发布时间：2024-01-26 13:24:52   来源：安博电竞

  本发明涉及并联机器人技术领域，尤其涉及一种三自由度并联机器人及其标定方法。 背景技术

  并联机器人，即动平台和静平台通过至少两个独立的运动链相连接，具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构，并联机器人较传统工业用串联机器人而言，并联机器人具有诸多优点，比如：无累积误差，精度较高，承载能力大等，并联机器人，按运动形式分类，可分为平面机构和空间机构；细分可分为平面移动机构、平面移动转动机构、空间纯移动机构、空间纯转动机构和空间混合运动机构等。按自由度分类，可分为二自由度、三自由度、四自由度、五自由度和六自由度等，市面上常见的为：二自由度和三自由度并联机器人。其中，二自由度并联机器人，结构相对比较简单，动平台仅受两个主动臂产生的作用力，抓放物件稳定，不易晃动，抓放物件成功率较高。三自由度并联机器人，种类形式较多；主要为平面三自由度并联机器人和球面三自由度并联机器人两大类；平面三自由度并联机器人具有两个移动和一个转动；而球面三自由度并联机器人所有运动副的轴线汇交空间一点，这点称为机构的中心，机构上的所有点的运动都是绕该点转动运动，目前一种四轴并联机器人是通过伸缩杆保持动平台与静平台之间的连接性，从而更高效的进行操作。

  现有的并联机器人通过将机械臂安装在动平台上进行三轴或者四轴的操作，根据夹取物品大小而采用不一样规格和尺寸大小的机械臂，为保持机械臂的安装稳定性，通常需要配备不同的动平台进行配合使用，但是现有的并联机器人在更换动平台尺寸时多有不便。

  因此，有必要提供一种新的并联机器人及其标定方法解决上述技术问题。 发明内容

  为解决上述技术问题，本发明是提供一种改变机械臂的宽度从而适用与不同尺寸规格的动平台的并联机器人及其标定方法。

  本发明提供的三自由度并联机器人包括稳定保持机构、扩张机构、第一连接机构、第二连接机构和安装机构，所述并联机器人还包括：安装台、第一电机、第二电机、第三电机和移动板，所述第一电机和第二电机对称安装在安装台表面上，且第一电机与第二电机之间留有一定的间隙，所述安装台位于第一电机和第二电机背面一侧固定安装有第三电机，所述第一电机、第二电机和第三电机输出端均固定有第一力臂，且第一力臂远离电机输出端一侧通过转轴转动安装有第二力臂，所述第二力臂为两个单杆组成，三个所述第二力臂底部共同连接有移动板；

  所述安装台位于第一电机和第二电机间隙的表面上固定有中心座，所述中心座外表面固定有安装轴套，且安装轴套内部固定安装有伸缩杆，所述移动板顶部对应伸缩杆的位置固定安装有万向轴座，且伸缩杆的伸长端与万向轴座转动连接；

  所述第二力臂靠近与第一力臂转轴连接处设有调节第二力臂两个单杆之间间距的扩张机构，所述第二力臂两个单杆之间设有保持第二力臂单杆间距变大时的连接性的第一连接机构，所述第二力臂两个单杆之间位于第一连接机构底部设有保持第二力臂单杆间距变大时的稳定性的第二连接机构，所述第二力臂远离与第一力臂转轴连接处的一端设有与不同尺寸的移动板进行连接的安装机构，所述伸缩杆表面上设有在第二力臂两个单杆间距变大时保持移动板整体稳定性的稳定保持机构。

  优选的，所述扩张机构包括微型电机、平移滑筒、双向螺纹杆、啮合套和连接件，所述第二力臂底部设有平移滑筒，所述平移滑筒顶部与第一力臂转轴连接，且平移滑筒底部开设有缺口，所述平移滑筒内部转动安装有双向螺纹杆，所述平移滑筒一端外壁固定安装有微型电机，所述微型电机输出端与双向螺纹杆固定连接，所述双向螺纹杆表面上对称啮合连接有两个啮合套，且啮合套底部固定有连接件，所述第二力臂的单杆固定插接在连接件内部。

  优选的，所述第一连接机构包括滑套、第一连板、连接轴和第二连板，所述第二力臂两个单杆的表面均滑动套接有两个滑套，所述第二力臂单杆上端滑套内侧转动连接有第一连板，且第二力臂单杆下端滑套内侧转动连接有第二连板，所述第一连板和第二连板之间转动连接有连接轴，所述第二力臂两个单杆的第一连板和第二连板均与连接轴转动连接。

