CN101362336A - 冗余驱动的二自由度移动并联机构 - Google Patents

Abstract

一种工业机器人领域的二自由度移动冗余并联机构，包括固定平台、上滑块、缸体、推杆、下滑块、支撑杆件、末端执行器，上滑块设置在固定平台上侧，下滑块设置在固定平台下侧，缸体一端通过转动副与上滑块连接，另一端通过移动副与推杆连接，推杆一端与缸体连接同时另一端与末端执行器通过转动副连接，而两根支撑杆件则一端与下滑块连接，另一端与末端执行器连接，整个装置的运动及力的传递则通过末端执行器来实现。本发明结合了冗余驱动、平行四边形结构，使最终的二自由度移动并联机构的工作空间、刚度与力承载特性等性能同时达到最佳或较佳，同时整体机构结构稳定，传动效率高，控制容易，运动精度高，成本低。

Description

冗余驱动的二自由度移动并联机构

技术领域

本发明涉及一种工业机器人技术领域的装置，具体是一种冗余驱动的二自由度移动并联机构。

背景技术

并联机构是指两个或两个以上的驱动单元并联设置并共同完成动作的机构，并联机构具有刚度大、承载能力高、运动精度高、动态特性好等优点，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。然而，在很多场合下，如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；另外，现有很多并联机构在满足工作空间尽可能大的前提下，往往机构的工作位形刚度特性、力承载特性等性能不佳，如何使工作空间与刚度特性、力承载特性等性能同时达到最好或者较好，成为一个提高机构性能的重要问题。

现有的较多少自由度并联机构，存在工作空间小、存在奇异位形，不够灵活等缺点，可以通过冗余并联机构来克服以上缺点。冗余驱动并联机构是指在普通并联机构的基础上，将机构的某些被动关节变成主动关节或者增加含有主动关节的支链个数，使得机构的驱动数大于末端执行器的自由度数。利用这种方法可以使并联机构位形空间变得平坦，增加并联机构的灵活性，提高并联机构的各项性能。

经对现有技术的文献检索发现，现有的少自由度冗余机构，如“一种实现两维平动和一位转动的三自由度冗余并联机构”(参见中国发明专利，公开号CN1586807A)，“一种用于并联机床的两转动一平动三自由度冗余并联机构”(参见中国发明专利，公开号CN1586806A)等，通过采用冗余并联机构扩大了工作空间，增加了机构的精度与刚度；但机构末端执行器的位姿一旦确定，各杆件的姿态也相应确定，此时机构整体的刚度与力承载特性等性能确定，不可以再度优化改善，因此在一定程度上还是限制了工作空间。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种冗余驱动的二自由度移动并联机构，使其可以在平面内自由移动，同时在机构末端执行器位姿确定的情况下，通过调节部分构件的长度与姿态，提高机构的刚度与力承载特性等性能。该并联机构结构稳定、刚度高、受力特性好、灵活性好，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，本发明包括固定平台、上滑块、缸体、推杆、下滑块、支撑杆件、末端执行器。上滑块设置在固定平台上侧，下滑块设置在固定平台下侧，缸体一端通过转动副与上滑块连接，另一端通过移动副与推杆连接，推杆一端与缸体连接同时另一端与末端执行器通过转动副连接，而两根支撑杆件则一端与下滑块连接，另一端与末端执行器连接，整个装置的运动及力的传递则通过末端执行器来实现。

所述的两根支撑杆件长度相等且相互平行，它们与转动副组合，形成平行四边形机构与下滑块连接。

所述转动副可以是铰链、球铰或关节轴承等常用部件。

所述缸体通过移动副与推杆连接，二者组合在一起可以为液压缸、气缸、电机等可变长度的装置。

所述末端执行器上可增加其他装置，如缓冲装置、力传感器、位移传感器等。

所述的固定平台的结构形式可以为平行结构、垂直结构或者任意角度的结构，在具体应用中，根据需要确定。

本发明整个机构具有三个移动部件：上滑块、下滑块及推杆，可以采用液压驱动，也可以采用电机驱动或气动驱动。上滑块移动，从而使缸体也跟随移动；推杆移动，从而改变推杆的可见长度；然后下滑块与推杆同时移动，通过两根支撑杆件及三个转动副带动末端执行器移动。当末端执行器到达指定位姿时，上滑块可与推杆配合移动，在保持末端执行器位姿不变的情况下，使上滑块移动，同时推杆改变其可见长度和姿态，从而改善机构整体的刚度与力承载特性等性能。

