CN101259618A - 不含冗余约束的三自由度移动并联机构 - Google Patents

不含冗余约束的三自由度移动并联机构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种不含冗余约束的三自由度移动并联机构。该机构由动平台、机架、以及连接动平台与机架的三条结构相同的分支构成。所述的单个分支中从定平台到动平台依次为移动副，第一转动副、第二转动副、第三转动副和第四转动副，所述移动副与机架连接，所述移动副的轴线与第一转动副、以及与动平台连接的第四转动副轴线相互平行；在分支的第二转动副和第三转动副中，可设置其中任何一个转动副的轴线与移动副轴线平行，另一个转动副的轴线可为在空间不与移动副轴线平行的任意方向，所述的三个分支中的三个移动副轴线相互垂直，构成正交布置。本发明具有不含过约束、运动解耦、结构简单、刚度大等优点。可应用于并联机器人、并联机床等场合。

Description

不含冗余约束的三自由度移动并联机构
技术领域
本发明涉及机器人技术，特别是涉及一种不含冗余约束的三自由度移动并联机构。
背景技术：
机构自由度数少于6的少自由度并联机器人是目前国际并联机器人学术界和工业界关注的热点。在实际应用中有相当数量的操作任务所要求的自由度数少于6，此时应用合适的少自由度并联机器人，可以有效节省系统设计、制造、控制和维护方面的成本。
三自由度移动并联机构是少自由度并联机器人中非常重要的一类，其动平台可以完成空间的3个移动自由度，在定位、抓放等操作任务中应用广泛。目前应用最广泛、最成功的移动并联机构当属Clavel发明的Delta机器人(US4976582)。
从约束的角度看，三自由度移动并联机构可分为两类：过约束移动并联机构和非过约束移动并联机构。前者单个分支运动链对动平台施加两个及两个以上的约束，并联机构中单个分支运动链的自由度数为4或3，即含有4个或3个单自由度的运动副；后者单个分支运动链对动平台只施加一个约束。含有5个单自由度运动副。
目前国内外学者已提出了众多的过约束移动并联机构，例如Delta机器人(US4976582)、Y-Star和Prism机器人(J.M.Hervé，Design of parallel manipulators viathe displacement group，Proceedings of Ninth World Congress on the Theory ofMachines and Mechanisms，Italy，1995)、3-RRRH移动并联机构(黄真、孔令富、方跃法，并联机器人机构学理论及控制，机械工业出版社，1998)、Orghoglide并联机构(P.Wenger and D.Chablat.“Kinematic analysis of a new parallelmachine-tool：the Orthoglide，”Advances in Robot Kinematics，2000，pp.305-314.)、3-RPC并联机构等(ZL 01104454.3)。
一般来说，过约束机构通常需遵循严格的几何约束条件，如果几何约束条件失效，机构的运动将失控、因此对于制造和装配精度要求很高，相应地增加了成本。因此，不含过约束的三自由度移动并联机构逐渐成为研究的热点。
发明内容：
本发明目的在于提供一种不含冗余约束的三自由度移动并联机构。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
该机构由动平台、机架、以及连接动平台与机架的三条结构相同的分支构成。所述的单个分支中从定平台到动平台依次为移动副，第一转动副、第二转动副、第三转动副和第四转动副，所述移动副与机架连接，所述移动副的轴线与第一转动副、以及与动平台连接的第四转动副轴线相互平行；在分支的第二转动副和第三转动副中，设置其中任何一个转动副的轴线与移动副轴线平行，另一个转动副的轴线为在空间不与移动副轴线平行的任意方向，所述的三个分支中的三个移动副轴线相互垂直，构成正交布置。
所述的分支运动链中，可设置第三转动副的轴线与第一转动副的轴线平行，第二转动副的轴线与第一转动副的轴线垂直，根据机构学中运动副等效原理，第二转动副和第一转动副之间的连杆长度可以为零，第一转动副和第二转动副构成一个万向铰。
所述的分支运动链中，可设置第二转动副的轴线与第一转动副的轴线平行，第三转动副的轴线与第四转动副的轴线垂直，根据机构学中运动副等效原理，第三转动副的轴线与第四转动副之间的连杆长度可以为零，第三转动副与第四转动副构成一个万向铰。
本发明具有的有益效果是：
本发明机构不含过约束的三自由度解耦移动并联机构，其中运动副全部为单自由度的转动副和移动副，并且三个移动自由度完全解耦，即每个移动副单独控制一个方向的移动，具有结构简单可靠、刚度高，制造成本低，易于控制等优点，可应用于并联机器人、并联机床等场合。
