CN100486782C - 分支中含有两组平行轴系的3、4、5自由度对称并联机器人机构 - Google Patents

分支中含有两组平行轴系的3、4、5自由度对称并联机器人机构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及机器人和机械制造领域，特别涉及一种新型的分支中含有两组平行轴系的3、4、5自由度对称并联机器人机构。其特征是：每个分支中同时含有方向不同的两组平行的转动副，每个分支中的第一转动副(2)和第二转动副(4)它们的轴线相互平行，这是第一组平行轴系；第三转动副(6)和第五转动副(10)它们的轴线也相互平行，这是第二组平行轴系；定平台(11)上的第五转动副(10)都平行于定平台(11)。本发明较六自由度并联机构结构简单，经济便宜，控制相对容易，因此具有很好的应用前景，可以被应用作为机器人、微动作器或并联机床。

Description

分支中含有两组平行轴系的3、4、5自由度对称并联机器人机构
技术领域
本发明涉及机器人和机械制造领域，特别涉及一种新型的具有双平行线组的少自由度空间对称并联机器人机构。
背景技术
并联机器人机构属于空间多自由度多环闭链机构，和串联机构相比，并联机器人机构具有刚度大、承载能力大、累积误差小、动态特性好、结构紧凑等特点。目前，并联机器人机构还被广泛应用于除并联机器人外的虚拟轴机床、微动操作台、各种运动模拟器、传感器等方面。
少自由度并联机器人机构是指自由度数为3、4、5自由度的并联机器人机构，可应用于许多适于并联机器人操作，但不需要全部6个自由度的工作任务，由于它们的自由度较少，较六自由度并联机构结构简单，经济便宜，控制相对容易，因此具有很好的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的每个分支中含有两组平行轴系的3、4、5自由度对称并联机器人机构，该发明具有结构简单、加工装配性好、刚度大等优点。
这种每个分支中含有两组平行轴系的3、4、5自由度对称并联机器人机构，由动平台1、定平台11和连接动平台1与定平台11的结构完全相同的3个、4个和5个分支所组成，动平台1和定平台11可以是三角形、四边形或五边形，其特征在于：每个分支中同时含有方向不同的两组平行的转动副，每个分支中的第一转动副2和第二4它们的轴线相互平行，这是第一组平行轴系；第三转动副6和第五转动副10它们的轴线也相互平行，这是第二组平行轴系；定平台11上的第五转动副10都平行于定平台11，在各分支中还具有一第四运动副。
在第一种分支中含有两组平行轴系的3自由度空间对称移动并联机器人机构中，定平台11和动平台1都是三角形，通过3个结构完全相同的分支相连接，所有3个分支的第五转动副10连接定平台11和连杆9，第四转动副8连接连杆9和连杆7，第三转动副6连接连杆7和连杆5，第二转动副4连接连杆5和连杆3，第一转动副2连接连杆3和动平台1，第四转动副8的轴线平行于第三转动副6和第五转动副10的轴线，第二转动副4的轴线不平行于动平台1，斜交于第三转动副6的轴线；
在第二种分支中含有两组平行轴系的3自由度空间对称移动并联机器人机构中，把第一种空间3自由度移动并联机器人机构所有分支中的第四转动副8替换为移动副12，该移动副12的轴线垂直于第三转动副6和第五转动副10的轴线；
在第一种分支中含有两组平行轴系的4自由度空间对称并联机器人机构中，定平台11和动平台1都是三角形，通过3个结构完全相同的分支相连接，所有分支的第五转动副10连接定平台11和连杆9，第四转动副8连接连杆9和连杆7，第三转动副6连接连杆7和连杆5，第二转动副4连接连杆5和连杆3，第三转动副6、连杆5和第四转动副4可以构成1个十字头，第一转动副2连接连杆3和动平台1，第四转动副8的轴线平行于第三转动副6和第五转动副10的轴线，第一转动副2和第二转动副4的轴线垂直于定平台11；
在第二种分支中含有两组平行轴系的4自由度空间对称并联机器人机构中，把第一种空间4自由度对称并联机器人机构所有分支中的第四转动副8替换为移动副12，该移动副12的轴线垂直于第三转动副6和第五转动副10的轴线；
