专利名称：一种具有冗余驱动的三自由度串并联混合重载机械臂的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机械臂，特别涉及一种串并联混合机械臂。
背景技术：
机构是机器装备的核心，机构的创新一直是机器装备创新的关键，开发相应的具有自主知识产权的机构对提高我国机械装备的科技水平核心竞争力非常重要。实现挖掘、 抓取、搬运等功能工作装置，应用连杆机构较为普遍。常用的串联机械手，工作空间大，但承载能力低，只能抓取、搬运一些较轻的物体。相反，并联机械手工作空间小，但承载能力高。 由于串联和并联机械手的优势有互补性，如果能有效的结合两者的优点来设计出混联机械手，或者说是多环耦合机构，那么这种机械手的性能会更优越。中国专利CN03105161. 8涉及一种四自由度混联机器人，它由两平动自由度并联机构、与之串联的两转动自由度转头结构、以及安装在所述转头结构上的末端执行器构成。中国专利CN200610015114. 9公开了一种可实现整周回转的四自由度混联抓放式机器人机构，该机构的执行装置能实现整周回转，三个驱动轴采用同轴布置，能减少运动部件的质量。然而，现有的混联机械手大都不是基于重载任务来设计的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种承载能力高、工作空间大、易于实时控制的具有冗余驱动的三自由度串并联混合重载机械臂。底座上设有四对平行对称的基座，其中一端的一对基座通过铰链与一对小臂油缸的缸套端部连接，该小臂油缸的活塞杆端部通过铰链与小臂的一端连接，或者是一个规格较大的小臂油缸的缸套端部与基座铰接，该小臂油缸的活塞杆端部与小臂的一端铰接；上述小臂的另一端通过铰链与末端执行器的一部位连接，上述小臂的中部通过铰链与大臂的一端连接，该大臂的另一端通过铰链与底座中部的一对基座连接；该大臂中部通过铰链与一对大臂油缸的缸套端部连接；该大臂油缸的活塞杆端部通过铰链分别与底座中部的另一对基座连接；上述大臂中部的另一部位通过铰链与一对摆动杆油缸的缸套端部连接，该摆动杆油缸的活塞杆端部通过铰链与摆动杆的中部连接；该摆动杆的一端通过铰链与底座上另一端的一对基座连接，其另一端通过铰链与一对末端执行器油缸的活塞杆端部连接，该末端执行器油缸的缸套端部通过铰链与上述末端执行器另一部位相连。上述各油缸的缸套和活塞的位置可以互换。本发明从底座到末端执行器可以看作是由两个对称的平面机构组成，在每个平面机构中，末端执行器相对于底座的自由度为3，而每个平面机构中用了 4个驱动液压缸进行冗余驱动，冗余驱动不仅提高了机构的承载能力和消除奇异位形的能力，而且可以优化输入力，改善机构的驱动平稳性。从底座到末端执行器是由两个对称的平面机构组成，在每个平面机构中，在保证杆件数目和杆件之间连接关系不变的情况下，各杆的尺寸和形状以及杆件之间的连接位置可以根据实际情况变化。本发明与现有技术相比具有如下优点
(1)具有更好的刚度，承载能力高，克服了传统串联式机械手承载能力低，一般只能抓放一些较轻物体的缺点。(2)可以在较大的工作空间内对重物进行抓放操作，或实现重载挖掘功能，克服了传统并联机械手工作空间小的缺点。(3)冗余驱动不仅提高了机构的承载能力，而且可以优化输入力，改善机构的驱动平稳性。此外，还增强了机构消除奇异位形的能力。(4)结构解耦，运动和动力求解容易，易于实现实时控制。
图1是本发明的立体示意简图。图2是本发明挖掘使用状态立体示意简图。图3是本发明抓取使用状态立体示意简图。图4是本发明实施例2的立体示意简图。图5是本发明实施例2采用一个小臂油缸的立体示意简图。
具体实施例方式实施例1
