CN102380771A - 高刚度冗余驱动三自由度并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种少自由度机器人机构。目的是提供的机构应具有能提高机构的刚度和承载力大的特点。技术方案是：高刚度冗余驱动三自由度并联机构，包括动平台、机架以及第一分支、第二分支和第三分支；第一分支和第二分支中，每一分支依次连接有第一单自由度运动副、第二单自由度运动副和万向铰；其特征在于第三分支又分为两个并联支链，每一支链依次连接第一单自由度运动副、第二单自由度运动副以及一转动副；第一分支的万向铰的第一根转轴轴线与第二分支的万向铰的第一根转轴轴线共线且经过第三分支T字铰的中心点；第三分支的T字铰的第一根转轴轴线垂直或者平行于第一分支的万向铰的第一根转轴轴线以及第二分支的万向铰的第一根转轴轴线。

Description

高刚度冗余驱动三自由度并联机构

技术领域

本发明涉及一种少自由度机器人机构，尤其是一种具有高刚度冗余驱动三自由度并联机构。

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，可以有效地节省系统设计、制造、控制和维护方面的成本。

具有两个转动自由度和一个移动自由度（简称2转1移）的3自由度并联机构是少自由度并联机器人中非常重要的一类。3-PRS/RPS类并联机构是两转一移三自由度并联机构的典型代表，被用作望远镜聚焦装置、运动模拟器、微操作机械手、坐标测量机、加工中心的主轴头等。

现有出版物上所公开的两转一移三自由度并联机构（如US6431802、WO0025976、ZL200610013608.3，EP1123175、CA2349579、DE59905578D、ES2198991T、ZL200710057179.4），存在着伴随运动，即非独立的自由度上存在着小幅值运动。

申请人已经递交的若干专利申请（CN102126216A、CN102126217A）以及获批的专利（CN101518898A）中公开的两转一移三自由度并联机构均不存在伴随运动，并具有结构简单，制造成本低的特点；然而由于其第三分支结构特殊，对其正面方向的受力呈悬臂梁形式，在该方向无法实现很高的刚度，适合用于载荷不大的场合，如果应用为重载操作装备，则机构的刚度不足，致使机构的承载能力较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述背景技术存在的不足，改变该两转一移三自由度并联机构第三分支结构，从而改变该分支的受力特点，大大提高机构的刚度，同时具有易于控制、结构简单、承载力大、制造成本低等特点。

本发明采用的技术方案是：

高刚度冗余驱动三自由度并联机构，包括动平台、机架以及并联连接在动平台与机架之间的第一分支、第二分支和第三分支；第一分支和第二分支中，每一分支从机架到动平台依次连接有第一单自由度运动副、第二单自由度运动副和万向铰；其特征在于第三分支又分为两个并联支链，每一支链从机架到连接动平台的T字铰，依次连接第一单自由度运动副、第二单自由度运动副以及一转动副；第一分支的万向铰的第一根转轴轴线与第二分支的万向铰的第一根转轴轴线共线且经过第三分支T字铰的中心点；第三分支的T字铰的第一根转轴轴线垂直或者平行于第一分支的万向铰的第一根转轴轴线以及第二分支的万向铰的第一根转轴轴线。

高刚度冗余驱动三自由度并联机构，包括动平台、机架以及并联连接在动平台与机架之间的第一分支、第二分支和第三分支；第一分支和第二分支中，每一分支从机架到动平台依次连接有第一单自由度运动副、第二单自由度运动副和万向铰；其特征在于第三分支又分为两个并联支链，这两个支链与第一分支、第二分支对称分布；每一支链从机架到连接动平台的十字铰，依次连接第一单自由度运动副、第二单自由度运动副以及一转动副；第一分支的万向铰的第一根转轴轴线与第二分支的万向铰的第一根转轴轴线共线且经过第三分支的十字铰的中心点；第三分支的十字铰的第一根转轴轴线垂直或者平行于第一分支的万向铰的第一根转轴轴线以及第二分支的万向铰的第一根转轴轴线。

