CN100519108C - 齿轮齿条副非过约束四自由度并联机器人机构 - Google Patents

Abstract

一种齿轮齿条副非过约束四自由度并联机器人机构。由固定平台、动平台、齿轮、齿条副二级平台和运动支链组成；固定平台与动平台分别设于机构顶部和底部，齿轮固定套装于动平台中轴上，齿轮靠支架连接齿条副二级平台；运动支链连接齿条副二级平台和固定平台。各运动支链都是具有对称结构的四杆机构，全部由转动副组成，独立驱动器安装在运动支链顶部的转动副上；转动副以其轴线构成的不同平行线组形成组别。本发明机器人机构由独立驱动器驱动，能实现空间三个移动及由齿条副二级平台相对移动转化成的转动，共四个自由度运动，具有结构对称、装配容易、设计制造成本低、工作空间大等优点，可应用于并联机器人、并联机床、装配生产线等工业领域。

Description

齿轮齿条副非过约束四自由度并联机器人机构

技术领域

本发明涉及机器人技术，具体地讲是一种齿轮齿条副非过约束四自由度并联机器人机构。

背景技术

并联机器人由动平台、定平台以及连接二者的两个或者两个以上的运动支链构成。各条运动支链由若干运动副连接杆件形成。

具有3平动、1转动的4自由度机器人可以实现任意复杂的空间抓取、摆放作业。在流水线上广为应用的SCARA机器人即是具有该运动特性的串联机器人。但是，业界一直希望开发出可以实现同样运动且具有更高承载能力、工作空间对称、结构和控制稳定的并联机器人机构。然而，全对称的该类型4自由度并联机器人机构综合问题一直是公开的机构学难题之一。

目前，中国知识产权局公布的与4自由度并联机构相关的发明专利申请23件，实用新型申请7件。典型的机构包括：刘辛军等(中国专利申请号：00105935.1)。该机构由RPS和UPS两种结构的运动支链组成。其不相同结构的运动支链导致了运动平台的工作空间不对称；黄真等(中国专利申请号：00101494.3)得出了由三个TRT分支和一个SPS分支构成的3平动、1转动4自由机构。方跃法(中国专利申请号：02158043.X)得出了一系列过约束4自由度并联机器人机构，四条运动支链的结构相同，每条运动支链由转动副、万向节和圆柱副组成。张宪民等(中国专利申请号：200510101133.9)也得出了一种3移动、1转动的并联机构。此外，金琼等也提出了一些可实现3移动、1转动的并联机构。但是，以上机构全部属于过约束机构。其约束特点是：为了保证机构具有4条可以独立安装驱动器的运动支链和4个独立运动自由度，必须使本来需要2条支链的机构再增加2条一样的支链，这样一来，对动平台的约束作用同时由一对支链提供。如果支链的制造和安装存在误差，那么这种过约束机构存在的条件就被破坏，机构的特性就发生变化。

非过约束机构的特点在于机构受到的约束数目正好是自由度特性的要求。在机构设计中，不需要让约束线性相关。Pierrot和Company在1999年提出四自由度H4并联机构。在整个设计过程中，关于机构的运动副数目和支链数目等设计根据则是完全按照传统的Grübler-Kutzbach自由度公式进行。而且利用这一公式，还提出了机构保持4个自由度的一些必要条件以及几个变种设计。属于第一个满足传统自由度计算方法的非过约束4自由度并联机构。此外，Rolland提出两种用于物料搬运的四自由度并联机构：Kanuk和Manta。Sebastien krut在H4的设计基础上，提出了I4机构。以上几种构型都属于非过约束机构。它们的特点是支链中都具有Delta机构所特有的平行四边形闭环结构。闭环结构的存在给机构装配造成不方便。申请中国专利的用于产生舍恩夫利斯运动的四自由度平行操纵装置(中国专利申请号：200380105362.7)属于非过约束机构。该机构利用二级组合，应用平行阵列来产生四自由度运动。

发明内容

本发明的目的是提供一种齿轮齿条副非过约束四自由度并联机器人机构。本发明以两级运动拓扑为设计手段，机构支链中所有的运动副都是转动副，末端利用齿轮齿条副实现移动向转动的转化，克服了4自由度机构过约束的设计难题，实现了非过约束四自由度运动。

