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可自重构的移动操纵器

阅读:817发布:2021-02-11

专利汇可以提供可自重构的移动操纵器专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且一种操纵器包括移动板(1),移动板(1)用于承载 末端执行器 ,且连接至多个腿,多个腿中的每一个包括远端和近端,通过夹紧装置(5a)、多个远端联接件(21a、22a)、多个中间联接件(23a、24a、25a、26a)以及多个近端联接件(27a、28a、29a),所述远端连接至移动板(1)并且所述近端连接至 支撑 物(6), 致动器 (31a、32a)连接在每一对纵向邻接的中间联接件(23a-24a、25a-26a)之间,远端联接件(21a、22a)通过远端旋转结合部(41a、7a、8a)的系统将中间联接件(23a-24a、25a-26a)与移动板(1)连接,远端旋转结合部(41a、7a、8a)的系统包括远端可 锁 合结合部(41a),并且近端联接件(27a、28a、29a)将中间联接件(23a-24a、25a-26a)与近端结合部(42a、43a、44a、45a)的系统连接,近端结合部(42a、43a、44a、45a)的系统包括可锁合近端结合部(42a、43a、44a)。操纵器能在不需要致动器直接作用在每一个结合部的情况下实现操纵、自重构以及移动运动。,下面是可自重构的移动操纵器专利的具体信息内容。

1.一种移动操纵器,所述移动操纵器能够实现操纵、自重构以及移动运动,所述移动
操纵器包括移动板(1、1’)和多个腿,所述移动板(1、1’)适合于支撑物体,所述多个腿中的每一个具有远端和近端,所述远端连接至所述移动板,所述近端连接至支撑件;所述每一个腿包括至少一个致动器(31、31a、32a、31b、32b、31c、32c、31d、32d;31a’、32a’、31b’、32b’、
31c、31c’),所述至少一个致动器(31、31a、32a、31b、32b、31c、32c、31d、32d;31a’、32a’、
31b’、32b’、31c、31c’)使所述移动板(1、1’)与所述支撑物(6)之间相互连接;其特征在于,所述每一个腿包括多个联接件(2、3、4、9、10、11、21a、21b、21c、21d、21a’、21b’、21c’;
22a、22b、22c、22d、22a’、22b’、22c’、23a、23b、23c、23d、23a’、23b’、23c’;24a、24b、24c、
24d、24a’、24b’、24c’;25a、25b、25c、25d、25a’、25b’、25c’;26a、26b、26c、26d、26a’、26b’、
26c’;27a、27b、27c、27d、27a’、27b’、27c’;28a、28b、28c、28d、28a’、28b’、28c’;29a、29b、
29c、29d、29a’、29b’、29c’),并且所述每一个腿在所述联接件的近端处能够连接至夹紧装置(5、5a、5b、5c、5d、5a’、5b’、5c’),所述夹紧装置(5、5a、5b、5c、5d、5a’、5b’、5c’)用于将所述腿连接至所述支撑件,所述支撑件是支撑物(6)的夹紧区域(6a、6b、6c、6d);
每一个致动器(31、31a、32a、31b、32b、31c、32c、31d、32d;31a’、32a’、31b’、32b’、31c、
31c’)使远端中间联接件(4、23a、23b、23c、23d、23a’、23b’、23c’;24a、24b、24c、24d、24a’、
24b’、24c’)的对应近端部分与近端中间联接件(9、25a、25b、25c、25d、25a’、25b’、25c’;
26a、26b、26c、26d、26a’、26b’、26c’)的对应远端部分之间相互连接,所述远端中间联接件包括远端部分,所述远端部分通过至少一个远端铰接的结合部(7、7a、7b、7c、7d、7a’、7b’、
7c’;8a、8b、8c、8d、8a’、8b’、8c’;41、41a、41b、41c、41d、41a’、41b’、41c’)铰接地连接至所述移动板(1、1’),并且所述近端中间联接件包括远端部分,所述远端部分通过至少一个近端铰接的结合部(42、42a、42b、42c、42d、42a’、42b’、42c’、45a、45b、45c、45d、45a’、45b’、
45c’;43a、43b、43c、43d、43a’、43b’、43c’;44、44a、44b、44c、44d、44a’、44b’、44c’)铰接地连接至所述夹紧装置(5、5a、5b、5c、5d、5a’、5b’、5c’)中的一个;
所述铰接的结合部包括远端可合结合部系统(41、41a、41b、41c、41d、41a’、41b’、
41c’)和近端可锁合结合部系统(42、42a、42b、42c、42d、42a’、42b’、42c’;43、43a、43b、43c、
43d、43a’、43b’、43c’;44、44a、44b、44c、44d、44a’、44b’、44c’),所述远端可锁合结合部系统(41、41a、41b、41c、41d、41a’、41b’、41c’)设置在所述致动器(31、31a、32a、31b、32b、
31c、32c、31d、32d;31a’、32a’、31b’、32b’、31c、31c’)与所述移动板(1、1’)之间,所述近端可锁合结合部系统(42、42a、42b、42c、42d、42a’、42b’、42c’;43、43a、43b、43c、43d、43a’、
43b’、43c’;44、44a、44b、44c、44d、44a’、44b’、44c’)设置在所述致动器与所述夹紧装置(5、
