CN102490186B - 新型四自由度并联机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了新型四自由度并联机械手，它包括固定架，在固定架上的四个开孔内分别通过第一、第二、第三、第四铰链与第一、第二、第三、第四主动支链转动相连，在固定架的下方设置有一个动平台，第一、第二、第三、第四主动支链与动平台分别通过第五、第六、第七、第八铰链相连，第五、第六、第七、第八铰链的铰链轴分别与第一、第二、第三、第四连接杆的一端相连，第一、第二、第三、第四连接杆的另一端分别与其上设置有导轨槽的第一、第二、第三、第四滑块相连，在每一滑块的底部分别固定连接有丝杠螺母副，在每一个丝杠上连接有一个齿轮。本机械手具有优势进给方向，定位头质量小，刚度/质量比大、动态性能好、定位精度与重复定位精度高。

Description

新型四自由度并联机械手

技术领域

本发明涉及一种机器人，特别是涉及一种可实现四自由度作业功能的并联机械手。

背景技术

根据专利US4732525、ZL200510015095.5可知，现有的带定位头的多坐标机械手，其实现形式一般为少自由度并联机构辅以主动摆头的混联结构形式。其中，少自由度并联机构通过调节安装在主动支链上的伺服电机实现机构动平台的位置定位，主动摆头通过调节安装在摆头上的伺服电机实现末端执行器的姿态定位，从而实现机构的多坐标加工能力。

此类机械手，由于伺服电机和减速器等安装在主动摆头中，其不足是：末端执行器的重量过大，影响机构的快进能力及动态性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有优势进给方向，动态性能好，刚度/质量比大，仅靠主动支链伺服电机驱动即可实现动平台位姿定位的新型四自由度并联机械手。

本发明的新型四自由度并联机械手，它包括固定架，在所述的固定架上沿同一圆周方向每隔90°开有一个开孔，在四个开孔内分别通过第一铰链、第二铰链、第三铰链和第四铰链与第一主动支链、第二主动支链、第三主动支链和第四主动支链转动相连，其中第一主动支链和第三主动支链相对设置，第二主动支链和第四主动支链相对设置，第一铰链和第三铰链分别包括通过具有一个转动自由度的铰链与所述固定架相连的第一外圈以及通过具有一个转动自由度的铰链与第一外圈相连的第一内圈，连接所述第一外圈与固定架的铰链的转动轴线为近架轴线，连接所述第一内圈与第一外圈的铰链的转动轴线为远架轴线，所述的近架轴线和远架轴线不共线，第一铰链和第三铰链的近架轴线相互平行，第二铰链和第四铰链分别包括通过具有一个转动自由度的铰链与所述的固定架相连的第二外圈、通过具有一个转动自由度的铰链与第二外圈相连的第二内圈以及通过具有一个转动自由度的铰链与所述第二内圈相连的铰轴，所述的铰轴在第二主动支链或第四主动支链的驱动下能够绕自身轴线转动，连接所述第二外圈与固定架的铰链的转动轴线与连接所述第二内圈与第二外圈的铰链的转动轴线不共线且与铰轴的转动轴线交于一点；第一主动支链和第三主动支链能够与相应设置的第一内圈的开孔内壁通过第一导轨滑块结构相连接配合，所述的第一导轨滑块结构中的滑块能够在第一主动支链和第三主动支链的驱动下在第一导轨滑块结构中的导轨槽中上下移动，在所述的固定架的下方设置有一个动平台，所述第一主动支链、第二主动支链、第三主动支链和第四主动支链与动平台分别通过第五铰链、第六铰链、第七铰链和第八铰链相连，所述第五铰链、第六铰链和第七铰链为销轴结构，所述第八铰链采用虎克铰结构，所述第五铰链和第七铰链转动轴线相互平行并与第六铰链转动轴线垂直布置，第五铰链、第六铰链、第七铰链和第八铰链的铰链轴分别与第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆和第四连接杆的一端相连，每一个所述的连接杆的轴线与动平台的旋转轴线相平行，所述的第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆和第四连接杆的另一端分别与其上设置有导轨槽的第一滑块、第二滑块、第三滑块和第四滑块相连，所述的第一滑块、第二滑块、第三滑块和第四滑块分别能够在第一主动支链、第二主动支链、第三主动支链和第四主动支链的驱动下与安装在动平台外壁上的第一导轨、第二导轨、第三导轨和第四导轨滑动相连，所述的第一导轨、第二导轨、第三导轨和第四导轨沿与动平台的旋转轴线相平行的方向设置，在每一所述的滑块的底部分别固定连接有一个螺母，每一个螺母与设置在动平台内的一个丝杠的一端相螺纹连接，与所述的动平台沿垂直方向设置的所述的丝杠的另一端安装在设置在动平台上的轴承内，其中第一丝杠和第三丝杠的螺纹方向一致，第二丝杠和第四丝杠的螺纹方向一致，所述的第一丝杠和第三丝杠的螺纹方向与第二丝杠和第四丝杠的螺纹方向相反，在所述的每一个丝杠上连接有一个齿轮，在四个齿轮的中间设置有一个与所述的四个齿轮能够分别啮合配合的中心齿轮，所述的中心齿轮的齿轮轴安装在设置在动平台上的轴承内，在所述的中心齿轮的齿轮轴的下端固定连接一末端执行器。

