CN102554917A

CN102554917A - 一种具有二维平动一维转动的多重过约束并联机构

Info

Publication number: CN102554917A
Application number: CN2012100068931A
Authority: CN
Inventors: 黄田; 汪满新; 刘松涛; 白普俊; 倪雁冰; 赵学满; 梅江平
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2012-01-10
Filing date: 2012-01-10
Publication date: 2012-07-11

Abstract

本发明公开了一种具有二维平动一维转动的多重过约束并联机构，包括固定架、动平台以及连接在所述固定架与动平台之间的四条支链；所述四条支链由相对的第一主动支链和第二主动支链以及相对的第一运动耦合支链和第二运动耦合支链组成；所述第一运动耦合支链近架杆的一端和所述第二运动耦合支链近架杆的一端通过传动机构连接，且所述第一运动耦合支链近架杆的该端通过转动副与所述固定架连接，所述第二运动耦合支链近架杆的该端与一驱动装置连接，所述驱动装置安装在所述固定架。本发明能够有效提高动平台的姿态保持度，同时亦能使本机构实现更高的运行精度。

Description

一种具有二维平动一维转动的多重过约束并联机构

技术领域

本发明涉及一种机器人机构，特别是涉及一种机器人的具有空间二维平动一维转动的多重过约束并联机构。

背景技术

在电子、轻工、食品以及医药等行业里，通常需要以较高的速度实现目标物的抓放操作以及摆放操作，在这种情况下，一般需要三个平动自由度和一个转动自由度。然而，在某些简单应用场合，仅仅需要在平面内实现目标物的高速抓放和摆放即可，这就要求一种能够实现二维平动和一维转动的高速操作机械手。这类装置通常要求动平台能在一个运动平面中以较高的速度做二自由度平动而不改变动平台的姿态。

目前，实现平面运动的机构依据拓扑构型分类，主要分为两种：一种是采用串联构型，在平面内垂直的布置两串联的移动副，其中一移动副的直线驱动装置装配在另一移动副的运动平台上，在动平台上加装具有旋转运动的末端执行器，即可实现在平面内的二维平动和一维转动。这种串联结构增加了运动平台的质量，限制了末端运动的速度和加速度，一般很难达到较高的操作速度；另外一种是采用并联机构实现平面内的两自由度平动，再通过末端执行器自身的旋转运动实现一维转动。由于并联机构采用将驱动装置都装配在机架上，杆件采用轻质材料做成，从而可以实现较高速运动，如现有专利文献CN158919A、CN201275760Y的设计，整个机构有机架、两条支链、动平台组成，两个转动副驱动装置安装在机架上，通过转动副带动支链运动从而实现动平台的运动，但是这种结构存在以下两方面的问题：1)动平台姿态保持度低，即与运动方向垂直方向存在刚度薄弱的设计缺陷；2)末端执行器的转动需装配多余的带有驱动的机构才能实现，无疑又增加了末端平台的质量，限制了末端运动速度和加速度地提升空间。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种能够进一步提高动平台姿态保持度的具有二维平动一维转动的多重过约束并联机构。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种具有二维平动一维转动的多重过约束并联机构，包括固定架、动平台以及均布连接在所述固定架与动平台之间的四条支链；每条支链均包括一近架杆、两个平行且等长的远架杆和一上连接轴，所述近架杆的一端与所述上连接轴固接，所述上连接轴通过球铰链与所述两个平行且等长的远架杆的一端连接；所述四条支链由相对的第一主动支链和第二主动支链以及相对的第一运动耦合支链和第二运动耦合支链组成，所述第二主动支链与所述第一主动支链结构相同且它们的活动平面为同一平面或相互平行的两个平面；所述第一运动耦合支链和所述第二运动耦合支链结构相同且其活动平面相交于所述第二主动支链和所述第一主动支链的活动平面；所述第一运动耦合支链近架杆的另一端和所述第二运动耦合支链近架杆的另一端通过传动机构连接，且所述第一运动耦合支链近架杆的该端通过转动副与所述固定架连接，所述第二运动耦合支链近架杆的该端与一驱动装置连接，所述驱动装置安装在所述固定架。

