[发明专利]姿态可调整、坐标解耦的七自由度机器人及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体地，涉及一种姿态可调整、坐标解耦的七自由度机器人。

背景技术

随着机械电子与自动控制技术的飞速发展，以及人力成本的日益提高，各行各业迫切需要用机器人来代替劳动强度大、重复作业、工作环境恶劣或者需要精密操作的工作人员。

针对传统工业应用，通用的六自由度串联机器人比较多，各个关节均采用伺服电机加抱闸的结构方式，这种机器人虽然是6个自由度的，但抱闸结构有失效的风险，一旦失效机器人将整体下落，并砸到下面的物体，因此这种机器人在医疗上几乎很少采用。并且这种机器人的几个自由度还是相互耦合的，增加了机器人编程调试的难度。另外，这种通用型六自由度串联机器人价格昂贵，操作复杂，因此这种机器人不适于操作空间较小，姿态可调整，坐标解耦的工业、医疗、服务等特种应用环境。在许多工业、医疗、服务等不同的特种应用环境下，常常需要先调整工具的三个旋转姿态到某个角度，再控制工具的末端达到某个位置，并且当工具维持在某个姿态角度的情况下，工具末端可很容易地达到某个坐标位置，即实现姿态角度控制与坐标位置控制的解耦。

经检索：申请号为CN201310415851.8的发明专利，公开了一种单输入三平移三转动输出并联运动装置，包含动平台、静平台，以及连接动平台、静平台的四条支链，本专利采用的技术方案过于复杂，且工作空间有限，存在坐标耦合问题。

申请号为CN201520019888.3的发明专利，提供了一种直角坐标机器人，包括底座，底座上安装有转盘及驱动转盘转动的第一电机，转盘上安装有竖向导轨，竖向导轨上安装有横向导轨及驱动横向导轨竖向滑动的竖向丝杆和竖向丝杆电机，横向导轨上安装有驱动横向导轨横向滑动的横向丝杆和横向丝杆电机，横向导轨上安装有连接座，连接座安装有90°摆动气缸，90°摆动气缸上安装有摆动臂，摆动臂上安装有180°转动气缸，180°转动气缸上安装有固定板，固定板上安装有手爪。该发明仅有4个自由度，且末端的摆动和转动由气缸组成，仅适用于动作简单的搬运操作，复杂的运动轨迹和大的运动空间无法实现，运动精度不高。

申请号为CN201410056623.0的发明专利，提供了一种结合有3自由度腕部结构的直角坐标机器人，2个水平轴在下面，垂直轴安装在水平轴的上面，旋转轴安装在垂直轴的上面。该发明仍然限制了末端的工作空间，并且实现方法过于复杂，由于2个水平轴自由度在下面，因此物体如果放在水平轴上面时，则存在干涉，因此空间利用率不高。

申请号为CN101559597A的发明专利，公开了一种龙门式七轴工业机器人，采用龙门架的形式，通过两个立柱与地面上的两个大轨道相连。该发明的地面面积占用非常大，不适于空间利用率要求非常高的场合。另外，该专利的后面几个旋转关节是在垂直面内旋转，关节轴承受的弯矩很大，存在不安全的隐患。并且，该专利结构复杂，姿态不易于调整，且存在坐标解耦问题。

因此，迫切一种工作空间利用率高、结构简单、姿态可调整、坐标解耦的七自由度特种机器人，以满足工业、医疗、服务等不同的特种应用环境。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种姿态可调整、坐标解耦的七自由度机器人及其控制方法，具有工作空间利用率高、姿态可调整、坐标解耦的优点，既能降低成本，又能提高机器人工作的灵活性。

根据本发明的第一方面，提供一种姿态可调整、坐标解耦的七自由度机器人，包括：Z轴垂直升降模块、X轴水平移动模块、Y轴水平移动模块、姿态调整模块和工具运动模块，其中：Z轴垂直升降模块板固定安装，作为基准平台，X轴水平移动模块安装在Z轴垂直升降模块上，Y轴水平移动模块安装在X轴水平移动模块上，姿态调整模块安装在Y轴水平移动模块上，工具运动模块安装在姿态调整模块上；

所述Z轴垂直升降模块在驱动部件的驱动下实现上下升降运动，从而实现Z轴的升降自由度；所述X轴水平移动模块在驱动部件的驱动下沿X轴方向运动，从而实现X轴的水平自由度；Y轴水平移动模块在驱动部件的驱动下沿Y轴方向运动，从而实现Y轴的水平自由度；姿态调整模块在驱动部件的驱动下实现α轴的姿态调整自由度、β轴的姿态调整自由度、γ轴的姿态调整自由度；工具运动模块在驱动部件的驱动下直线运动，从而实现工具运动模块的L直线自由度；