附图说明
图1是本发明实施例1的并联机构。
图2是本发明实施例2的并联机构。
图3是本发明实施例3的并联机构。
图4是本发明实施例4的并联机构。
图中：1、动平台，2、第四转动副，3、连杆，4、第三转动副，5、连杆，6、第二转动副，7、连杆，8、第一转动副，9、连杆，10、移动副，11、定平台，12、万向铰，13、万向铰12中转动轴，14、万向铰12中转动轴，15、万向铰，16、万向铰15中转动轴，17、万向铰15中转动轴
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，动平台1、定平台11通过三个结构相同的分支连接，分支中移动副10与定平台11连接，连杆9与移动副10连接，第一转动副8与连杆9连接、且第一转动副8的轴线与移动副10的轴线平行，连杆7与第一转动副8连接，第二转动副6与连杆7连接、且第二转动副6的轴线与移动副10的轴线垂直，连杆5与第二转动副6连接，第三转动副4与连杆5连接，且第三转动副4的轴线平行于移动副10的轴线，连杆3与第三转动副4连接，第四转动副2一端与连杆3连接，另一端与动平台1连接，且第四转动副2的轴线平行于移动副10的轴线。三个分支中的移动副10轴线相互垂直，呈正交布置。动平台沿空间各个坐标轴方向的移动完全由平行于该坐标轴方向的移动副10的运动单独决定，例如欲使动平台在x坐标轴方向移动距离l时，只需控制x方向的移动副10移动距离l即可。
实施例2：
如图2所示，动平台1、定平台11通过三个结构相同的分支连接，分支中移动副10与定平台11连接，连杆9与移动副10连接，第一转动副8与连杆9连接、且第一转动副8的轴线与移动副10的轴线平行，连杆7与第一转动副8连接，第二转动副6与连杆7连接、且第二转动副6的轴线与移动副10的轴线垂直，连杆5与第二转动副6连接，第三转动副4与连杆5连接，且第三转动副4的轴线垂直于移动副10的轴线，连杆3与第三转动副4连接，第四转动副2一端与连杆3连接，另一端与动平台1连接，且第四转动副2的轴线平行于移动副10的轴线。三个分支中的移动副10轴线相互垂直，呈正交布置。动平台沿空间各个坐标轴方向的移动完全由平行于该坐标轴方向的移动副10的运动单独决定。
实施例3：
如图3所示，动平台1、定平台11通过三个结构相同的分支连接，分支中移动副10与定平台11连接，连杆9与移动副10连接，第一转动副8与连杆9连接、且第一转动副8的轴线与移动副10的轴线平行，连杆7与第一转动副8连接，第二转动副6与连杆7连接、且第二转动副6的轴线与移动副10的轴线垂直，连杆5与第二转动副6连接，万向铰12一端与连杆5连接，万向铰12中转动轴13垂直于移动副10的轴线，万向铰12另一端与动平台1连接，万向铰12中转动轴14平行于移动副10的轴线。三个分支中的移动副10轴线相互垂直，呈正交布置。动平台沿空间各个坐标轴方向的移动完全由平行于该坐标轴方向的移动副10的运动单独决定。
实施例4：
如图4所示，动平台1、定平台11通过三个结构相同的分支连接，分支中移动副10与定平台11连接，连杆9与移动副10连接，万向铰15一端与连杆9连接、万向铰15中转动轴16与移动副10的轴线平行，万向铰12另一端与连杆5连接，万向铰15中转动轴17与移动副10的轴线垂直，第三转动副4与连杆5连接，且第三转动副4的轴线与移动副10的轴线平行，连杆3与第三转动副4连接，第四转动副2一端与连杆3连接，另一端与动平台1连接，且第四转动副2的轴线平行于移动副10的轴线。三个分支中的移动副10轴线相互垂直，呈正交布置。动平台沿空间各个坐标轴方向的移动完全由平行于该坐标轴方向的移动副10的运动单独决定。

Claims (3)

1、一种不含冗余约束的三自由度移动并联机构，由动平台、机架、以及连接动平台与机架的三条结构相同的分支构成，其特征在于：所述的单个分支中从定平台到动平台依次为移动副，第一转动副、第二转动副、第三转动副和第四转动副，所述移动副与机架连接，所述移动副的轴线与第一转动副、以及与动平台连接的第四转动副轴线相互平行；在分支的第二转动副和第三转动副中，设置其中任何一个转动副的轴线与移动副轴线平行，另一个转动副的轴线为在空间不与移动副轴线平行的任意方向，所述的三个分支中的三个移动副轴线相互垂直，构成正交布置。
2、根据权利要求1所述的一种不含冗余约束的三自由度移动并联机构，其特征在于：所述的第一转动副和第二转动副为万向铰。
3、根据权利要求1所述的一种不含冗余约束的三自由度移动并联机构，其特征在于：所述的第三转动副和第四转动副为万向铰。
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