CN101190527A - 二自由度移动并联解耦机构 - Google Patents

Abstract

一种二自由度移动并联解耦机构，整体机构通过导轨固定在基础平台上，两Y向导轨、Y向驱动装置固定在XOY基础平台上，Z向导轨固定在YOZ基础平台上，Y向滑块固定在Y向导轨上，两个下侧滑动支撑分别固定对应的Y向滑块上，上侧支撑则通过由8根支撑杆件及转动副组成的平行四边形机构与两个下侧滑动支撑连接，X向导轨固定在上侧支撑上，X向驱动装置固定在Z向导轨上，且X向驱动装置的壳体与上侧支撑固连，则动平台固定在X向导轨上。本发明结合了等腰三角形二力杆桁架结构、平行四边形结构，使最终的二自由度移动并联机构实现了两自由度的解耦，结构稳定，刚度高、受力特性好、传动效率高，同时结构简单，控制容易，运动精度高，成本低。

Description

二自由度移动并联解耦机构

技术领域

本发明涉及一种工业机器人领域的装置，具体是一种适用于二自由度操作场合的二自由度移动并联解耦机构。

背景技术

并联机构是指两个或两个以上的驱动单元并联安装并共同完成动作的机构，广泛应用于重载模拟设备、机器人、数控机床、传感器及微操作等技术领域。现有并联机器人大多采用3-6自由度对称结构，一般采用球铰、虎克铰或移动副作为运动副实现3-6自由度的空间运动，且工作空间一般不具有优势方向，结构复杂，制造成本较高。例如常见的Stewart并联机构，该机构的上平台与下平台之间以六个分支相联，每个分支两端是两个球铰，中间是一移动副，驱动器通过推动移动副做相对移动来改变各杆的长度，从而控制上平台的位姿变化。然而，在很多场合下，如自动化生产线、平面重载模拟设备中，末端执行器只需要在平面中作业，因此再采用多自由度空间并联机构则显得没有必要或制造成本太高。

当支撑杆件只承受拉、压载荷而不承受弯矩载荷时，此时称之为二力杆。二力杆组成的机构刚度高，受力特性好，但在现有的较多少自由度并联机构中，支撑杆件除受拉压作用外，还承受弯矩作用，因而这类机构受载时不仅会产生拉压变形，而且还会产生弯曲变形。由于受力状态的恶化，导致此类机构刚度低、抗振性能较差。此外，由于并联机构各驱动单元之间的运动是耦合的，即并联机构整体输出平台沿任一方向的运动都是所有驱动单元的运动合成，并且各驱动单元的运动与并联机构整体运动(即输入与输出)之间是非线性关系，因此导致并联机构控制十分复杂，标定困难，同时也制约了设备精度的提高和成本的下降，所以，如何实现并联机构解耦，以简化并联机构控制和标定，提高设备运动的精度并降低成本，一直是一个困难而富于挑战性的课题。

经对现有技术的文献检索发现，现有的多数二自由度机构，如“仅含转动副的二自由度平动并联机器人机构”(参见中国发明专利，公开号CN1355087)，“二自由度平动并联机器人机构”(参见中国发明专利，公开号CN2511447)等，均未考虑机构解耦问题，不符合实际使用中对二自由度移动并联机构刚度高、受力特性好且解耦的要求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种二自由度移动并联解耦机构，使其可以在平面内自由移动，同时实现了二自由度的解耦，此结构稳定、刚度高、受力特性好、传动效率高，而且结构简单，控制容易，运动精度高，成本低。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括XOY基础平台、YOZ基础平台、X向导轨、Y向导轨、Z向导轨、X向驱动装置、Y向驱动装置、Y向滑块、下侧滑动支撑、转动副、支撑杆件、上侧支撑、动平台。两Y向导轨固定在XOY基础平台上，Z向导轨固定在YOZ基础平台上，Y向滑块固定在Y向导轨上，两个下侧滑动支撑分别固定在对应的Y向滑块上，而上侧支撑则通过由8根支撑杆件及转动副组成的平行四边形机构与两个下侧滑动支撑连接，X向导轨固定在上侧支撑上，动平台固定在X向导轨上，Y向驱动装置固定在XOY基础平台上，X向驱动装置固定在Z向导轨上。

所述的支撑杆件以等腰三角形形式组成桁架杆组，且支撑杆件均为二力杆。

所述的桁架杆组由长度相等且相互平行的8根杆件组成，它们与转动副组合，两两之间形成平行四边形机构。

所述转动副可以是铰链、球铰或关节轴承等常用部件。

本发明整个机构具有两套驱动装置：X向驱动装置与Y向驱动装置，可由电机、液压缸或气缸驱动。Y向驱动装置固定在XOY基础平台上，驱动下侧滑动支撑Y向移动，然后下侧滑动支撑通过8根支撑杆件及转动副带动上侧支撑移动，上侧支撑再带动动平台实现Z向的独立运动，X向驱动装置固定在Z向导轨上，且X向驱动装置的壳体与上侧支撑固连，可以使动平台实现X向的独立运动，而8根支撑杆件与转动副组成的平行四边形结构保证了动平台只发生平动，而不发生转动，因此整体机构实现了X向、Z向的解耦。整个装置运动及力的传递则通过动平台(或在动平台上另加末端执行器)来实现。