所述动平台包括通过移动副连接且空间相互垂直的主平台和副平台，所述副平台和所述主平台的两端分别连接有下连接轴，四个所述下连接轴分别与所述四条支链球铰接。

在所述主平台和所述副平台之间安装有换向机构。

所述换向机构由丝杠和丝杠螺母构成，所述丝杠螺母与所述副平台固接，所述丝杠转动连接在所述主平台上。

所述移动副由四根均匀布置在所述主平台两侧的互相平行的导向杆以及滑动连接在每根导向杆上的导向套形成，所述导向套与所述副平台固接，所述导向杆固接在所述主平台上。

所述第一主动支链内的两个远架杆之间和所述第二主动支链内的两个远架杆之间均通过与其垂直的远架杆连接杆相连接。

所述传动机构为齿轮传动机构、交叉皮带轮传动机构和齿形带传动机构中的任意一种。

本发明具有的优点和积极效果是：采用两条运动耦合支链连接固定架与动平台，约束动平台在平面内的转动以及沿运动平面垂直方向的移动，在有效提高动平台姿态保持度的同时，使本机构能够实现更高的运行精度；采用双平台设计，利用丝杠螺母副将动平台的相对运动转化为末端执行器的转动，无需加装多余的旋转驱动装置，有效减轻动平台质量；动平台相对运动的实现通过导向杆、导套的配合使用，可提高机构在整个工作空间的刚度，同时还可配以换向机构，实现三个正交方向的转动自由度。

综上所述，本发明采用对称运动耦合支链，约束动平台在平面内的转动以及沿运动平面垂直方向的移动，有效提高了动平台的姿态保持度，同时亦使本机构实现更高的运行精度。而且，主动支链和动平台均采用多重过约束机构，有效保证该机构在整个工作空间的刚度，易于实现操作的高速和高加速，同时还可通过调换主平台和副平台，或配以换向机构，实现三个正交方向的转动自由度。本发明可将竖直方向上的相对错动转化为沿竖直方向的转动。采用平面运动耦合链约束平台的运动，从而进一步提高了动平台的姿态保持度。并且结构简单，运动方式明确，可满足复杂抓放操作的要求。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中动平台的结构示意图。

图中：1、第一运动耦合支链，2、第一主动支链，3、第二运动耦合支链，4、第二主动支链，5、驱动装置，6、固定架，7、近架杆，8a、远架杆I，8b、远架杆II，9、远架杆连接杆，10、上连接轴，11、下连接轴，12、动平台，13、主平台，14、导套，15、副平台，16、导向杆，17、丝杠，18、丝杠螺母。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1～图2，一种具有二维平动一维转动的多重过约束并联机构，包括固定架6、动平台12以及连接在所述固定架6与动平台12之间的四条支链，每条支链均由一近架杆7、两个平行且等长的远架杆I 8a、远架杆II 8b和一上连接轴10。四条支链由第一主动支链2、第二主动支链4、第一运动耦合支链1和第二运动耦合支链3组成；相对的所述第二主动支链4与所述第一主动支链2的结构相同，它们的活动平面为同一平面或相互平行的两个平面。所述第二主动支链4的远架杆I 8a和远架杆II 8b通过与其垂直的远架杆连接杆9连接，所述第一主动支链2的两个远架杆之间亦通过与其垂直的远架杆连接杆连接，将每个主动支链内的两个远架杆限制在同一平面内。呈面对称布置的所述第一运动耦合支链1和所述第二运动耦合支链3的结构相同，且其活动平面相交于所述第二主动支链和所述第一主动支链的活动平面。所述第一主动支链2、第二主动支链4和第二运动耦合支链3的近架杆7的一端各与一驱动装置5的驱动端固接，驱动装置5安装在固定架6上，近架杆7的另一端与相应上连接轴10固接。所述第一运动耦合支链1的近架杆7的一端与固定架通过转动副连接，且与第二运动耦合支链3的近架杆7的一端通过齿轮传动机构连接。每条支链中两个平行且等长的远架杆I 7和远架杆II 8，其一端分别通过球铰链与其所在支链的上连接轴10连接，另一端分别通过球铰链与固接于所述动平台12的下连接轴11球铰接。上述第一运动耦合支链1和第二运动耦合支链2的近架杆通过运动传递机构在固定架上建立运动传递关系，保证机构只有平动的同时，还可为机构提供垂直动平台运动平面的约束反力。且每条主动支链内两根远架杆之间加装连接杆件，有效地保证了机构的刚度和运动精度。

上述两个运动耦合支链近架杆之间的传动机构并不限于齿轮传动机构，还可以是交叉皮带轮传动机构或齿形带传动机构，还可以是其它定比传动机构。

动平台12由主平台13和副平台15构成，主平台13和副平台15通过移动副实现空间垂直连接。上述结构可以限制主平台13和副平台15的三个回转自由度，即主平台和副平台均可实现三维平动，而副平台除随主平台三维平动外，还可沿固接在主平台上的导向杆16实现与主平台的相对移动。