本发明的新型四自由度并联机械手有益效果是：动平台采用丝杠螺母副和齿轮啮合的结构形式，满足一定条件时带动末端执行器实现位姿定位。本机械手可进行模块化结构设计，具有优势进给方向，定位头质量小，刚度/质量比大、动态性能好、定位精度与重复定位精度高。

附图说明

图1是本发明的新型四自由度并联机械手的结构示意图；

图2是图1所示的机构中的第一、第三主动支链的结构示意图；

图3是图1所示的机构中的第二、第四主动支链的结构示意图；

图4是图1所示的机构中的动平台剖视图；

图5是图4所示的动平台内部结构的俯视图；

图6是图1所示的机构应用实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作以详细描述。

本发明的新型四自由度并联机械手，它包括固定架5，在所述的固定架5上沿同一圆周方向每隔90°开有一个开孔，在四个开孔内分别通过第一铰链2、、第二铰链17、第三铰链16、第四铰链4与第一主动支链1、第二主动支链18、第三主动支链15、第四主动支链3转动相连，其中第一主动支链1和第三主动支链15相对设置，第二主动支链18和第四主动支链3相对设置，第一铰链2和第三铰链16分别包括通过具有一个转动自由度的铰链与所述固定架相连的第一外圈23-1以及通过具有一个转动自由度的铰链与第一外圈23-1相连的第一内圈24-1，连接所述第一外圈23-1与固定架5的铰链的转动轴线为近架轴线1b，连接所述第一内圈24-1与第一外圈23-1的铰链的转动轴线为远架轴线1a，所述的近架轴线1b和远架轴线1a不共线，第一铰链2和第三铰链16的近架轴线相互平行，第二铰链17和第四铰链4分别包括通过具有一个转动自由度的铰链与所述的固定架相连的第二外圈23-2、通过具有一个转动自由度的铰链与第二外圈23-2相连的第二内圈24-2以及通过具有一个转动自由度的铰链与所述第二内圈相连的铰轴26，所述的铰轴26在第二主动支链18或第四主动支链3的驱动下能够绕自身轴线转动，连接所述第二外圈23-2与固定架5的铰链的转动轴线2b与连接所述第二内圈与第二外圈的铰链的转动轴线2a不共线且与铰轴的转动轴线2c交于一点；第一主动支链1和第三主动支链15能够与相应设置的第一内圈的开孔内壁通过第一导轨滑块结构相连接配合，所述的第一导轨滑块结构中的滑块能够在第一主动支链和第三主动支链的驱动下在第一导轨滑块结构中的导轨槽中上下移动，在所述的固定架的下方设置有一个动平台10，所述第一主动支链1、第二主动支链18、第三主动支链15和第四主动支链3与动平台10分别通过第五铰链6、第六铰链14、第七铰链12和第八铰链8相连，所述第五铰链6、第六铰链14和第七铰链12为销轴结构，所述第八铰链8采用虎克铰结构，所述第五铰链6和第七铰链12转动轴线相互平行并与第六铰链14转动轴线垂直布置，所述第八铰链8的一个转动轴线与第六铰14链转动轴线平行,第五铰链、第六铰链、第七铰链和第八铰链的铰链轴分别与第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆和第四连接杆的一端相连，每一个所述的连接杆的轴线与动平台的旋转轴线相平行，所述的第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆和第四连接杆