CN102601793B - 新型空间全对称四自由度并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了新型空间全对称四自由度并联机构，它包括机架，从动支链位于机架中央开孔内，机架中央开孔与第一铰链相连，第一至四主动支链关于机架中心轴线空间对称放置在机架上，每一主动支链均包括与机架外壁固定连接的壁板，在壁板上设置有第二导轨，连接块上固定安装有第二滑块，连接块通过具有两转动自由度的第三铰链与杆件相连，动平台包括主平台，每一主动支链的杆件下端通过第四铰链与安装在机架下方的主平台相连，从动支链的下端与主平台顶壁固定连接，第一至四主动支链的杆件下端分别通过第四铰链与第三至第六滑块相连，第三至六滑块在主动支链的驱动下分别与安装在主平台外壁上的第二导轨滑动相连采用本机构可提高机构的动态性能。

Description

新型空间全对称四自由度并联机构

技术领域

本发明涉及一种机器人，特别是涉及一种可实现三维转动和一维平动作业功能的四自由度并联机械手。

背景技术

根据专利US6431802、ZL200610013608.3可知，现有的三转动一平动自由度并联机械手一般为空间两转动一平动并联机构辅以主动摆头的结构形式。其中，空间两转动一平动并联机构通过三条结构相同的主动支链连接机架与动平台，调节安装在主动支链上的伺服电机可使动平台实现二维转动和一维平动；主动摆头一般为电主轴结构，固定安装于动平台上的末端执行器，使其产生绕自身轴线的转动，从而机械手具有四自由度，可实现多坐标加工能力。

此类机器人，由于伺服电机和减速器等安装在主动摆头中，其不足是：动平台的重量过大，影响机构的快进能力及动态性能，不利于追求高刚度/质量比。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种快进能力及动态性能好，刚度/质量比大，动平台质量小的空间三转动一平动新型空间全对称四自由度并联机构。

本发明的新型空间全对称四自由度并联机构，它包括机架，从动支链位于机架中央开孔内，所述机架中央开孔与第一铰链相连，所述第一铰链包括外圈与内圈，所述外圈通过外圈转轴与机架中央开孔内壁转动相连，所述内圈通过内圈转轴与所述外圈转动相连，所述外圈转轴与内圈转轴具有夹角，所述内圈通过第二铰链与所述从动支链滑动相连，所述第二铰链为第一导轨滑块结构，第一主动支链、第二主动支链、第三主动支链及第四主动支链关于机架中心轴线空间对称放置在所述机架上，所述每一主动支链均包括与机架外壁固定连接的壁板，在所述的壁板上设置有第二导轨，连接块上固定安装有第二滑块，所述的第二滑块能够在驱动装置的驱动下沿壁板的轴线方向与第二导轨滑动相连，所述的连接块通过具有两转动自由度的第三铰链与杆件相连，动平台包括主平台，每一所述主动支链的杆件下端均通过具有三个回转自由度的第四铰链与安装在机架下方的主平台相连，所述从动支链的下端与所述主平台顶壁固定连接，所述第一主动支链、第二主动支链、第三主动支链及第四主动支链的杆件下端分别通过与之对应设置的具有三转动自由度的第四铰链与第三滑块、第四滑块、第五滑块及第六滑块相连，所述第三滑块、第四滑块、第五滑块及第六滑块在对应主动支链的驱动下分别与安装在主平台外壁上的第二导轨滑动相连，所述第二导轨沿机架的轴线方向设置，在所述第三滑块、第四滑块、第五滑块及第六滑块上分别固定连接第二螺母、第三螺母、第四螺母及第五螺母，所述第二螺母、第三螺母、第四螺母及第五螺母分别与第二滚珠丝杠、第三滚珠丝杠、第四滚珠丝杠及第五滚珠丝杠的一端相螺纹连接并且所述第二滚珠丝杠、第三滚珠丝杠、第四滚珠丝杠及第五滚珠丝杠另一端均安装于设置在主平台上的轴承内，所述第二滚珠丝杠、第三滚珠丝杠、第四滚珠丝杠及第五滚珠丝杠沿机架的轴线方向设置，第二滚珠丝杠和第四滚珠丝杠相对布置，第三滚珠丝杠和第五滚珠丝杠相对布置,所述第二滚珠丝杠和第四滚珠丝杠螺纹方向一致，所述第三滚珠丝杠和第五滚珠丝杠螺纹方向一致，所述第二滚珠丝杠和第四滚珠丝杠与第三滚珠丝杠和第五滚珠丝杠的螺纹方向相反，在所述第二滚珠丝杠、第三滚珠丝杠、第四滚珠丝杠和第五滚珠丝杠下端分别通过键连接第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮和第四齿轮，在主平台中央设置一个与所述四个齿轮均可啮合的中心齿轮，所述中心齿轮的齿轮轴安装于设置在主平台上的轴承内，在所述齿轮轴的下方固定连接有一末端执行器。

