CN102601794B

CN102601794B - 具有调姿能力的高刚度四自由度并联机构

Info

Publication number: CN102601794B
Application number: CN201210094301.6A
Authority: CN
Inventors: 孙涛; 宋轶民; 连宾宾; 董罡; 齐杨
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2032-03-29
Also published as: CN102601794A

Abstract

本发明公开了具有调姿能力的高刚度四自由度并联机构，它包括固定架，第一至四主动支链和动平台，在固定架上沿同一圆周方向设置有第一至四铰链，第一至四主动支链均包括外壁，外壁的两侧分别安装有第一导轨，在第一、第二、第三、第四铰链内侧分别安装有第一滑块，第一导轨在驱动装置的驱动下能够与第一滑块沿外壁的轴线方向滑移配合相连，在固定架下方设置有动平台，动平台包括主平台，第一至四主动支链的外壁下端分别通过第五至八铰链与第二至五滑块相连，每一滑块在对应主动支链的驱动下与安装在主平台外壁上的第二导轨滑动相连。采用本机构有利于提高机构整体刚度，有效减小动平台的质量，提高机构的快进能力。

Description

具有调姿能力的高刚度四自由度并联机构

技术领域

本发明涉及一种四自由度并联机械手，特别是涉及一种含四条结构相同的支链且可实现三转动自由度和一平动自由度作业功能的并联机械手。

背景技术

根据专利US6431802、ZL200610013608.3可知，现有的空间三转动和一平动自由度并联机构，其实现形式一般为两转动一平动并联机构辅以电主轴的结构。三条结构相同的支链对称分布于固定架，支链末端连接动平台，通过设置在支链上的驱动装置的驱动作用下，动平台可相对于固定架产生两转动和一平动自由度的运动。电主轴安装在动平台上，使其产生绕自身轴线的转动，实现姿态调整。

此类机构由于动平台安装电主轴，其存在的不足是：动平台的重量过大，影响机构的快进能力及动态性能，不易实现轻量化设计。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种有效减少动平台质量，具有优势进给方向，可实现空间三转动一平动自由度的具有调姿能力的高刚度四自由度并联机构。

本发明的具有调姿能力的高刚度四自由度并联机构，它包括固定架，第一、第二、第三、第四主动支链和动平台，在所述固定架上沿同一圆周方向设置有第一、第二、第三、第四铰链，所述第一、第二、第三、第四铰链分别通过转轴与所述固定架转动相连，所述第一、第二、第三、第四主动支链均包括外壁，所述的外壁的两侧分别安装有第一导轨，在所述的第一、第二、第三、第四铰链内侧分别安装有第一滑块，所述的第一导轨在驱动装置的驱动下能够与所述的第一滑块沿外壁的轴线方向滑移配合相连，在所述的固定架下方设置有动平台，所述的动平台包括主平台，所述第一、第二、第三、第四主动支链的外壁下端分别通过第五、第六、第七、第八铰链与第二、第三、第四、第五滑块相连，所述第五、第六、第七、第八铰链具有三转动自由度，每一所述滑块在对应主动支链的驱动下与安装在主平台外壁上的第二导轨滑动相连，在第二、第四滑块的底部分别固定连接第二、第四螺母，第三、第五滑块底部分别固定连接第三、第五螺母，所述第二、第四螺母与设置在主平台内的第二、第四丝杠的一端相螺纹连接，所述第三、第五螺母与设置在主平台内的第三、第五丝杠的一端相螺纹连接，所述第二、第三、第四、第五丝杠沿固定架的中心轴线方向设置，所述第二、第三、第四、第五丝杠的另一端均安装于设置在主平台上的轴承内，所述第二、第四丝杠的螺纹方向一致，所述第三、第五丝杠的螺纹方向一致，所述第二、第四丝杠与第三、第五丝杠的螺纹方向相反，在所述的第二、第三、第四、第五丝杠上分别通过键连接有第一、第二、第三、第四齿轮，在所述主平台中央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，连接所述中心齿轮的齿轮轴安装于设置在主平台上的轴承内，在所述的齿轮轴的下端固定连接有一末端执行器。

