CN100540239C - 一组两转动解耦并联机器人机构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于并联机器人领域，特别是涉及一组两转动自由度运动解耦并联机器人机构。包括动平台(3)、定平台(1)与连接动平台(3)和定平台(1)的3个分支组成，其特征是：动平台(3)通过三个分支与定平台(1)相连接，其中第一个分支具有一个运动副，第二个分支具有三个运动副，第一个分支和第二个分支构成平面导杆机构或者平面铰链机构，第三个分支为具有空间六个自由度的支链。本发明具有刚度高、结构简单、动平台的两个转动完全解耦，易于控制、运动质量低、动态性能好。可广泛用于望远镜、照相机、太阳能面板、导弹发射架、雷达跟踪和火炮瞄准定位设备等。

Description

一组两转动解耦并联机器人机构
技术领域
本发明属于并联机器人领域，特别涉及一组两转动自由度运动解耦并联机器人机构。
背景技术
并联机器人机构具有空间多自由度多环闭链，和串联机构相比，并联机构具有刚度大、承载能力大、累积误差小、动态特性好、结构紧凑等特点。目前，并联机构被广泛应用于虚拟轴机床、微动操作台、各种运动模拟器、传感器等方面。
相对于串联机器人机构，并联机器人机构具有工作空间小，运动之间具有强的耦合性，控制困难等缺点。目前国际上综合出来的解耦并联机器人机构主要有三移动自由度和三移动一转动等机构。法国的GOGU综合了一类两转动自由度解耦并联机器人机构，此类机构只有两个分支，因此，在刚度上不如三个分支机构好，另外，分支中的运动副较多，累积误差大，动平台只能安装在一个点上，则其加工装配性差。在GOGU综合的这类机构中，最简单的为：第一个分支由两个转动副组成且两个转动副垂直交于一点，该点被用来安装动平台；第二个分支由五个运动副组成，从定平台算起，第一个运动副为移动副，方向与第一个分支中的第一个转动副轴线方向相同，接下来的三个转动副的轴线方向和该分支中的移动副方向相同，第五个转动副轴线的方向与第一个分支中的另外一个转动副方向相同，并通过连杆连接到第一个分支的两个转动副轴线的交点，从而形成闭环。为了保持第一个分支的第二个转动副轴线方向与第二个分支的第五个运动副的轴线方向平行，此两转动副之间还需有特定的连杆连接。
发明内容
本发明的目的在于提供一类两转动自由度运动解耦并联机器人机构，该发明具有刚度高、结构简单、动平台的转动完全解耦、易于控制、动态性能好、加工装配性好等优点。
这组两转动自由度运动解耦并联机器人机构，包括动平台3，定平台1和连接定平台1和动平台3的分支等组成。其特征在于：动平台3通过三个分支与定平台1相连接，第一个分支通过球副2或者虎克铰15与动平台3相连。第二个分支从动平台3开始计数：第一个运动副为球副9或者虎克铰16；第二个运动副为转动副11；第三个运动副为移动副13或者转动副14。如果第二个支链的第一个运动副为虎克铰16，则该虎克铰16的一个转动轴线与转动副11的轴线平行；此时，如果第一个支链的运动副也为虎克铰15，则虎克铰16的另外一个轴线与虎克铰15的一个轴线同轴，且虎克铰15的另外一个轴线与转动副11的轴线平行。如果第二个分支与定平台相连的运动副为转动副14，则转动副14的轴线与转动副11的轴线平行。如果第一、二分支与动平台3相连的运动副一个为球副，一个为虎克铰，则虎克铰的一个轴线通过该球副中心，另一个轴线平行转动副11的轴线，在满足这些条件下，第一、二分支能形成平面铰链机构或者平面导杆机构。第三个分支为具有空间六个自由度的支链，如由球副，移动副和虎克铰相连接而成的具有空间六个自由度的运动支链。
附图说明
图1为第一种空间两转动自由度运动解耦并联机器人机构示意图。