本发明的新型空间全对称四自由度并联机构的有益效果是：动平台采用丝杠螺母及四个齿轮与中心齿轮啮合的结构形式，满足一定条件时可带动末端执行器实现绕自身轴线转动，可有效减小动平台的质量，提高机构的动态性能。该机器人可进行模块化结构设计，刚度/质量比大、快进能力好、定位精度与重复定位精度高等优点。

附图说明

图1是本发明的新型空间全对称四自由度并联机构的结构示意图;

图2是图1所示并联机构的俯视立体图；

图3是图1所示并联机构的主动支链结构示意图；

图4是图1所示并联机构的动平台剖开后的内部结构图；

图5是图4所示的动平台内齿轮啮合示意图。

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。

本发明的新型空间全对称四自由度并联机构，包括机架1，第一主动支链2、第二主动支链3、第三主动支链4及第四主动支链5，从动支链6和动平台7。所述从动支链6位于机架1中央开孔内，所述机架1中央开孔与第一铰链8相连，所述第一铰链8具有两转动自由度，包括外圈与内圈，所述外圈通过外圈转轴与机架1中央开孔内壁转动相连，所述内圈通过内圈转轴与所述外圈转动相连，所述外圈转轴与内圈转轴不共线，具有夹角。所述内圈通过第二铰链9与所述从动支链6滑动相连，所述第二铰链9具有一个移动自由度，为第一导轨滑块结构，即所述内圈固定安装第一滑块，第一滑块与固定安装于从动支链6上的第一导轨滑动相连，保证从动支链6可沿自身轴线方向移动。所述第一铰链8和第二铰链9也可采用其他具有相同运动功能的铰链形式。所述第一主动支链2、第二主动支链3、第三主动支链4及第四主动支链5具有相同的结构形式，第一主动支链2、第二主动支链3、第三主动支链4及第四主动支链5沿机架圆周方向设置在所述机架1上。优选的所述第一主动支链2、第二主动支链3、第三主动支链4及第四主动支链5关于机架1中心轴线空间对称放置在所述机架1上。所述每一主动支链均包括与机架1外壁固定连接的壁板10，在所述的壁板10上设置有第二导轨13，连接块14上固定安装有第二滑块，所述的第二滑块能够在驱动装置的驱动下沿壁板10的轴线方向与第二导轨13滑动相连。所述的连接块14通过第三铰链15与杆件16相连，所述第三铰链15具有两转动自由度，可采用虎克铰等结构形式。优选的所述的驱动装置包括安装在所述壁板10一端的伺服电机11，所述伺服电机11输出轴通过联轴器与安装在壁板10上的第一滚珠丝杠12相连，在所述的连接块14上固定有与第一滚珠丝杠12螺纹连接的螺母。则第一滚珠丝杠12与固定安装在连接块上的第一螺母螺纹连接形成丝杠螺母副，第二导轨13与第二滑块滑动连接形成导轨滑块副，保证连接块14可沿第一滚珠丝杠12轴线方向移动。所述每一主动支链的杆件下端均通过具有三个回转自由度的第四铰链17与第三滑块24、第四滑块25、第五滑块26及第六滑块27相连，所述第四铰链17可采用虎克铰辅以自转轴、球铰链等结构形式。