在第三种分支中含有两组平行轴系的4自由度空间对称并联机器人机构中，定平台11和动平台1都是四边形，通过4个结构完全相同的分支相连接，所有分支的第五转动副10连接定平台11和连杆9，第四转动副8连接连杆9和连杆7，第三转动副6连接连杆7和连杆5，第二转动副4连接连杆5和连杆3，第三转动副6、连杆5和第二转动副4可以构成一个十字头，第一转动副2连接连杆3和动平台1，第四转动副8的轴线平行于第三转动副6和第五转动副10的轴线，第一转动副2和第二转动副4的轴线垂直于定平台11；
在第4种分支中含有两组平行轴系的4自由度空间对称并联机器人机构中，把第三种空间4自由度对称并联机器人机构所有分支中的第四转动副8替换为移动副12，该移动副12的轴线垂直于第三转动副6和第五转动副10的轴线；
在第一种分支中含有两组平行轴系的5自由度空间对称并联机器人机构中，定平台11和动平台1都是三角形，通过3个结构完全相同的分支相连接，所有分支的第五转动副10连接定平台11和连杆9，第四转动副8连接连杆9和连杆7，第三转动副6连接连杆7和连杆5，第二转动副4连接连杆5和连杆3，第三转动副6、连杆5和第二转动副4可以构成一个十字头，第一转动副2连接连杆3和动平台1，第四转动副8的轴线平行于第三转动副6和第五转动副10的轴线，第一转动副2和第二转动副4的轴线平行于定平台11，并垂直于第三转动副6、第四转动副8和第五转动副10的轴线，所有分支中的第五转动副10的轴线在定平台11上都彼此相互平行，所有分支中的第一转动副2的轴线在动平台1上也都彼此相互平行；
在第二种分支中含有两组平行轴系的5自由度对称空间并联机器人机构中，把第一种空间5自由度对称并联机器人机构中所有分支中的第四转动副8替换为移动副12，该移动副12的轴线垂直于第三转动副6和第五转动副10的轴线；
在第三种分支中含有两组平行轴系的5自由度空间对称并联机器人机构中，定平台11是五边形，动平台1是三角形，通过5个结构完全相同的分支相连接，在动平台1的3个顶点中，有1个顶点连接1个分支，其余2个顶点各连接2个分支；所有分支的第五转动副10连接定平台11和连杆9，第四转动副8连接连杆9和连杆7，第三转动副6连接连杆7和连杆5，第二转动副4连接连杆5和连杆3，第三转动副6、连杆5和第二转动副4可以构成一个十字头，第一转动副2连接连杆3和动平台1；第四转动副8的轴线平行于第三转动副6和第五转动副10的轴线；第一转动副2和第二转动副4的轴线平行于定平台11，并垂直于第三转动副6、第四转动副8和第五转动副10的轴线，所有分支中的第五转动副10的轴线在定平台11上都彼此相互平行，所有分支中的第一转动副2的轴线在动平台1上也都彼此相互平行；
在第4种分支中含有两组平行轴系的5自由度空间对称并联机器人机构中，把第三种空间5自由度对称并联机器人机构中所有分支中的第四转动副8替换为移动副12，该移动副12的轴线垂直于第三转动副6和第五转动副10的轴线。
附图说明
图1为第一种分支中含有两组平行轴系的3自由度对称并联机器人机构示意图；
图2为第二种分支中含有两组平行轴系的3自由度对称并联机器人机构示意图；
图3为第一种分支中含有两组平行轴系的4自由度对称并联机器人机构示意图；
图4为第二种分支中含有两组平行轴系的4自由度对称并联机器人机构示意图；
图5为第三种分支中含有两组平行轴系的4自由度对称并联机器人机构示意图；
图6为第四种分支中含有两组平行轴系的4自由度对称并联机器人机构示意图；
图7为第一种分支中含有两组平行轴系的5自由度对称并联机器人机构示意图；
图8为第二种分支中含有两组平行轴系的5自由度对称并联机器人机构示意图；
图9为第三种分支中含有两组平行轴系的5自由度对称并联机器人机构示意图；
图10为第四种分支中含有两组平行轴系的5自由度对称并联机器人机构示意图。
在上述附图中，1.动平台，2.第一转动副，3.连杆，4.第二转动副，5.连杆，6.第三转动副，7.连杆，8.第四转动副，9.连杆，10.第五转动副，11.定平台，12.移动副。