所述第一分支、第二分支以及第三分支的每个支链中的第一单自由度运动副、第二单自由度运动副是移动副或转动副。

所述第一分支、第二分支以及第三分支中的每个支链中的移动副或转动副至少有一个是主动移动副或主动转动副；主动移动副的驱动机构是电机带动的丝杠机构或是伺服电机，主动转动副的驱动机构是电机带动的减速机。

第一分支的万向铰的第一根转轴轴线与第二分支的万向铰的第一根转轴轴线平行于动平台的平面。

本发明中，动平台可实现空间的两个转动自由度和一个移动自由度；其中一个转动自由度是动平台可绕第一、第二分支中与动平台相连的两个万向铰中心点的连线发生转动，另一个转动自由度是动平台可绕经过第三分支与动平台相连的T字铰或十字铰中心点，且与第一、第二分支中转动副轴线平行的直线发生转动；移动自由度是动平台可在垂直方向发生移动。

本发明的特点是第三分支中使用了并联子运动链，需用两个驱动器，即采用冗余驱动的方式，而冗余驱动并联机构是指其机构驱动装置个数多于自由度数的并联机构，从运动学来讲，有一组或以上的驱动装置是多余的，将这些驱动装置去掉后并不影响运动特性，但在重载操作装备中，为了提高机构的承载能能力，增加机构的刚度与稳定性，通常将驱动系统设计成冗余驱动。因此冗余驱动具有使机构结构具有局部对称性、无奇异位形等特点，以此优化机构的刚度和承载力等性能。

本发明的有益效果不仅在于其运动学模型简单，易于控制、标定，还在于第三分支的冗余驱动方式，使该机构刚度高、承载力大，制造成本得以降低，可应用于并联机器人、并联机床等场合。

附图说明

图1是本发明实施例之一的立体结构示意图。

图2是本发明实施例之二的立体结构示意图。

图3是本发明实施例之三的立体结构示意图。

图4是本发明实施例之四的立体结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图所示的实施例进一步说明。

以下各实施例中，所述每个分支的万向铰中的两个转动副的轴线相互垂直且相交；所述的万向铰、T字铰和十字铰的中心点即为万向铰、T字铰和十字铰中两个转动副轴线的交点；第一分支的万向铰16的第一根转轴16a、第二分支的万向铰26的第一根转轴26a以及第三分支的T字铰8（或十字铰38）中的第二根转轴8b（或十字铰38b），是3个分别直接连接动平台的转动副；第一分支的万向铰16的第二根转轴16b以及第二分支的万向铰26中的第二根转轴26b（也均为转动副）则分别与第一分支中的第二单自由度运动副、第二分支中的第二单自由度运动副连接；所述的移动副轴线是指与移动副的运动方向平行的直线，转动副轴线是指转动副转动时所围绕转动的中心线。此外，每一分支中的单自由度运动副至少有一个是主动移动副或主动转动副，所述的主动移动副的驱动机构是电机带动的丝杠机构或是伺服电机，主动转动副的驱动机构是电机带动的减速机。以上所述均为一般机器人机构的常规设计。

本发明的改进是第三分支的T字铰8（或十字铰38）中的第一根转轴8a（或38a）（为转动副）同时与第三分支的两个支链中的第二转动副连接；由此形成的实施例如下。

实施例1：

如图1所示，动平台4通过三个分支与机架11、机架21、机架31和机架41连接；第一分支中的第一单自由度运动副、第二单自由度运动副分别是转动副13和移动副14，机架11依次通过第一连杆12、转动副13、移动副14、第二连杆15以及万向铰16与动平台4连接；第二分支中的第一单自由度运动副、第二单自由度运动副分别是转动副23和移动副24，机架21依次通过第一连杆22、转动副23、移动副24、第二连杆25以及万向铰26与动平台4连接；第三分支中的第一支链的第一单自由度运动副、第二单自由度运动副分别是第一转动副33和移动副34，该支链依次通过第一连杆32、第一转动副33、移动副34、第二连杆35、第二转动副36、第三连杆7与动平台上的T字铰8连接；第三分支中的第二支链的第一单自由度运动副、第二单自由度运动副分别是第一转动副43和移动副44，该支链依次通过第一连杆42、第一转动副43、移动副44、第二连杆45、第二转动副46、第三连杆7与动平台上的T字铰8连接。

