利用差动齿轮的并联机器人的手腕组件
技术领域
本发明涉及并联机器人。具体是，利用差动齿轮使并联机器人的手腕部结构具有3自由度的并联机器人。
背景技术
并联机器人主要用于重量比较轻的产品或配件的高速移送，根据连接部的数量，称为三角式(delta)机器人或quattro机器人。
一般三角式并联机器人具备基础部、可动部、连接基础部和可动部的第一至第三连杆部，可动部上还具备手腕部。
这种三角式并联机器人已在日本专利第4659098号中公开。
日本国专利第4659098号中公开的并联机器人是将基础部件和可动部件之间用由驱动连杆和手动连杆构成的三组连杆机构并列连接关节，同时在可动部件上具备可控制末端执行器姿势的具有三自由度的姿势变更机构部的平行连杆机器人(见图1至图10)。
根据日本国专利第4659098号的图5和图8查看手腕部的结构，手腕部(姿势变更机构部，102)具备：向与包括连接可动部件(100)和三个手动连杆的各关节部旋转轴线的平面相垂直的第四轴线(106a)方向可旋转地连接的第一旋转部件(106)；与第一旋转部件(106)向第四轴线(106a)相直交的第五轴线方向(108a)可旋转地连接的第二旋转部件(108)；与第二旋转部件(108)向与第五轴线(108a)相直交的第六轴线(110a)方向可旋转地连接的同时前端具备用于装配末端执行器的法兰面的第三旋转部件(110)。
从三个电机分别传递各驱动力的三个独立的驱动轴向三个输入轴的各轴方向可旋转地连接，三个电机的各驱动力通过姿势变更机构部(102)上配置的齿轮，向第四轴线方向(106a)、第五轴线方向(108a)、第六轴线方向(110a)驱动第一至第三旋转部件(106,108,110)
但是，日本国专利第4659098号公开的并联机器人的腕部结构实现以三个轴为准的三自由度，但根据Geometric optimization of serial chain manipulator structures for working volume and dexterity、R Vijaykumar、KJ Waldron、MJ Tsai、1986,International Journal of Robotic Research，三个轴虽然相互形成90度，但并没有在一个点上相遇，因此，无法满足从理论上具有优化作业领域的手腕机构。
(先有技术文献)
(专利文献)
(专利文献1)日本专利第4659098号
发明内容
(技术问题)
为解决上述传统上存在的问题，本发明提供一种手腕结构的三个轴在一个点上相遇，使手腕部的运动学结构接近基于学术理论的手腕优化机构的并联机器人。
另外，本发明提供一种因三个轴在一个点上相遇而控制整个并联机器人时可控制方向和位置的运动学解耦(Decoupling)容易而使控制变得简单的并联机器人的手腕结构。
另外，本发明提供一种通过差动齿轮只有一个旋转轴驱动时，通过两个电机使力矩分散而具有冗余驱动的并联机器人的手腕结构。
(技术方案)
为解决所述问题，本发明所采用的技术方案是，提供一种利用差动齿轮的并联机器人的手腕组件，作为底盘和可动部之间由驱动连杆和手动连杆构成的三组连杆部并列连接关节，所述可动部上结合可控制末端执行器姿势的具有三自由度的手腕组件的并联机器人的手腕组件，其特征在于，所述可动部上安装有第一至第三输入轴，所述输出轴分别连接于从三个电机传递驱动力的三个驱动轴；
所述手腕组件包括：第一旋转体，连接于所述第一输入轴而以与所述可动部平面相垂直的第一旋转轴为基准旋转驱动；第2-1旋转体，连接于 所述第二输入轴，以所述第一旋转轴直角方向的第二旋转轴为基准旋转驱动；第2-2旋转体，连接于所述第三输入轴而以所述第二旋转轴为基准旋转驱动，并与所述第2-1旋转体形成差动齿轮装置的同时实施旋转驱动；第三旋转体，以所述第二旋转轴直角方向的第三旋转轴为基准，通过所述第2-1和第2-2旋转体的差动驱动旋转驱动，并安装有所述末端执行器。