5a、5b、5c、5d、5a’、5b’、5c’)之间;所述可锁合结合部系统设置成使所述腿固定在预定位置中,这通过所述致动器的作用而实现。
2.根据权利要求1所述的操纵器,其特征在于,所述铰接的结合部从枢转的结合部和
旋转的结合部中选择。
3.根据权利要求1或2所述的操纵器,其特征在于,在每一个腿中,
第一远端联接件(21a、21b、21c、21d、21a’、21b’、21c’)通过所述第一远端联接件(21a、21b、21c、21d、21a’、21b’、21c’)的远端固定地连接至所述移动板(1、1’)并且通过所述第一远端联接件(21a、21b、21c、21d、21a’、21b’、21c’)的近端固定连接至第一远端枢转的结合部(41a、41b、41c、41d、41a’、41b’、41c’),所述第一远端枢转的结合部(41a、41b、
41c、41d、41a’、41b’、41c’)位于枢转的第二远端联接件(22a、22b、22c、22d、22a’、22b’、
22c’)的中间部分上,所述第二远端联接件(22a、22b、22c、22d、22a’、22b’、22c’)的中间部分横穿所述第一远端联接件;
左远端中间联接件(23a、23b、23c、23d、23a’、23b’、23c’)在所述左远端中间联接件(23a、23b、23c、23d、23a’、23b’、23c’)的远端部分通过固定至所述第二远端联接件的左远端枢转的结合部(7a、7b、7c、7d、7a’、7b’、7c’)枢转地连接至所述第二远端联接件的左端部分,并且在所述左远端中间联接件(23a、23b、23c、23d、23a’、23b’、23c’)的近端部分固定地连接至左致动器(31a、31b、31c、31d;31a’、31b’、31c’);
右远端中间联接件(24a、24b、24c、24d、24a’、24b’、24c’)在所述右远端中间联接件(24a、24b、24c、24d、24a’、24b’、24c’)的远端部分处通过固定至所述第二远端联接件的右远端铰接的结合部(8a、8b、8c、8d、8a’、8b’、8c’)枢转地连接至所述第二远端联接件的右端部分,并且在所述右远端中间联接件(24a、24b、24c、24d、24a’、24b’、24c’)的近端部分固定地连接至右致动器(32a、32b、32c、32d;32a’、32b’、32c’);
左近端中间联接件(25a、25b、25c、25d、25a’、25b’、25c’)由所述左近端中间联接件(25a、25b、25c、25d、25a’、25b’、25c’)的远端部分固定地连接至所述左致动器,并且右近端中间联接件(26a、26b、26c、26d、26a’、26b’、26c’)由所述右近端中间联接件(26a、26b、
26c、26d、26a’、26b’、26c’)的远端部分固定地连接至所述右致动器;
所述中间联接件在基本上垂直于所述第二远端联接件(22a、22b、22c、22d、22a’、22b’、
22c’)的所述纵向轴线的平面中延伸;
所述右近端联接件和所述左近端联接件的所述近端部分分别固定地连接至左近端枢
转的结合部(42a、42b、42c、42d、42a’、42b’、42c’)和右近端枢转的结合部(45a、45b、45c、
45d、45a’、45b’、45c’),所述左近端枢转的结合部(42a、42b、42c、42d、42a’、42b’、42c’)和所述右近端枢转的结合部(45a、45b、45c、45d、45a’、45b’、45c’)通过枢转的横向近端联接件(27a、27b、27c、27d、27a’、27b’、27c’)相互枢转地连接,所述枢转的横向近端联接件(27a、27b、27c、27d、27a’、27b’、27c’)包括侧向部,所述侧向部固定地连接至侧向近端枢转的结合部(43a、43b、43c、43d、43a’、43b’、43c’);
所述侧向近端枢转的结合部通过垂直的近端联接件(28a、28b、28c、28d、28a’、28b’、
28c’)固定地连接至垂直的近端枢转的结合部(44a、44b、44c、44d、44a’、44b’、44c’),所述垂直的近端枢转的结合部(44a、44b、44c、44d、44a’、44b’、44c’)通过枢转的垂直的近端联接件(29a、29b、29c、29d、29a’、29b’、29c’)枢转地连接至所述夹紧装置(5a、5b、5c、5d、
5a’、5b’、5c’);
所述第一远端枢转的结合部(41a、41b、41c、41d、41a’、41b’、41c’)、所述左近端枢转的结合部(42a、42b、42c、42d、42a’、42b’、42c’)和所述右枢转的结合部(45a、45b、45c、45d、
45a’、45b’、45c’)中的至少一者,以及所述垂直的近端枢转的结合部(44a、44b、44c、44d、
44a’、44b’、44c’)是每个都装备有锁合装置的可锁合结合部。
4.根据权利要求1所述的操纵器,其特征在于在每一个腿中,
所述腿的第一远端联接件(2)通过所述腿的第一远端联接件(2)的端部中的一个固定
至所述移动板(1’),并且通过所述腿的第一远端联接件(2)的另一端连接至可锁合的第一旋转结合部(41),所述可锁合的第一旋转结合部(41)的所述旋转轴线垂直于所述第一远端联接件(2)的所述纵向轴线;
所述第一旋转结合部(41)通过第二远端联接件(3)连接至旋转的第二远端结合部
(7),所述第二远端联接件(3)与所述第一远端联接件(2)同轴,所述第二远端结合部的所述旋转轴线横穿所述第二远端联接件(3)的所述纵向轴线;
所述第二旋转结合部(7)通过远端中间联接件(4)连接至致动的棱形结合部(31),所
述远端中间联接件(4)通过近端中间联接件(9)连接至可锁合的第三旋转连接部(42),使得所述第三旋转结合部(42)的所述旋转轴线横穿所述近端中间联接件(9)的所述纵向平面;