此外，动平台4分别与第一分支的万向铰16的第一转轴16a、第二分支的万向铰26的第一根转轴26a和第三分支的T字铰8的第二根转轴8b连接；第一分支的万向铰16的第一转轴16a的轴线和第二分支的万向铰26的第一转轴26a的轴线重合且经过第三分支中T字铰8的中心点，还可平行于动平台的平面；第一分支的万向铰16的第二转轴16b的轴线和第二分支的万向铰26的第二转轴26b的轴线平行且平行于第一分支的转动副13和第二分支的转动副23的轴线。第三分支的T字铰8的第一转轴8a的轴线垂直于第三分支第一支链的第一转动副33的轴线、第二转动副36的轴线以及第二支链的第一转动副46的轴线、第二转动副46的轴线，且可平行于动平台的平面；第三分支T字铰8的第二转轴8b的轴线垂直于动平台的平面；第一分支万向铰16的中心点（第一转轴16a的轴线和第二转轴16b的轴线交点），第二分支万向铰26的中心点（第一转轴26a的轴线和第二26b的轴线交点）和第三分支T字铰8的中心点（第一转轴8a的轴线和第二8b的轴线交点）在同一直线上。

实施例2：

如图2所示，动平台4通过三个分支与机架11、机架21、机架31连接；第一分支中的第一单自由度运动副、第二单自由度运动副分别是移动副121和转动副141，机架11依次通过移动副121、第一连杆131、转动副141、第二连杆151以及万向铰16与动平台4连接；第二分支中的第一单自由度运动副、第二单自由度运动副分别是移动副221和转动副241，机架21依次通过移动副221、第一连杆231、转动副241、第二连杆251以及万向铰26与动平台4连接；第三分支中第一支链的第一单自由度运动副、第二单自由度运动副分别是移动副321和转动副341，该支链依次通过移动副321、第一连杆331、第一转动副341、第二连杆351、第二转动副36、第三连杆7与动平台上的T字铰8连接；第三分支中的第二支链的第一单自由度运动副、第二单自由度运动副分别是移动副421和转动副441，该支链依次通过移动副421、第一连杆431、第一转动副441、第二连杆451、第二转动副46、第三连杆7与动平台上的T字铰8连接。

此外，动平台4分别与第一分支的万向铰16的第一转轴16a、第二分支的万向铰26的第一根转轴26a和第三分支的T字铰8的第二根转轴8b连接；第一分支的万向铰16的第一转轴16a的轴线和第二分支的万向铰26的第一转轴26a的轴线重合且经过第三分支的T字铰8的中心点，还可平行于动平台的平面；第一分支的万向铰16的第二转轴16b的轴线和第二分支的万向铰26的第二转轴26b的轴线平行且平行于第一分支的转动副141和第二分支的转动副241的轴线。第三分支的T字铰8的第一转轴8a的轴线分别垂直于第三分支第一支链的第一转动副341的轴线、第二转动副36的轴线以及第二支链的第一转动副441的轴线、第二转动副46的轴线，且可平行于动平台的平面；第三分支的T字铰8的第二转轴8b的轴线还垂直于动平台的平面；第一分支的万向铰16的中心点（第一转轴16a和第二转轴16b的轴线交点），第一分支的万向铰26的中心点（第一转轴26a和第二26b的轴线交点）和第三分支的T字铰8的中心点（第一转轴8a和第二8b的轴线交点）在同一直线上。图中还可知：第三分支中：第一支链的第一移动副321的轴线与第二支链的第一移动副421的轴线平行或共线。