所述第2-1和第2-2旋转体的各前端和第三旋转体的前端相互形成差动齿轮对的同时啮合而随所述第2-1和第2-2旋转体的旋转速度和方向，使所述第三旋转体以所述第二旋转轴或第三旋转轴中的某一个以上旋转轴为准旋转驱动。
其特征在于，所述手腕组件构成使所述第一旋转体旋转的第一齿轮线体；
所述第一齿轮线体的构成包括：所述第一输入轴；与所述第一输入轴啮合的圆盘形齿轮；装配在所述圆盘形齿轮的中心而向垂直的向下方向形成的第一旋转支撑轴；连接于所述第一旋转支撑轴的前端，而向其中心点为基准的下方向开口的圆筒形第一旋转体。
所述手腕组件构成使所述第二旋转体旋转的第二齿轮线体；
所述第二齿轮线体的构成包括：第二输入轴，从驱动轴以万向接头为介质接收动力；圆盘形齿轮，与所述第二输入轴啮合；垂直旋转支撑轴，装配在所述圆盘形齿轮的中心而向垂直的向下方向形成，在下端形成圆盘形锥齿轮；第2-1旋转体，与所述圆盘形锥齿轮啮合，而前端形成向直角方向变更旋转方向的锥齿轮；第2-1旋转支撑轴，由所述第2-1旋转体的中心向水平方向延长而向内侧形成，在前端形成锥齿轮。
所述手腕组件构成使所述第三旋转体旋转的第三齿轮线体；
所述第三齿轮线体的构成包括：第三输入轴，从驱动轴以万向接头为介质接收动力；圆盘形齿轮，与所述第三输入轴啮合；第二垂直旋转支撑轴，装配在所述圆盘形齿轮的中心，下端形成圆盘形锥齿轮；第2-2旋转体，与所述圆盘形锥齿轮啮合，而前端形成向直角方向变更旋转方向的锥齿轮；第2-2旋转支撑轴，由所述第2-2旋转体的中心向水平方向延长而向内侧形成，前端形成锥齿轮。
所述第一旋转轴、第二旋转轴和第三旋转轴在一个点相遇，所述一个点位于所述手腕组件内。
假设所述第2-1旋转体和第三旋转体、所述第2-2旋转体和第三旋转体的减速比均为1:1，所述第2-1旋转体的角速度为ωg,所述第2-2旋转体的角速度为ωy,所述第二旋转轴的角速度为ω2,所述第三旋转轴的角速度为ω3，则,ωy＝ω2+ω3，ωg＝ω2-ω3
利用以上数学式计算出可满足所需的任意的第三旋转体角速度ω2,ω3的第2-1和第2-2旋转体的旋转速度，由此算出的角速度ω2,ω3是对电机的速度只乘以减速比的速度，因此应用一般使用的电机速度控制方法，可以轻松地实施控制。
(有益效果)
根据上述结构，本发明的有益效果是，提供一种手腕结构的三个轴在一个点上相遇而接近从理论上保证手腕部可实现的方向的最大范围的手腕优化机构，机构学上的控制变得简单，通过差动齿轮只有一个旋转轴驱动时，通过两个电机使力矩分散而具有冗余驱动的(Actuation Redundancy)的并联机器人的手腕结构。
附图说明
图1是本发明的利用差动齿轮的并联机器人的透视图；
图2是本发明的利用差动齿轮的并联机器人的手腕组件透视图；
图3是本发明的利用差动齿轮的并联机器人的手腕组件内部结合结构透视图；
图4是本发明的利用差动齿轮的并联机器人的手腕组件剖视图；
图5至图7是说明本发明的利用差动齿轮的并联机器人的手腕组件旋转实现原理的示意图。
(符号说明)
10:并联机器人 11:底座
12:盖 13:底盘
14a,14b,14c:连杆部 15:驱动连杆
16:手动连杆 17:关节部
18:可动部 19a,19b,19c:驱动轴
20:手腕组件 21,22-1,23:旋转体
23b,25c,26c,25d,26d,25e,26e:锥齿轮
24,25,26:输入轴 21a,22a,23a:旋转轴
27a,27b,27c:齿轮线体
28a,28b-1,28b-2,28c:旋转支撑轴
29b,29c:垂直旋转支撑轴 30:辅助支撑体
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的利用差动齿轮的并联机器人的手腕组件的优选实施例详细进行描述。
图1是本发明的利用差动齿轮的并联机器人的透视图。