具体实施方式
附图1为本发明的分支中含有两组平行轴系的3自由度空间对称移动并联机器人机构第1个实施例(见图1)。
动平台1和定平台11都是三角形，动平台1通过3个结构完全相同的分支与定平台11相连接，每个分支中从动平台1开始计数的前2个运动副为转动副2和4，它们的轴线相互平行；每个分支中从动平台1开始计数的后3个运动副为第三转动副6、第四转动副8和第五转动副10，它们的轴线相互平行；第二转动副4的轴线斜交于第三转动副6的轴线。所有分支的第五转动副10连接定平台11和连杆9；第四转动副8连接连杆9和连杆7；第三转动副6连接连杆7和连杆5；第二转动副4连接连杆5和连杆3，第一转动副2连接连杆3和动平台1。
附图2为本发明的分支中含有两组平行轴系的3自由度空间对称移动并联机器人机构第2个实施例(见图2)。
把本发明的第1个分支中含有两组平行轴系的3自由度空间对称移动并联机器人机构实施例中的所有分支中的第四转动副8替换为移动副12，该移动副12的轴线垂直于第三转动副6和第五转动副10的轴线。
附图3为本发明的分支中含有两组平行轴系的4自由度空间对称并联机器人机构第1个实施例(见图3)。
动平台1和定平台11都是三角形，动平台1通过3个结构完全相同的分支与定平台11相连接，所有分支的第五转动副10连接定平台11和连杆9；第四转动副8连接连杆9和连杆7；第三转动副6连接连杆7和连杆5；第二转动副4连接连杆5和连杆3；第一转动副2连接连杆3和动平台1。第三转动副6、第四转动副8和第五转动副10的轴线平行于定平台11；第一转动副2和第二转动副4的轴线垂直于定平台。
附图4为本发明的分支中含有两组平行轴系的4自由度空间对称并联机器人机构第2个实施例(见图3)。
把本发明的第1个分支中含有两组平行轴系的4自由度空间对称并联机器人机构实施例中所有分支中的第四转动副8替换为移动副12，该移动副12的轴线垂直于第三转动副6和第五转动副10的轴线。
附图5为本发明的分支中含有两组平行轴系的4自由度空间对称并联机器人机构第3个实施例(见图5)。
动平台1和定平台11都是四边形，动平台1通过4个结构完全相同的分支与定平台11相连接，所有分支的第五转动副10连接定平台11和连杆9；第四转动副8连接连杆9和连杆7；第三转动副6连接连杆7和连杆5；第二转动副4连接连杆5和连杆3；第一转动副2连接连杆3和动平台1。第三转动副6、第四8转动副和第五转动副10的轴线平行于定平台11；第一转动副2和第二转动副4的轴线垂直于定平台。
附图6为本发明的分支中含有两组平行轴系的4自由度空间对称并联机器人机构第4个实施例(见图6)。
把本发明的第3个分支中含有两组平行轴系的4自由度空间对称并联机器人机构实施例中所有分支中的第四转动副8替换为移动副12，该移动副12的轴线垂直于第三转动副6和第五转动副10的轴线。
附图7为本发明的分支中含有两组平行轴系的5自由度空间对称并联机器人机构第1个实施例(见图7)。
动平台1和定平台11都是三角形，动平台1通过3个结构完全相同的分支与定平台11相连接，所有分支的第五转动副10连接定平台11和连杆9；第四转动副8连接连杆9和连杆7；第三转动副6连接连杆7和连杆5；第二转动副4连接连杆5和连杆3；第一转动副2连接连杆3和动平台1。第三转动副6、第四8转动副和第五转动副10的轴线平行于定平台11；第一转动副2和第二转动副4的轴线平行于动平台1，但垂直于第三转动副6、第四8转动副和第五转动副10的轴线。所有分支中的第五转动副10的轴线在定平台11上都彼此相互平行。所有分支中的第一转动副2的轴线在动平台1上都彼此相互平行。
附图8为本发明的分支中含有两组平行轴系的5自由度空间对称并联机器人机构第2个实施例(见图8)。
把本发明的第1个分支中含有两组平行轴系的5自由度空间对称并联机器人机构实施例中所有分支中的第四转动副8替换为移动副12，该移动副12的轴线垂直于第三转动副6和第五转动副10的轴线。