  优选的，所述第二连接机构包括固定板、伸缩柱和第一弹簧，所述第二力臂位于第一连接机构底部的单杆表面上固定有固定板，两个所述固定板之间等距固定有伸缩柱，且伸缩柱外圈套接有第一弹簧。

  优选的，所述安装机构包括滑杆、限位板、移动套、平移套和第二弹簧，所述第二力臂两个单杆底部均固定有移动套，两个所述移动套内部滑动插接有滑杆，所述滑杆的两端固定有限位板，所述滑杆表面上位于两个移动套之间滑动套接有两个平移套，平移套与移动套固定连接，两个所述平移套之间固定有第二弹簧。

  优选的，所述平移套靠近移动板一侧固定有安装板，且安装板四角处开设有螺栓孔，所述安装板通过螺栓孔与螺栓的配合与移动板固定连接。

  优选的，所述稳定保持机构包括固定圈、圆台座、移动球、连杆和连接套，所述伸缩杆表面固定套接有固定圈，所述固定圈外壁对应三个第二力臂的单杆的位置固定有圆台座，且圆台座内部开设有移动槽，所述圆台座移动槽内部滑动连接有移动球，所述移动球穿出圆台座的表面上固定有连杆，所述连杆另一端通过转轴转动连接有连接套，且连接套固定套接在第二力臂单杆表面上。

  优选的，所述第三电机的安装位置高于第一电机和第二电机，且第三电机对应的第二力臂长度长于第一电机和第二电机的第二力臂长度。

  本发明同时提供一种三自由度机器人的标定方法，用于本发明的机器人，所述机器人的标定方法包括以下步骤：

  1)将A1、A2、A3作为三个电机的轴心，设O为静平台的中点作为原点，规定Y轴的方向为A1、A2的中点与原点O相连的方向，X轴的方向垂直于 Y轴并相交于原点O，Z轴垂直静平台交于原点O，B1、B2、B3为主动摆臂与从动摆臂的连接处，C1、C2、C3为动平台与伸出臂连接点，O’-X’Y’Z’坐标系的建立与静平台同理；

  2)将上述模型建立方法封装成程序功能包，通过输入安装台(1)半径、移动板(9)半径、第一力臂(6)长度、第二力臂(7)长度这四个参数，即可生成对应的delta机器人模型。

  3)通过并联机器人的逆运动学算法的约束方程，将当前的坐标值输入至方程中，通过求解计算可得三个电机对应的旋转角；

  4)通过并联机器人的正运动学算法的核心方程，通过输入已知的电机角度旋转角度，解上述方程组，最终可得三维坐标XYZ的参数；所述运动学算法的约束方程为：

  5)当伸缩杆(5)处于最短长度时，令X、Y为0，可得电机旋转角的最小值；当伸缩杆(5)处于最长长度时，令X、Y为0，计算电机旋转角度，若该角度大于90°时，则电机旋转角度的最大值为90°；反之，则计算出来的角度为电机旋转角度的最大值；

  与相关技术相比较，本发明提供的并联机器人及其标定方法具有如下有益效果：

  1、在扩张机构的作用下，微型电机带动双向螺纹杆，使两个啮合套沿着双向螺纹杆转动方向做相互远离或者相互靠近的啮合转动，同时沿着平移滑筒内部滑动，在啮合套的作用下带动连接件和两个单杆做分离或者聚拢的移动，实现了第二力臂两个单杆之间的间距的改变，从而使第二力臂底部适用于不同尺寸的移动板，以用于安装不同尺寸的机械臂；

  2、在第一连接机构和第二连接机构的配合作用下，在扩张机构带动两个单杆相互远离或者靠近的过程中，单杆上的滑杆沿着单杆表面滑动，同时第一连板和第二连板沿着连接轴折叠，两组第一连板和第二连板在第二力臂单杆移动时保持连接性，伸缩柱发生伸缩，带动第一弹簧拉伸或者压缩，使两个单杆的移动更加稳定，实现了在第二力臂两个单杆之间间距改变时，配合进行改变，从而保持第二力臂两个单杆之间连接的稳定性。