所述第三旋转结合部(42)通过第一近端连接部(10)连接至可锁合的第四旋转结合部
(43),使得所述第四旋转结合部(44)的所述旋转轴线垂直于所述第三旋转结合部(42)的所述旋转轴线;
所述第四旋转结合部(43)通过第二近端联接件(11)连接至第五旋转结合部(44),使
得所述第五旋转结合部(44)的所述旋转轴线横穿所述第四旋转结合部(43)的旋转轴线;
并且
所述第五旋转结合部(44)的所述旋转轴线通过第三近端联接件(12)连接至夹紧装置
(5)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的操纵器,其特征在于,所述夹紧装置(5、5a、5b、
5c、5d、5a’、5b’、5c’)根据所述夹紧目标(6a、6b、6c、6d)进行选择。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的操纵器,其特征在于,所述夹紧装置(5、5a、5b、
5c、5d、5a’、5b’、5c’)从机械夹紧装置、真空夹紧系统以及电磁夹紧系统中选择。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的操纵器,其特征在于,所述夹紧目标(6a、6b、
6c、6d)从可以由所述夹紧装置夹紧的目标、可以由所述夹紧装置(5a、5b、5c、5d、5a’、5b’、
5c’)夹紧的区域(5、5a、5b、5c、5d、5a’、5b’、5c’)以及由所述夹紧装置夹紧的目标和可以由所述夹紧装置(5a、5b、5c、5d、5a’、5b’、5c’)夹紧的区域(5、5a、5b、5c、5d、5a’、5b’、5c’)的组合中选择。
8.根据权利要求7所述的操纵器,其特征在于,所述支撑物(6)从车间中的移动基部、
地板、天花板、工件的夹具、以及工件本身中选择。
9.根据权利要求1所述的操纵器,其特征在于,每一个致动器(31、31a、32a、31b、32b、
31c、32c、31d、32d;31a’、32a’、31b’、32b’、31c、31c’)由用于致动的控制装置控制。
10.根据权利要求1所述的操纵器,其特征在于,所述锁合装置从锁扣和基于弹簧的装
置中选择。
11.根据权利要求10所述的操纵器,其特征在于,所述锁扣连接至控制装置,所述控制
装置用于选择性地锁合和解锁所述铰接的结合部(41、41a、41b、41c、41d、41a’、41b’、41c’;
42、42a、42b、42c、42d、42a’、42b’、42c’;43、45a、45b、45c、45d、45a’、45b’、45c’;44、44a、
44b、44c、44d、44a’、44b’、44c’),用于选择性地锁合可锁合结合部以消除锁合的结合部的自由度和解锁可锁合结合部以恢复解锁的结合部的自由度。
11.根据权利要求9所述的操纵器,其特征在于,当所述基于弹簧的装置在打开的运
动链系中时,所述基于弹簧的装置将所述可锁合的铰接的结合部(41、41a、41b、41c、41d、
41a’、41b’、41c’;42、42a、42b、42c、42d、42a’、42b’、42c’;43、45a、45b、45c、45d、45a’、
45b’、45c’;44、44a、44b、44c、44d、44a’、44b’、44c’)保持在可锁合的铰接的结合部的平衡位置处。
12.根据权利要求1所述的操纵器,其特征在于,所述夹紧装置(5、5a、5b、5c、5d、5a’、
5b’、5c’)连接至控制装置,所述控制装置用于选择性地将每一个夹紧装置附接至所述夹紧目标和将所述每一个夹紧装置从所述夹紧目标上分离,从而将所述夹紧装置与所述夹紧目
标夹紧以提供与所述支撑物的刚性连接和将所述夹紧装置从所述夹紧目标上松开从而允
许所述夹紧装置相对于所述夹紧目标变得可移动。
13.根据权利要求1所述的操纵器,其特征在于,由所述移动板(1、1’)承载的所述目标
是具有铰接或者非铰接的运动链系的至少一个末端执行器
14.根据权利要求13所述的操纵器,其特征在于,所述末端执行器从用于测量、检查、
涂色、成形、组装以及其它所需的制造过程的工具中选择。
15.根据前述权利要求中任一项所述的操纵器,其特征在于,所述操纵器包括至少三个
腿。
16.根据权利要求15所述的操纵器,其特征在于,每一个腿的所述末端固定至所述移
动板(1、1’)的侧部。

说明书全文

可自重构的移动操纵器

技术领域

[0001] 本发明存在于机器人技术领域内,并且具体地,本发明涉及一种用于物体的操纵,例如将物体A相对于物体B定位和保持从而在大型工作空间中执行一个或者更多个操作的装置和系统,并且本发明特别地但是不特定限制地使用在制造过程中。

背景技术

[0002] 工业,例如航空工业、造船业以及火车制造业正在处理大型工件。在这些工业中,并且通常也在制造业中,通常执行制造操作,例如测量、钻孔、研磨、剪切、检查、安装。
[0003] 用于这些操作的末端执行器在本领域中众所周知并且不形成本发明的部分;但是,下文中使用的术语“末端执行器”应当理解包含用于执行任一这些操作的全部的这些设备。
[0004] 下文中使用的术语“操纵”应当理解包括用于将末端执行器保持、定位在具有所需定向的所需位置的全部的这些操作。
[0005] 为了将用于大型工件的这些操作自动化,系统需要能够具有下列属性:
[0006] 在任一操作位置处的良好的刚性和精度
[0007] 大型工作空间
[0008] 可重构的工作空间
[0009] 飞行模拟装置,例如Stewart平台【Stewart D.,“具有六个自由度的平台,”机械工程师协会会刊,第371-386页,180卷,1965】已经作为并联操纵器而使用和研究。基于并联机构,提出具有六个自由度(DOFs)、5个DOFs、4个DOFs、3个DOFs以及2个DOFs的各种操纵器。