的另一端分别与其上设置有导轨槽的第一滑块7、第二滑块13、第三滑块11和第四滑块9相连，所述的第一滑块7、第二滑块13、第三滑块11和第四滑块9分别能够在第一主动支链1、第二主动支链18、第三主动支链15和第四主动支链3的驱动下与安装在动平台外壁上的第一导轨、第二导轨、第三导轨和第四导轨滑动相连，所述的第一导轨、第二导轨、第三导轨和第四导轨沿与动平台的旋转轴线相平行的方向设置，在每一所述的滑块的底部分别固定连接有一个螺母27，每一个螺母与设置在动平台内的一个丝杠的一端相螺纹连接，与所述的动平台沿垂直方向设置的所述的丝杠的另一端安装在设置在动平台上的轴承内，其中第一丝杠29和第三丝杠35的螺纹方向一致，第二丝杠36和第四丝杠28的螺纹方向一致，所述的第一丝杠29和第三丝杠35的螺纹方向与第二丝杠36和第四丝杠28的螺纹方向相反，在所述的每一个丝杠上均连接有一个齿轮，在四个齿轮的中间设置有一个与所述的四个齿轮能够分别啮合配合的中心齿轮38，所述的中心齿轮38的齿轮轴37安装在设置在动平台上的轴承内，在所述的中心齿轮的齿轮轴37的下端固定连接一末端执行器32。

下面再结合每一幅图对本发明进一步说明：

如图1所示的本发明的新型四自由度并联机械手，由固定架5、第一主动支链1、第二主动支链18、第三主动支链15、第四主动支链3、第一滑块7、第二滑块13、第三滑块11、第四滑块9和动平台10构成。

如图1和图2所示，所述第一主动支链1通过第一铰链2与所述固定架5连接，第三主动支链15通过第三铰链16与所述固定架5连接。所述第一铰链2和第三铰链16具有两个转动自由度，它由第一外圈23-1和第一内圈24-1构成；所述的外圈23-1通过具有一个转动自由度的铰链连接所述固定架5，此处所述具有一个转动自由度的铰链与所述固定架5的连接可采用将所述第一外圈23-1通过销轴与轴承构成的转动副连接在固定安装于所述固定架5上的轴承座的形式实现或其他形式的等价结构；所述第一内圈24-1通过具有一个转动自由度的铰链连接所述第一外圈23-1，此处所述具有一个转动自由度的铰链可采用销轴与轴承构成的转动副或其他形式的等价结构；连接所述第一外圈23-1与固定架5的铰链其转动轴线1b为近架轴线，连接所述第一内圈24-1与第一外圈23-1的铰链的转动轴线1a为远架轴线，所述近架轴线1b与所述远架轴线1a不共线，第一铰链2和第三铰链16的近架轴线相互平行。

如图1和图3所示，所述第二主动支链18、第四主动支链3与所述固定架5通过第二铰链17、第四铰链4相连。所述第二铰链17和第四铰链4具有三个转动自由度，它由第二外圈23-2、第二内圈24-2和铰轴26构成；所述第二外圈23-2通过具有一个转动自由度的铰链连接所述固定架5，所述第二内圈24-2通过具有一个转动自由度的铰链连接所述第二外圈23-2，此处所述具有一个转动自由度的铰链可采用销轴与轴承构成的转动副或其他形式的等价结构，所述铰轴26通过具有一个转动自由度的铰链连接所述第二内圈24-2，此处所述具有一个转动自由度的铰链可采用轴套与轴承构成的转动副或其他形式的等价结构使之实现；连接所述第二外圈23-2与固定架5的铰链其转动轴线2b与连接所述第二内圈25与第二外圈23-2的铰链的转动轴线2a不共线且与连接所述第二内圈24-2与铰轴26的铰链的转动轴2c线交于一点。

