本發(fā)明屬于機(jī)械領(lǐng)域，涉及一種凸輪驅(qū)動(dòng)的三自由度并聯(lián)機(jī)械手。

背景技術(shù)：

伴隨食品、醫(yī)藥、機(jī)械、電子等輕工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)于包裝、裝配、搬運(yùn)等生產(chǎn)線的機(jī)械自動(dòng)化方面提出越來(lái)越高的要求。高精度、高速度、高柔性機(jī)械手在電子、醫(yī)藥、食品、機(jī)械等生產(chǎn)線的包裝、裝配、搬運(yùn)領(lǐng)域取得了重要應(yīng)用。

目前，該類(lèi)機(jī)械手主要在發(fā)達(dá)國(guó)家的輕工、電子、醫(yī)藥、食品等領(lǐng)域發(fā)揮作用，并創(chuàng)造了巨大的社會(huì)價(jià)值。隨著國(guó)內(nèi)勞動(dòng)力成本的上升，以機(jī)械代替人工趨勢(shì)必將不斷加強(qiáng)。而且隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化趨勢(shì)逐漸顯露，對(duì)于生產(chǎn)效率的追求也越來(lái)越明顯。所以，該類(lèi)應(yīng)用型機(jī)械的開(kāi)發(fā)在未來(lái)將具備強(qiáng)大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

目前市場(chǎng)上的類(lèi)似機(jī)械手為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，對(duì)于三自由度的機(jī)械手至少有三個(gè)伺服電機(jī)，這就使成本增加、對(duì)電機(jī)的控制復(fù)雜，并且如果要求改變運(yùn)動(dòng)軌跡就需要重新編程，這對(duì)于使用人員的素質(zhì)要求也較高，如果僅應(yīng)用在簡(jiǎn)單重復(fù)動(dòng)作的工況下就顯得未盡其用。

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技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種凸輪驅(qū)動(dòng)的三自由度并聯(lián)機(jī)械手，能夠?qū)崿F(xiàn)空間三個(gè)方向平動(dòng)的三自由度的高速并聯(lián)機(jī)械手。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種凸輪驅(qū)動(dòng)的三自由度并聯(lián)機(jī)械手，包括定平臺(tái)、電機(jī)和動(dòng)平臺(tái)；電機(jī)豎直安裝在定平臺(tái)上，三個(gè)凸輪圍繞電機(jī)周向等夾角安裝在定平臺(tái)上，定平臺(tái)下方安裝有分別與電機(jī)和三個(gè)凸輪連接的齒輪，三個(gè)分別與各凸輪連接的齒輪同時(shí)與和電機(jī)連接的齒輪嚙合；

動(dòng)平臺(tái)位于定平臺(tái)下方，動(dòng)平臺(tái)通過(guò)三套獨(dú)立的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分別與定平臺(tái)上的三個(gè)凸輪連接，每套傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括擺桿、大臂、連桿和小臂，擺桿、大臂均通過(guò)回轉(zhuǎn)副連接在定平臺(tái)上，并且只能繞回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)，擺桿與定平臺(tái)平行設(shè)置，滾子安裝早擺桿上，通過(guò)凸輪驅(qū)動(dòng)擺桿擺動(dòng)，大臂與定平臺(tái)平面交叉設(shè)置，連桿兩端設(shè)置有球頭，擺桿和大臂通過(guò)連桿連接，大臂與小臂一端鉸接，小臂另一端與動(dòng)平臺(tái)鉸接；

電機(jī)驅(qū)動(dòng)與其連接的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)與三個(gè)凸輪連接的齒輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，由于凸輪輪廓的作用各自推動(dòng)對(duì)應(yīng)的滾子移動(dòng)，帶動(dòng)擺桿、連桿、大臂、小臂同時(shí)運(yùn)動(dòng)，最終共同帶動(dòng)且限制約束動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)。

進(jìn)一步，所述定平臺(tái)為圓盤(pán)形，繞圓盤(pán)圓周等間隔設(shè)有三個(gè)開(kāi)槽，三個(gè)大臂分別通過(guò)回轉(zhuǎn)副安裝于開(kāi)槽中。

進(jìn)一步，分別與電機(jī)和三個(gè)凸輪連接的齒輪模數(shù)相同，且與三個(gè)凸輪分別連接的齒輪參數(shù)相同。

進(jìn)一步，所述電機(jī)通過(guò)三支腳的電機(jī)安裝座固定在定平臺(tái)上。

進(jìn)一步，所述小臂通過(guò)第二銷(xiāo)軸與動(dòng)平臺(tái)連接，第二銷(xiāo)軸的安裝軸線與動(dòng)平臺(tái)中心軸線的距離為150mm，三個(gè)小臂的安裝軸線位于同一平面上。