本发明的技术方案是：

本发明由固定平台、动平台、齿轮、齿条副二级平台和运动支链组成；固定平台与动平台分别设于机构顶部和底部，齿轮固定套装于动平台中轴上，齿轮靠支架连接齿条副二级平台；运动支链连接齿条副二级平台和固定平台。

各运动支链都是具有对称结构的四杆机构，全部由转动副组成，独立驱动器安装在运动支链顶部的转动副上；转动副以其轴线构成的不同平行线组形成组别。

运动支链连接齿条副二级平台的转动副在同一平面内，其中有的转动副轴线不平行；运动支链连接固定平台的转动副轴线在同一平面内，其中有的转动副轴线不平行。

本发明机器人机构由独立驱动器驱动，能实现空间三个移动及由齿条副二级平台相对移动转化成的转动，共四个自由度运动，具有结构对称、装配容易、设计制造成本低、工作空间大等优点，可应用于并联机器人、并联机床、装配生产线等工业领域。

附图说明

图1是齿轮齿条副非过约束四自由度并联机器人机构示意图。

图2是组成机构的转动副结构示意图。

具体实施方式

本发明机器人机构由固定平台1、动平台2、齿轮3、齿条副二级平台4和5、第一运动支链I、第二运动支链II、第三运动支链III及第四运动支链IV组成，固定平台1与动平台2分别设于机构顶部和底部，齿轮3固定套装于动平台2中轴上，齿轮3靠支架26连接齿条副二级平台4和5；第一运动支链I、第二运动支链II、第三运动支链III及第四运动支链IV连接齿条副二级平台4、5及固定平台1。所有支链都是一类具有对称结构的四杆机构，每条运动支链全部由转动副组成。

第一运动支链I、第二运动支链II、第三运动支链III及第四运动支链IV都是具有对称结构的四杆机构，全部由转动副组成，独立驱动器安装在运动支链顶部的转动副上；转动副以其轴线构成的不同平行线组形成组别；

第一运动支链I、第二运动支链II、第三运动支链III及第四运动支链IV连接齿条副二级平台4、5的转动副在同一平面内，其中有的转动副的轴线不平行；第一运动支链I、第二运动支链II、第三运动支链III及第四运动支链IV连接固定平台1的转动副的轴线在同一平面内，其中有的转动副的轴线不平行。

第一运动支链I和第三运动支链III连接齿条副二级平台4与固定平台1：

第一运动支链I由第一转动副6、第二转动副7、第三转动副8、第四转动副9、第五转动副10组成，其中转动副6的轴线和第二转动副7的轴线组成一组平行线，第三转动副8的轴线、第四转动副9的轴线和第五转动副10的轴线组成另外一组平行线。

第三运动支链III由第六转动副16、第七转动副17、第八转动副18、第九转动副19、第十转动副20组成，其中第六转动副16的轴线和第七转动副17的轴线组成一组平行线，第八转动副18的轴线、第九转动副19的轴线和第十转动副20的轴线组成另外一组平行线。

第二运动支链II和第四运动支链IV连接齿条副二级平台5与固定平台1：

第二运动支链II由第十一转动副11、第十二转动副12、第十三转动副13、第十四转动副14、第十五转动副15组成，其中第十一转动副11的轴线和第十二转动副12的轴线组成一组平行线，第十三转动副13的轴线、第十四转动副14的轴线和第十五转动副15的轴线组成另外一组平行线。

第四运动支链IV由第十六转动副21、第十七转动副22、第十八转动副23、第十九转动副24、第二十转动副25组成，其中第十六转动副21的轴线和第十七转动副22的轴线组成一组平行线，第十八转动副23的轴线、第十九转动副24的轴线和第二十转动副25的轴线组成另外一组平行线。

第一运动支链I、第二运动支链II、第三运动支链III及第四运动支链IV连接两个齿条副二级平台4和5的第一转动副的轴线6、第六转动副16的轴线、第十一转动副11的轴线及第十六转动副21的轴线在同一平面内，其中第一转动副6的轴线和第六转动副16的轴线不平行，第十一转动副11的轴线和第十六转动副21的轴线不平行。

第一运动支链I、第二运动支链II、第三运动支链III及第四运动支链IV连接固定平台1的第五转动副10的轴线、第十转动副20的轴线、第二十转动副25的轴线及第十五转动副15的轴线在同一平面内，其中第五转动副10的轴线和第十转动副20的轴线不平行，第十五转动副15的轴线和第二十转动副25的轴线不平行。