所述动平台7包括主平台18，第一齿轮19、第二齿轮20、第三齿轮21及第四齿轮22与中心齿轮23。所述从动支链6的下端与所述主平台18的顶壁固定连接。所述第三滑块24、第四滑块25、第五滑块26及第六滑块27可在对应主动支链的驱动下与安装在主平台外壁的第二导轨28滑动相连，所述第二导轨28沿机架的轴线方向设置。在所述第三滑块24、第四滑块25、第五滑块26及第六滑块27上分别固定连接第二螺母29、第三螺母30、第四螺母31及第五螺母32，所述第二螺母29、第三螺母30、第四螺母31及第五螺母32分别与第二滚珠丝杠33、第三滚珠丝杠34、第四滚珠丝杠35及第五滚珠丝杠36的一端相螺纹连接。所述第二滚珠丝杠33、第三滚珠丝杠34、第四滚珠丝杠33及第五滚珠丝杠36沿机架的轴线方向设置，所述第二滚珠丝杠、第三滚珠丝杠、第四滚珠丝杠及第五滚珠丝杠另一端均安装于设置在主平台18上的轴承内。第二滚珠丝杠33和第四滚珠丝杠35相对布置，第三滚珠丝杠34和第五滚珠丝杠36相对布置。所述第二滚珠丝杠33和第四滚珠丝杠35螺纹方向一致，所述第三滚珠丝杠34和第五滚珠丝杠36螺纹方向一致，所述第二滚珠丝杠33和第四滚珠丝杠35与第三滚珠丝杠34和第五滚珠丝杠36的螺纹方向相反。在所述第二滚珠丝杠33、第三滚珠丝杠34、第四滚珠丝杠35及第五滚珠丝杠36下端分别通过键连接第一齿轮19、第二齿轮20、第三齿轮21及第四齿轮22，在主平台18的中央设置一个与所述四个齿轮均可啮合的中心齿轮23，所述中心齿轮23的齿轮轴37安装于设置在主平台18上的轴承内，在所述齿轮轴37的下方可固定连接一末端执行器，如刀具、手爪等。

下面再结合每一幅图对本发明进一步说明：

如图1所示的本发明新型空间全对称四自由度并联机构，由机架1，动平台7，位于机架1和动平台7之间的第一主动支链2、第二主动支链3、第三主动支链4及第四主动支链5和从动支链6构成。

如图2所示，所述从动支链6通过第一铰链8及第二铰链9与所述机架1相连。所述第一铰链8具有两转动自由度，位于所述机架1的中央开孔内，包括外圈与内圈，所述外圈通过外圈转轴与机架1中央开孔内壁转动相连，所述内圈通过内圈转轴与所述外圈转动相连，所述外圈转轴与内圈转轴不共线。所述第二铰链9具有一个移动自由度，即所述内圈固定安装第一滑块，与固定安装于从动支链6上的第一导轨滑动相连，保证从动支链6可沿自身轴线方向移动。

如图1和图3所示，所述第一主动支链2、第二主动支链3、第三主动支链4及第四主动支链5具有相同结构形式，所述每一主动支链均包括与机架1外壁固定连接的壁板10，在所述的壁板10上设置有第二导轨13，连接块14上固定安装有第二滑块，所述的第二滑块能够在驱动装置的驱动下沿壁板10的轴线方向与第二导轨13滑动相连。所述的连接块14通过第三铰链15与杆件16相连，所述第三铰链15具有两转动自由度，可采用虎克铰等结构形式。优选的所述的驱动装置包括安装在所述壁板10一端的伺服电机11，所述伺服电机11输出轴通过联轴器与安装在壁板10上的第一滚珠丝杠12相连，在所述的连接块14上固定有与第一滚珠丝杠12螺纹连接的螺母。则第一滚珠丝杠12与固定安装在连接块上的第一螺母螺纹连接形成丝杠螺母副，第二导轨13与第二滑块滑动连接形成导轨滑块副，保证连接块14可沿第一滚珠丝杠12轴线方向移动。所述第一主动支链2、第二主动支链3、第三主动支链4及第四主动支链5除了用伺服电机-滚珠丝杠作为驱动方式外，还可采用液压推杆、气动等其他任意一种可实现相同运动功能的结构形式。