本发明中各驱动装置可以采用液压驱动装置，也可以采用电机驱动或气动驱动装置。此外由于机构自重的存在，或者x向运动的扰动，将X向驱动装置的壳体与上侧支撑固连，使整体机构增加了稳定性。

与现有技术相比，本发明结合了等腰三角形二力杆桁架结构、平行四边形结构，使最终的二自由度移动并联机构实现了两自由度的解耦，结构稳定，刚度高、受力特性好、传动效率高，力传动比可达到5∶1以上，同时结构简单，控制容易，运动精度高，两方向运动分辨率可达到0.01mm，成本低。

附图说明

图1为本发明机构结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括以下部件：1-XOY基础平台，2-Y向导轨，3-Z向导轨，4-YOZ基础平台，5-X向驱动装置，6动平台，7-X向导轨，8-上侧支撑，9-支撑杆件，10-转动副，11-下侧滑动支撑，12-Y向滑块，13-Y向驱动装置。两Y向导轨2固定在XOY基础平台1上，Z向导轨3固定在YOZ基础平台4上，Y向滑块12固定在Y向导轨2上，两个下侧滑动支撑11分别固定对应的Y向滑块12上，而上侧支撑8则通过8根支撑杆件9及转动副10与两下侧滑动支撑11连接，X向导轨7固定在上侧支撑8上，动平台6固定在X向导轨7上，整个装置运动及力的传递则通过动平台6或在动平台6上另加末端执行器来实现。Y向驱动装置固定在XOY基础平台1上，X向驱动装置5固定在Z向导轨3上。

本实施例中，所述X向驱动装置5与Y向驱动装置13，由液压缸驱动。

所述Y向驱动装置驱动下侧滑动支撑11Y向移动，然后下侧滑动支撑11通过8根支撑杆件9及转动副10带动上侧支撑8移动，上侧支撑再带动动平台6实现Z向的独立运动。

所述X向驱动装置5固定在Z向导轨3上，且X向驱动装置5的壳体与上侧支撑8固连，可以使动平台6实现X向的独立运动，而8根支撑杆件9与转动副10组成的平行四边形结构保证了动平台6只发生平动，而不发生转动，因此整体机构实现了X向、Z向的解耦。

整体机构通过导轨固定在相应的基础平台上，此外由于机构自重的存在，或者x向运动的扰动，将X向驱动装置5的壳体与上侧支撑8固连，使整体机构增加了稳定性。

本发明的实施方式不限于上述形式。本发明中各驱动装置可以采用液压驱动装置，也可以采用电机驱动或气动驱动装置。整个机构的YOZ基础平台1可以卧式，也可以侧式安装或倾斜安装，在具体应用中，可以根据需要确定；根据需要，还可以在动平台的各个侧面上增加末端执行器。

Claims (8)

1.一种二自由度移动并联解耦机构，包括XOY基础平台、YOZ基础平台、X向导轨、Y向导轨、Z向导轨、X向驱动装置、Y向驱动装置、Y向滑块、下侧滑动支撑、转动副、支撑杆件、上侧支撑、动平台，其特征在于，两Y向导轨固定在XOY基础平台上，Z向导轨固定在YOZ基础平台上，Y向滑块固定在Y向导轨上，两个下侧滑动支撑分别固定在对应的Y向滑块上，而上侧支撑则通过由8根支撑杆件及转动副组成的平行四边形机构与两个下侧滑动支撑连接，X向导轨固定在上侧支撑上，动平台固定在X向导轨上，Y向驱动装置固定在XOY基础平台上，X向驱动装置固定在Z向导轨上。

2.根据权利要求1所述的二自由度移动并联解耦机构，其特征是，所述的支撑杆件均为二力杆且以等腰三角形形式组成桁架杆组，该桁架杆组由长度相等且相互平行的8根支撑杆件组成，它们与转动副组合，两两之间形成平行四边形机构。

3.根据权利要求1所述的二自由度移动并联解耦机构，其特征是，所述Y向驱动装置驱动下侧滑动支撑Y向移动，然后下侧滑动支撑通过8根支撑杆件及转动副带动上侧支撑移动，上侧支撑再带动动平台实现Z向的独立运动，整体机构实现了Z向的解耦。

4.根据权利要求1所述的二自由度移动并联解耦机构，其特征是，所述X向驱动装置的壳体与上侧支撑固连，使动平台实现X向的独立运动，整体机构实现X向解耦。

5.根据权利要求1所述的二自由度移动并联解耦机构，其特征是，所述动平台，其各个侧面上设有末端执行器。

6.根据权利要求1所述的二自由度移动并联解耦机构，其特征是，所述转动副是铰链、球铰或关节轴承。

7.权利要求1所述的二自由度移动并联解耦机构，其特征是，所述的X向驱动装置、Y向驱动装置，是电机、或液压缸、或气缸驱动装置。

8.权利要求1所述的二自由度移动并联解耦机构，其特征是，所述的YOZ基础平台，其安装方式为卧式、侧式或倾斜。