本发明的具有调姿能力的高刚度四自由度并联机构的有益效果是：机构采用四条相同的支链空间对称布置，有利于提高机构整体刚度。动平台采用丝杠螺母和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的转动，有效减小动平台的质量，提高机构的快进能力。

附图说明

图1是本发明的具有调姿能力的高刚度四自由度并联机构的结构示意图；

图2是图1所示并联机构的主动支链结构示意图；

图3是图1所示并联机构的主平台剖开后的内部结构示意图；

图4是图1所示并联机构的齿轮啮合图；

图5是图1所示的并联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。

本发明的具有调姿能力的高刚度四自由度并联机构，包括固定架1，第一、第二、第三、第四主动支链2、3、4、5和动平台6。在所述固定架上沿同一圆周方向设置有第一、第二、第三、第四铰链，优选的在所述固定架1上沿同一圆周方向均匀间隔设置有第一、第二、第三、第四铰链7、8、9、10，所述第一、第二、第三、第四铰链7、8、9、10具有一个回转自由度，分别通过转轴与所述固定架1转动相连。所述第一、第二、第三、第四主动支链2、3、4、5具有相同的结构形式，所述第一、第二、第三、第四主动支链2、3、4、5均包括外壁14，所述的外壁的两侧分别安装有第一导轨15。在所述的第一、第二、第三、第四铰链7、8、9、10内侧分别安装有第一滑块，所述的第一导轨在驱动装置的驱动下能够与所述的第一滑块沿外壁的轴线方向滑移配合相连。优选的所述的驱动装置包括安装在外壁14一端的伺服电机11，所述的伺服电机11的输出轴通过减速器12与安装在外壁上的第一滚珠丝杠13相连，在所述的第一、第二、第三、第四铰链7、8、9、10的内侧分别安装有与第一滚珠丝杠13螺纹连接的螺母。当然所述的驱动装置也可以采用气缸-推杆等结构。所述每一主动支链的外壁下端分别通过第五、第六、第七、第八铰链16、17、18、19与第二、第三、第四、第五滑块转动连接。所述第五、第六、第七、第八铰链16、17、18、19具有三转动自由度，可采用虎克铰辅以自转轴、球铰链等形式。

在所述的固定架下方设置有动平台，所述动平台6包括主平台20，第一、第二、第三、第四齿轮21、22、23、24与中心齿轮25。所述第一、第二、第三、第四主动支链2、3、4、5的外壁下端分别通过第五、第六、第七、第八铰链16、17、18、19与第二、第三、第四、第五滑块26、27、28、29相连。所述每一滑块可在对应主动支链的驱动下与安装在主平台外壁上的第二导轨30滑动相连，形成第二导轨滑块结构。在第二、第四滑块26、28的底部分别固定连接第二、第四螺母31、33，第三、第五滑块27、29底部分别固定连接第三、第五螺母32、34，所述第二、第四螺母31、33与设置在主平台20内的第二、第四丝杠35、37的一端相螺纹连接，所述第三、第五螺母32、34与设置在主平台20内的第三、第五丝杠36、38的一端相螺纹连接。所述第二、第三、第四、第五丝杠35、36、37、38沿固定架的中心轴线方向设置，所述第二、第三、第四、第五丝杠的另一端均安装于设置在主平台20上的轴承内。所述第二、第四丝杠35、37的螺纹方向一致，所述第三、第五丝杠36、38的螺纹方向一致，所述第二、第四丝杠35、37与第三、第五丝杠36、38的螺纹方向相反。在所述的第二、第三、第四、第五丝杠35、36、37、38上分别通过键连接第一、第二、第三、第四齿轮21、22、23、24，在所述主平台20中央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25，连接所述中心齿轮25的齿轮轴39安装于设置在主平台上的轴承内，在所述的齿轮轴39的下端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所示的本发明的具有调姿能力的高刚度四自由度并联机构，包括固定架1，动平台6，连接所述固定架1和动平台6的四条相同的主动支链2、3、4、5。所述第一、第二、第三、第四主动支链2、3、4、5关于固定架1中心轴线空间对称放置，所述每一主动支链分别通过具有一个回转自由度的第一、第二、第三、第四铰链7、8、9、10与所述固定架1相连。所述第一、第二、第三、第四铰链7、8、9、10分别通过转轴与所述固定架1转动相连，作为优选方式，第一、第三铰链7、9的转轴轴线相互平行，第二、第四铰链8、10的转轴轴线相互平行，所述第一、第三铰链7、9的转轴轴线与第二、第四铰链8、10的转轴轴线相互垂直，这样机构整体结构对称，传递动力效果较好。如图1和图2所示，所述第一、第二、第三、第四主动支链2、3、4、5具有相同的机械结构，所述第一、第二、第三、第四主动支链2、3、4、5均包括外壁14，所述的外壁的两侧分别安装有第一导轨15.在所述的第一、第二、第三、第四铰链7内侧分别安装有第一滑块，所述的第一导轨与所述的第一滑块在驱动装置的驱动下能够沿外壁的轴线方向滑移相连。优选的所述的驱动装置包括安装在外壁14一端的伺服电机11，所述的伺服电机11的输出轴通过减速器12与安装在外壁上的第一滚珠丝杠13相连，在所述的第一、第二、第三、第四铰链7的内侧分别安装有与第一滚珠丝杠13螺纹连接的螺母。当然所述的驱动装置也可以采用气缸-推杆等结构。