如图1所示，并联机器人(10)具有：将底盘(13)和可动部(18)上下平行配置，通过三组连杆结构连接底盘(13)和可动部(18)，并驱动平行机构形式的可动部(18)的连杆部(14a至14c)。
可动部(18)以对底盘(13)实施三轴平移运动即实施具备三自由度平行机构的运动地构成。
平行连杆机器人(10)的可动部(18)具备可实施三轴旋转运动的手腕组件(20)和使手腕组件(20)向可动部沿三轴周围旋转的驱动轴(19a至19c)。
底盘(13)是在位于并联机器人(10)安装底面的圆弧形底座(11)上端侧面上可水平上下地固定的板状构造。
底盘(13)用于固定连杆部(14a至14c)和驱动轴(19a至19c)构件的一端，内部安装有驱动电机或动力传递机构，在其上面可装卸地设置有盖(12)。
连杆部(14a至 14c)为相互并列配置的三组连杆结构，将其连杆部(14a至 14c)分别单独驱动的三台伺服电机(无图示)内置于底盘(13)面。
各组连杆部(14a至14c)包括通过多个铰接和辅助连杆与底盘(13)和对应的伺服电机的输出部连接关节的驱动连杆(15)，以及通过铰接与驱动连杆(15)末端连接关节的一对手动连杆(16)。
手动连杆(16)在其末端通过铰接与可动部(18)通过关节部(17)连接。
驱动连杆(15)通过伺服电机驱动，手动连杆(16)是在驱动连杆的摇动下相同的虚平面上移位。
三组连杆部(14a至14c)是各个驱动杆(15)在底盘(13)上中心角相离120度的三个固定位置上装配在底盘(13)，同时各个手动连杆(16)是在可动部(18)的中心角相离120度的三个固定位置上连接于可动部(18)。其结果是，可动部(18)相对底盘(13)只实施三轴平移运动。
手腕组件(20)连接于可动部(18)，将齿轮插入各个驱动轴(19a至19c)而连接，以各个旋转轴为中心实施旋转运动，各个驱动轴(19a至19c)通过齿轮组件连接于底盘(13)上的伺服电机(无图示)。手腕组件(20)的末端装配有末端执行器。
图2是本发明的利用差动齿轮的并联机器人的手腕组件透视图；图3是本发明的利用差动齿轮的并联机器人的手腕组件内部结合结构透视图；图4是本发明的利用差动齿轮的并联机器人的手腕组件剖视图。
如图5至图4所示，手腕组件(20)的构成包括：接收通过第一输入轴(24)传递的驱动力，以齿轮和轴承为介质以第一旋转轴(21a)为准旋转的第一旋转体(21)；从第二输入轴(25)和第三输入轴(26)分别接收驱动力，以齿轮和轴承为介质，以与第一旋转轴(21a)形成直角方向的第二旋转角(22a)为准旋转的第2-1和第2-2旋转体(22-1，22-2)；与第2-1和第2-2旋转体啮合而利用差动齿轮原理向第二旋转轴(22a)和第三旋转轴(23a)方向实施2自由度旋转运动的第三旋转体(23)。第三旋转体(23)的前端装配有末端执行器。
使手腕组件(20)旋转的驱动力是通过独立的三个驱动轴(19a至19c)被传递。
驱动力通过万向接头(无图示)传递于与对可动部(18)上包括连接手动连杆(16)的各关节部(17)轴线的平面垂直且相互平行的轴周围通过轴承可旋转地连接的输入轴(24a至24c)。
手腕组件(20)以三个轴为准分别形成第一至第三齿轮线体(27a至27c)。第一齿轮线体(27a)为红色线，第二齿轮线体(27b)为绿色线，第三齿轮线体(27c)为黄色线。
第一齿轮线体(27a)由以万向接头为介质从驱动轴(19a)接收动力的第一输入轴(24)、与第一输入轴(24)的前端形成的齿轮(24a)啮合的圆盘形齿轮(24b)、附着在圆盘形齿轮(24b)的中心且向垂直的下方向形成的第一旋转支撑轴(28a)、连接于第一旋转支撑轴(28a)的前端并向其中心点的下方向开口的圆筒形第一旋转体(21)构成，此外，每处均使用轴承连接实施旋转。