第一分支中，移动副121的轴线还与转动副141的轴线垂直；

第二分支中，移动副221的轴线还与转动副241的轴线垂直；

第三分支中，第一支链的移动副321的轴线与第二支链的移动副421的轴线共线，且与第一支链的转动副341的轴线以及第二支链的转动副441的轴线垂直。

实施例3：

如图3所示，动平台4通过三个分支与机架11、机架21、机架31和机架41连接；第一分支中的第一单自由度运动副、第二单自由度运动副分别是转动副13和移动副14，机架11依次通过第一连杆12、转动副13、移动副14、第二连杆15以及万向铰16与动平台4连接；第二分支中的第一单自由度运动副、第二单自由度运动副分别是转动副23和移动副24，机架21依次通过第一连杆22、转动副23、移动副24、第二连杆25以及万向铰26与动平台4连接。第三分支中的两个支链与第一分支、第二分支对称分布；第三分支中的第一支链的第一单自由度运动副、第二单自由度运动副分别是第一转动副33和移动副34，该支链依次通过第一连杆32、第一转动副33、移动副34、第二连杆35、第二转动副36、第三连杆37与动平台上的十字铰38连接；第三分支中的第二支链的第一单自由度运动副、第二单自由度运动副分别是第一转动副43和移动副44，该支链依次通过第一连杆42、第一转动副43、移动副44、第二连杆45、第二转动副46、第三连杆47与动平台上的十字铰38连接。

此外，动平台4分别与第一分支的万向铰16的第一转轴16a、第二分支的万向铰26的第一根转轴26a和第三分支的十字铰38的第二根转轴38b连接；第一分支的万向铰16的第一转轴16a的轴线和第二分支的万向铰26的第一转轴26a的轴线重合且经过第三分支中十字铰38的中心点，还可平行于动平台的平面；第一分支的万向铰16的第二转轴16b的轴线和第二分支的万向铰26的第二转轴26b的轴线平行且平行于第一分支的转动副13和第二分支的转动副23的轴线。第三分支的十字铰38的第一转轴38a的轴线垂直于第三分支第一支链的第一转动副33的轴线、第二转动副36的轴线以及第二支链的第一转动副46的轴线、第二转动副46的轴线，且可平行于动平台的平面；第三分支十字铰38的第二转轴38b的轴线垂直于动平台的平面；第一分支万向铰16的中心点（第一转轴16a的轴线和第二转轴16b的轴线交点），第二分支万向铰26的中心点（第一转轴26a的轴线和第二26b的轴线交点）和第三分支十字铰38的中心点（第一转轴38a的轴线和第二38b的轴线交点）在同一直线上。

实施例4：

如图4所示，动平台4通过三个分支与机架11、机架21、机架31和机架41连接；第一分支中的第一单自由度运动副、第二单自由度运动副分别是移动副121和转动副141，机架11依次通过移动副121、第一连杆131、转动副141、第二连杆151以及万向铰16与动平台4连接；第二分支中的第一单自由度运动副、第二单自由度运动副分别是移动副221和转动副241，机架21依次通过移动副221、第一连杆231、转动副241、第二连杆251以及万向铰26与动平台4连接。第三分支中的两个支链与第一分支、第二分支对称分布；第三分支中第一支链的第一单自由度运动副、第二单自由度运动副分别是移动副321和转动副341，该支链依次通过移动副321、第一连杆331、第一转动副341、第二连杆351、第二转动副361、第三连杆371与动平台上的十字铰38连接；第三分支中的第二支链的第一单自由度运动副、第二单自由度运动副分别是移动副421和转动副441，该支链依次通过移动副421、第一连杆431、第一转动副441、第二连杆451、第二转动副461、第三连杆471与动平台上的十字铰38连接。