如图1和图3所示，所述第一、第二、第三、第四主动支链2、3、4、5分别通过第五、第六、第七、第八铰链16、17、18、19与动平台上的第二、第三、第四、第五滑块26、27、28、29相连。所述第五、第六、第七、第八铰链16、17、18、19具有三转动自由度，可采用虎克铰辅以自转轴、球铰链等形式。所述第二、第三、第四、第五滑块26、27、28、29分别与安装在主平台20外壁上的的第二导轨30滑动相连，形成导轨滑块结构，使所述的每一滑块可分别在对应主动支链的驱动下沿主平台20外壁移动。

如图3所示，所述主平台20沿C轴方向通过轴承连接第二、第三、第四、第五丝杠35、36、37、38，所述每一丝杠下端通过键连接第一、第二、第三、第四齿轮21、22、23、24。所述第二、第四丝杠35、37与固定安装在第二、第四滑块26、28上的第二、第四螺母31、33相螺纹连接，所述第三、第五丝杠36、38与固定安装在第三、第五滑块27、29上的第三、第五螺母32、34螺纹连接。所述第二、第三、第四、第五滑块26、27、28、29沿C轴方向移动时带动第二、第三、第四、第五螺母31、32、33、34沿C轴方向移动，则第二、第三、第四、第五丝杠35、36、37、38产生绕C轴的转动，从而安装在所述丝杠上的第一、第二、第三、第四齿轮21、22、23、24绕C轴转动。

在本发明的技术方案中，当第一、第三主动支链2、4的伺服电机具有不同的输入时，动平台6可实现绕A轴的转动；当第二、第四主动支链3、5的伺服电机具有不同的输入时，动平台6可实现绕B轴的转动；当第一、第二、第三、第四主动支链2、3、4、5的伺服电机具有相同的输入时，动平台6可实现沿C轴方向的移动，故机构的动平台6具有两转动一平动自由度。如若动平台6中心齿轮的齿轮轴39固接一末端执行器，则加之末端执行器的绕C轴的转动，机构可实现三转动一平动自由度。

末端执行器绕C轴的转动见图3与图4。第二丝杠35、第四丝杠37螺纹为右旋螺纹，第三丝杠36、第五丝杠38螺纹为左旋螺纹。当第二滑块26、第四滑块28同时以相同的速度向上运动时，对应的第一齿轮21、第三齿轮23产生逆时针方向的转动，第三滑块27、第五滑块29以同样的速度同时向下运动时，对应的第二齿轮22、第四齿轮24也产生逆时针方向的转动。中心齿轮25同时与第一、第二、第三、第四齿轮21、22、23、24啮合，则所述四个齿轮产生同样的逆时针转动时，中心齿轮25通过齿轮啮合产生逆时针方向转动，从而带动齿轮轴39及末端执行器产生绕C轴的逆时针转动。类似地，当第二滑块26、第四滑块28同时以相同的速度向下运动，第三滑块27、第五滑块29以同样的速度同时向上运动时，中心齿轮25产生顺时针转动，从而带动齿轮轴39及末端执行器产生绕C轴的顺时针转动。第二、第四滑块26、28速度相等方向相同，第三、第五滑块27、29速度相等方向相同，而第二、第四滑块26、28与第三、第五滑块27、29速度相等方向相反，可保证动平台6的位姿不发生变化，仅有末端执行器绕C轴的转动。