整个运动过程也可提前规划，使三个移动部件：上滑块、下滑块及推杆同时移动，在满足末端执行器轨迹的前提下，使机构本身始终处于最佳或较佳的刚度与力承载特性等性能。由于两根支撑杆件与转动副组成的平行四边形结构保证了末端执行器只发生平动，而不发生转动，因此整体机构在三个驱动下，实现了二自由度移动，即为冗余驱动。

本发明中的机构也可以平行布置两套，同时采用一个末端执行器，构成空间并联机构。

与现有技术相比，本发明结合了冗余驱动、平行四边形结构，使最终的二自由度移动并联机构的工作空间、刚度与力承载特性等性能同时达到最佳或较佳，同时整体机构结构稳定，传动效率高，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为本发明实施实例1的机构结构示意图。

图2为本发明实施实例2的机构结构示意图。

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。

实施实例1

如图1所示，本实施例包括以下部件：固定平台1，上滑块2，缸体3，推杆4，下滑块5，两个支撑杆件6、7，末端执行器8。上滑块2设置在固定平台1上侧，下滑块5设置在固定平台1下侧，缸体3一端通过转动副与上滑块2连接，另一端通过移动副与推杆4连接，推杆4一端与缸体3连接，另一端则与末端执行器8通过转动副连接，而支撑杆件6、支撑杆件7则一端与下滑块5连接，另一端与末端执行器8通过转动副连接，整个装置的运动及力的传递则通过末端执行器8来实现。

本实施例中，所述转动副可以是铰链、球铰或关节轴承等常用部件。

本实施例中，所述的支撑杆件6、支撑杆件7长度相等且相互平行，它们与转动副组合，形成平行四边形机构与下滑块5连接。

本实施例中，所述缸体3通过移动副与推杆4连接，二者组合在一起可以为液压缸、气缸、电机等可变长度的装置。

本实施例中具有3个移动部件：上滑块2、下滑块5及推杆4，可以采用液压驱动，也可以采用电机驱动或气动驱动。上滑块2水平移动，从而使缸体3也跟随移动；推杆4移动，从而改变推杆4的可见长度；然后下滑块5与推杆4同时移动，通过支撑杆件6、支撑杆件7及3个转动副带动末端执行器8移动。当末端执行器8到达指定位姿时，上滑块2可与推杆4配合移动，在保持末端执行器8位姿不变的情况下，使上滑块2移动，同时推杆4改变其可见长度和姿态，从而改善机构整体的刚度与力承载特性等性能。

整个运动过程也可提前规划，使三个移动部件：上滑块2、下滑块5及推杆4同时移动，在满足末端执行器8轨迹的前提下，使机构本身始终处于最佳或较佳的刚度与力承载特性等性能。由于支撑杆件6、支撑杆件7与转动副组成的平行四边形结构保证了末端执行器8只发生平动，而不发生转动，因此整体机构在三个驱动下，实现了2自由度移动，即为冗余驱动。

实施实例2

如图2所示，在实施例1的基础上，在不改变机构运动形式的前提下，将固定平台的形式改变，使其由平行结构改为垂直结构，从而形成了另一种二自由度移动冗余并联机构。

本实施例包括以下部件：固定平台1，垂直滑块10，缸体3，推杆4，水平滑块9，两个支撑杆件6、7，末端执行器8。

垂直滑块10设置在固定平台9上侧，水平滑块9设置在固定平台9下侧，缸体3一端通过转动副与垂直滑块10连接，另一端通过移动副与推杆4连接，推杆4一端与缸体3连接，另一端则与末端执行器8通过转动副连接，而支撑杆件6、支撑杆件7则一端与水平滑块9连接，另一端与末端执行器8通过转动副连接，整个装置的运动及力的传递则通过末端执行器8来实现。