[0010] 操纵器的这些成员可以描述为通过多个运动链系连接的两个平台(移动板和固定板),多个运动链系在下文中将称为并联操纵器的腿。通过致动在这些腿内的某些结合部,移动板可以相对于固定板以某自由度移动。他们被提出以便建立具有良好刚性和/或良好精度的操纵器。
[0011] 但是,大部分并联操纵器具有限制性的工作空间。一旦并联操纵器的部件的尺寸设定,移动板相对于固定板的移动限制于并联操纵器的预定工作空间。在现有技术中,下列解决方法已经提出来克服这些缺点:
[0012] 使并联操纵器可重构从而形成具有不同工作空间的机器【Xi,Fengeng;Xu,Yuonan;Xiong,Guolian。“可重构并联机器人的设计和分析”,机械原理,191-211页,41卷,l2,2006】。
[0013] 使并联操纵器可运输,例如美国专利号为No.5987726中公开的内容。并联操纵器可以安装在诸如地板、固定设备等的不同位置上。
[0014] 为了获得较大工作空间,并联操纵器安装在多个移动平台上,例如,基于导向的系统【Pekka,Pessi,“用于执行国际热核聚变实验堆的真空容器的组装中的现场结合部焊接和加工的新型机器人的解决方法”,Thesis博士,拉普兰塔理工大学,芬兰2009】。
[0015] 现有技术中的可重构并联操纵器的重构需要许多机器停机时间。改变可运输并联操纵器的工作位置也是非常费时的过程。将并联操纵器放到另一移动装置例如轮式、履带式以及腿式系统上表现了额外部件和运动系统的控制。在长距离上具有高硬度和精度的建筑向导表现了单一的土建工程和非常高的成本。
[0016] 并联机器人(和包括闭合运动链系的一些系列机器人)的特征中的一个是存在被动结合部以及多个腿,被动结合部和多个腿将移动板连接至固定板。因为多个腿形成闭合的运动链系,闭合的运动链系将运动限制施加在系统上,不需要致动这些机器人的每一个结合部。枢转的结合部的存在相对于具有全部致动的结合部的机器人而言有助于相对高效地建造机器人。因为多个腿可以强化机器人的刚性和其它属性,因此并联机器人引起了越来越多的用于制造应用的发明。
[0017] 但是,由于与移动板和固定板连接的多个腿,机器人的工作空间的体积是十分不利的。为了扩大工作空间,传统并联操纵器安装在另一移动平台上,例如轮式机器人、履带式机器人以及腿式机器人。这将移动平台的额外致动器和控制装置引入系统。当长的导向装置被建立以扩大并联操纵器的工作空间时,需要向导装置的高的刚性从而使振动和偏差最小化并且增加定位精度。这导致了用于生产的单调的土建工程和较少的灵活性。

发明内容

[0018] 本发明意于通过提供可自重构移动操纵器克服前述的现有技术的缺点,可自重构移动操纵器能够实现操纵、自重构以及移动运动,可自重构移动操纵器包括移动板和多个腿,移动板适合于承载物体,多个腿中每一个都具有远端和近端,远端连接至所述移动板,近端连接至支撑件;每一个腿包括至少一个致动器,至少一个致动器使所述移动板与支撑物体之间相互连接,其中,
[0019] 每一个腿包括多个联接件,并且在多个联接件的近端处可连接至夹紧装置,夹紧装置用于将腿连接至支撑件,支撑件是支撑物的夹紧区域;
[0020] 每一个致动器将远端中间联接件的对应近端部分与近端中间联接件的远端部分之间相互连接,所述远端中间联接件包括远端部分,远端部分通过至少一个远端枢转的结合部铰接地连接至移动板,并且所述近端中间联接件包括近端部分,近端部分通过至少一个近端枢转的结合部铰接地连接至夹紧装置中的一个;
[0021] 所述铰接的结合部包括远端可合结合部系统和近端可锁合结合部系统,远端可锁合结合部系统设置在所述致动器与所述移动板之间,近端可锁合结合部系统设置在所述致动器与所述夹紧装置之间;所述可锁合结合部系统设置成使腿固定在预设位置中,这由所述致动器的作用执行。
[0022] 文中使用的术语“近端”和“远端”分别是指“最接近支撑物”和“远离支撑件并且最接近移动板”。
[0023] 显而易见,每一个腿是运动链系,运动链系将夹紧装置与移动板连接。由移动板承载的物体是具有铰接的或者非铰接的运动链系的至少一个末端执行器。例如,末端执行器可以是从用于测量、检查、涂色、成形、组装以及其它所需的制造过程的工具中选择的至少一个工具。
[0024] 优选地,操纵器包括至少三个腿。另外优选地,每一个腿的远端固定至移动板的侧部。
[0025] 本发明的操纵器提供用于自动操作系统的操纵器,用于自动操作系统的操纵器可以实现操纵、自重构以及移动任务。与现有并联操纵器相比,本发明具有下列优势:
[0026] 本发明能够实现自重构从而获得具有不同形状和性能的工作空间。
[0027] 本发明能够实现移动运动从而获得在不同位置处的工作空间。
[0028] 比在基于导向装置的解决方法中更少地需要土建工程。
[0029] 由于在一些铰接的结合部中使用锁合装置,用于实现移动的致动器的数量小于传统腿式机器人。
[0030] 根据本发明,根据操纵器的用途,夹紧装置可以例如是机械夹紧装置、真空夹紧系统或者电磁夹紧系统。夹紧目标在支撑物上,支撑物可以是地板、天花板、固定设备、工件等等。当腿附接至支撑物时,夹紧目标形成支撑模式。
[0031] 夹紧装置和夹紧目标是夹紧系统的两个部分。夹紧系统的另一可能构型(在说明书中未作为示例描述)是,夹紧装置固定至支撑物并且夹紧目标在每一个腿的第二端处。
[0032] 在优选的实施方式中,铰接的结合部是枢转的结合部,并且在每一个腿中,第一远端联接件通过第一远端联接件的远端固定地连接至移动板并且通过第一远端联接件的近端固定地连接至第一远端枢转的结合部,第一远端枢转结合部位于枢转的第二远端联接件的中间部分上,枢转的第二远端联接件横穿第一远端联接件,并且左远端中间联接件通过固定至第二远端联接件的左远端枢转的结合部在左远端中间联接件的远端部分处枢转地
