CN102554918A

CN102554918A - 一种三自由度过约束并联机构

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Publication number: CN102554918A
Application number: CN2012100071262A
Authority: CN
Inventors: 黄田; 汪满新; 白普俊; 刘松涛; 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

本发明公开了三自由度过约束并联机构，包括固定架、动平台以及连接在所述固定架和所述动平台之间的三条主动链和一条被动链组成；第三主动链和被动链通过连接在它们近架杆之间的反向等比传动装置连接；所述动平台包括四个角板、四根边杆和四根平行杆，边杆和平行杆的有效长度相等；四个角板对称均布，并分别与四条支链中相应的一条支链的两个远架杆相连，四根边杆依次通过转动副相连，组成一个菱形结构，菱形结构的四个顶点分别通过转动副与四个角板连接，菱形结构的中心与四个角板形成的中心重合；在相邻的两个角板之间均布置一根平行杆；相对的两个角板上的下连接轴线相互平行，相邻的两个角板上的下连接轴线相互平行。本发明机构新颖，侧向刚度好。

Description

一种三自由度过约束并联机构

技术领域

本发明涉及一种机器人机构，特别涉及一种三自由度过约束并联机构。

背景技术

少自由度并联机器人具有结构简单、成本低廉和控制容易等优势，在食品、医药、电子以及其他轻工行业中广泛用于抓放和装箱的操作环节中，有很好的应用前景。

专利文献CN1355087A公开了一种仅含有转动副的二自由度平动并联机器人机构，包括机架、动平台和两对各含有两个平行四边形机构的支链。专利文献CN101642907A公开了一种二自由度并联机器人机构，包括基座，动平台以及分别连接基座和动平台的两条主动支链和一条被动支链。上述机构的局限性在于：两者均是二自由度平动机构，无法实现局部的夹持运动和旋转运动，这就使其功能相对单一，在实际生产中的应用范围受到很大的限制。

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机构新颖，侧向刚度好的三自由度过约束并联机构。

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：一种三自由度过约束并联机构，包括固定架、动平台以及在所述固定架和所述动平台之间对称均布的四条支链，每一条支链均包括一近架杆和与其相连的两个平行且等长的远架杆，所述四条支链由相对布置的第一主动链和第二主动链以及相对布置的第三主动链和被动链组成；

所述第一主动链和第二主动链结构相同，它们的近架杆分别由驱动装置A和驱动装置B驱动，且它们的活动平面为同一平面；

所述第三主动链和所述被动链结构相同并呈面对称布置，所述第三主动链和所述被动链的活动平面分别与所述第一主动链和所述第二主动链的活动平面相交；所述第三主动链的近架杆一端由驱动装置C驱动，所述被动链的近架杆一端与所述固定架转动连接；所述第三主动链和所述被动链通过连接在它们近架杆之间的反向等比传动装置连接；

所述驱动装置A、所述驱动装置B和所述驱动装置C均安装在所述固定架上；

所述动平台包括四个角板、四根边杆和四根平行杆，边杆和平行杆的有效长度相等；

四个角板对称均布，并分别与所述四条支链中相应的一条支链的两个远架杆相连，每条支链的两个远架杆与对应角板连接形成下连接轴线，

四根边杆依次通过转动副相连，组成一个菱形结构，菱形结构的四个顶点分别通过转动副与四个角板连接，菱形结构的中心与四个角板形成的中心重合；

在相邻的两个角板之间均布置一根与形成菱形结构的边杆平行的平行杆，每根平行杆的两端均与对应角板通过转动副连接；

相对的两个角板上的下连接轴线相互平行，相邻的两个角板上的下连接轴线相互平行。

所述第三主动链和所述被动链的两个远架杆的两端分别通过两个球铰链与相应支链近架杆和所述动平台连接，并且每条支链近架杆上的两个球铰链与动平台上与其相应的两个球铰链的中心连线平行，且中心距相等。

所述第一主动链和所述第二主动链的两个远架杆的两端分别通过两个球铰链与相应主动链近架杆和所述动平台连接，并且每条主动链的近架杆上的两个球铰链与动平台上与其相应的两个球铰链的中心连线平行，且中心距相等；在所述第一主动链和所述第二主动链的两个远架杆之间添加有与它们垂直固接的多个约束杆。

所述第一主动链和所述第二主动链两个远架杆的两端分别与与其对应的主动链近架杆和所述动平台通过转动副连接，并且每条主动链近架杆上的转动副轴线与动平台上与其相应的转动副轴线相互平行。

