CN102615644B - 可实现三转动一平动自由度新型调姿机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了可实现三转动一平动自由度新型调姿机构，它包括机架，第一至第四主动支链沿同一圆周方向安装在机架的中心孔内，第一至四主动支链均包括滑鞍、与机架的中心孔内壁固定相连的连接板，滑鞍通过第一导轨滑块结构与连接板滑动相连并且滑鞍能够在驱动装置的驱动下沿与机架的中心孔轴线平行的方向移动，滑鞍通过转动副与连杆一端相连，连杆的另一端分别通过第一至四铰链与第二至五滑块转动相连，第二至五滑块分别与安装在动平台外壁上的第二导轨滑动相连。采用本结构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。本机械手具有优势进给方向，动平台与运动支链惯量小，动态性能好。

Description

可实现三转动一平动自由度新型调姿机构

技术领域

本发明涉及一种四自由度并联机械手，特别是涉及一种具有空间对称结构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，现有的空间三转动一平动自由度并联机构，其实现形式多为少自由度并联机构辅以主动摆头的混联结构形式。该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驱动机构动平台相对机架产生两转动和一平动自由度，主动摆头通过调节安装在摆头上的伺服电机驱动摆头实现绕自身轴线的转动，从而整个机构可实现空间三转动自由度和一平动自由度作业功能。

此类机构由于伺服电机和减速器等安装在主动摆头上，其存在的不足是：动平台重量过大，影响机构的快进能力及动态性能。

发明内容

提供一种有效减少动平台质量，具有优势进给方向，仅调节主动支链伺服电机即可实现空间三转动一平动的可实现三转动一平动自由度新型全对称调姿机构。

本发明的可实现三转动一平动自由度新型调姿机构，它包括机架，第一、第二、第三和第四主动支链沿同一圆周方向安装在所述机架的中心孔内，所述第一、第二、第三、第四主动支链均包括滑鞍、与机架的中心孔内壁固定相连的连接板，所述的滑鞍通过第一导轨滑块结构与连接板滑动相连并且所述滑鞍能够在驱动装置的驱动下沿与机架的中心孔轴线平行的方向移动，所述滑鞍通过转动副与连杆一端相连，所述连杆的另一端分别通过第一、第二、第三、第四铰链与第二、第三、第四、第五滑块转动相连，所述第一、第二、第三、第四铰链具有三回转自由度，所述第二、第三、第四、第五滑块分别与安装在动平台外壁上的第二导轨滑动相连，所述第二导轨沿机架中心孔轴线方向设置，所述第二、第四滑块的底部分别固定连接有第二螺母，所述第三、第五滑块的底部分别固定连接有第三螺母，所述第二、第三螺母分别与设置在动平台内并且沿机架中心孔轴线方向设置的第一、第二、第三、第四丝杠的一端相螺纹连接，所述每一丝杠的另一端分别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，所述第一、第三丝杠的螺纹方向与第二、第四丝杠的螺纹方向相反，所述第一、第二、第三、第四丝杠上分别连接有第一、第二、第三、第四齿轮，在所述四个齿轮的中间设置有一个与所述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，在齿轮轴下端安装有末端执行器。

本发明的可实现三转动一平动自由度新型调姿机构的有益效果是：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，动平台与运动支链惯量小，动态性能好。