连接至第二远端联接件的左端部,并且在左远端中间联接件的近端部分处固定地连接至左致动器。
[0033] 右远端中间联接件通过固定至第二远端联接件的右远端枢转的结合部在右远端中间联接件的远端部分处枢转地连接至第二远端联接件的右端部,并且在右远端中间联接件的近端部分处固定地连接至右致动器,同时,左近端中间联接件在左近端中间联接件的远端部分处固定地连接至左致动器,并且右近端中间联接件在右近端中间联接件的远端部分处固定地连接至右致动器。这些中间联接件在基本上垂直于第二远端联接件的纵向轴线的平面内延伸。
[0034] 右近端联接件和左近端联接件的近端部分分别地固定连接至左近端枢转的结合部和右枢转的结合部,左近端枢转的结合部和右枢转的结合部通过枢转的横向近端联接件相互枢转地连接,枢转的横向近端联接件包括侧向部,侧向部固定地连接至侧向近端枢转的结合部。侧向近端枢转的结合部通过垂直的近端联接件固定地连接至垂直的近端枢转的结合部,垂直的近端枢转的结合部通过枢转垂直近端联接件枢转地连接至夹紧装置。第一远端枢转的结合部、左近端枢转的结合部和右枢转的结合部中的至少一者、以及垂直的近端枢转的结合部是每个都装备有锁合装置的可锁合结合部。
[0035] 在本发明的另一实施方式中,在每一个腿中,腿的第一远端联接件通过第一远端联接件的端部中的一个固定至移动板,并且通过第一远端联接件的另一端部固定至可锁合的第一旋转结合部,可锁合的第一旋转结合部的旋转轴线垂直于第一远端联接件的纵向轴线。第一旋转结合部通过第二远端联接件连接至旋转的第二远端结合部,第二远端联接件与第一远端联接件同轴。第二远端结合部的旋转轴线横穿第二远端联接件的纵向轴线。第二旋转结合部通过远端中间联接件连接至致动的棱形结合部,远端中间联接件又通过近端中间联接件连接至可锁合的第三旋转结合部。第三旋转结合部的旋转轴线横穿近端中间联接件的纵向平面。第三旋转结合部通过第一近端联接件以此方式——第四旋转结合部的旋转轴线垂直于第三旋转结合部的旋转轴线——连接至可锁合的第四旋转结合部。第四旋转结合部通过第二近端联接件连接至第五旋转结合部,使得第五旋转结合部的旋转轴线横穿第四旋转结合部的旋转轴线。第五旋转结合部的旋转轴线通过第三近端联接件连接至夹紧装置。
[0036] 优选地,前述的铰接的或者枢转的结合部是旋转结合部。
[0037] 操纵器的移动的自由度(DOFs)取决于在下列表格中列出的变量:
[0038] 表1:变量
[0039]
[0040] 移动板通过附接至支撑物的位于腿中的致动器控制。当全部腿附接至支撑物时,移动板的所需操纵运动的DOF特征在于在下列公式中描述的关系:
[0041]
[0042] 根据本发明,移动操纵器的所述腿根据特定支撑模式附接至支撑物。通过选择在支撑物上的夹紧目标的不同组,可以改变支撑模式的形成和定位。为了重构移动操纵器或者为了实现移动运动,某些腿的第二端将重新安置。对于重构和移动过程两者,需要重新安置的腿将一个接一个地重新安置。
[0043] 为了重新安置腿,例如腿x,腿x将从腿的夹紧目标上分离,腿的夹紧目标然后重新定位并且附接至另一夹紧目标。
[0044] 将腿x从支撑物上分离可以导致移动板的DOF的改变,移动板的DOF的特征在于可以由下列公式计算的关系:
[0045]
[0046] 而且,在腿x的第一端和第二端之间的总DOFs可以由下列公式获得:
[0047]
[0048] 为了重新定位腿x的夹紧装置,需要消除在分离的夹紧装置与支撑物之间的被动自由度,因为否则腿将不可控。这暗示应当消除在分离的夹紧装置与移动板之间的被动DOFs以及在移动板与支撑物之间的被动DOFs。当结合部锁合时,由所述结合部联接的两个联接件变成一个刚性联接件。另外,锁合装置可以是基于弹簧的装置,使得当铰接的结合部不在由闭合的运动链系构成时,弹簧装置将铰接的结合部保持在平衡的结合部位置处。
[0049] 在本发明中,传统并联机器人的板中的一个由夹紧装置替代,夹紧装置固定在腿的端部处,夹紧装置能够与支撑件接合。而且,铰接的结合部中的至少一些装备有锁合装置。此特定构型允许并联操纵器成为可自重构的、移动操纵器。
[0050] 关于腿的第二端夹紧在夹紧目标,移动平台可以固定至操纵位置并且像传统并联操纵器一样执行。在操作过程中,刚性由并联机构、夹紧装置以及支撑物例如地板、固定设备、或者甚至工件本身局部地保证。锁合装置可以暂时地消除被动DOFs,使得当腿中的一个从支撑物上分离时,分离的腿的第二端可以由操纵器的致动器如同次TCP(工具中心点)控制。这使操纵器的致动器多功能。这些功能用作操纵、自重构以及移动。
[0051] 乍一看,本发明可能看上去像现有技术的腿式机器人。但是,在传统腿式机器人中,拟人两足和类似动物的四足或者六足式机器人具有带有全部结合部都被致动的腿。需要三个致动器用于将针尖式足定位在不需要定向能力的三维空间中的点中。这就是典型仿生四足具有12个致动器并且六足具有18个致动器的原因。当足的定向需要被控制以较好地配合地形,每一个腿上需要超过5个致动器。因为它的高的材料成本和其控制的复杂程度,很难考虑使用这种类型的腿式机器人用于制造应用。
[0052] 根据本发明,可以是电动、气动或者液压致动器的致动器可连接至程序控制装置,例如PLC(“可编程逻辑控制器”),程序控制装置控制致动器的行动从而将腿的每一个定位在预定位置。优选地,可锁合结合部的锁合装置也连接至控制装置,控制装置用于选择性地锁合和解锁所述可锁合结合部用于选择性地锁合可锁合结合部从而消除锁合的结合部的自由度和解锁可锁合结合部从而恢复解锁的结合部的自由度,使得可以实现腿的所需定位。在另一实施方式中,锁合装置可以是基于弹簧的锁合装置,当基于弹簧的锁合装置处于打开的运动链系时,基于弹簧的锁合装置将可锁合的枢转的结合部保持在可锁合的枢转的结合部的平衡位置中。