第一齿轮线体(27b)由以万向接头为介质从驱动轴(19b)接收动力的第二输入轴(25)；与第二输入轴(25)的前端形成的齿轮(25a)啮合且置于圆盘形齿轮(26b)下端的圆盘形齿轮(25b)；附着在圆盘形齿轮(25b)的中心而向垂直的向下方向形成，并以第一旋转轴(21a)为准旋转，以第一旋转支撑轴(28a)为内侧形成，下端形成圆盘形锥齿轮(25d)的垂直旋转支撑轴(29b)；与圆盘形锥齿轮(25d)啮合而使向直角方向变更旋转方向的锥齿轮(25e)沿前端部圆周方向形成的第2-1旋转体(22-1)；从第2-1旋转体(22-1)的中心开始水平延长而向内侧形成且前端形成锥齿轮(25c)的第2-1旋转支撑轴(28b-1)构成，此外，每处均使用轴承连接实施旋转。
第三齿轮线体(27c)由从驱动轴(19c)以万向接头为介质传收动力的第三输入轴(26)；与第三输入轴(26)的前端形成的齿轮(26a)啮合且置于圆盘形齿轮(24b)下端的圆盘形齿轮(26b)；附着在圆盘形齿轮(26b)中心并置于第一旋转支撑轴(28a)和第一垂直旋转支撑轴(29b)之间，下端形成圆盘形锥齿轮(26d)的第二垂直旋转支撑轴(29c)；与圆盘形锥齿轮(26d)啮合而使向直角方向变更旋转方向的锥齿轮(26e)向前端部圆周方向形成的第2-2旋转体(22-2)；从第2-2旋转体(22-2) 的中心开始水平延长而向内侧形成，前端形成锥齿轮(26c)的第2-2旋转支撑轴(28b-2)构成，此外，每处均使用轴承连接实施旋转。
第三旋转体(23)由装配末端执行器的终端部(23c)；从终端部(23c)的中心开始向垂直方向延长，前端形成锥齿轮(23b)的第三旋转支撑轴(28c)构成。第三旋转支撑轴(28c)的锥齿轮(23b)向两侧分别与锥齿轮(25c)和锥齿轮(26c)啮合而实施动作。
第2-1旋转体(22-1)和第2-2旋转体(22-2)的锥齿轮(25c，26C)相互构成差动齿轮对，第2-1旋转体(22-1)和第2-2旋转体(22-2)的旋转角速度和旋转方向对第三旋转体(23)产生影响。
第一至第三输入轴(24,25,26)的一端连接于可动部(18)，另一端与驱动轴(19a,19b,19c)分别连接。
第一旋转支撑轴(28a)是位于中心的柱，由圆筒形第二垂直旋转支撑轴(29c)包住第一旋转支撑轴(28a)的外周面的同时形成，并由第一垂直旋转支撑轴(29b)包住第二垂直旋转支撑轴(29c)外周面的同时形成。
第一旋转支撑轴(28a)、第二垂直旋转支撑轴(29b)和第二垂直旋转支撑轴(29c)为以第一旋转轴(21a)为准旋转而在与各个邻接部件之间设置轴承，位于最外边的第一垂直旋转支撑轴(29b)以轴承为介质与可动部(18)相接。
图5至图7是说明本发明的利用差动齿轮的并联机器人手腕组件旋转实现原理的示意图。
图5至图7分别是通过向第二旋转轴(22a)方向旋转的第2-1旋转体(22-1)和第2-2旋转体(22-2)的第三旋转体(23)向第二旋转体(22a)方向的旋转运动、向第三旋转轴(23a)方向的旋转运动以及向第二旋转轴方向(22a)和第三旋转轴(23a)方向的同时旋转运动实现例子。
第三旋转体(23)上装配末端执行器，最终由第一旋转体(21)、第2-1旋转体(2-1)和第2-2旋转体(2-2)控制第三旋转体(23)的三自由度。
就是说，第一旋转体(21)以第一旋转轴(21a)为准旋转驱动的同时与此连动而第三旋转体(23)以第一旋转轴(21a)为准旋转驱动，第 2-1旋转体(22-1)和第2-2旋转体(22-2)以第二旋转轴(22a)为准旋转驱动，形成差动齿轮对，按差动齿轮的速度和方向，只有第2-1和第2-2旋转体(22-1，22-2)以第二旋转轴(22a)为准旋转的同时与此连动而第三旋转体(23)以第二旋转轴(22a)为准旋转驱动，或者没有第2-1和第2-2旋转体(22-1，22-2)的旋转动驱动，只有第三旋转体(23)以第三旋转轴(23a)为准旋转驱动，或者第2-1和第2-2旋转体(22-1，22-2)以第二旋转轴(22a)为准旋转同时与此连动而第三旋转体(23)以第二旋转轴(22a)为准旋转驱动的同时第三旋转体(23)以第三旋转轴(23a)为准旋转驱动。