如图2和图4所示，动平台7包括主平台18，导轨滑块结构，丝杠螺母结构，第一齿轮19、第二齿轮20、第三齿轮21、第四齿轮22与中心齿轮23。所述从动支链6的下端与所述主平台18的顶壁固定连接。所述第一主动支链2、第二主动支链3、第三主动支链4及第四主动支链5下端分别通过具有三转动自由度的第四铰链17与第三滑块24、第四滑块25、第五滑块26及第六滑块27相连。所述第四铰链17可采用虎克铰辅以自转轴、球铰链等形式。所述主平台18外壁沿C轴方向设置第二导轨28，与所述第三滑块24、第四滑块25、第五滑块26及第六滑块27形成导轨滑块结构，则所述第三滑块24、第四滑块25、第五滑块26及第六滑块27可在对应主动支链的驱动下在主平台18上沿C轴方向移动。

如图4所示，所述主平台18在沿C轴方向通过轴承连接第二滚珠丝杠33、第三滚珠丝杠34、第四滚珠丝杠33及第五滚珠丝杠36。其中，第二滚珠丝杠33和第四滚珠丝杠35相对布置，第三滚珠丝杠34和第五滚珠丝杠36相对布置。所述第三滑块24、第四滑块25、第五滑块26及第六滑块27上分别固定安装第二螺母29、第三螺母30、第四螺母29及第五螺母32，第二螺母29、第三螺母30、第四螺母31及第五螺母32分别与所述第二滚珠丝杠33、第三滚珠丝杠34、第四滚珠丝杠35及第五滚珠丝杠36螺纹连接，形成丝杠螺母结构。所述第二滚珠丝杠33、第三滚珠丝杠34、第四滚珠丝杠35及第五滚珠丝杠36的下端分别固定连接结构相同的第一齿轮19、第二齿轮20、第三齿轮21及第四齿轮22。则所述每一滑块沿C轴移动带动所述每一螺母移动，从而通过丝杠螺母副的作用带动所述每一滚珠丝杠绕C轴转动，则第一齿轮19、第二齿轮20、第三齿轮21及第四齿轮22产生绕C轴的转动。

在本发明的技术方案中：所述第一主动支链2、第二主动支链3、第三主动支链4及第四主动支链5具有一个移动自由度，可沿第二导轨方向移动，所述每一主动支链内移动部件与杆件16通过具有两转动自由度的第三铰链15相连，杆件下端通过具有三转动自由度的第四铰链17与第三滑块24、第四滑块25、第五滑块26及第六滑块27相连，则所述第一主动支链2、第二主动支链3、第三主动支链2及第四主动支链5对所述动平台7不提供约束作用。所述从动支链6通过具有两转动自由的第一铰链8和具有一个移动自由度的第二铰链9与所述机架1相连，从动支链6下端与所述动平台7固定连接，故动平台7可实现两转动一平动自由度，即绕A轴、B轴的转动和沿C轴的平动。加上末端执行器的绕C轴的转动，本发明的新型空间三转一平并联机械手具有三维转动和一维平动的自由度。

末端执行器绕C轴的转动见图4与图5。第二滚珠丝杠33和第四滚珠丝杠35为右旋螺纹，第三滚珠丝杠34和第五滚珠丝杠36为左旋螺纹。当第三滑块24和第五滑块26以相同的速度同时向上运动时，第一齿轮19和第三齿轮21产生逆时针的转动；第四滑块25和第六滑块27以同样的速度同时向下运动时，第二齿轮20和第四齿轮22也产生逆时针的转动。中心齿轮23同时与第一齿轮19、第二齿轮20、第三齿轮21及第四齿轮22啮合，则所述四个齿轮产生同样的逆时针转动时，中心齿轮23产生逆时针转动，从而带动末端执行器产生绕C轴的逆时针转动。类似地，当第三滑块24和第五滑块26以相同的速度同时向下运动，第四滑块25和第六滑块27以同样的速度同时向上运动时，中心齿轮23产生顺时针转动，从而带动末端执行器产生绕C轴顺时针转动。第三滑块24和第五滑块26与第四滑块25和第六滑块27的运动速度等大反向，可保证动平台的位姿不发生变化，仅有末端执行器的转动。

