[發明專利]一種可實現SCARA運動的四自由度高速并聯機器人

有效

• 申請號: 201710379339.0
• 申請日: 2017-05-25
• 公開（公告）號: CN107225559B
• 公開（公告）日: 2019-07-26
• 發明（設計）人: 劉辛軍;孟齊志;謝福貴;喬飛;韓剛
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: B25J9/00
• 分類號: B25J9/00
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

本發明涉及一種可實現SCARA運動的四自由度高速并聯機器人，屬于并聯機器人領域。該機器人包括定平臺、用于安裝執行器的動平臺部件以及四條結構相同的支鏈，所述四條支鏈相對定平臺呈圓周對稱布置，該四條支鏈分別連接于定平臺和動平臺部件之間，并與該定平臺和動平臺部件構成空間閉環機構。控制四條支鏈中各個驅動電機的轉動，可以實現動平臺部件中上動平臺的三個移動自由度以及一個轉動自由度，將上動平臺的中心軸作為輸出端連接執行器，可實現執行器的SCARA運動。本發明具有結構緊湊、運動靈活、控制簡單、剛度和穩定性較好等特點。

技術領域

本發明屬于并聯機器人領域，特別涉及一種可實現SCARA運動的四自由度(三維移動和一維轉動)高速并聯機器人。該機器人可應用于具有拾取和放臵操作的工況環境。

背景技術

SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm)意為具有選擇順應性的裝配機器人手臂，該機器人手臂具有四個運動自由度，包括沿X，Y，Z方向的移動和繞Z方向的轉動，在水平面內具有很好的順應性，在垂直于水平面方向上具有優異的剛性。該類機器人手臂主要功能是pick-and-place(拾取和放臵)，因此廣泛應用于塑料工業、電子工業、藥品工業和食品工業領域，可以高效地完成包裝、制造、裝配以及搬運等操作。

全球首款SCARA運動機器人由串聯機構實現，串聯機構通過運動副依次連接而成，為開環結構，具有大的工作空間和高的靈活度，但其也具有明顯的缺點：各運動副誤差累積導致末端精度低、剛度底、慣性大，動力學性能不好。并聯機構是一種閉環結構，其動平臺通過至少兩個獨立的運動鏈與定平臺相連接。與串聯機構相比，并聯機構具有剛度高、精度高、動力學性能好、結構緊湊等優點。

基于并聯機構的優點，CLAVEL提出了由三條對稱支鏈構成的可實現三維平動的Delta并聯機構(US4976582)，具有高速運動特性，在此構型的基礎上，ABB公司研發了“Flexpicker”并聯機器人并應用于食品包裝生產線中代替人工完成食品等的快速分揀操作；為進一步增加拾取動作的柔性和效率，PIERROT等提出了具有四條支鏈，雙動平臺特征的可實現SCARA運動的H4并聯機構(US20090019960和EP1084802)；隨后Adept公司成功將其商業化，典型代表有“Adept Quattrro”并聯機器人。

對于以上部分設計的優缺點，有文獻進行了點評，不足之處總結如下：專利CN202592386指出專利US4976582中Delta機構只具有空間平動的三個自由度，不能實現拾取角度的旋轉；專利CN102161200指出專利US20090019960和EP1084802中H4機構動平臺的多個部件處于同一平面內，使得動平臺尺寸較大，不夠緊湊，且相鄰的兩條支鏈驅動動平臺的一個部件，傳力效果不好，不利于提高機構效率；專利CN101863024、CN102161201指出專利US20090019960和EP1084802中動平臺尺寸較大，其上設置的放大機構增加了動平臺的重量；專利CN102152306指出專利US20090019960和EP1084802中動平臺受驅動的部件是相當于平行四邊形的一組對邊，結構不緊湊，活動不靈活，受力不均勻，不利于提高機構效率；專利CN102229141指出專利US20090019960和EP1084802中動平臺受驅動的部件只有兩個，這兩個部件相當于平行四邊形的一組對邊，這樣的驅動方式不靈活，受力情況不均勻，不利于機構的順暢運行。

綜上，設計研發性能優異的SCARA運動并聯機器人仍是機器人領域關注的熱點問題，一款結構緊湊、運動靈活的高性能SCARA并聯機器人必將具有廣闊的科研及應用前景。

發明內容