CN101722511A - 一种全解耦三自由度空间并联机器人机构 - Google Patents

一种全解耦三自由度空间并联机器人机构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全解耦三自由度空间并联机器人机构。该机构由运动平台、固定平台和联接上述两平台的三条支链组成,其中两条支链结构相同,自上而下分别由一个胡克铰、一个转动铰,一个移动铰,以及它们之间的连杆组成,另一条支链自上而下分别由一个球铰链、一个转动铰,一个移动铰,以及它们之间的连杆组成。本发明的机构其工作平台可实现一平动两转动全解耦运动输出;该机构关节少,运动副自由度总数只有13个,使得它可以有效的改善并联机构因运动副自由度过多而导致的容易发生挠曲和扭转变形的问题,提高机构整体的载荷/体重比。另外通过在运动平台上串接一个二自由度的旋转头,由此可设计出五自由度的混联机器人,可用于复杂曲面加工等场合。

Description

一种全解耦三自由度空间并联机器人机构
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机器人和先进制造技术领域,特别涉及一种实现空间一平动两转动全
解耦运动输出的少自由度并联机器人机构。 【背景技术】
[0002] 并联机器人机构可定义为:上下平台(固定平台和运动平台)之间用两个或两个 以上的运动支链相连,每个运动支链由连杆和运动副组成,运动平台具有两个或两个以上 自由度,且以并联方式驱动的机构。并联机器人机构广泛应用于大型模拟设备、机器人、数 控机床、传感器、微操作器、雕刻机和测量机等技术领域。Stewart平台是一种典型的并联机 器人机构,该机构具有6个自由度,首次用于并联机器人和数控机床被认为是二十世纪以 来机床结构的一次革命,在这以后发明了多种6自由度并联机构。
[0003] 由于结构的限制,6自由度并联机构有许多技术问题没能很好解决,如运动耦合性 强、运动学正解复杂、工作空间小、传动特性差等。少自由度并联机器人机构在工业生产中 具有广阔的应用前景,不少学者研究了多种该类型的机构,如Delta机构、Star Like机构 等。中国学者在少自由度并联机器人机构的研究方面也取得了大量的研究成果(如专利申 i青号:01108297. 6 ;01113519. 0 ;03113354. 1 ;200410018623. 8 ;200510037951. 7等)。 [0004] 目前基于3自由度并联机构机器人机构作为定位部件,在其运动平台串接一个2 自由度的旋转头而构造出5自由度的混联机器人,在高速加工领域内有着广泛的应用前 景,为克服并联结构形式的定位部件存在杆件多、运动副多而导致刚度不足这一问题,需要 创造出满足运动形式要求且运动副少、刚度高的新机型。作为混联机器人的定位部件,其运 动控制越简单,对控制器的要求也就越低,因而如何设计出运动全解耦的少自由度并联机 构成为一个研究的焦点。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为了克服现有技术的不足,而提供一种结构简单、运动副数目少、 成本较低、实现一平动两转动全解耦的空间并联机器人机构。
[0006] 本发明为解决上述问题所采用的方案是设计一种利用较少运动副实现一平动两 转动的空间并联机器人机构。该机构由运动平台1、固定平台2和联接上述两平台的三条支 链:支链M1、支链M2、支链M3组成;其中支链M1,支链M2自上而下分别由一个虎克铰Tl, T2, 一个转动铰Rl, R2 —个移动铰Pl, P2,以及它们之间的连杆Ll, L2, L4, L5组成;支链M3
自上而下分别由一个球铰链Sl、一个转动铰R3,一个移动铰P3以及它们之间的连杆L3,L6 组成;其中:
[0007] 所说的杆件L4, L5, L6分别通过移动铰P1, P2, P3与固定平台相联接,移动铰Pl, P2, P3为机构驱动副,且杆件L4, L5, L6的运动轴线与固定平台垂直; [0008] 所说的杆件Ll, L2, L3分别通过转动铰Rl, R2, R3与杆件L4, L5, L6相联接,且转 动铰R1的轴线与移动铰P1的轴线垂直,转动铰R2的轴线与移动铰P2的轴线垂直,转动铰R3的轴线与移动铰P3的轴线垂直;
[0009] 所说的杆件Ll, L2, L3分别通过虎克铰Tl, T2和球铰链Sl与运动平台1相联接, 虎克铰T1, T2上的两个轴的轴线与运动平台1共面,且其中一个轴线分别与转动铰R1, R2 的轴线平行,球铰链S1的一个轴线与转动铰R3的轴线平行;
[0010] 所说的运动平台1与固定平台2为相似三角形,且为等腰直角三角形,并满足:虎 克铰T1中心点与球铰链S1中心点的连线与虎克铰T2中心点与球铰链S1中心点的连线垂 直;移动铰P1中心点与移动铰P3中心点的连线与移动铰P2中心点与;移动铰P3中心点的 连线垂直。
[0011] 本发明的有益效果是:
[0012] 1、机构工作平台可实现一平动两转动的全解耦运动输出。
[0013] 2、机构简单,运动副均为低副、机构关节少,运动副自由度总数只有13个。
[0014] 3、可以有效的改善并联机构因运动副自由度过多而导致的容易发生挠曲和扭转
变形的问题。
[0015] 4、通过在运动平台上串接一个二自由度的旋转头,由此可设计出五自由度的混联 机器人,可用于复杂曲面等场合。
[0016] 5、在平动方向上可实现长距离运动,尤其适用于长轴形曲面加工。 【附图说明】
[0017] 图1全解耦三自由度空间并联机器人机构示意图。 [0018] 以下结合本发明的实施例参照附图进行详细叙述。
【具体实施方式】
[0019] 利用较少运动副实现一平动两转动的空间并联机器人机构。该机构由运动平台1、 固定平台2和联接上述两平台的三条支链:支链M1、支链M2、支链M3组成;其中支链M1,支 链M2自上而下分别由一个虎克铰T1,T2,一个转动铰R1,R2—个移动铰P1,P2以及它们之 间的连杆L1,L4,L2,L5组成;支链M3自上而下分别由一个球铰链Sl、一个转动铰R3, 一个 移动铰P3,以及它们之间的连杆L3, L6组成。联接杆件L4, L5, L6与固定平台2的移动铰 Pl, P2, P3为机构的驱动副,驱动副轴线与固定平台相垂直,与驱动副相邻的转动铰Rl, R2, R3轴线分别与驱动副轴线垂直,通过虎克铰T1,T2和球铰链Sl将杆件L1,L2,L3与运动平 台1相联接,且虎克铰T1,T2的两个轴线与运动平台1共面,其中一个轴线与转动铰R1,R2 轴线平行,球铰链Sl的一个轴线与转动铰R3轴线平行。运动平台1与固定平台2为相似 三角形,且为等腰直角三角形,虎克铰Tl与球铰链Sl中心点的连线与虎克铰T2与球铰链 Sl中心点的连线垂直;转动铰Rl与转动铰R3中心点的连线与转动铰R2与转动铰R3中心 点的连线垂直。
[0020] 如图所示,与固定平台相连的移动铰为P4, P5, P6为驱动副,通过电机带动滚珠丝 杆来驱动。当各驱动副在控制下运动不同的位移时,其余各转动副、虎克铰、球铰链则在连 杆和运动平台的拉动下,做相应的运动,从而实现运动平台在工作空间内做一平动两转动 运动。