附图9为本发明的分支中含有两组平行轴系的5自由度空间对称并联机器人机构第3个实施例(见图9)。
定平台11是五边形，动平台1是三角形，通过5个结构完全相同的分支相连接。在动平台1的3个顶点中，有1个顶点连接1个分支，其余2个顶点各连接2个分支。所有分支的第五转动副10连接定平台11和连杆9；第四转动副8连接连杆9和连杆7；第三转动副6连接连杆7和连杆5；第二转动副4连接连杆5和连杆3；第一转动副2连接连杆3和动平台1。第三转动副6、第四8转动副和第五转动副10的轴线平行于定平台11；第一转动副2和第二转动副4的轴线平行于动平台1，但垂直于第三转动副6、第四8转动副和第五转动副10的轴线。所有分支中的第五转动副10的轴线在定平台11上都彼此相互平行。所有分支中的第一转动副2的轴线在动平台1上都彼此相互平行。
附图10为本发明的分支中含有两组平行轴系的5自由度空间对称并联机器人机构第4个实施例(见图10)。
把本发明的第3个分支中含有两组平行轴系的5自由度空间对称并联机器人机构实施例中所有分支中的第四转动副8替换为移动副12，该移动副12的轴线垂直于第三转动副6和第五转动副10的轴线。
本发明分支中含有两组平行轴系的3、4、5自由度对称并联机器人机构，具有很好的运动学性能、高的刚度和较大的工作空间；其运动学正反解十分简单，易于控制；其中的3自由度并联机器人机构可以实现在空间的3个移动；4自由度并联机器人机构可以实现空间的3个移动和1个转动；5自由度并联机器人机构可以实现在三维空间的3个移动和2个转动。它们可以被应用作为机器人、微动作器、并联机床和飞行模拟器等。

Claims (11)

1、一种分支中含有两组平行轴系的3、4、5自由度空间对称并联机器人机构，由动平台(1)、定平台(11)和连接动平台(1)与定平台(11)的结构完全相同的3个、4个或5个分支所组成，动平台(1)和定平台(11)是三角形、四边形或五边形，其特征在于：每个分支中同时含有方向不同的两组平行的转动副，每个分支中的第一转动副(2)和第二转动副(4)它们的轴线相互平行，这是第一组平行轴系；第三转动副(6)和第五转动副(10)它们也相互平行，这是第二组平行轴系；定平台(11)上的第五转动副(10)平行于定平台(11)；在每个分支中还具有一第四运动副。
2、根据权利要求1所述的分支中含有两组平行轴系的3、4、5自由度空间对称并联机器人机构，其特征在于：其动平台(1)和定平台(11)都是三角形，通过3个结构完全相同的分支相连，所述机构为3自由度空间对称移动并联机器人机构，其中：所有3个分支的第一转动副(2)的轴线斜交于动平台(1)；第二转动副(4)的轴线还与第三转动副(6)的轴线相斜交；所述第四运动副为转动副(8)，其轴线平行于第三转动副(6)。
3、根据权利要求1所述分支中含有两组平行轴系的3、4、5自由度空间对称并联机器人机构，其特征在于：其动平台(1)和定平台(11)都是三角形，通过3个结构完全相同的分支相连，所述机构为3自由度空间对称移动并联机器人机构，其中：所有3个分支的第一转动副(2)的轴线斜交于动平台(1)；第二转动副(4)的轴线还与第三转动副(6)的轴线相斜交；所述第四运动副为移动副(12)，其轴线同时相交于第三转动副(6)和第五转动副(10)。
4、根据权利要求1所述的分支中含有两组平行轴系的3、4、5自由度空间对称并联机器人机构，其特征在于：所述机构具有3个移动和1个转动自由度；其动平台(1)和定平台(11)都是三角形，通过3个结构完全相同的分支相连，所述机构为4自由度空间对称并联机器人机构，其中：第一转动副(2)的轴线垂直于动平台；第二转动副(4)的轴线还与第三转动副(6)的轴线垂直相交；所述第四运动副为转动副(8)，其轴线平行于第三转动副(6)
5、根据权利要求1所述的分支中含有两组平行轴系的3、4、5自由度空间对称并联机器人机构，其特征在于：所述机构具有3个移动和1个转动自由度；其动平台(1)和定平台(11)都是三角形，通过3个结构完全相同的分支相连，所述机构为4自由度空间对称并联机器人机构，其中：第一转动副(2)的轴线垂直于动平台；第二转动副(4)的轴线还与第三转动副(6)的轴线垂直相交；所述第四运动副为移动副(12)，其轴线同时相交于第三转动副(6)和第五转动副(10)。