只有第三滑块24和第五滑块26与第四滑块25和第六滑块27的运动速度等大反向，四个齿轮转动的转向一致时，才能使中心齿轮23发生转动。第三滑块24和第五滑块26与第四滑块25和第六滑块27的运动速度不是等大反向的情况下，四个齿轮转向不一致，中心齿轮23的转动被约束。

本发明与现有的技术相比，其优点是：动平台采用丝杠螺母结构与四个相同齿轮与一个中心齿轮啮合的结构形式。丝杠螺母结构可变移动为转动，为齿轮提供动力。四个小齿轮只有转向一致才能使中心齿轮发生转动，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，可有效减小质量，有利于机械手提升快进能力和动态性能。

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 (2)

1.新型空间全对称四自由度并联机构，其特征在于：它包括机架，从动支链位于机架中央开孔内，所述机架中央开孔与第一铰链相连，所述第一铰链包括外圈与内圈，所述外圈通过外圈转轴与机架中央开孔内壁转动相连，所述内圈通过内圈转轴与所述外圈转动相连，所述外圈转轴与内圈转轴具有夹角，所述内圈通过第二铰链与所述从动支链滑动相连，所述第二铰链为第一导轨滑块结构，第一主动支链、第二主动支链、第三主动支链及第四主动支链关于机架中心轴线空间对称放置在所述机架上，所述每一主动支链均包括与机架外壁固定连接的壁板，在所述的壁板上设置有第二导轨，连接块上固定安装有第二滑块，所述的第二滑块能够在驱动装置的驱动下沿壁板的轴线方向与第二导轨滑动相连，所述的连接块通过具有两转动自由度的第三铰链与杆件相连，动平台包括主平台，每一所述主动支链的杆件下端均通过具有三个回转自由度的第四铰链与安装在机架下方的主平台相连，所述从动支链的下端与所述主平台顶壁固定连接，所述第一主动支链、第二主动支链、第三主动支链及第四主动支链的杆件下端分别通过与之对应设置的具有三转动自由度的第四铰链与第三滑块、第四滑块、第五滑块及第六滑块相连，所述第三滑块、第四滑块、第五滑块及第六滑块在对应主动支链的驱动下分别与安装在主平台外壁上的第二导轨滑动相连，所述第二导轨沿机架的轴线方向设置，在所述第三滑块、第四滑块、第五滑块及第六滑块上分别固定连接第二螺母、第三螺母、第四螺母及第五螺母，所述第二螺母、第三螺母、第四螺母及第五螺母分别与第二滚珠丝杠、第三滚珠丝杠、第四滚珠丝杠及第五滚珠丝杠的一端相螺纹连接并且所述第二滚珠丝杠、第三滚珠丝杠、第四滚珠丝杠及第五滚珠丝杠另一端均安装于设置在主平台上的轴承内，所述第二滚珠丝杠、第三滚珠丝杠、第四滚珠丝杠及第五滚珠丝杠沿机架的轴线方向设置，第二滚珠丝杠和第四滚珠丝杠相对布置，第三滚珠丝杠和第五滚珠丝杠相对布置,所述第二滚珠丝杠和第四滚珠丝杠螺纹方向一致，所述第三滚珠丝杠和第五滚珠丝杠螺纹方向一致，所述第二滚珠丝杠和第四滚珠丝杠与第三滚珠丝杠和第五滚珠丝杠的螺纹方向相反，在所述第二滚珠丝杠、第三滚珠丝杠、第四滚珠丝杠和第五滚珠丝杠下端分别通过键连接第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮和第四齿轮，在主平台中央设置一个与所述四个齿轮均可啮合的中心齿轮，所述中心齿轮的齿轮轴安装于设置在主平台上的轴承内，在所述齿轮轴的下方固定连接有一末端执行器。

2.根据权利要求1所述的新型空间全对称四自由度并联机构，其特征在于：所述的驱动装置包括安装在所述壁板一端的伺服电机，所述伺服电机输出轴通过联轴器与安装在壁板上的第一滚珠丝杠相连，在所述的连接块上固定有与第一滚珠丝杠螺纹连接的螺母。

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