CN102303313A - 一种非对称完全各向同性三自由度空间并联机器人机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及非对称完全各向同性三自由度空间并联机器人机构，包括动平台、定平台以及联接定平台和动平台的三条相异分支运动链，第一分支运动链包括第一圆柱副、第一转动副、第二转动副及第三转动副，第一转动副及第二转动副的转动轴线与第一圆柱副的轴线平行且与第三转动副的转动轴线垂直；第二分支运动链包括第一移动副、第二移动副及第四转动副，第一移动副的轴线与第二移动副轴线垂直且与第四转动副的转动轴线平行；第三分支运动链包括第五转动副、第一虎克铰、第三移动副及第二虎克铰，第一移动副的轴线与第一圆柱副的转动轴线垂直且与第五圆柱副轴线平行，解决了现有的机器人机构的运动学解耦性差和转动性能不高的问题。

Description

一种非对称完全各向同性三自由度空间并联机器人机构

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其是一种非对称完全各向同性三自由度空间并联机器人机构。

背景技术

并联机器人机构是由动平台、定平台以及联接两平台的若干条（两条以上）分支运动链组成。一般情况下，机构的运动分支数等于其自由度数，且驱动器安装在定平台或者接近于动平台的构件上，以减小机构的运动惯量。相对于串联机构，并联机构具有承载能力强、精度高、刚度大、速度响应快和自重负荷比小等优点。因此，并联机器人机构在工业机器人、并联机床、医疗机器人、微操作机器人、飞行模拟器等领域具有广阔的潜在应用前景。Steward机构是典型的六自由度并联机构，该机构具有较高的承载能力，各分支运动链结构也较为简单，因此该类机构常用于要求具有较高承载能力和运动复杂的场合。

虽然六自由度并联机构有其自身的优点，但其运动学耦合性很强，因此机构的有效工作空间相对较小。而很多领域并不需要机构具有六个自由度，因此少自由度并联机器人机构（DOF=2~5）在近些年来得到了较多的关注。少自由度并联机器人机构具有结构简单、控制较为容易、制造成本低等特点，国际上已有多种新型少自由度并联机器人机构面试并应用于生产中去，如Delta机构、Star机构、Agile Eye机构等。

我国也有不少机构学者设计出诸多新型并联机器人机构，并申请了国家发明专利。如申请号为：200410069388.7，02104919.X，02137928.9，200710057179.4，201010225502.6的中国专利。对于一般的并联机器人机构，其运动学耦合性都较强，造成运动学解有多组，而其工作空间也随之减小，且使得机构轨迹规划和精度控制困难。而对于具有转动自由度的并联机器人机构，由于结构限制，其动平台的转动角度一般都不大，因此如何设计运动学解耦性好、转动性能高的并联机器人机构已成为该领域研究的新课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非对称完全各向同性三自由度空间并联机器人机构，以解决现有的机器人机构的运动学解耦性差和转动性能不高的问题。

为了解决上述问题，本发明的非对称完全各向同性三自由度空间并联机器人机构采用以下技术方案：一种非对称三自由度空间并联机器人机构，包括动平台、定平台，以及连接所述动、定平台之间三条相异分支运动链，所述三条相异分支运动链为第一分支运动链、第二分支运动链及第三分支运动链；所述第一分支运动链包括从所述定平台至动平台依次串联的第一圆柱副、第一转动副、第二转动副及第三转动副，所述第一转动副及第二转动副的转动轴线与所述第一圆柱副的轴线平行且与所述第三转动副的转动轴线垂直；第一圆柱副与第一转动副之间、第一转动副与第二转动副之间、第二转动副与第三转动副之间对应通过第一传动臂、第二传动臂、第三传动臂连接；所述第二分支运动链包括从所述定平台至动平台依次串联的第一移动副、第二移动副及第四转动副，所述第一移动副的轴线与所述第二移动副的轴线垂直且与所述第四转动副的转动轴线平行，所述第一移动副与第二移动副之间、第二移动副与第四转动副之间对应通过第四传动臂、第五传动臂连接；所述第三分支运动链包括从所述定平台至动平台依次串联的第五转动副、第一虎克铰、第三移动副及第二虎克铰，所述第五转动副与第一虎克铰之间、第一虎克铰与第三移动副之间、第三移动副与第二虎克铰之间对应通过第六传动臂、第七传动臂、第八传动臂连接；所述的第一圆柱副、第一移动副和第五转动副为主动副，第一移动副的轴线与第一圆柱副的轴线垂直且与所述第五转动副的轴线平行；所述第三转动副的转动轴线与所述第四转动副的转动轴线共线且与所述第二虎克铰中固连于所述动平台上的转轴的轴线垂直。