6、根据权利要求1所述的分支中含有两组平行轴系的3、4、5自由度空间对称并联机器人机构，其特征在于：所述机构具有3个移动和1个转动自由度；其动平台(1)和定平台(11)都是四边形，通过4个结构完全相同的分支相连，所述机构为4自由度空间对称并联机器人机构，其中：第一转动副(2)的轴线垂直于动平台；第二转动副(4)的轴线还与第三转动副(6)的轴线垂直相交；所述第四运动副为转动副(8)，其轴线平行于第三转动副(6)
7、根据权利要求1所述的分支中含有两组平行轴系的3、4、5自由度空间对称并联机器人机构，其特征在于：所述机构具有3个移动和1个转动自由度；其动平台(1)和定平台(11)都是四边形，通过4个结构完全相同的分支相连，所述机构为4自由度空间对称并联机器人机构，其中：第一转动副(2)的轴线垂直于动平台(1)；第二转动副(4)的轴线还与第三转动副(6)的轴线垂直相交；所述第四运动副为移动副(12)，其轴线同时相交于第三转动副(6)和第五转动副(10)。
8、根据权利要求1所述的分支中含有两组平行轴系的3、4、5自由度空间对称并联机器人机构，其特征在于：所述机构具有3个移动和2个转动自由度；其动平台(1)和定平台(11)都是三角形，通过3个结构完全相同的分支相连，所述机构为5自由度空间对称并联机器人机构，其中：第一转动副(2)的轴线平行于动平台且垂直于第三转动副(6)；所有3个分支的第一转动副(2)的轴线在动平台(1)上，且相互平行；所有3个分支的第五转动副(10)的轴线在定平台(11)上，也相互平行；所述第四运动副为转动副(8)，其轴线平行于第三转动副(6)
9、根据权利要求1所述的分支中含有两组平行轴系的3、4、5自由度空间对称并联机器人机构，其特征在于：具所述机构有3个移动和2个转动自由度；其动平台(1)和定平台(11)都是三角形，通过3个结构完全相同的分支相连，所述机构为5自由度空间对称并联机器人机构，其中：第一转动副(2)的轴线平行于动平台且垂直于第三转动副(6)；所有3个分支的第一转动副(2)的轴线在动平台(1)上，且相互平行；所有3个分支的第五转动副(10)的轴线在定平台(11)上，也相互平行；所述第四运动副为移动副(12)，其轴线同时相交于第三转动副(6)和第五转动副(10)。
10、根据权利要求1所述的分支中含有两组平行轴系的3、4、5自由度空间对称并联机器人机构，其特征在于：所述机构具有3个移动和2个转动自由度；其动平台(1)是三角形，定平台(11)为五边形；两者通过5个结构完全相同的分支相连，所述机构为5自由度空间对称并联机器人机构，其中：第一转动副(2)的轴线平行于动平台且垂直于第三转动副(6)；所有5个分支的第五转动副(10)的轴线都在定平台(11)上，且相互平行；所有5个分支的第一转动副(2)的轴线都在动平台(1)上，也相互平行；5个分支中有4个分支的4个第一转动副(2)两两共轴；所述第四运动副为转动副(8)，其轴线平行于第三转动副(6)
11、根据权利要求1所述的分支中含有两组平行轴系的3、4、5自由度空间对称并联机器人机构，其特征在于：所述机构具有3个移动和2个转动自由度；其动平台(1)是三角形，定平台(11)为五边形；两者通过5个结构完全相同的分支相连，所述机构为5自由度空间对称并联机器人机构，其中：第一转动副(2)的轴线平行于动平台且垂直于第三转动副(6)；所有5个分支的第五转动副(10)的轴线都在定平台(11)上，且相互平行；所有5个分支的第一转动副(2)的轴线都在动平台(1)上，且相互平行；5个分支中有4个分支的4个第一转动副(2)两两共轴；所述第四运动副为移动副(12)，其轴线同时相交于第三转动副(6)和第五转动副(10)。
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