進(jìn)一步，所述三個(gè)擺桿的長(zhǎng)度均為400mm，其回轉(zhuǎn)軸線到電機(jī)軸線的距離為530mm，并且在圓周上均布彼此夾角120°。

進(jìn)一步，所述大臂通過(guò)回轉(zhuǎn)副連接在定平臺(tái)上，大臂回轉(zhuǎn)副以上較長(zhǎng)段長(zhǎng)度為300mm，回轉(zhuǎn)副以下較短段長(zhǎng)度為130mm。

本發(fā)明結(jié)合實(shí)際需求，通過(guò)分析實(shí)際工作時(shí)所需工位動(dòng)作，利用機(jī)構(gòu)綜合方法創(chuàng)新設(shè)計(jì)出能夠?qū)崿F(xiàn)空間三個(gè)方向平動(dòng)的三自由度的高速并聯(lián)機(jī)械手，以便與各種空間移動(dòng)工序的實(shí)現(xiàn)，并且利用平面凸輪作為控制和驅(qū)動(dòng)元件，主體采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)，無(wú)需冗余驅(qū)動(dòng)，電機(jī)和凸輪安裝在機(jī)架上，可有效減低構(gòu)件慣性和提高系統(tǒng)負(fù)載能力，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)在工作空間內(nèi)大范圍平動(dòng)。

本發(fā)明的機(jī)械手只由一個(gè)普通電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而將運(yùn)動(dòng)軌跡及運(yùn)動(dòng)規(guī)律通過(guò)計(jì)算編程固化在了驅(qū)動(dòng)凸輪里，并且完成了不同運(yùn)動(dòng)軌跡及運(yùn)動(dòng)規(guī)律下凸輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)，使得實(shí)際使用時(shí)只需要改變凸模型中關(guān)鍵參數(shù)的值即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)凸輪的設(shè)計(jì)，從而大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)者和操作者的設(shè)計(jì)工作，只需要更換凸輪就可以獲得需要的運(yùn)動(dòng)軌跡。綜上所述，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、適應(yīng)性廣、控制簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)緊促、負(fù)載能力強(qiáng)、生產(chǎn)效率高、自動(dòng)化程度高、重復(fù)誤差小、成本低、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明等軸測(cè)視圖；

圖2為本發(fā)明仰視圖；

圖3為本發(fā)明主視圖；

圖4為本發(fā)明俯視圖；

圖5為本發(fā)明兩位置提升搬運(yùn)移動(dòng)軌跡路線圖；

圖6為本發(fā)明三位置提升搬運(yùn)移動(dòng)軌跡路線圖；

圖7為本發(fā)明圓周移動(dòng)軌跡路線圖；

圖中：定平臺(tái)1、電機(jī)2、擺桿3、小球頭鉸4、大球頭鉸5、大臂6、連桿7、第一凸輪8、第二凸輪9、第三凸輪10、電機(jī)安裝座11、聯(lián)軸器12、第一銷(xiāo)軸13、小臂14、動(dòng)平臺(tái)15，滾子16、第二銷(xiāo)軸17、第一齒輪18、第二齒輪19、第三齒輪20、第四齒輪21。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明：

參見(jiàn)附圖1-4所示，本發(fā)明的凸輪驅(qū)動(dòng)的三自由度并聯(lián)機(jī)械手，包括定平臺(tái)1、電機(jī)2、擺桿3、小球頭鉸4、大球頭鉸5、大臂6、連桿7、第一凸輪8、第二凸輪9、第三凸輪10、電機(jī)安裝座11、聯(lián)軸器12、第一銷(xiāo)軸13、小臂14、動(dòng)平臺(tái)15，滾子16、第二銷(xiāo)軸17、第一齒輪18、第二齒輪19、第三齒輪20、第四齒輪21。

所述定平臺(tái)1為該設(shè)備的基體，可以根據(jù)實(shí)際需要安裝在工作現(xiàn)場(chǎng)，其他零部件都以它為參照進(jìn)行安裝；所述第一凸輪8、第二凸輪9、第三凸輪10按照對(duì)應(yīng)確定位置安裝，并且三個(gè)凸輪位于相同平面內(nèi)周向均布兩兩之間夾角120°，所述三個(gè)凸輪均根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)。