[0053] 另外,夹紧装置可以连接至控制装置,控制装置用于将每一个夹紧装置选择性地附接至夹紧目标和将每一个夹紧装置从夹紧目标上分离,从而将夹紧装置与夹紧目标夹紧以提供与支撑物的刚性连接和将夹紧装置从夹紧目标上松开从而允许夹紧装置相对于夹紧目标可移动。
[0054] 夹紧装置可以夹在夹紧目标上,例如可以由夹紧装置夹紧的物体、可以由夹紧装置夹紧的区域、以及这些区域和物体的组合,这些物体和区域例如可以位于支撑物上,例如车间中的移动基部、地板、天花板、工件的夹具、以及工件本身。
[0055] 这些结合部的一些布置可以导致相同结果:在移动板与夹紧装置之间的6个dof,一些接合部是致动的并且其余的结合部是可锁合的。结合部可以是旋转结合部、枢转的结合部、棱形结合部的布置。在操纵器中的致动的dofs的总数必须是至少6个。
[0056] 显而易见的是,根据本发明的可自重构操纵器用作诸如承载、运输、定位和定向物体或者由移动板承载的末端执行器的操作。通过根据预定夹紧模式将每一个腿的夹紧装置附接至支撑物、解锁每一个腿中的全部可锁合枢转的结合部、以及使每一个腿的致动器致动从而将腿一个接一个地重新定位并且附接在其所需位置执行操纵。
[0057] 操纵器的移动,即将操纵器从一个工作区域移动至另一个工作区域可以通过执行通过重复如上文关于操纵的描述的重新定位腿的过程得以实现。
[0058] 自构型可以通过将腿固定至支撑物、选择性地锁合每一个腿中的可锁合结合部、将一个腿的夹紧装置从支撑物上分离、可控地致动每一个致动器从而使分离的腿的远端跟随给定的轨迹实现。
[0059] 显而易见,本发明通过提供牢固的和多用途的操纵器解决了现有技术的缺点,所述操纵器在结构上简单并且在性能上高效。附图说明
[0060] 下文中,将随附于此的一组附图的基础上对本发明的方面和实施方式进行描述,图中
[0061] 图1示意性地示出了具有位于支撑物上的四个腿的可自重构移动操纵器。
[0062] 图2示意性地示出了图1、图3和图6的机构的腿结构。
[0063] 图3示意性地示出了图1中示出的四腿式可自重构移动操纵器的俯视图。
[0064] 图4示意性地示出了具有位于支撑物上的全部四个腿的图1的机构的结合部和环路图。
[0065] 图5示意性地示出了具有位于支撑物上的三个腿和从夹紧目标上分离的一个腿的图1的机构的结合部和环路图。
[0066] 图6示意性地示出了三腿式可自重构移动操纵器,图2中示出所述三腿式可自重构移动操纵器的腿结构。
[0067] 图7示意性地示出了具有位于支撑物上的全部三个腿的图6的机构的结合部和环路图。
[0068] 图8示意性地示出了具有位于支撑物上的两个腿和从夹紧目标上分离的一个腿的图6的机构的结合部和环路图。
[0069] 图9示意性地示出了具有位于支撑物上的全部三个腿的三腿式可自重构移动操纵器的另一可能布置的结合部和环路图。
[0070] 图10示意性地示出了具有位于支撑物上的两个腿和从夹紧目标上分离的一个腿的一些三腿式可自重构移动操纵器的结合部和环路图。
[0071] 图11示意性地示出了可使用于图9和图10中示出的移动操纵器的布置中的机构的腿结构。
[0072] 在这些附图中,有表示下列元件的附图标记:
[0073] 1,1' 移动板(1,1')
[0074] 2 第一远端联接件
[0075] 3 第二远端联接件
[0076] 4 远端中间联接件
[0077] 5,5a,5b,5c,5d,5a',5b',5c' 夹紧装置
[0078] 6 支撑物
[0079] 6a,6b,6c,6d 夹紧目标
[0080] 7,7a,7b,7c,7d,7a',7b',7c';8a,8b,8c,8d,8a',8b',8c' 第二旋转结合部
[0081] 9 近端中间联接件
[0082] 10 第一近端联接件
[0083] 11 第二近端联接件
[0084] 12 第三近端联接件
[0085] 21a,21b,21c,21d,21a',21b',21c' 第一联接件
[0086] 22a,22b,22c,22d,22a',22b',22c' 第二联接件
[0087] 23a,23b,23c,23d,23a',23b',23c' 第三联接件
[0088] 24a,24b,24c,24d,24a',24b',24c' 第四联接件
[0089] 25a,25b,25c,25d,25a',25b',25c' 第五联接件
[0090] 26a,26b,26c,26d,26a',26b',26c' 第六联接件
[0091] 27a,27b,27c,27d,27a',27b',27c' 第七联接件
[0092] 28a,28b,28c,28d,28a',28b',28c' 第八联接件
[0093] 29a,29b,29c,29d,29a',29b',29c' 第九联接件
[0094] 31a,31b,31b,32b,31c,32c,31d,32d;31a',32a',31b',32b',致动器
[0095] 31c,31c'
[0096] 41a,41b,41c,41d,41a',41b',41c' 第一旋转结合部
[0097] 42a,42b,42c,42d,42a',42b',42c',45a,45b,45c,45d,45a',第三旋转结合部
[0098] 45b',45c'
[0099] 43,43a,43b,43c,43d,43a',43b',43c' 第四旋转结合部
[0100] 44,44a,44b,44c,44d,44a',44b',44c' 第五旋转结合部
[0101] P 以棱形结合部形式的致动器
[0102] P 当致动时致动的棱形结合部