在图1所示的一种具有冗余驱动三自由度串并联混合重载机械臂立体示意简图中，底座1上设有四对平行对称的基座，其中一端的一对基座通过铰链Rl与一对小臂油缸2的缸套端部连接，该小臂油缸的活塞杆端部通过铰链R2与小臂3的一端连接，该小臂的另一端通过铰链R3与末端执行器4的一部位连接，上述小臂的中部通过铰链R12与大臂9的上端连接，该大臂的下端通过铰链R9与底座中部的一对基座连接；该大臂中部通过铰链RlO与一对大臂油缸7的缸套端部连接；该大臂油缸的活塞杆端部通过铰链R8分别与底座中部的另一对基座连接；上述大臂中部的另一部位通过铰链Rll与一对摆动杆油缸8的缸套端部连接，该摆动杆油缸的活塞杆端部通过铰链R6与摆动杆6的中部连接；该摆动杆的一端通过铰链R7与底座上另一端的一对基座连接；上述摆动杆的另一端通过铰链R5与一对末端执行器油缸5的活塞杆端部连接，该末端执行器油缸的缸套端部通过铰链R4与上述末端执行器另一部位相连。在图2所示的本发明挖掘使用状态立体示意简图中，末端执行器为铲斗结构，其它杆件的连接关系与图1相同。在图3所示的本发明抓取使用状态立体示意简图中，末端执行器为抓手装卡结构，其它杆件的连接关系与图1相同。实施例2
在图4所示的一种具有冗余驱动三自由度串并联混合重载机械臂实施例2的立体示意简图中，底座1上设有四对平行对称的基座，其中靠一端的一对基座通过铰链与大臂9的一端连接，该大臂的另一端通过铰链与小臂3的一端连接，该小臂的另一端通过铰链与末端执行器4连接，上述小臂的中部通过铰链与一对小臂油缸2的活塞杆端部连接，该一对小臂油缸的缸套通过铰链与基座中部的一对基座连接；一对大臂油缸7的活塞杆端部通过铰链分别与上述两对基座之间的一对基座连接，该大臂油缸的缸套端部通过铰链与上述大臂中部连接；一对摆动杆油缸8的缸套端部通过铰链与上述大臂中部的另一部位连接，该摆动杆油缸的活塞杆端部通过铰链与摆动杆6的中部连接，该摆动杆的一端通过铰链与底座另一端的一对基座连接；上述摆动杆的另一端通过铰链与末端执行器油缸5的活塞杆端部连接，该末端执行器油缸的缸套端部通过铰链与末端执行器相连。
如图5所示，小臂油缸可以是一个，其它杆件的连接关系与图4相同。
权利要求
1.一种具有冗余驱动的三自由度串并联混合重载机械臂，其特征在于底座(1)上设有四对平行对称的基座，其中一端的一对基座通过铰链与一对小臂油缸(2)的缸套端部连接，该小臂油缸(2)的活塞杆端部通过铰链与小臂(3)的一端连接；该小臂(3)的另一端通过铰链与末端执行器(4)的一部位连接，上述小臂(3)的中部通过铰链与大臂(9)的一端连接，该大臂(9)的另一端通过铰链与底座(1)中部的一对基座连接，该大臂(9)中部的一部位通过铰链与一对大臂油缸(7)的缸套端部连接，该大臂油缸(7)的活塞杆端部通过铰链分别与底座(1)中部的另一对基座连接，上述大臂(9)中部的另一部位通过铰链与一对摆动杆油缸(8)的缸套端部连接，该摆动杆油缸(8)的活塞杆端部通过铰链与摆动杆(6)的中部连接，该摆动杆(6)的一端通过铰链与底座(1)上另一端的一对基座连接，上述摆动杆 (6)的另一端通过铰链分别与一对末端执行器油缸(5)的活塞杆端部连接，该末端执行器油缸(5)的缸套端部通过铰链与上述末端执行器(4)另一部位相连。
2.根据权利要求1所述的一种具有冗余驱动的三自由度串并联混合重载机械臂，其特征在于上述一对小臂油缸(2)可以用一个规格较大的小臂油缸代替。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有冗余驱动的三自由度串并联混合重载机械臂， 其特征在于上述各油缸的缸套和活塞的位置可以互换。
全文摘要
一种具有冗余驱动的三自由度串并联混合重载机械臂，其底座上设有四对平行对称的基座，其中一端的基座与小臂油缸缸套铰接，该小臂油缸活塞杆与小臂的一端铰接，该小臂的另一端与末端执行器铰接，上述小臂的中部与大臂的一端铰接，该大臂的另一端与底座中部的基座铰接，该大臂中部与大臂油缸缸套铰接，该大臂油缸的活塞杆与另一对基座铰接，该大臂中部另一部位与摆动杆油缸的缸套铰接，该摆动杆油缸的活塞杆与摆动杆的中部铰接；该摆动杆的一端与底座另一端的一对基座铰接；该摆动杆另一端与末端执行器油缸的活塞杆铰接，该末端执行器油缸的缸套端部与末端执行器的另一部位铰接。本发明承载能力高、工作空间大、易于正反解求解，方便实现实时控制。
文档编号B25J18/02GK102528819SQ20111044427
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月27日 优先权日2011年12月27日
发明者丁华锋, 曹文熬, 杨凤霞, 陈子明, 陈谊超 申请人:燕山大学