本实施例中，所述转动副可以是铰链、球铰或关节轴承等常用部件。

本实施例中，所述的支撑杆件6、支撑杆件7长度相等且相互平行，它们与转动副组合，形成平行四边形机构与水平滑块9连接。

本实施例中，所述缸体3通过移动副与推杆4连接，二者组合在一起可以为液压缸、气缸、电机等可变长度的装置。

本实施例中具有3个移动部件：垂直滑块10，水平滑块9、推杆4，可以采用液压驱动，也可以采用电机驱动或气动驱动。垂直滑块10竖直移动，从而使缸体3也跟随移动；推杆4移动，从而改变推杆4的可见长度；然后水平滑块9与推杆4同时移动，通过支撑杆件6、支撑杆件7及3个转动副带动末端执行器8移动。当末端执行器8到达指定位姿时，垂直滑块10可与推杆4配合移动，在保持末端执行器8位姿不变的情况下，使垂直滑块10移动，同时推杆4改变其可见长度和姿态，从而改善机构整体的刚度与力承载特性等性能。

整个运动过程也可提前规划，使三个移动部件：垂直滑块10，水平滑块9、推杆4同时移动，在满足末端执行器8轨迹的前提下，使机构本身始终处于最佳或较佳的刚度与力承载特性等性能。由于支撑杆件6、支撑杆件7与转动副组成的平行四边形结构保证了末端执行器8只发生平动，而不发生转动，因此整体机构在三个驱动下，实现了2自由度移动，即为冗余驱动。

本发明的实施方式不限于上述形式。固定平台1的结构形式可以为平行结构、垂直结构或者任意角度的结构，在具体应用中，根据需要确定；根据需要，还可以在末端执行器8上增加其他装置，如缓冲装置、力传感器、位移传感器等；此外，该机构可以平行布置两套，同时采用一个末端执行器，构成空间并联机构。

Claims (8)

1.一种二自由度移动冗余并联机构，其特征在于，包括固定平台、上滑块、缸体、推杆、下滑块、支撑杆件、末端执行器，所述上滑块设置在固定平台上侧，下滑块设置在固定平台下侧，缸体一端通过转动副与上滑块连接，另一端通过移动副与推杆连接，推杆一端与缸体连接，另一端则与末端执行器通过转动副连接，而两根支撑杆件则一端与下滑块连接，另一端与末端执行器通过转动副连接，整个装置的运动及力的传递则通过末端执行器来实现。

2.根据权利要求1所述的二自由度移动冗余并联机构，其特征是，所述的两根支撑杆件长度相等且相互平行，它们与转动副组合，形成平行四边形机构与下滑块连接。

3.根据权利要求1所述的二自由度移动冗余并联机构，其特征是，所述的所述缸体与推杆组合在一起，为液压缸、气缸或电机可变长度的装置。

4.根据权利要求1所述的二自由度移动冗余并联机构，其特征是，所述的上滑块、下滑块及推杆，其驱动方式为液压驱动，或电机驱动，或气动驱动，上滑块移动，缸体也跟随移动，带动推杆移动，下滑块与推杆同时移动，通过两根支撑杆件及三个转动副带动末端执行器移动。

5.根据权利要求1所述的二自由度移动冗余并联机构，其特征是，所述转动副是铰链、球铰或关节轴承。

6.根据权利要求1所述的二自由度移动冗余并联机构，其特征是，所述末端执行器上设置缓冲装置，或力传感器，或位移传感器。

7.根据权利要求1所述的二自由度移动冗余并联机构，其特征是，所述的固定平台的结构形式为平行结构、垂直结构或者任意角度的结构。

8.根据权利要求1所述的二自由度移动冗余并联机构，其特征是，所述的并联机构平行布置两套，同时采用一个末端执行器，构成空间并联机构。

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