所述反向等比传动装置为外啮合齿轮组传动机构、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：在动平台增加局部自由度，通过第三主动链和被动链可以进行独立控制，使该机构能够实现多种构型，也可完成夹持和旋转操作，为实际应用提供了多种选择，扩大了机构实际应用范围，另外，第三主动链和被动链通过近架杆上的反向等比传动装置实现了对动平台的姿态约束和侧向运动的过约束，利用此机构特点，大大提高了机构的侧向刚度和动平台的姿态保持能力，同时亦可改善机构的运动精度，为此类机器人在实际应用中发挥更好的运动特性提供结构基础。

附图说明

图1和图2为本发明的不同角度的结构示意图；

图3为本发明中动平台的结构示意图。

图中：1、第一主动链，2、第二主动链，3、第三主动链，4、被动链，5、固定架，6a、驱动装置A，6b、驱动装置B，6c、驱动装置C，7a～d、近架杆，8a、b齿轮，9a、b远架杆，10、约束杆，11、动平台，12a～d、角板，13a～d菱形边杆，14a～d、平行杆，15、齿扇，16、齿轮，17、执行器，18a～d、下连接轴线。

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2，一种三自由度过约束并联机构，包括固定架5和动平台11以及连接在所述固定架5与动平台11之间的对称均布的四条支链，每条支链均包括一近架杆和与其相连的两个平行且等长的远架杆9a、9b。所述四条支链由第一主动链1，第二主动链2，第三主动链3和被动链4组成。

所述第一主动链1、第二主动链2和第三主动链3的近架杆7a、7b、7c的一端与驱动装置A6a、驱动装置B6b和驱动装置C6c分别连接，驱动装置A6a、驱动装置B6b和驱动装置C6c安装在固定架5上。

相对布置的所述第一主动链1和第二主动链2的活动平面为同一平面，第一主动链1和第二主动链2的结构相同。

相对布置的所述第三主动链3和被动链4结构相同，并呈面对称布置。第三主动链3和被动链4的活动平面分别与第一主动链1和第二主动链2的活动平面相交；被动链4的近架杆7d的一端与固定架5转动连接。第三主动链3和被动链4通过固接在它们近架杆7c、7d之间的齿轮8a、8b相互啮合传动实现耦合运动，保证其对动平台11姿态的约束和沿垂直动平台活动面方向的过约束作用。所述第三主动链3和被动链4的两个远架杆9a、9b的两端分别通过两个球铰链与相应支链近架杆7c、7d的另一端、与动平台11连接，并且近架杆7c、7d上的两个球铰链的中心连线与动平台11上与其对应的两个球铰链的中心连线平行，且中心距相等。

第一主动链1和第二主动链2的两个远架杆的两端分别通过两个球铰链与相应主动链的近架杆7a、7b的另一端以及动平台11连接，并且主动链近架杆7a、7b上的两个球铰链的中心连线与动平台上与其相应的两个球铰链的中心连线平行，且中心距相等。在此基础上，在第一主动链1和第二主动链2的两个远架杆9c、9d之间分别添加多个约束杆10，约束杆10垂直固接在两个远架杆9c、9d之间，使每条主动链的两个远架杆只能做绕端部两球铰链中心连线的旋转运动。

上述第一和第二被动链之间的传动机构，可以是外啮合齿轮组传动机构、交叉皮带轮传动机构或齿形带传动机构，还可以是其他符合反向等比传动的机构。

另外，第一主动链1和第二主动链2的两个远架杆并不限于上述结构，也可以采用如下结构：第一主动链1和第二主动链2的两个远架杆9a、9b之间不加约束杆，两个远架杆的两端分别与与其对应的主动链近架杆和动平台直接通过转动副连接，并且每条主动链近架杆上的转动副轴线与动平台11上与其相应的转动副轴线相互平行。

请参阅图3，所述动平台11包括四个角板12a～d、四根边杆13a～d和四根平行杆14a～d，所述边杆和平行杆的有效长度相等，

四个角板12a～d对称均布，并分别与所述四条支链中相应的一条支链的两个远架杆相连，每条支链的两个远架杆与对应角板连接形成下连接轴线。

四根边杆13a～d依次通过转动副相连，组成一个菱形结构。

所述菱形结构的四个顶点分别通过转动副与四个角板12a～d连接，菱形结构的中心与四个角板形成的中心重合。

在相邻的两个所述角板之间，均布置一根与形成菱形结构的边杆平行的平行杆14a、14b、14c、14d，每根所述平行杆的两端均与对应所述角板通过转动副连接。所述平行杆的布置必须保证相对的两个角板上的下连接轴线相互平行，即相对的两下连接轴线18a、18c相互平行，相对的两下连接轴线18b、18d相互平行，并且相邻两个角板上的下连接轴线垂直，即相邻的两根下连接轴线18a、18b相互垂直，相邻的两根下连接轴线18c、18b相互垂直，相邻的两根下连接轴线18a、18c相互垂直，相邻的两根下连接轴线18c、18d相互垂直。

