[發明專利]姿態可調整、坐標解耦的七自由度機器人及控制方法

在審

• 申請號: 201710022142.1
• 申請日: 2017-01-12
• 公開（公告）號: CN106584440A
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發明（設計）人: 付莊;吳優;付藝晗
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: B25J9/02
• 分類號: B25J9/02;B25J9/16
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司31236
• 代理人: 郭國中

技術領域

本發明涉及機器人技術領域，具體地，涉及一種姿態可調整、坐標解耦的七自由度機器人。

背景技術

隨著機械電子與自動控制技術的飛速發展，以及人力成本的日益提高，各行各業迫切需要用機器人來代替勞動強度大、重復作業、工作環境惡劣或者需要精密操作的工作人員。

針對傳統工業應用，通用的六自由度串聯機器人比較多，各個關節均采用伺服電機加抱閘的結構方式，這種機器人雖然是6個自由度的，但抱閘結構有失效的風險，一旦失效機器人將整體下落，并砸到下面的物體，因此這種機器人在醫療上幾乎很少采用。并且這種機器人的幾個自由度還是相互耦合的，增加了機器人編程調試的難度。另外，這種通用型六自由度串聯機器人價格昂貴，操作復雜，因此這種機器人不適于操作空間較小，姿態可調整，坐標解耦的工業、醫療、服務等特種應用環境。在許多工業、醫療、服務等不同的特種應用環境下，常常需要先調整工具的三個旋轉姿態到某個角度，再控制工具的末端達到某個位置，并且當工具維持在某個姿態角度的情況下，工具末端可很容易地達到某個坐標位置，即實現姿態角度控制與坐標位置控制的解耦。

經檢索：申請號為CN201310415851.8的發明專利，公開了一種單輸入三平移三轉動輸出并聯運動裝置，包含動平臺、靜平臺，以及連接動平臺、靜平臺的四條支鏈，本專利采用的技術方案過于復雜，且工作空間有限，存在坐標耦合問題。

申請號為CN201520019888.3的發明專利，提供了一種直角坐標機器人，包括底座，底座上安裝有轉盤及驅動轉盤轉動的第一電機，轉盤上安裝有豎向導軌，豎向導軌上安裝有橫向導軌及驅動橫向導軌豎向滑動的豎向絲桿和豎向絲桿電機，橫向導軌上安裝有驅動橫向導軌橫向滑動的橫向絲桿和橫向絲桿電機，橫向導軌上安裝有連接座，連接座安裝有90°擺動氣缸，90°擺動氣缸上安裝有擺動臂，擺動臂上安裝有180°轉動氣缸，180°轉動氣缸上安裝有固定板，固定板上安裝有手爪。該發明僅有4個自由度，且末端的擺動和轉動由氣缸組成，僅適用于動作簡單的搬運操作，復雜的運動軌跡和大的運動空間無法實現，運動精度不高。

申請號為CN201410056623.0的發明專利，提供了一種結合有3自由度腕部結構的直角坐標機器人，2個水平軸在下面，垂直軸安裝在水平軸的上面，旋轉軸安裝在垂直軸的上面。該發明仍然限制了末端的工作空間，并且實現方法過于復雜，由于2個水平軸自由度在下面，因此物體如果放在水平軸上面時，則存在干涉，因此空間利用率不高。

申請號為CN101559597A的發明專利，公開了一種龍門式七軸工業機器人，采用龍門架的形式，通過兩個立柱與地面上的兩個大軌道相連。該發明的地面面積占用非常大，不適于空間利用率要求非常高的場合。另外，該專利的后面幾個旋轉關節是在垂直面內旋轉，關節軸承受的彎矩很大，存在不安全的隱患。并且，該專利結構復雜，姿態不易于調整，且存在坐標解耦問題。

因此，迫切一種工作空間利用率高、結構簡單、姿態可調整、坐標解耦的七自由度特種機器人，以滿足工業、醫療、服務等不同的特種應用環境。

發明內容

針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種姿態可調整、坐標解耦的七自由度機器人及其控制方法，具有工作空間利用率高、姿態可調整、坐標解耦的優點，既能降低成本，又能提高機器人工作的靈活性。

根據本發明的第一方面，提供一種姿態可調整、坐標解耦的七自由度機器人，包括：Z軸垂直升降模塊、X軸水平移動模塊、Y軸水平移動模塊、姿態調整模塊和工具運動模塊，其中：Z軸垂直升降模塊板固定安裝，作為基準平臺，X軸水平移動模塊安裝在Z軸垂直升降模塊上，Y軸水平移動模塊安裝在X軸水平移動模塊上，姿態調整模塊安裝在Y軸水平移動模塊上，工具運動模塊安裝在姿態調整模塊上；

所述Z軸垂直升降模塊在驅動部件的驅動下實現上下升降運動，從而實現Z軸的升降自由度；所述X軸水平移動模塊在驅動部件的驅動下沿X軸方向運動，從而實現X軸的水平自由度；Y軸水平移動模塊在驅動部件的驅動下沿Y軸方向運動，從而實現Y軸的水平自由度；姿態調整模塊在驅動部件的驅動下實現α軸的姿態調整自由度、β軸的姿態調整自由度、γ軸的姿態調整自由度；工具運動模塊在驅動部件的驅動下直線運動，從而實現工具運動模塊的L直線自由度；