固接在主平台13上的四根平行导向杆16均匀布置在所述主平台13的两侧，每根导向杆16上套装有一与其滑动连接的导套14，导套14与副平台15固接。上述结构可保证机构有较高的刚度，受力平衡，从而满足运动的稳定性。

所述动平台12配以换向机构可实现绕垂直于动平台12轴线的转动，所述换向机构由丝杠17和丝杠螺母18构成，所述丝杠螺母18与副平台15固接，可随副平台移动，所述丝杠17以转动副连接在主平台13上，可以将丝杠螺母18沿主平台导向杆的移动转化为丝杠17绕其自身轴线的转动。所述主平台13和副平台15之间通过安装换向机构实现了绕竖直轴的转动。

所述换向机构也可采用多级齿条齿轮换向，或其他换向机构。所述换向机构可独立安装一套，也可沿主平台轴线方向并联安装多套换向机构，从而达到配置多个末端执行器的目的；所述换向机构可在副平台两侧对称安装两套或多套，以保证动平台运动时的惯性平衡。

本发明与现有技术相比，其不同点在于：

1)采用运动耦合支链连接固定架与动平台，约束动平台在平面内的转动以及沿运动平面垂直方向的移动，在有效提高动平台姿态保持度的同时，使本机构获得了更高的运行精度，从而易使该机构达到更高的速度和加速度；

2)主动支链1和主动支链3中的远架杆I 8a和II 8b通过多根远架杆连接杆9相连，保证远架杆的刚度和运动精度；

3)动平台12由相互错动且垂直相交的两部分组成；

4)主平台13和副平台15之间通过导向杆实现相互错动。

本发明所述机构结构简单，运动方式明确，可满足复杂抓放操作的要求。采用两条运动耦合支链连接固定架与动平台，提高动平台姿态保持度的同时，亦使本机构能够实现更高的运行精度；采用双平台设计，利用丝杠螺母副将动平台的相对运动转化为末端执行器的转动，无需假装多余的旋转驱动装置，有效减轻动平台质量。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种具有二维平动一维转动的多重过约束并联机构，包括固定架、动平台以及连接在所述固定架与动平台之间的四条支链；每条支链均包括一近架杆、两个平行且等长的远架杆和一上连接轴，所述近架杆的一端与所述上连接轴固接，所述上连接轴通过球铰链与所述两个平行且等长的远架杆的一端连接；其特征在于，所述四条支链由相对的第一主动支链和第二主动支链以及相对的第一运动耦合支链和第二运动耦合支链组成，所述第二主动支链与所述第一主动支链结构相同且它们的活动平面为同一平面或相互平行的两个平面；所述第一运动耦合支链和所述第二运动耦合支链结构相同，呈面对称布置，且其活动平面相交于所述第二主动支链和所述第一主动支链的活动平面；所述第一运动耦合支链近架杆的另一端和所述第二运动耦合支链近架杆的另一端通过传动机构连接，且所述第一运动耦合支链近架杆的该端通过转动副与所述固定架连接，所述第二运动耦合支链近架杆的该端与一驱动装置连接，所述驱动装置安装在所述固定架。

2.根据权利要求1所述的具有二维平动一维转动的多重过约束并联机构，其特征在于，所述动平台包括通过移动副连接且空间相互垂直的主平台和副平台，所述副平台和所述主平台的两端分别连接有下连接轴，四个所述下连接轴分别与所述四条支链球铰接。

3.根据权利要求2所述的具有二维平动一维转动的多重过约束并联机构，其特征在于，在所述主平台和所述副平台之间安装有换向机构。

4.根据权利要求3所述的具有二维平动一维转动的多重过约束并联机构，其特征在于，所述换向机构由丝杠和丝杠螺母构成，所述丝杠螺母与所述副平台固接，所述丝杠转动连接在所述主平台上。

5.根据权利要求2所述的具有二维平动一维转动的多重过约束并联机构，其特征在于，所述移动副由四根均匀布置在所述主平台两侧的互相平行的导向杆以及滑动连接在每根导向杆上的导向套形成，所述导向套与所述副平台固接，所述导向杆固接在所述主平台上。

6.根据权利要求2所述的具有二维平动一维转动的多重过约束并联机构，其特征在于，所述第一主动支链内的两个远架杆之间和所述第二主动支链内的两个远架杆之间均通过与其垂直的远架杆连接杆相连接。

7.根据权利要求1所述的具有二维平动一维转动的多重过约束并联机构，其特征在于，所述传动机构为齿轮传动机构、交叉皮带轮传动机构和齿形带传动机构中的任意一种。