  3、在安装机构的作用下，在扩张机构带动两个单杆相互远离或者靠近的过程中，移动套沿着滑杆滑动，并受到限位板的限位作用，同时平移套跟随一同移动，拉伸或者压缩第二弹簧，通过平移套的安装板和螺栓孔，适用于安装尺寸不同的移动板，配合扩张机构安装不同尺寸的移动板，从而配合不一样的规格的机械臂，在稳定保持机构的作用下，使伸缩杆与三个第二力臂之间保持紧密的连接关系，保持移动板移动的稳定性。

  4、在稳定保持机构的作用下，在第二力臂随着电机转动，带动移动板移动时，圆台座内部的移动球沿着圆台座内部移动出滑动，带动连杆，连杆与移动球的配合作用形成万向轴转动配合，保持伸缩杆和第二力臂之间的稳定性，同时也保持了移动板移动的稳定性，保持伸缩杆与第二力臂之间连接性，也保持了移动板移动的稳定性。 附图说明

  图中标号：1、安装台；2、第一电机；3、第二电机；4、第三电机；5、伸缩杆；51、安装轴套；52、中心座；53、万向轴座；6、第一力臂；7、第二力臂；8、稳定保持机构；81、固定圈；82、圆台座；83、移动球；84、连杆； 85、连接套；9、移动板；10、扩张机构；101、微型电机；102、平移滑筒； 103、双向螺纹杆；104、啮合套；105、连接件；106、记忆钢片；11、第一连接机构；111、滑套；112、第一连板；113、连接轴；114、第二连板；12、第二连接机构；121、固定板；122、伸缩柱；123、第一弹簧；13、安装机构； 131、滑杆；132、限位板；133、移动套；134、平移套；135、安装板；136、螺栓孔；137、第二弹簧。 具体实施方式

  请结合参阅图1图2图3图4图5图6图7图8图9，其中，图1为本发明提供的整体正面结构示意图；图2为本发明提供的整体侧面结构示意图；图3为本发明提供的第一力臂和第二力臂连接示意图；图4为本发明提供的扩张机构结构示意图；图5为本发明提供的第一连接机构结构示意图；图6为本发明提供的第二连接机构结构示意图；图7为本发明提供的安装机构结构示意图；图8为本发明提供的稳定保持机构结构示意图；图9为本发明提供的伸缩板伸长端与移动板连接示意图。

  在具体实施过程中，参考图1图2所示，一种三自由度并联机器人，包括稳定保持机构8、扩张机构10、第一连接机构11、第二连接机构12和安装机构13，参考图1图2所示，所述并联机器人还包括：安装台1、第一电机 2、第二电机3、第三电机4和移动板9，所述第一电机2和第二电机3对称安装在安装台1表面上，且第一电机2与第二电机3之间留有一定的间隙，所述安装台1位于第一电机2和第二电机3背面一侧固定安装有第三电机4，所述第一电机2、第二电机3和第三电机4输出端均固定有第一力臂6，且第一力臂6远离电机输出端一侧通过转轴转动安装有第二力臂7，所述第二力臂7为两个单杆组成，三个所述第二力臂7底部共同连接有移动板9，通过第一电机 2、第二电机3、第三电机4带动移动板9移动形成三轴并联机器人，安装台1 为静平台，移动板9为动平台，移动板9用于安装机械臂用；

  参考图1图9所示，所述安装台1位于第一电机2和第二电机3间隙的表面上固定有中心座52，所述中心座52外表面固定有安装轴套51，且安装轴套51内部固定安装有伸缩杆5，所述移动板9顶部对应伸缩杆5的位置固定安装有万向轴座53，且伸缩杆5的伸长端与万向轴座53转动连接，通过第一电机2和第二电机3之间的伸缩杆5对移动板9的限制作用，形成四轴并联机器人；