如图2与图3所示，作为本发明一种优选的实施方式所述的第一主动支链和第三主动支链分别包括第一连接板22-1，在所述的第一连接板上安装有第一伺服电机19-1和第一移动丝杠21-1，所述的第一伺服电机通过第一减速器20-1与第一移动丝杠相连，在所述第一内圈上固定连接有第一转动螺母，所述的第一移动丝杠与对应设置的第一转动螺母相螺纹连接，所述的第一铰链和第三铰链内圈上设置有第一导轨滑块结构中的导轨槽，与所述的导轨槽相滑动配合的第一导轨滑块结构中的滑块安装在第一主动支链和第三主动支链的第一连接板上。所述的第一主动支链和第三主动支链还可以可采用液压推杆、气动等其他任意一种可实现相同运动功能的结构形式。

所述的第二主动支链和第四主动支链分别包括第二连接板22-2，在所述的第二连接板上安装有第二伺服电机19-2和第二移动丝杠21-2，所述的第二伺服电机通过第二减速器20-2与第二移动丝杠相连，所述的铰轴通过轴承连接在所述的第二内圈24-2上，所述的铰轴与第二转动螺母固定相连，所述的第二移动丝杠与对应设置的第二转动螺母相螺纹连接。所述的第二主动支链和第四主动支链还可以采用其他任意一种可实现相同运动功能的结构形式作为驱动方式。

如图4所示，所述第一主动支链1、第二主动支链18、第三主动支链15和第四主动支链3与所述动平台10分别通过第五铰链6、第六铰链14、第七铰链12和第八铰链8相连。所述第五铰链6、第六铰链14和第七铰链12的构成包括销轴以及与所述销轴构成转动副的轴承，所述第八铰链8为具有两个转动自由度的铰链，如虎克铰等，所述第五铰链6、第七铰链12的转动副轴线相互平行，并与第六铰链14的转动轴线垂直布置，所述第八铰链8的一个转动轴线与第六铰链14转动轴线平行。

如图4所示，所述动平台10在沿C轴方向通过轴承连接第一丝杠29、第二丝杠36、第三丝杠35和第四丝杠28。第一丝杠29的下端与第一齿轮30通过键连接，第二丝杠36的下端与第二齿轮34通过键连接，第三丝杠35的下端与第三齿轮33通过键连接，第四丝杠28的下端与第四齿轮31通过键连接。

所述第四滑块9设置导轨槽，动平台10沿C轴方向安装导轨，导轨与导轨槽形成移动副。在第四主动支链3的带动下第四滑块9可沿C轴方向移动。同时安装在第四滑块9上的螺母27与第四丝杠28形成丝杠螺母副。第四滑块9沿C轴移动带动螺母27沿C轴方向移动，则第四丝杠28绕C轴转动，从而安装在第四丝杠28上的第四齿轮31产生绕C轴的转动。

所述第一滑块7、第二滑块13和第三滑块11与动平台10的连接均与第四滑块9相同。即，第一齿轮30、第二齿轮34和第三齿轮33分别在第一主动支链1、第二主动支链18和第三主动支链15的带动下通过丝杠螺母副可实现绕C轴的转动。