此外，动平台4分别与第一分支的万向铰16的第一转轴16a、第二分支的万向铰26的第一根转轴26a和第三分支的十字铰38的第二根转轴38b连接；第一分支的万向铰16的第一转轴16a的轴线和第二分支的万向铰26的第一转轴26a的轴线重合且经过第三分支的十字铰8的中心点，还可平行于动平台的平面；第一分支的万向铰16的第二转轴16b的轴线和第二分支的万向铰26的第二转轴26b的轴线平行且平行于第一分支的转动副141和第二分支的转动副241的轴线。第三分支的十字铰38的第一转轴38a的轴线分别垂直于第三分支第一支链的第一转动副341的轴线、第二转动副361的轴线以及第二支链的第一转动副441的轴线、第二转动副461的轴线，且可平行于动平台的平面；第三分支的十字铰38的第二转轴38b的轴线还垂直于动平台的平面；第一分支的万向铰16的中心点（第一转轴16a和第二转轴16b的轴线交点），第一分支的万向铰26的中心点（第一转轴26a和第二26b的轴线交点）和第三分支的十字铰38的中心点（第一转轴38a和第二38b的轴线交点）在同一直线上。图中还可知：第三分支中：第一支链的第一移动副321的轴线与第二支链的第一移动副421的轴线平行或共线。

第一分支中，移动副121的轴线还与转动副141的轴线垂直；

第二分支中，移动副221的轴线还与转动副241的轴线垂直；

第三分支中，第一支链的移动副321的轴线与第二支链的移动副421的轴线共线，且与第一支链的转动副341的轴线以及第二支链的转动副441的轴线垂直。

尚需说明的是：为图面清晰，图中所有铰接点仅画出铰接孔，铰接轴均予省略。

显然，上述机构存在冗余驱动，即动平台具有三个自由度，可采用四个电机冗余驱动。

Claims (5)

1.高刚度冗余驱动三自由度并联机构，包括动平台（4）、机架（11，21，31，41）以及并联连接在动平台与机架之间的第一分支、第二分支和第三分支；第一分支和第二分支中，每一分支从机架到动平台依次连接有第一单自由度运动副、第二单自由度运动副以及万向铰；其特征在于第三分支又分为两个并联支链，每一支链从机架到连接动平台的T字铰（8），依次连接有第一单自由度运动副、第二单自由度运动副以及转动副；第一分支的万向铰（16）的第一根转轴（16a）轴线与第二分支的万向铰（26）的第一根转轴（26a）轴线共线且经过第三分支的T字铰（8）的中心点；第三分支的T字铰的第一根转轴（8a）轴线垂直或者平行于第一分支的万向铰的第一根转轴（16a）轴线以及第二分支的万向铰的第一根转轴（26a）轴线。

2.高刚度冗余驱动三自由度并联机构，包括动平台（4）、机架（11、21、31、41）以及并联连接在动平台与机架之间的第一分支、第二分支和第三分支；第一分支和第二分支中，每一分支从机架到动平台依次连接有第一单自由度运动副、第二单自由度运动副以及万向铰；其特征在于第三分支又分为与第一分支、第二分支对称分布的两个并联支链，每一支链从机架到连接动平台的十字铰（38），依次连接有第一单自由度运动副、第二单自由度运动副以及转动副；第一分支的万向铰（16）的第一根转轴（16a）轴线与第二分支的万向铰（26）的第一根转轴（26a）轴线共线且经过第三分支的十字铰（38）的中心点；第三分支的十字铰的第一根转轴（38a）轴线垂直或者平行于第一分支的万向铰的第一根转轴（16a）轴线以及第二分支的万向铰的第一根转轴（26a）轴线。

3.根据权利要求1或2所述的高刚度冗余驱动三自由度并联机构，其特征在于所述第一分支、第二分支以及第三分支的每个支链中的第一单自由度运动副、第二单自由度运动副是移动副或转动副。

4.根据权利要求3所述的高刚度冗余驱动三自由度并联机构，其特征在于所述第一分支、第二分支以及第三分支中的每个支链中的移动副或转动副至少有一个是主动移动副或主动转动副；主动移动副的驱动机构是电机带动的丝杠机构或是伺服电机，主动转动副的驱动机构是电机带动的减速机。

5.根据权利要求4所述的高刚度冗余驱动三自由度并联机构，其特征在于第一分支的万向铰的第一根转轴（16a）轴线与第二分支的万向铰的第一根转轴（26a）轴线平行于动平台的平面。

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