第一旋转体(21)通过伺服电机的动力以第一旋转轴(21a)为准实施旋转运动，与此连动，第三旋转体(23)以第一旋转轴(21a)为准旋转驱动。
第2-1旋转体(22-1)和第2-2旋转体(22-2)实现差动旋转，按旋转方向和旋转速度，使第2-1和第2-2旋转体(22-1，22-2)的单独旋转(以第三旋转体(23)的第二旋转轴(22a)为准的旋转运动)和第三旋转体(23)的单独旋转(以第三旋转体(23a)为准的旋转运动)，以及以第2-1和第2-2旋转体(22-1，22-2)和第三旋转体(23)的同时旋转(以第三旋转体(23)的第二旋转轴(22a)为准的旋转运动和以第三旋转轴(23a)为准的旋转运动同时得以实施)得以实现。
第2-1旋转体(22-1)的旋转方向和第2-2旋转体(22-2)的旋转方向一致，第2-1旋转体(22-1)和角速度(ωg)第2-2旋转体(22-2)的角速度(ωy)相同时，只有以第二旋转轴(22a)为准的第2-1和第2-2旋转体(22-1,22-2)的旋转运动(最终中第三旋转体(23)以第二旋转轴(22a)为准的旋转运动)得以实现(与图5相同)。在这里，第一旋转体(21)的旋转运动是单独进行。
第2-1旋转体(22-1)的旋转方向和第2-2旋转体(22-2)的旋转方向相反，第2-1旋转体(22-1)的角速度(ωg)和第2-2旋转体(22-2)的角速度(ωy)相同时，只有以第三旋转轴(23a)准的第三旋转体(23)的旋转运动得以实现(见图6)。
而且，第3-1旋转体(22-1)的旋转方向和第2-2旋转体(22-2)的旋转方向相同或相反，第2-1旋转体(22-1)的角速度(ωg)和第2-2旋转体(22-2)的角速度(ωy)相互不同时，第2-1和第2-2旋转体(22-1，22-2)的旋转运动和第三旋转轴(23)的旋转运动同时(最终是分别以第三旋转体(23)的第二旋转轴(22a)和第三旋转轴(23a)为准旋转驱动)实现(见图7)。
假设第2-1旋转体(22-1)和第三旋转体(23)、第2-2旋转体(22-2)和第三旋转体的减速比均为1：1，第2-1旋转体(22-1)的角速度为ωg,第2-2旋转体(22-2)的角速度为ωy,第三旋转体(23)的第二旋转轴(22a)的角速度为ω2,第三旋转体(23)的第三旋转轴(23a)的角速度为ω3，则以下数学式(1)至数学式[3]均成立。
数学式1：
ωy＝ωg时，ω2=ωy+ωg2,]]>ω3＝0
数学式2：
ωy＝-ωg时，ω3=ωy-ωg2,]]>ω2＝0
数学式3：
ωy＝ω2+ω3，ωg＝ω2-ω3
根据上述数学式理论，只有第2-1和第2-2旋转体(22-1，22-2)的旋转运动可以实现，只有第三旋转体(23)的旋转运动可以实现，第2-1和第2-2旋转体(22-1，22-2)的第三旋转体(23)的旋转运动可以同时实现。
根据这种结构，第一至第三旋转轴(21a,22a,23a)在一点上相遇，接近从理论上保障手腕部可实现方向的最大范围的手腕最佳机构，机构学上 的控制变得简单，而且通过差动齿轮，只有一个旋转轴驱动时，通过两个电机分散力矩而提供具有冗余驱动的并联机器人的手腕组件。
以上优选实施例和附图仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所述的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例所述技术方案的范围。本发明的保护范围应根据下述的权利要求范围进行解释，而且在其同等范围内的所有技术方案应都属于本发明的权利要求范围。