图2为第二种空间两转动自由度运动解耦并联机器人机构示意图。
图3为第三种空间两转动自由度运动解耦并联机器人机构示意图。
图4为第四种空间两转动自由度运动解耦并联机器人机构示意图。
图5为第五种空间两转动自由度运动解耦并联机器人机构示意图。
图6为第六种空间两转动自由度运动解耦并联机器人机构示意图。
图7为第七种空间两转动自由度运动解耦并联机器人机构示意图。
图8为第八种空间两转动自由度运动解耦并联机器人机构示意图。
在图1、图2中，1.定平台，2.球副，3.动平台，4.球副，5.连杆，6.移动副，7.连杆，8.球副，9.球副，10.连杆，11.转动副，12.连杆，13.移动副，14.转动副，15.虎克铰，16.虎克铰。
具体实施方式
实施例1
该机构的动平台3通过3个分支和定平台1相连接(见图1)。第一个分支中仅有一个球副2。第二个分支的球副9连接动平台3和连杆10，转动副11连接连杆10和连杆12，连杆12通过移动副13与定平台1相连。第一个分支和第二个分支构成平面导杆机构。第三个分支的球副4连接动平台3和连杆5，移动副6连接连杆5和连杆7，连杆7通过球副8与定平台1相连。
实施例2
该机构的动平台3通过3个分支和定平台1相连接(见图2)。第一个分支中仅有一个球副2。第二个分支的虎克铰16连接动平台3和连杆10，转动副11连接连杆10和连杆12，连杆12通过移动副13与定平台1相连，其中虎克铰16的一个轴线通过球副2的球心，虎克铰16的另一个轴线与转动副11的轴线平行。第一个分支和第二个分支构成平面导杆机构。第三个分支的球副4连接动平台3和连杆5，移动副6连接连杆5和连杆7，连杆7通过球副8与定平台1相连。
实施例3
该机构的动平台3通过3个分支和定平台1相连接(见图3)。第一个分支中仅有一个球副2。第二个分支的球副9连接动平台3和连杆10，转动副11连接连杆10和连杆12，连杆12通过转动副14与定平台1相连，其中转动副14的轴线与转动副11的轴线平行。第一个分支和第二个分支构成平面铰链机构。第三个分支的球副4连接动平台3和连杆5，移动副6连接连杆5和连杆7，连杆7通过球副8与定平台1相连。
实施例4
该机构的动平台3通过3个分支和定平台1相连接(见图4)。第一个分支中仅有一个球副2。第二个分支的虎克铰16连接动平台3和连杆10，转动副11连接连杆10和连杆12，连杆12通过转动副14与定平台1相连，其中虎克铰16的一个轴线通过球副2的球心，虎克铰16的另一个轴线与转动副11的轴线平行，转动副14的轴线与转动副11的轴线平行。第一个分支和第二个分支构成平面铰链机构。第三个分支的球副4连接动平台3和连杆5，移动副6连接连杆5和连杆7，连杆7通过球副8与定平台1相连。
实施例5
该机构的动平台3通过3个分支和定平台1相连接(见图5)。第一个分支中仅有一个虎克铰15。第二个分支的虎克铰16连接动平台3和连杆10，转动副11连接连杆10和12，连杆12通过移动副13与定平台1相连。虎克铰15和虎克铰16的一个轴线共轴，虎克铰15和虎克铰16的另一个轴线相互平行，且平行于转动副11的轴线。第一个分支和第二个分支构成平面导杆机构。第三个分支的球副4连接动平台3和连杆5，移动副6连接连杆5和连杆7，连杆7通过球副8与定平台1相连。
实施例6
该机构的动平台3通过3个分支和定平台1相连接(见图6)。第一个分支中仅有一个虎克铰15。第二个分支的球副9连接动平台3和连杆10，转动副11连接连杆10和连杆12，连杆12通过移动副13与定平台1相连，其中虎克铰15的一个轴线通过球副9的球心，虎克铰15的另一个轴线与转动副11的轴线平行。第一个分支和第二个分支构成平面导杆机构。第三个分支的球副4连接动平台3和连杆5，移动副6连接连杆5和连杆7，连杆7通过球副8与定平台1相连。