当机构运动时，动平台2受到两个独立的约束，属于非过约束机构。运动由安装在第五转动副10的轴线、第十转动副20的轴线、第二十转动副25的轴线及第十五转动副15的轴线上的四个独立驱动器进行驱动，使得机构动平台2按照控制的运动进行，能实现空间三个移动自由度，以及由齿条副二级平台4和5相对移动转化成的转动，共四个自由度。

Claims (3)

1.一种齿轮齿条副非过约束四自由度并联机器人机构，其特征在于它由固定平台(1)、动平台(2)、齿轮(3)、齿条副二级平台(4、5)和第一运动支链(I)、第二运动支链(II)、第三运动支链(III)及第四运动支链(IV)组成；

固定平台(1)与动平台(2)分别设于机构顶部和底部，齿轮(3)固定套装于动平台(2)中轴上，齿轮(3)靠支架(26)连接齿条副二级平台(4、5)；第一运动支链(I)、第二运动支链(II)、第三运动支链(III)及第四运动支链(IV)连接齿条副二级平台(4、5)和固定平台(1)；

第一运动支链(I)、第二运动支链(II)、第三运动支链(III)及第四运动支链(IV)都是具有对称结构的四杆机构，全部由转动副组成，独立驱动器安装在运动支链顶部的转动副上；转动副以其轴线构成的不同平行线组形成组别；

第一运动支链(I)、第二运动支链(II)、第三运动支链(III)及第四运动支链(IV)连接齿条副二级平台(4、5)的转动副在同一平面内，其中有的转动副的轴线不平行；第一运动支链(I)、第二运动支链(II)、第三运动支链(III)及第四运动支链(IV)连接固定平台(1)的转动副的轴线在同一平面内，其中有的转动副的轴线不平行。

2.根据权利要求1所述的齿轮齿条副非过约束四自由度并联机器人机构，其特征在于：

第一运动支链(I)由第一转动副(6)、第二转动副(7)、第三转动副(8)、第四转动副(9)、第五转动副(10)组成，其中第一转动副(6)的轴线和第二转动副(7)的轴线组成一组平行线，第三转动副(8)的轴线、第四转动副(9)的轴线和第五转动副(10)的轴线组成另外一组平行线；

第三运动支链(III)由第六转动副(16)、第七转动副(17)、第八转动副(18)、第九转动副(19)、第十转动副(20)组成，其中第六转动副(16)的轴线和第七转动副(17)的轴线组成一组平行线，第八转动副(18)的轴线、第九转动副(19)的轴线和第十转动副(20)的轴线组成另外一组平行线；

第二运动支链(II)由第十一转动副(11)、第十二转动副(12)、第十三转动副(13)、第十四转动副(14)、第十五转动副(15)组成，其中第十一转动副(11)的轴线和第十二转动副(12)的轴线组成一组平行线，第十三转动副(13)的轴线、第十四转动副(14)的轴线和第十五转动副(15)的轴线组成另外一组平行线；

第四运动支链(IV)由第十六转动副(21)、第十七转动副(22)、第十八转动副(23)、第十九转动副(24)、第二十转动副(25)组成，其中第十六转动副(21)的轴线和第十七转动副(22)的轴线组成一组平行线，第十八转动副(23)的轴线、第十九转动副(24)的轴线和第二十转动副(25)的轴线组成另外一组平行线。

3.根据权利要求1所述的齿轮齿条副非过约束四自由度并联机器人机构，其特征在于：

第一运动支链(I)、第二运动支链(II)、第三运动支链(III)及第四运动支链(IV)连接两个齿条副二级平台(4、5)的第一转动副(6)的轴线、第六转动副(16)的轴线、第十一转动副(11)的轴线及第十六转动副(21)的轴线在同一平面内，其中第一转动副(6)的轴线和第六转动副(16)的轴线不平行，第十一转动副(11)的轴线和第十六转动副(21)的轴线不平行；

第一运动支链(I)、第二运动支链(II)、第三运动支链(III)及第四运动支链(IV)连接固定平台(1)的第五转动副(10)的轴线、第十转动副(20)的轴线、第二十转动副(25)的轴线及第十五转动副(15)的轴线在同一平面内，其中第五转动副(10)的轴线和第十转动副(20)的轴线不平行，第十五转动副(15)的轴线和第二十转动副(25)的轴线不平行。

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