[0103] R 旋转结合部
[0104] R 致动的旋转结合部
[0105] (R) 装备有锁合装置的结合部
[0106] 锁合的旋转结合部

具体实施方式

[0107] 根据上文提到的附图,公开了可自重构移动操纵器的一些可能的实施方式。
[0108] 图1和3为根据本发明的四腿式操纵器的视图。所述操纵器包括四边形移动板(1)、四个腿、四个夹紧装置(5a、5b、5c、5d)、八个致动器(31a、32a、31b、32b、31c、32c、31d、
32d)、包括锁合装置的十六个旋转结合部(41a、42a、43a、44a、41b、42b、43b、44b、41c、42c、
43c、44c、41d、42d、43d、44d;45a、45b、45c、45d)、以及末端执行器。此末端执行器可以直接地固定至移动板(1)或者可以固定至致动的运动链系(图中未示出),致动的运动链系联接至移动板(1)。末端执行器的最终DOFs是移动板(1)的DOFs与承载末端执行器的致动的运动链系的DOFs的总和。夹紧装置(5a、5b、5c、5d)中的每一个与支撑物(6)的夹紧目标(6a、6b、6c、6d)夹紧。
[0109] 图2示出了使用在图1和3中示出的实施方式中并且在图6中示出的实施方式中的根据本发明的操纵器的腿的结构。腿的第一联接件(21a、21b、21c、21d、21a’、21b’、
21c’)通过第一联接件(21a、21b、21c、21d、21a’、21b’、21c’)的端部中的一个固定至移动板(1)。第一端联接件(21a、21b、21c、21d、21a’、21b’、21c’)通过第一端联接件(21a、21b、
21c、21d、21a’、21b’、21c’)的另一端联接至第二联接件(22a、22b、22c、22d、22a’、22b’、
22c’),第二联接件(22a、22b、22c、22d、22a’、22b’、22c’、)通过第一旋转结合部(41a、41b、
41c、41d、41a’、41b’、41c’)横穿第一联接件(21a、21b、21c、21d、21a’、21b’、21c’)。
[0110] 第二联接件(22a、22b、22c、22d、22a’、22b’、22c’)的两个相对端分别地通过两个第二旋转结合部(7a、7b、7c、7d、7a’、7b’、7c’;8a、8b、8c、8d、8a’、8b’、8c’)与第三联接件(23a、23b、23c、23d、23a’、23b’、23c’)和第四联接件(24a、24b、24c、24d、24a’、24b’、24c’)分别地联接,两个第二旋转结合部(7a、7b、7c、7d、7a’、7b’、7c’;8a、8b、8c、8d、8a’、8b’、8c’)垂直于第二联接件(22a、22b、22c、22d、22a’、22b’、22c’)。第三联接件(23a、23b、23c、
23d、23a’、23b’、23c’)和第四联接件(24a、24b、24c、24d、24a’、24b’、24c’)的第二端通过以致动的棱形结合部(31a、31b、31c、31d、31a’、31b’、31c’;32a、32b、32c、32d、32a’、32b’、
32c’)的形式的致动器与第五联接件(25a、25b、25c、25d、25a’、25b’、25c’)和第六联接件(26a、26b、26c、26d、26a’、26b’、26c’)分别地联接。第三联接件、第四联接件、第五联接件以及第六联接件在基本上垂直于第二联接件(22a、22b、22c、22d、22a’、22b’、22c’)的平面内延伸。
[0111] 第五联接件(25a、25b、25c、25d、25a’、25b’、25c’)和第六联接件(26a、26b、26c、26d、26a’、26b’、26c’)的第二端通过第三旋转结合部(42a、42b、42c、42d、42a’、42b’、42c’、
45a、45b、45c、45d、45a’、45b’、45c’)都与横向的第七联接件(27a、27b、27c、27d、27a’、
27b’、27c’)分别地联接。由所述第一联接件、第二联接件、第三联接件、第四联接件、第五联接件、第六联接件以及第七联接件和所述第一结合部、第二结合部以及第三结合部形成的机构是具有三个自由度的平面机构。
[0112] 第八联接件(28a、28b、28c、28d、28a’、28b’、28c’)通过第四旋转结合部(43a、43b、43c、43d、43a’、43b’、43c’)与第七联接件(27a、27b、27c、27d、27a’、27b’、27c’)联接,第四旋转结合部(43a、43b、43c、43d、43a’、43b’、43c’)基本上垂直于第七联接件。第九联接件(29a、29b、29c、29d、29a’、29b’、29c’)通过第五旋转结合部(44a、44b、44c、44d、44a’、
44b’、44c’)与第八联接件(28a、28b、28c、28d、28a’、28b’、28c’)联接,第五旋转结合部(44a、44b、44c、44d、44a’、44b’、44c’)基本上垂直于第四旋转结合部(43a、43b、43c、43d、
43a’、43b’、43c’)。
[0113] 联接第五联接件、第六联接件、第七联接件、第八联接件以及第九联接件的第三旋转结合部、第四旋转结合部以及第五旋转结合部插在可以认为是等效球形结合部的中心的点处。夹紧装置(5a、5b、5c、5d、5a’、5b’、5d)恰好固定在第九联接件(29a、29b、29c、29d、29a’、29b’、29c’)的端部处。