实施例7
该机构的动平台3通过3个分支和定平台1相连接(见图7)。第一个分支中仅有一个虎克铰15。第二个分支的虎克铰16连接动平台3和连杆10，转动副11连接连杆10和连杆12，连杆12通过转动副14与定平台1相连。虎克铰15和虎克铰16的一个轴线共轴，虎克铰15和虎克铰16的另一个轴线相互平行，且平行于转动副11，转动副14的轴线也与转动副11的轴线平行。第一个分支和第二个分支构成平面铰链机构。第三个支链的球副4连接动平台3和连杆5，移动副6连接连杆5和连杆7，连杆7通过球副8与定平台1相连。
实施例8
该机构的动平台3通过3个分支和定平台1相连接(见图8)。第一个分支中仅有一个虎克铰15。第二个分支的球铰9连接动平台3和连杆10，转动副11连接连杆10和连杆12，连杆12通过转动副14与定平台1相连，其中虎克铰15的一个轴线通过球副9的球心，虎克铰15的另一个轴线平行于转动副11的轴线，同时转动副14的轴线也与转动副11的轴线平行。第一个分支和第二个分支构成平面铰链机构。第三个支链的球副4连接动平台3和连杆5，移动副6连接连杆5和连杆7，连杆7通过球副8与定平台1相连。
本发明的空间两自由度运动解耦并联机器人机构，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，动平台的两个转动完全解耦，使控制极为容易，并且节能。可广泛用于望远镜、照相机、太阳能面板、导弹发射架，雷达跟踪，火炮瞄准定位设备等。

Claims (4)

1.一组两转动解耦并联机器人机构，包括动平台(3)、定平台(1)与连接动平台(3)和定平台(1)的3个分支组成，其特征是：动平台(3)通过三个分支与定平台(1)相连接，其中，第一个分支具有一个运动副，该运动副为虎克铰或球副；第二个分支具有三个运动副，其中间运动副为第一转动副(11)，与动平台(3)相连接的为球副(9)或者虎克铰(16)，与定平台(1)相连的为移动副(13)或者第二转动副(14)，且第一个分支和第二个分支构成平面导杆机构或者平面铰链机构；第三个分支具有空间六个自由度，且与动平台(3)相连接的为球副(4)，与定平台(1)相连接的为球副(8)，两个球副(4，8)通过移动副(6)及两连杆(5，7)相连接。
2.根据权利要求1所述的并联机器人机构，其特征是：第一个分支和第二个分支与动平台(3)相连的都是球副，第二个分支与定平台(1)相连的运动副为移动副(13)或者第二转动副(14)，当第二个分支与定平台(1)相连的运动副为第二转动副(14)时，第二转动副(14)的轴线与第一转动副(11)的轴线平行。
3.根据权利要求1所述的并联机器人机构，其特征是：第一个分支和第二个分支与动平台(3)相连的两个运动副中一个为虎克铰，另一个为球副，所述虎克铰的一个轴线通过该球副的球心，虎克铰的另一个轴线与第一转动副(11)的轴线平行；第二个分支与定平台(1)相连的运动副为移动副(13)或者第二转动副(14)，当第二个分支与定平台(1)相连的运动副为第二转动副(14)时，第二转动副(14)的轴线与第一转动副(11)的轴线平行。
4.根据权利要求1所述的并联机器人机构，其特征是：第一个分支和第二个分支与动平台(3)相连的运动副均为虎克铰，则两虎克铰(15，16)的一个轴线共轴，两虎克铰(15，16)的另一个轴线与第一转动副(11)的轴线平行；第二个分支与定平台(1)相连的运动副为移动副(13)或者第二转动副(14)，当第二个分支与定平台(1)相连的运动副为第二转动副(14)时，第二转动副(14)的轴线与第一转动副(11)的轴线平行。
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