擺桿3、小球頭鉸4、大球頭鉸5、大臂6、連桿7、第一銷(xiāo)軸13、小臂14、滾子16、第二銷(xiāo)軸17，都有完全相同并且各自獨(dú)立的三套，第一齒輪18、第二齒輪19、第三齒輪20、第四齒輪21為相同模數(shù)的齒輪并且第一齒輪18、第二齒輪19、第四齒輪21為參數(shù)完全相同的齒輪，第三齒輪20大小可以與其他齒輪相同也可以根據(jù)實(shí)際傳動(dòng)比進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中，擺桿3、大臂6均通過(guò)回轉(zhuǎn)副連接在定平臺(tái)上，并且只能繞回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)；所述連桿7通過(guò)小球頭鉸4、大球頭鉸5分別與擺桿3和大臂6相連；三個(gè)相同滾子16分別安裝在三個(gè)相同擺桿3上；小臂14分別通過(guò)第一銷(xiāo)軸13、第二銷(xiāo)軸17與大臂6及動(dòng)平臺(tái)15相連；第一齒輪18、第二齒輪19、第四齒輪21分別與第一凸輪8、第二凸輪9、第三凸輪10固連并且通過(guò)旋轉(zhuǎn)副與定平臺(tái)連接，第三齒輪20通過(guò)聯(lián)軸器12與電機(jī)2相連，并且第三齒輪20同時(shí)與第一齒輪18、第二齒輪19、第四齒輪21相嚙合。

參見(jiàn)附圖5，動(dòng)平臺(tái)15中心點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為：沿著圖示關(guān)鍵位置點(diǎn)a1、點(diǎn)a2、點(diǎn)a3、點(diǎn)a4依次循環(huán)移動(dòng)，先從點(diǎn)a1處提升至點(diǎn)a2然后平移至點(diǎn)a3，接著下降至點(diǎn)a4，最后再原路返回置點(diǎn)1，完成一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期，如此往復(fù)運(yùn)動(dòng)。附圖6中從點(diǎn)a1移動(dòng)到a6及附圖7中圓周運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡同附圖5類(lèi)似不再贅述。

作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，定平臺(tái)1為圓盤(pán)形，繞圓盤(pán)圓周等間隔設(shè)有三個(gè)開(kāi)槽，三個(gè)大臂6分別通過(guò)回轉(zhuǎn)副安裝于開(kāi)槽中，分別與電機(jī)2和三個(gè)凸輪連接的齒輪模數(shù)相同，且與三個(gè)凸輪分別連接的齒輪參數(shù)相同。

作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述電機(jī)2通過(guò)三支腳的電機(jī)安裝座11固定在定平臺(tái)1上。

作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述第一凸輪8、第二凸輪9、第三凸輪10的基圓半徑為140mm，厚度為30mm。

作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述三個(gè)擺桿3的長(zhǎng)度為400mm，其回轉(zhuǎn)軸線到電機(jī)2軸線的距離為530mm，并且在圓周上均布彼此夾角120°。

作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述小臂14的長(zhǎng)度為520mm。

作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述大臂6的較長(zhǎng)段長(zhǎng)度為300mm，較短段長(zhǎng)度為130mm。

作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述連桿7的長(zhǎng)度為200mm。

作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述第一銷(xiāo)軸13與第二銷(xiāo)軸17的長(zhǎng)度為70mm。

作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述動(dòng)平臺(tái)15上第二銷(xiāo)軸17的安裝軸線與動(dòng)平臺(tái)中心軸線的距離為150mm，并且安裝軸線位于同一平面上。

作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，附圖5中所述動(dòng)平臺(tái)15中心點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡中點(diǎn)1至點(diǎn)2距離為200mm，點(diǎn)2至點(diǎn)3距離為400mm。

本發(fā)明的工作原理是：

電機(jī)2驅(qū)動(dòng)第三齒輪20通過(guò)第一齒輪18、第二齒輪19、第四齒輪21帶動(dòng)三個(gè)第一凸輪8、第二凸輪9、第三凸輪10同步轉(zhuǎn)動(dòng)，由于凸輪輪廓的作用各自推動(dòng)對(duì)應(yīng)的滾子16移動(dòng)，帶動(dòng)擺桿3、連桿7、大臂6、小臂14同時(shí)運(yùn)動(dòng)，并最終共同帶動(dòng)且限制約束動(dòng)平臺(tái)15的運(yùn)動(dòng)，限制了動(dòng)平臺(tái)在空間中的移動(dòng)路線和位置，在事先確定了動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡后，由運(yùn)動(dòng)軌跡及各桿長(zhǎng)計(jì)算出三個(gè)凸輪的輪廓形狀，從而保證了動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡的唯一性和正確性。

三個(gè)第一凸輪8、第二凸輪9、第三凸輪10旋轉(zhuǎn)一周，動(dòng)平臺(tái)完成運(yùn)動(dòng)軌跡的一個(gè)循環(huán)，即如附圖5所示：首先從點(diǎn)a1位置豎直提升至點(diǎn)a2位置，沿點(diǎn)a2直線移動(dòng)至點(diǎn)a3，接著從點(diǎn)a3豎直下降至點(diǎn)a4位置，然后原路返回至點(diǎn)a1位置。