[0114] 由于图2中示出的布置,在每一个腿的夹紧装置(5a、5b、5c、5d、5a’、5b’、5d)与移动板(1)之间的自由度是六并且六个自由度中的两个是致动的。如果此腿的夹紧装置(5a、5b、5c、5d、5a’、5b’、5d)从夹紧目标(6a、6b、6c、6d)上分离,将有根据装备有锁合装置的第一旋转结合部、第二旋转结合部、第三旋转结合部、第四旋转结合部、第五旋转结合部以及第六旋转结合部的四个被动自由度。通过同时地锁合对应结合部,在夹紧目标与移动板(1)之间的自由度是两个使得夹紧目标与移动板(1)可以由分离的腿中的两个致动器(31a、
32a、31a’、32a’、31b、32b、31b’、32b’、31c、32c、31c’、32c’、31d、32d)致动。
[0115] 图4和图5示出了图1的机构的结合部和环路图,其中,具有R和P的方框分别代表旋转结合部和棱形结合部。具有下划线的结合部,例如R,代表可锁合结合部。具有圆括号的结合部,例如(R),代表装备有锁合装置的结合部。在虚线中的具有圆括号的结合部,例如 代表锁合的结合部。
[0116] 图4示出了图1的机构的结合部和环路图,其中,全部四个腿的夹紧装置(5a、5b、5c、5d)位于支撑物的夹紧目标上。移动板(1)具有由八个致动器(31a、32a、31b、32b、31c、
32c、31d、32d)控制的六个自由度。
[0117] 图5示出了图1的机构的结合部与环路图,其中,腿中的一个的夹紧装置(5d)从夹紧目标上分离。移动板(1)仍具有六个自由度。这由六个致动器(31a、32a、31b、32b、31c、32c)致动,六个致动器(31a、32a、31b、32b、31c、32c)位于附接的腿中。同时,在附接的腿中,一些锁合装置致动用于锁合对应旋转结合部(41d、42d、43d、44d),对应旋转结合部(41d、
42d、43d、44d)表示为图5中的虚线框,使得在附接的夹紧装置(5d)与移动板(1’)之间仅剩有两个自由度,两个自由度由分离的腿中的两个致动器(31d、32d)致动。
[0118] 图6示出了具有三个腿的可自重构的移动操纵器,三个腿中的每一个具有与参照图2的上文描述的内容对应的安装至三形移动板(1’)的结构。
[0119] 图7和图8示出了图6的机构的结合部和环路图,其中,具有R和P的方框再一次分别地代表了旋转结合部和棱形结合部。具有下划线的结合部,例如R,代表可锁合结合部。
具有圆括号的结合部,例如(R),代表装备有锁合装置的结合部。在虚线中具有圆括号的结合部,例如 代表锁合的结合部。
[0120] 如图7中所示,关于附接至支撑物的全部腿,三个腿的操纵器的移动板(1’)具有由六个致动器(31a’、32a’、32b、31b’、31c’、32c’)控制的六个DOFs。当将腿中的一个的夹紧装置(5c’)从夹紧目标上分离时,如图8中所示,在分离的腿中的被动DOFs应当由于与根据图5先前所述的相同的原因锁合。但是,移动板(1)的两个被动DOFs将通过锁合每一个夹紧的腿中的一个锁合装置(42a’、42b’)暂时地除去,使得移动板的四个剩余DOFs可以通过位于附接的腿中的致动器(31a’、32a’、31b’、32b’)控制。
[0121] 图9和图10示出了用于创建可自重构的移动操纵器的另一主动腿布置的结合部和环路图,可自重构的移动操纵器包括具有串行结构的三个腿,每一个腿具有例如图11中示出的结构。
[0122] 在图11中示出的实施方式中,腿的第一远端联接件(2)通过第一远端联接件(2)的端部中的一个固定至移动板(1’),并且通过第一远端联接件(2)的另一端固定至可锁合的第一旋转结合部(41),第一旋转结合部(41)的旋转轴垂直于第一远端联接件(2)的纵向轴线。第一旋转结合部(41)通过第二远端联接件(3)连接至旋转的第二远端联接件(7),第二远端联接件(3)与第一远端联接件(2)同轴。第二远端联接件的旋转轴线横穿第二远端联接件(3)的纵向轴线’。
[0123] 第二旋转结合部(7)通过远端中间联接件(4)连接至致动的棱形结合部(31),远端中间联接件(4)通过近端中间联接件(9)依次连接至可锁合的第三旋转结合部(42)。第三旋转结合部(42)的旋转轴线横穿近端中间联接件(9)的纵向平面。第三旋转结合部(42)通过第一近端联接件(10)以此方式——第四旋转结合部(43)的旋转轴线垂直于第三旋转结合部(42)的旋转轴——连接至可锁合的第四旋转结合部(43)。第四旋转结合部(43)通过第二近端联接件(11)连接至第五旋转结合部(44)使得第五旋转结合部(44)的旋转轴线横穿第四旋转结合部(43)的旋转轴线。第五旋转结合部(44)的旋转轴线通过第三近端联接件(12)连接至夹紧装置(5)。
[0124] 图9和图10示出了具有如图11中示出的腿的图6的机构的结合部和环路图,其中,具有R和P的方框再一次分别地代表旋转结合部和棱形结合部。具有下划线的结合部,例如R,代表可锁合结合部。具有圆括号的结合部,例如(R),代表装备有锁合装置的结合部。在虚线方框中具有圆括号的结合部,例如 代表已锁的结合部。
[0125] 如图9中所示,关于附接至支撑物的全部腿,三腿式操纵器的移动板(1’)具有由六个致动器(31)控制的六个DOFs。当将腿中的一个的夹紧装置(5)从夹紧目标上分离时,如图10所示,分离的腿中的被动DOFs应当由于与根据图9先前所述的相同的原因锁合。但是,移动板(1’)的两个被动DOFs将通过锁合每一个夹紧的腿中的一个锁合装置(42)暂时地除去,使得移动板的四个剩余自由度可以通过位于附接腿中的致动器(31)控制。
[0126] 关于附图的这些描述和设定,本领域的普通技术人员可以理解,已经描述的本发明的实施方式可以在本发明的目的内以多种方式组合。本发明已经根据本发明的优选的实施方式进行描述,但是,对于本领域的普通技术人员来说,显而易见的是,多个变化形式可以在不脱离要求的发明范围的情况下引入所述优选实施方式中。
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