所述的动平台退化为末端操作器，所述末端操作器具有传动轴，所述第三、第四转动副设置于所述的传动轴上，所述第二虎克铰的运动输出端与所述传动轴的一端连接。

所述第一、第二分支运动链分设于所述末端操作器的径向两侧。

所述的第三、第四转动副固定连接。

所述第三、第四转动副设为一体，即合并为一个转动副，第二转动副的转动轴线与所述第二移动副的移动中心线共线。

由于本发明的非对称三自由度空间并联机器人机构的动平台具有所述的第一、第二及第三分支运动链，所述的第一圆柱副、第一移动副和第五转动副为主动副，第一移动副的轴线与第一圆柱副的轴线垂直且与所述第五转动副的轴线平行；所述第三转动副的转动轴线与所述第四转动副的转动轴线共线且与所述第二虎克铰中固连于所述动平台上的转轴的轴线垂直，因此可实现二维移动一维转动输出，非期望输出运动为常数；机构雅可比矩阵为3×3单位阵，其条件数和行列式的值恒等于1，从而使得本机构在整个工作空间内表现为完全各向同性，即机构在整个工作空间内沿任何方向的运动学和力学性能都相同；另外，本机构的运动输入输出间可实现一对一的控制关系，即动平台的一个运动输出只需一个驱动器控制，大大地减少了各分支运动链之间的相互影响，解决了现有的机器人机构的运动学解耦性差的问题。

附图说明

图1是本发明的非对称完全各向同性三自由度空间并联机器人机构的实施例1的结构示意图；

图2是本发明的非对称完全各向同性三自由度空间并联机器人机构的实施例2的结构示意图；

图3是本发明的非对称完全各向同性三自由度空间并联机器人机构的实施例3的结构示意图。

具体实施方式

本发明的非对称完全各向同性三自由度空间并联机器人机构的实施例1，如图1所示，由定平台1、动平台10以及联接定平台和动平台的三条分支运动链组成，动平台10采用台面板，所述的三条分支运动链为第一分支运动链51、第二分支运动链52及第三分支运动链53。

第一分支运动链51由第一圆柱副C1、第一转动副R1、第二转动副R2、第三转动副R3顺序串联而成，各运动副之间依次由第一传动臂2、第二传动臂3、第三传动臂4相连，第一圆柱副C1的中心线与第一转动副R1、第二转动副R2的转动轴线平行并且与第三转动副R3的转动轴线垂直；其中第一圆柱副C1为主动副，其输出方式为线性，用于控制动平台沿X方向（如图1）的移动，第一圆柱副C1通过伺服电机-滚珠丝杠机构（当然，在其它实施例中也可以是直线伺服电机）驱动。

第二分支运动链52由第一移动副P1、第二移动副P2和第四转动副R3顺序串联而成，各运动副之间依次由第四传动臂5、第五传动臂6相连，其中第二移动副P2滑道装配于第五传动臂6上，第一移动副P1为主动副，其通过伺服电机-滚珠丝杠机构（当然，在其它实施例中也可以是直线伺服电机）驱动，用于控制动平台10沿Y方向的移动，第一移动副P1的轴线与第二移动副P2的轴线及第一圆柱副C1的中心线垂直并且与第四转动副R4的转动轴线平行，第三转动副R3的转动轴线与第四转动副R4的转动轴线共线。

第三分支传动链由第五转动副R5、第一虎克铰U1、第三移动副P3、第二虎克铰U2顺序串联而成，各运动副之间依次由第六传动臂7、第七传动臂8、第八传动臂9传动连接，其中第七、第八传动臂伸缩配合形成第三移动副P3，第一虎克铰U1中与第六传动臂7相连的部分具有第一传动轴U1-1，另一部分具有第二传动轴U1-2；第二虎克铰U2连接于第八传动臂9上的部分具有第三传动轴U2-1，另一部分上具有第四传动轴U2-2，位于同一虎克铰上的两传动轴互相垂直；第五转动副R5的转动轴线与第一传动轴U1-1的轴线垂直，第二传动轴U1-2的轴线与第三传动轴U2-1的轴线平行且垂直于第三移动副P3的移动中心线；第五转动副R5的转动轴线与第一移动副P1的移动中心线相互平行；第四传动轴U2-2的轴线与第三、第四转动副的转动轴线垂直；第五转动副R5为主动副，其驱动装置采用伺服电机+减速器结构，用以控制动平台10的绕y轴转动输出。