当在相对的两个边杆13a、13c或者相对的两个边杆13b、13d上布置一个由齿扇15和齿轮16组成的角度放大机构时，在动平台产生伸缩变形的相对运动时，可以使安装在齿轮16上的末端执行器17产生一个旋转运动。当在相对的两个角板12a、12c或相对的两个角板12b、12d上安装一套夹持机构时，在动平台11产生伸缩变形的相对运动时，可以产生一个夹持运动。

上述齿扇15和齿轮16相互啮合，所述齿扇15固接在相对的两个边杆中的一个边杆上，所述齿轮通过转动副连接在相对的两个边杆中的另一个边杆上。

上述机构，在所述第一和第二主动链的约束下，所述动平台整体有两个在活动平面内的移动自由度，和一个绕垂直于该活动平面轴线的旋转自由度；所述第三主动链和第四被动链约束所述动平台绕所述活动平面轴线的旋转自由度。所述第三主动链和第四被动链通过固接于相应近架杆的反向等比传动装置实现耦合运动，提供沿垂直动平台活动平面方向的过约束作用。所述动平台本身具有一个自由度的相对运动，在所述四条支链的协调作用下，实现对此自由度的独立控制。保证机构整体具有三个自由度。

本发明与现有技术相比，其不同点在于：

1)动平台可实现三个自由度的运动，使此并联机构的应用范围扩大。

2)动平台上的局部自由度，可以通过四个支链的协调运行进行独立控制。

3)第三主动链和被动链通过近架杆上的反向等比传动装置实现了对动平台的姿态约束和侧向运动的过约束，可大大提高机构的侧向刚度和动平台的姿态保持能力，同时亦可改善机构的运动精度，为此类机器人在实际应用中发挥更好的运动特性提供结构基础。

4)该机构的末端执行器能够实现多种构型，也可完成夹持和旋转操作，为实际应用提供了多种选择。

该发明设计巧妙独特，结构的刚性和稳定性好，运动灵活，受力均匀，精度较高，使用寿命长，易实现高速运动，且满足复杂抓放操作的要求。并且多种动平台的组合方式为实际应用提供了多种选择。

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

1.一种三自由度过约束并联机构，包括固定架、动平台以及在所述固定架和所述动平台之间对称均布的四条支链，每一条支链均包括一近架杆和与其相连的两个平行且等长的远架杆，其特征在于：所述四条支链由相对布置的第一主动链和第二主动链以及相对布置的第三主动链和被动链组成；

所述第三主动链和所述被动链结构相同并呈面对称布置，所述第三主动链和所述被动链的活动平面分别与所述第一主动链和所述第二主动链的活动平面相交；所述第三主动链的近架杆由驱动装置C驱动，所述被动链的近架杆一端与所述固定架转动连接；所述第三主动链和所述被动链通过连接在它们近架杆之间的反向等比传动装置连接；

2.根据权利要求1所述的三自由度过约束并联机构，其特征在于，所述第三主动链和所述被动链的两个远架杆的两端分别通过两个球铰链与相应支链近架杆和所述动平台连接，并且每条支链近架杆上的两个球铰链与动平台上与其相应的两个球铰链的中心连线平行，且中心距相等。

3.根据权利要求1或2所述的三自由度过约束并联机构，其特征在于，所述第一主动链和所述第二主动链的两个远架杆的两端分别通过两个球铰链与相应主动链近架杆和所述动平台连接，并且每条主动链的近架杆上的两个球铰链与动平台上与其相应的两个球铰链的中心连线平行，且中心距相等；在所述第一主动链和所述第二主动链的两个远架杆之间添加有与它们垂直固接的多个约束杆。

4.根据权利要求1或2所述的三自由度过约束并联机构，其特征在于，所述第一主动链和所述第二主动链两个远架杆的两端分别与与其对应的主动链近架杆和所述动平台通过转动副连接，并且每条主动链近架杆上的转动副轴线与动平台上与其相应的转动副轴线相互平行。

5.根据权利要求1所述的三自由度过约束并联机构，其特征在于，所述反向等比传动装置为外啮合齿轮组传动机构、交叉皮带轮传动机构和齿形带传动机构中的任意一种。