在本发明的技术方案中：由于所述第四铰链4具有三个转动自由度，所述第四主动支链3可沿其轴线方向做伸缩运动，所述第八铰链8具有两个转动自由度，所以所述第四主动支链3对所述动平台10不提供约束；所述第一铰链2和第三铰链16具有两个转动自由度，所以第一主动支链1和第三主动支链15可相对于所述固定架5绕A轴方向与绕B轴方向转动，所述第二铰链17具有三个转动自由度，所以第二主动支链18可相对于所述固定架5绕A轴方向与绕B轴方向及其自身轴线方向转动；由于各主动支链与第一铰链、第二铰链、第三铰链以及第四铰链通过丝杠螺母形成一个移动自由度，所以各主动支链可沿其轴向做伸缩运动；由于所述第五铰链、第六铰链和第七铰链仅具有一个转动自由度，所以可使第一主动支链、第二主动支链和第三主动支链相对于所述动平台10转动。当各主运动链在所述伺服电机19的驱动下独立运动时，所述动平台10发生空间位移，且机构的空间姿态也同时发生改变，加上安装在所述动平台10底部的末端执行器32可调整姿态实现绕C轴的转动，从而构成了四自由度并联机器人。

末端执行器绕C轴的转动见图4与图5。第一丝杠29和第三丝杠35的螺纹为左旋螺纹，第二丝杠29和第四丝杠34的螺纹为右旋螺纹。当第一滑块7和第三滑块11以相同的速度同时向上运动时，第一齿轮30和第三齿轮33产生顺时针的转动；第二滑块13和第四滑块9以同样的速度同时向下运动时，第二齿轮34和第四齿轮31也产生顺时针的转动。中心齿轮38同时与四个齿轮啮合，则四个齿轮产生同样的顺时针转动时，中心齿轮38产生顺时针转动，从而带动末端执行器产生绕C轴的顺时针转动。类似地，当第一滑块7和第三滑块11以相同的速度同时向下运动，第二滑块13和第四滑块9以同样的速度同时向上运动时，中心齿轮38产生逆时针转动，从而带动末端执行器产生绕C轴逆时针转动。第一滑块7和第三滑块11的运动与第二滑块13和第四滑块9的运动速度等大反向，可保证动平台的位姿不发生变化，仅有末端执行器的逆时针转动。

只有第一滑块7和第三滑块11的运动与第二滑块13和第四滑块9的运动速度等大反向，四个齿轮转动的转向一致时，才能使大齿轮发生转动。第一滑块7和第三滑块11的运动与第二滑块13和第四滑块9的运动速度不是等大反向的情况下，四个齿轮转向不一致，约束了大齿轮的转动。

本发明与现有的技术相比，其优点是：动平台采用丝杠螺母副和齿轮啮合的形式。丝杠螺母副可变移动为转动，为齿轮提供动力。齿轮啮合采用四个小齿轮与一个大齿轮啮合的形式，只有四个小齿轮转向一致才能使大齿轮发生转动，从而主动支链位置定位与末端执行器位姿定位互不影响。动平台不需安置伺服电机和减速器，可有效减轻其质量，有利于机械手提升快进能力和动态性能。

本发明的新型四自由度并联机械手使用情况概述：如图5实施例1所示，将本发明的四自由度并联机械手作为一个模块，与三个方向的长行程导轨单元集成，实现更大工作空间内的加工能力。