  参考图1图3所示，所述第二力臂7靠近与第一力臂6转轴连接处设有调节第二力臂7两个单杆之间间距的扩张机构10，所述第二力臂7两个单杆之间设有保持第二力臂7单杆间距变大时的连接性的第一连接机构11，所述第二力臂7两个单杆之间位于第一连接机构11底部设有保持第二力臂7单杆间距变大时的稳定性的第二连接机构12，所述第二力臂7远离与第一力臂6 转轴连接处的一端设有与不一样的尺寸的移动板9进行连接的安装机构13，所述伸缩杆5表面上设有在第二力臂7两个单杆间距变大时保持移动板9整体稳定性的稳定保持机构8，在扩张机构10的作用下，实现了第二力臂7两个单杆之间的间距的改变，从而使第二力臂7底部适用于不一样的尺寸的移动板9，以用于安装不同尺寸的机械臂，在第一连接机构11和第二连接机构12的配合作用下，实现了在第二力臂7两个单杆之间间距改变时，配合进行改变，从而保持第二力臂7两个单杆之间连接的稳定性，在安装机构13的作用下，配合扩张机构10安装不同尺寸的移动板9，从而配合不同规格的机械臂，在稳定保持机构8的作用下，使伸缩杆5与三个第二力臂7之间保持紧密的连接关系，保持移动板9移动的稳定性，在稳定保持机构8的作用下，保持伸缩杆5与第二力臂7之间连接性，也保持了移动板9移动的稳定性。

  参考图4所示，所述扩张机构10包括微型电机101、平移滑筒102、双向螺纹杆103、啮合套104和连接件105，所述第二力臂7底部设有平移滑筒102，所述平移滑筒102顶部与第一力臂6转轴连接，且平移滑筒102底部开设有缺口，所述平移滑筒102内部转动安装有双向螺纹杆103，所述平移滑筒102一端外壁固定安装有微型电机101，所述微型电机101输出端与双向螺纹杆103 固定连接，所述双向螺纹杆103表面上对称啮合连接有两个啮合套104，且啮合套104底部固定有连接件105，所述第二力臂7的单杆固定插接在连接件105 内部，开启微型电机101，微型电机101带动双向螺纹杆103，使两个啮合套 104沿着双向螺纹杆103转动方向做相互远离或者相互靠近的啮合转动，同时沿着平移滑筒102内部滑动，在啮合套104的作用下带动连接件105和两个单杆做分离或者聚拢的移动，从而改变第二力臂7两个单杆之间的间距。

  参考图4所示，两个所述连接件105内壁固定有记忆钢片106，记忆钢片 106具有一定的弹性恢复的能力，在两个单杆互相靠近时，挤压记忆钢片106，在两个单杆相互远离时，记忆钢片106展开，保持两个连接件105之间的连接性。

  参考图5所示，所述第一连接机构11包括滑套111、第一连板112、连接轴113和第二连板114，所述第二力臂7两个单杆的表面均滑动套接有两个滑套111，所述第二力臂7单杆上端滑套111内侧转动连接有第一连板112，且第二力臂7单杆下端滑套111内侧转动连接有第二连板114，所述第一连板112 和第二连板114之间转动连接有连接轴113，所述第二力臂7两个单杆的第一连板112和第二连板114均与连接轴113转动连接，在扩张机构10带动两个单杆相互远离或者靠近的过程中，单杆上的滑杆131沿着单杆表面滑动，同时第一连板112和第二连板114沿着连接轴113折叠，两组第一连板112和第二连板114在第二力臂7单杆移动时保持连接性。

  参考图6所示，所述第二连接机构12包括固定板121、伸缩柱122和第一弹簧123，所述第二力臂7位于第一连接机构11底部的单杆表面上固定有固定板121，两个所述固定板121之间等距固定有伸缩柱122，且伸缩柱122 外圈套接有第一弹簧123，在扩张机构10带动两个单杆相互远离或者靠近的过程中，伸缩柱122发生伸缩，带动第一弹簧123拉伸或者压缩，使两个单杆的移动更加稳定。

  参考图6图7所示，所述安装机构13包括滑杆131、限位板132、移动套133、平移套134和第二弹簧137，所述第二力臂7两个单杆底部均固定有移动套133，两个所述移动套133内部滑动插接有滑杆131，所述滑杆131的两端固定有限位板132，所述滑杆131表面上位于两个移动套133之间滑动套接有两个平移套134，平移套134与移动套133固定连接，两个所述平移套134 之间固定有第二弹簧137，在扩张机构10带动两个单杆相互远离或者靠近的过程中，移动套133沿着滑杆131滑动，并受到限位板132的限位作用，同时平移套134跟随一同移动，拉伸或者压缩第二弹簧137，使移动套133和平移套134的移动更加稳定。

  参考图7所示，所述平移套134靠近移动板9一侧固定有安装板135，且安装板135四角处开设有螺栓孔136，所述安装板135通过螺栓孔136与螺栓的配合与移动板9固定连接，通过平移套134的安装板135和螺栓孔136，适用于安装尺寸不同的移动板9。