Claims (2)

  1. 一种全解耦三自由度空间并联机器人机构,其特征在于该机构由运动平台1、固定平台2和联接上述两平台的三条支链:支链M1、支链M2、支链M3组成;其中支链M1,支链M2自上而下分别由一个虎克铰T1,T2,一个转动铰R1,R2一个移动铰P1,P2,以及它们之间的连杆L1,L2,L4,L5组成;支链M3自上而下分别由一个球铰链S1、一个转动铰R3,一个移动铰P3以及它们之间的连杆L3,L6组成;其中:所说的杆件L4,L5,L6分别通过移动铰P1,P2,P3与固定平台相联接,移动铰P1,P2,P3为机构驱动副,且杆件L4,L5,L6的运动轴线与固定平台垂直;所说的杆件L1,L2,L3分别通过转动铰R1,R2,R3与杆件L4,L5,L6相联接,且转动铰R1的轴线与移动铰P1的轴线垂直,转动铰R2的轴线与移动铰P2的轴线垂直,转动铰R3的轴线与移动铰P3的轴线垂直;所说的杆件L1,L2,L3分别通过虎克铰T1,T2和球铰链S1与运动平台1相联接,虎克铰T1,T2上的两个轴的轴线与运动平台1共面,且其中一个轴线分别与转动铰R1,R2的轴线平行,球铰链S1的一个轴线与转动铰R3的轴线平行。
  2. 2. 如权利要求l所述的全解耦三自由度空间并联机器人机构,其特征在于,所说的运 动平台1与固定平台2为相似三角形,且为等腰直角三角形,并满足:虎克铰Tl中心点与球 铰链S1中心点的连线与虎克铰T2中心点与球铰链S1中心点的连线垂直;移动铰P1中心 点与移动铰P3中心点的连线与移动铰P2中心点与;移动铰P3中心点的连线垂直。
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