只有第二、第四滑块26、28与第三、第五滑块27、29的运动速度等大反向，第一、第二、第三、第四齿轮21、22、23、24转动的转向一致时，才能使中心齿轮25发生转动。第二、第四滑块26、28与第三、第五滑块27、29的运动速度不是等大反向的情况下，第一、第二、第三、第四齿轮21、22、23、24转向不一致，约束了中心齿轮25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和齿轮啮合的结构形式，通过丝杠螺母可变移动为转动，为齿轮提供动力，而四个相同的齿轮与一个中心齿轮啮合的齿轮布置形式，只有满足四个齿轮转向一致的条件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。

本发明的具有调姿能力的高刚度四自由度并联机构使用情况概述：如图5实施例1所示，将本发明的空间对称三转动一平动并联机器人作为一个模块，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

1.具有调姿能力的高刚度四自由度并联机构，其特征在于：它包括固定架，第一、第二、第三、第四主动支链和动平台，在所述固定架上沿同一圆周方向设置有第一、第二、第三、第四铰链，所述第一、第二、第三、第四铰链分别通过转轴与所述固定架转动相连，所述第一、第二、第三、第四主动支链均包括外壁，所述的外壁的两侧分别安装有第一导轨，在所述的第一、第二、第三、第四铰链内侧分别安装有第一滑块，所述的第一导轨在驱动装置的驱动下能够与所述的第一滑块沿外壁的轴线方向滑移配合相连，在所述的固定架下方设置有动平台，所述的动平台包括主平台，所述第一、第二、第三、第四主动支链的外壁下端分别通过第五、第六、第七、第八铰链与第二、第三、第四、第五滑块相连，所述第五、第六、第七、第八铰链具有三转动自由度，每一所述滑块在对应主动支链的驱动下与安装在主平台外壁上的第二导轨滑动相连，在第二、第四滑块的底部分别固定连接第二、第四螺母，第三、第五滑块底部分别固定连接第三、第五螺母，所述第二、第四螺母与设置在主平台内的第二、第四丝杠的一端相螺纹连接，所述第三、第五螺母与设置在主平台内的第三、第五丝杠的一端相螺纹连接，所述第二、第三、第四、第五丝杠沿固定架的中心轴线方向设置，所述第二、第三、第四、第五丝杠的另一端均安装于设置在主平台上的轴承内，所述第二、第四丝杠的螺纹方向一致，所述第三、第五丝杠的螺纹方向一致，所述第二、第四丝杠与第三、第五丝杠的螺纹方向相反，在所述的第二、第三、第四、第五丝杠上分别通过键连接有第一、第二、第三、第四齿轮，在所述主平台中央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，连接所述中心齿轮的齿轮轴安装于设置在主平台上的轴承内，在所述的齿轮轴的下端固定连接有一末端执行器。

2.根据权利要求1所述的具有调姿能力的高刚度四自由度并联机构，其特征在于：所述第一、第二、第三、第四主动支链关于固定架中心轴线空间对称放置。

3.根据权利要求1或2所述的具有调姿能力的高刚度四自由度并联机构，其特征在于：所述的驱动装置包括安装在主动支链外壁一端的伺服电机，所述的伺服电机的输出轴通过减速器与安装在主动支链外壁上的第一滚珠丝杠相连，在所述的第一、第二、第三、第四铰链的内侧分别安装有与第一滚珠丝杠螺纹连接的螺母。

4.根据权利要求3所述的具有调姿能力的高刚度四自由度并联机构，其特征在于：所述的第一、第三铰链的转轴轴线相互平行，第二、第四铰链的转轴轴线相互平行，所述第一、第三铰链的转轴轴线与第二、第四铰链的转轴轴线相互垂直。