柔索驱动器6000之间配有柔索。通过传动齿轮箱3000与柔索驱动器6000之间的柔索、大臂 2000、柔索驱动器6000带动传动齿轮箱3000运动及协同定位。

在传动齿轮箱3000与基座1000间配有柔索。在传动齿轮箱3000与小臂4000上配有一根柔索。通过传动齿轮箱3000与小臂4000之间的柔索、传动齿轮箱3000与基座1000之间的柔索、大臂2000、传动齿轮箱3000、小臂4000、柔索驱动器6000带动末端执行器5000 运动及协同定位。

换言之，所述基座1000安装在机架或地面上，通过虎克铰链结构与大臂2000一端相连，故大臂2000能相对于基座1000做两个自由度的旋转运动，所述虎克铰链结构为从动结构。大臂2000另一端通过另一虎克铰链结构与传动齿轮箱3000相连，所述虎克铰链结构为主动结构，大臂2000相对于基座1000的旋转自由度由其提供。所述大臂2000具有伸缩结构，故其还拥有一个移动自由度。所述小臂4000安装在传动齿轮箱3000上，具有两个旋转自由度。所述末端执行器5000在本发明中采用吸附式结构，安装在小臂4000上，其上安装的腕部电机提供一个旋转自由度。所述传动齿轮箱3000还通过三根外部驱动柔索分别与三个柔索驱动器6000相连，具有一个旋转自由度。所述柔索驱动器呈品字型分布安装在机架(或地面)上。

采用本发明进行高速重载物料搬运作业的步骤如下：