  参考图8所示，所述稳定保持机构8包括固定圈81、圆台座82、移动球 83、连杆84和连接套85，所述伸缩杆5表面固定套接有固定圈81，所述固定圈81外壁对应三个第二力臂7的单杆的位置固定有圆台座82，且圆台座82 内部开设有移动槽，所述圆台座82移动槽内部滑动连接有移动球83，所述移动球83穿出圆台座82的表面上固定有连杆84，所述连杆84另一端通过转轴转动连接有连接套85，且连接套85固定套接在第二力臂7单杆表面上，在第二力臂7随着电机转动，带动移动板9移动时，圆台座82内部的移动球83 沿着圆台座82内部移动出滑动，带动连杆84，连杆84与移动球83的配合作用形成万向轴转动配合，保持伸缩杆5和第二力臂7之间的稳定性，同时也保持了移动板9移动的稳定性。

  参考图2所示，所述第三电机4的安装的地方高于第一电机2和第二电机3，且第三电机4对应的第二力臂7长度长于第一电机2和第二电机3的第二力臂 7长度，第三电机4安装位置高于第一电机2和第二电机3，第三电机4对应的第二力臂7长度长于第一电机2和第二电机3的第二力臂7长度从而满足移动板9保持平整的移动，此种方式的安装和设计，满足动平台的移动平衡性。

  参考图1图2图10，本发明提供的一种三自由度机器人的标定方法有以下步骤：

  1)将A1、A2、A3作为三个电机的轴心，设O为静平台的中点作为原点，规定Y轴的方向为A1、A2的中点与原点O相连的方向，X轴的方向垂直于 Y轴并相交于原点O，Z轴垂直静平台交于原点O，B1、B2、B3为主动摆臂与从动摆臂的连接处，C1、C2、C3为动平台与伸出臂连接点，O’-X’Y’Z’坐标系的建立与静平台同理；

  2)将上述模型建立方法封装成程序功能包，通过输入安装台1半径、移动板9半径、第一力臂6长度、第二力臂7长度这四个参数，即可生成对应的 delta机器人模型；

  3)通过并联机器人的逆运动学算法的约束方程，将当前的坐标值输入至方程中，通过求解计算可得三个电机对应的旋转角；

  4)通过并联机器人的正运动学算法的核心方程，通过输入已知的电机角度旋转角度，解上述方程组，最终可得三维坐标XYZ的参数；

  5)当伸缩杆5处于最短长度时，令X、Y为0，可得电机旋转角的最小值；当伸缩杆5处于最长长度时，令X、Y为0，计算电机旋转角度，若该角度大于90°时，则电机旋转角度的最大值为90°；反之，则计算出来的角度为电机旋转角度的最大值；

  工作原理：开启微型电机101，微型电机101带动双向螺纹杆103，使两个啮合套104沿着双向螺纹杆103转动方向做相互远离或者相互靠近的啮合转动，同时沿着平移滑筒102内部滑动，在啮合套104的作用下带动连接件105 和两个单杆做分离或者聚拢的移动，从而改变第二力臂7两个单杆之间的间距，在扩张机构10带动两个单杆相互远离或者靠近的过程中，伸缩柱122发生伸缩，带动第一弹簧123拉伸或者压缩，使两个单杆的移动更稳定，在扩张机构10带动两个单杆相互远离或者靠近的过程中，单杆上的滑杆131沿着单杆表面滑动，同时第一连板112和第二连板114沿着连接轴113折叠，两组第一连板112和第二连板114在第二力臂7单杆移动时保持连接性，在扩张机构10带动两个单杆相互远离或者靠近的过程中，移动套133沿着滑杆131滑动，并受到限位板132的限位作用，同时平移套134跟随一同移动，拉伸或者压缩第二弹簧137，使移动套133和平移套134的移动更稳定，通过平移套 134的安装板135和螺栓孔136，适用于安装尺寸不同的移动板9，在第二力臂7随着电机转动，带动移动板9移动时，圆台座82内部的移动球83沿着圆台座82内部移动出滑动，带动连杆84，连杆84与移动球83的配合作用形成万向轴转动配合，保持伸缩杆5和第二力臂7之间的稳定性，同时也保持了移动板9移动的稳定性。

  以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。