本发明的非对称完全各向同性三自由度空间并联机器人机构在工作过程中，当需要所述动平台在X方向往复运动时，可通过驱动所述第一圆柱副来驱动所述动平台，在此过程中，所述的第二移动副及第三分支运动链做适应性运动；当需要所述动平台在Y方向做往复运动时，可通过所述第一移动副来驱动所述动平台，此过程中，所述第一、第三分支运动链做适应性运动；当需要所述动平台绕Y轴转动时，通过第五转动副来驱动动平台，与此同时，所述第三、第四转动副做适应性运动；最终实现本发明的非对称三自由度空间并联机器人机构的“二移动一转动”。 由于本发明的非对称三自由度空间并联机器人机构的动平台具有所述的第一、第二及第三分支运动链，所述的第一圆柱副、第一移动副和第五转动副为主动副，第一移动副的轴线与第一圆柱副的转动轴线垂直且与所述第五圆柱副的轴线平行；所述第三转动副的转动轴线与所述第四转动副的转动轴线共线且与所述第二虎克铰中固连于所述动平台上的转轴的轴线垂直，因此可实现二维移动一维转动输出，非期望输出运动为常数；机构雅可比矩阵为3×3单位阵，其条件数和行列式的值恒等于1，从而使得本机构在整个工作空间内表现为完全各向同性，即机构在整个工作空间内沿任何方向的运动学和力学性能都相同；另外，本机构的运动输入输出间可实现一对一的控制关系，即动平台的一个运动输出只需一个驱动器控制，大大地减少了各分支运动链之间的相互影响，解决了现有的机器人机构的运动学解耦性差的问题。所述机构可作为工业机器人、医疗机器人和微操作机器人的末端执行机构，实现二维移动和一维转动的操作动作。

本发明的非对称完全各向同性三自由度空间并联机器人机构的实施例2，如图2所示，本实施例与实施例1的区别仅在于，所述的动平台退化为末端操作器61，末端操作器61的后端具有传动轴61-1，第一、第二分支运动链分设于末端操作器61的传动轴的径向两侧，第三、第四转动副设置于所述的传动轴61-1上，所述第二虎克铰U2的运动输出端与所述传动轴61-1的一端连接；从而使得从末端操作器向定平台望去第一、第二、第三分支运动链顺时针分布，本实施例中，所述末端操作器61可以实现360度转动输出。

本发明的非对称完全各向同性三自由度空间并联机器人机构的实施例3，如图3所示，本实施例与实施例2的区别仅在于，所述第三、第四转动副设为一体，即第三、第四转动副合并为一个转动副（或用第三、第四转动副中的一个运动副代替），合并后转动副的转动轴线与第五传动臂6的中心线共线；该实施例中，所述的第一、第二分支运动链形成混合运动链。

上述实施例2中还可将所述的第三、第四转动副固连，从而使所述的第一、第二分支运动链形成混合运动链，实施例2及实施例3中，还可将所述的第一、第二分支运动链设置于末端操作器的传动轴的径向同侧。

Claims (5)

1.一种非对称完全各向同性三自由度空间并联机器人机构，包括动平台、定平台以及连接所述动、定平台的三条相异分支运动链，其特征在于：所述三条相异分支运动链为第一分支运动链、第二分支运动链及第三分支运动链；

所述第一分支运动链包括从所述定平台至动平台依次串联的第一圆柱副、第一转动副、第二转动副及第三转动副，所述第一转动副及第二转动副的转动轴线与所述第一圆柱副的轴线平行且与所述第三转动副的转动轴线垂直；第一圆柱副与第一转动副之间、第一转动副与第二转动副之间、第二转动副与第三转动副之间对应通过第一传动臂、第二传动臂、第三传动臂连接；

所述第二分支运动链包括从所述定平台至动平台依次串联的第一移动副、第二移动副及第四转动副，所述第一移动副的轴线与所述第二移动副的轴线垂直且与所述第四转动副的转动轴线平行，所述第一移动副与第二移动副之间、第二移动副与第四转动副之间对应通过第四传动臂、第五传动臂连接；

所述第三分支运动链包括从所述定平台至动平台依次串联的第五转动副、第一虎克铰、第三移动副及第二虎克铰，所述第五转动副与第一虎克铰之间、第一虎克铰与第三移动副之间、第三移动副与第二虎克铰之间对应通过第六传动臂、第七传动臂、第八传动臂连接；

所述的第一圆柱副、第一移动副和第五转动副为主动副，第一移动副的轴线与第一圆柱副的轴线垂直且与所述第五转动副的轴线平行；所述第三转动副的转动轴线与所述第四转动副的转动轴线共线且与所述第二虎克铰中固连于所述动平台上的转轴的轴线垂直。

2.根据权利要求1所述的非对称完全各向同性三自由度空间并联机器人机构，其特征在于：所述的动平台退化为末端操作器，所述末端操作器具有传动轴，所述第三、第四转动副设置于所述的传动轴上，所述第二虎克铰的运动输出端与所述传动轴的动力输入端相连。

3.根据权利要求2所述的非对称完全各向同性三自由度空间并联机器人机构，其特征在于：所述第一、第二分支运动链分设于所述末端操作器的径向两侧。

4.根据权利要求2或3所述的非对称完全各向同性三自由度空间并联机器人机构，其特征在于：所述的第三、第四转动副固定连接。

5.根据权利要求2或3所述的非对称三自由度空间并联机器人机构，其特征在于：所述第三、第四转动副设为一体，第二转动副的转动轴线与所述第二移动副的移动中心线共线。

Images