[发明专利]一种模块化可重构串并联机械臂系统

说明书

本发明公开了一种模块化可重构串并联机械臂系统，它由以下七个基本模块组成：转动关节、L形连杆、I形连杆、大臂连杆、小臂连杆、底座A、底座B，以及包括其他的一些附件：如铰链，机械手爪A、机械手爪B、连接法兰。本发明以这些模块作为基本单元，重构出不同类型的串、并联式机械臂。其中典型的串联式机械臂构型有4种，分别是三自由度、四自由度、五自由度、六自由度；并联式机械臂构型有2种，分别是二自由度、三自由度。相比于传统的机械臂，模块化可重构串并联的设计在结构上具有很大的优势，传统的机械臂的功能专一化，通用性差，接口与接口之间的依赖性强，所以对于提高机械臂的通用性能以实现多样化的作业有很大的限制。增多，可以适应多样化作业。

技术领域

本发明专利属于机器人技术领域，具体来讲涉及的是一种模块化可重构串并联机械臂系统。

背景技术

进入21世纪，科学技术的发展日新月异，我国工业化进程的不断加快；愈加彰显了工业制造对于我国发展的重要性，而机械臂作为工业制造领域的重要装置，应用范围也越来越广泛，同时对其功能要求也随之不断提高。模块化、高精度化、机电一体化、是未来机械臂发展的必然趋势，其中模块化是未来机械臂发展的重要方向。对于传统的机械臂，其功能往往是固定不变的，一个机械臂只能完成一种或者几种固定的操作，这意味着机械臂的通用性较弱，某些机械臂甚至功能高度专一化而不具有通用性。因此导致传统机械臂的应用范围很窄，可拓展性不强，难以适应多样化的作业。模块化可重构的设计能够很好地解决这一问题，所谓模块指的是具有一定功能的独立单元，是构成系统的基本单元，模块之间互不影响、彼此独立。模块化系统的优点是各个模块的独立性很强，当其中几个模块损坏以后，只需更换即可，而不会影响系统的整体功能。模块化的设计理念极大提高了机械臂的通用性能，通过不同模块的组合、改变模块之间的连接方式，就能实现多样化的功能。因此，模块化和可重构设计能够极大地改善机械臂的总体性能。

在日本、美国、英国等一些国家，模块化机械臂的相关研究已经有了较高的水平，并且在一些领域，模块化机械臂已经投入了实际的应用中。美国卡内基梅隆大学的Paredis和Khosla研制的模块化机械臂RMMS，被认为是世界上最早的模块化机械臂。RMMS结构上由一些标准化的连接模块和旋转模块组成，在模块内部高度集成了驱动模块、控制模块、电气模块等，能够实现快速的重构组合，以实现不同的功能。日本东京科学大学的Fukuda等人提出了一种仿生的新型模块化机械臂系统，命名为DRRS（动力可重构系统）。这种系统是由许许多多的基本单元——“细胞”（Cell）组成，通过“细胞”的组合和分离实现重构。国内对于模块化机械臂的研究相对起步较晚，主要是一些高校和科研单位做了相关研究，也取得了许多重大的研究成果。东北大学在2004年对模块化机械臂的可重构构型做了详细的研究，总结出了机械臂的七种不同的功能模块。由哈尔滨理工大学研制的MRRES（模块化可重构机器人系统），由转动模块、基座模块和连接模块等组成，主要用以面向科研领域用途。北京邮电大学基于旋量理论对模块化机械臂的运动学做了建模研究，提出了一种基于旋量理论的正运动学建模的方法，这种方法是在传统的D-H矩阵法之上的改进，更加简洁明了。

从整体上来看，国内外模块化机械臂领域的许多方面已经有了较为深入的研究，也取得了许多成果。但目前还存在许多问题，首先是机械臂的模块化程度不高，重构性能一般，难以得到广泛的应用；此外，随着模块的增多与结构上的重构，将会导致模块化机器人的精度降低，影响其作业；模块化机器人的承载能力也较差，无法用于承受较重载荷。由于以上几个方面的原因，模块化可重构机器人难以得到广泛的实际应用。要解决模块化重构存在的问题，可以从以下几个方面改进：一、模块的数目应尽可能少；二、可重构的能力要增强，方便装配；三、增加或者减少一些模块、进行模块重构时，机械臂的精度保持不变或者在允许范围内发生很小的变化。

发明内容