以上对本发明的描述仅仅是示意性的，而不是限制性的，所以，本发明的实施方式并不局限于上述的具体实施方式。如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下，做出其他变化或变型，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.新型四自由度并联机械手，其特征在于：它包括固定架，在所述的固定架上沿同一圆周方向每隔90°开有一个开孔，在四个开孔内分别通过第一铰链、第二铰链、第三铰链和第四铰链与第一主动支链、第二主动支链、第三主动支链和第四主动支链转动相连，其中第一主动支链和第三主动支链相对设置，第二主动支链和第四主动支链相对设置，第一铰链和第三铰链分别包括通过具有一个转动自由度的铰链与所述固定架相连的第一外圈以及通过具有一个转动自由度的铰链与第一外圈相连的第一内圈，连接所述第一外圈与固定架的铰链的转动轴线为近架轴线，连接所述第一内圈与第一外圈的铰链的转动轴线为远架轴线，所述的近架轴线和远架轴线不共线，第一铰链和第三铰链的近架轴线相互平行，第二铰链和第四铰链分别包括通过具有一个转动自由度的铰链与所述的固定架相连的第二外圈、通过具有一个转动自由度的铰链与第二外圈相连的第二内圈以及通过具有一个转动自由度的铰链与所述第二内圈相连的铰轴，所述的铰轴在第二主动支链或第四主动支链的驱动下能够绕自身轴线转动，连接所述第二外圈与固定架的铰链的转动轴线与连接所述第二内圈与第二外圈的铰链的转动轴线不共线且与铰轴的转动轴线交于一点；第一主动支链和第三主动支链能够与相应设置的第一内圈的开孔内壁通过第一导轨滑块结构相连接配合，所述的第一导轨滑块结构中的滑块能够在第一主动支链和第三主动支链的驱动下在第一导轨滑块结构中的导轨槽中上下移动，在所述的固定架的下方设置有一个动平台，所述第一主动支链、第二主动支链、第三主动支链和第四主动支链与动平台分别通过第五铰链、第六铰链、第七铰链和第八铰链相连，所述第五铰链、第六铰链和第七铰链为销轴结构，所述第八铰链采用虎克铰结构，所述第五铰链和第七铰链转动轴线相互平行并与第六铰链转动轴线垂直布置，第五铰链、第六铰链、第七铰链和第八铰链的铰链轴分别与第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆和第四连接杆的一端相连，每一个所述的连接杆的轴线与动平台的旋转轴线相平行，所述的第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆和第四连接杆的另一端分别与其上设置有导轨槽的第一滑块、第二滑块、第三滑块和第四滑块相连，所述的第一滑块、第二滑块、第三滑块和第四滑块分别能够在第一主动支链、第二主动支链、第三主动支链和第四主动支链的驱动下与安装在动平台外壁上的第一导轨、第二导轨、第三导轨和第四导轨滑动相连，所述的第一导轨、第二导轨、第三导轨和第四导轨沿与动平台的旋转轴线相平行的方向设置，在每一所述的滑块的底部分别固定连接有一个螺母，每一个螺母与设置在动平台内的一个丝杠的一端相螺纹连接，与所述的动平台沿垂直方向设置的所述的丝杠的另一端安装在设置在动平台上的轴承内，其中第一丝杠和第三丝杠的螺纹方向一致，第二丝杠和第四丝杠的螺纹方向一致，所述的第一丝杠和第三丝杠的螺纹方向与第二丝杠和第四丝杠的螺纹方向相反，在所述的每一个丝杠上连接有一个齿轮，在四个齿轮的中间设置有一个与所述的四个齿轮能够分别啮合配合的中心齿轮，所述的中心齿轮的齿轮轴安装在设置在动平台上的轴承内，在所述的中心齿轮的齿轮轴的下端固定连接一末端执行器。

2.根据权利要求1所述的新型四自由度并联机械手，其特征在于：所述的第一主动支链和第三主动支链分别包括第一连接板，在所述的第一连接板上安装有第一伺服电机和第一移动丝杠，所述的第一伺服电机通过第一减速器与第一移动丝杠相连，在所述第一内圈上固定连接有第一转动螺母，所述的第一移动丝杠与对应设置的第一转动螺母相螺纹连接，所述的第一铰链、第三铰链内圈上设置有第一导轨滑块结构中的导轨槽，与所述的导轨槽相滑动配合的第一导轨滑块结构中的滑块安装在第一主动支链、第三主动支链的第一连接板上。

3.根据权利要求1所述的新型四自由度并联机械手，其特征在于：所述的第二和第四主动支链分别包括第二连接板，在所述的第二连接板上安装有第二伺服电机和第二移动丝杠，所述的第二伺服电机通过第二减速器与第二移动丝杠相连，所述的铰轴通过轴承连接在所述的第二内圈上，所述的铰轴与第二转动螺母固定相连，所述的第二移动丝杠与对应设置的第二转动螺母相螺纹连接。

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