附图说明

图1是本发明的可实现三转动一平动自由度新型调姿机构的结构示意图；

图2是图1所示的机构的俯视立体示意图；

图3是图1所示的机构的主动支链的结构示意图；

图4是图1所示的机构的动平台剖开后内部结构示意图；

图5是图4所示的动平台的齿轮啮合示意图；

图6是本发明机构的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。

如附图所示本发明的可实现三转动一平动自由度新型调姿机构，它包括机架3，第一、第二、第三、第四主动支链1、2、13、14，动平台8。所述第一、第二、第三和第四主动支链1、2、13、14沿同一圆周方向安装在所述机架3的中心孔内，优选的四个主动支链彼此之间均匀间隔设置。所述第一、第二、第三、第四主动支链1、2、13、14具有相同的结构形式，分别包括滑鞍18、与机架的中心孔内壁固定相连的连接板16，所述的滑鞍18通过第一导轨滑块结构与连接板滑动相连并且所述滑鞍18能够在驱动装置的驱动下沿与机架3的中心孔轴线平行的方向移动，即所述的第一导轨滑块结构中的第一滑块与滑鞍18固定相连，所述第一导轨滑块结构中的第一导轨19固定安装在所述连接板上。优选的所述的驱动装置包括安装在连接板上的伺服电机15，所述的伺服电机15的输出轴与第一滚珠丝杠17的一端固定相连，所述的第一滚珠丝杠17与安装在滑鞍18上的第一螺母形成丝杠螺母结构。所述第一、第二、第三、第四主动支链1、2、13、14也可采用液压、气动等结构作为驱动方式。所述滑鞍18通过转动副与连杆20一端相连，所述连杆20的另一端分别通过第一、第二、第三、第四铰链4、6、10、12与第二、第三、第四、第五滑块5、7、9、11转动相连，所述第一、第二、第三、第四铰链4、6、10、12具有三回转自由度，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5、7、9、11分别与安装在动平台外壁上的第二导轨滑动相连，所述第二导轨沿机架中心孔轴线方向设置，所述第二、第四滑块5、9的底部分别固定连接有第二螺母23，所述第三、第五滑块7、11的底部分别固定连接有第三螺母32，所述第二、第三螺母23、32分别与设置在动平台8内并且沿机架中心孔轴线方向设置的第一、第二、第三、第四丝杠21、22、28、29的一端相螺纹连接，所述每一丝杠的另一端分别安装在设置在动平台8上的轴承内，其中第一丝杠21和第三丝杠28的螺纹方向一致，第二丝杠22和第四丝杠29的螺纹方向一致，所述第一、第三丝杠21、28的螺纹方向与第二、第四丝杠22、29的螺纹方向相反，所述第一、第二、第三、第四丝杠21、22、28、29上分别连接有第一、第二、第三、第四齿轮24、25、26、27，在所述四个齿轮的中间设置有一个与所述四个齿轮能够分别啮合配合的中心齿轮31，所述的中心齿轮31的齿轮轴30安装在设置在动平台上的轴承内，在齿轮轴30下端可安装末端执行器，如抓手、刀具等。

下面再结合每一幅图对本发明进一步说明：

如图1和图2所示，本发明的新型对称结构三转动一平动并联机械手由机架3、第一主动支链1、第二主动支链2、第三主动支链13、第四主动支链14和动平台8构成。所述第一主动支链1、第二主动支链2、第三主动支链13、第四主动支链14与机架3及动平台8具有相同的连接形式，均通过连接板16与机架3相连，下端则分别通过第一铰链4、第二铰链6、第三铰链10、第四铰链12与动平台8上的滑块转动相连。所述第一、第二、第三、第四铰链4、6、10、12为具有三转动能力的铰链，如球铰链、虎克铰加自转轴等。

如图3所示，所述第一主动支链1、第二主动支链2、第三主动支链13、第四主动支链14具有相同的机械结构,分别包括滑鞍18、与机架的中心孔内壁固定相连的连接板16，所述的滑鞍18通过第一导轨滑块结构与连接板滑动相连并且所述滑鞍18能够在驱动装置的驱动下沿与机架3的中心孔轴线平行的方向移动，滑鞍18上安装第一滑块，与第一导轨19形成第一导轨滑块结构，可以保证滑鞍实现沿机架3中心孔轴线方向的移动。即所述的第一导轨滑块结构中的第一滑块与滑鞍18固定相连，所述第一导轨滑块结构中的第一导轨19固定安装在所述连接板上。优选的所述的驱动装置包括安装在连接板上的伺服电机15，所述的伺服电机15的输出轴与第一滚珠丝杠17的一端固定相连，所述的第一滚珠丝杠17与安装在滑鞍18上的第一螺母形成丝杠螺母结构。也可采用液压、气动等结构作为驱动方式。

如图4所示，所述第一主动支链1、第二主动支链2、第三主动支链13、第四主动支链14分别通过第一铰链4、第二铰链6、第三铰链10、第四铰链12与第二、第三、第四、第五滑块5、7、9、11相连。所述动平台8在沿C轴方向通过轴承连接有第一丝杠21、第二丝杠22、第三丝杠28、第四丝杠29。第一丝杠21的下端与第一齿轮24通过键连接，第二丝杠22的下端与第二齿轮25通过键连接，第三丝杠28的下端与第三齿轮26通过键连接，第四丝杠29的下端与第四齿轮27通过键连接。

所述第二滑块5、第三滑块7、第四滑块9、第五滑块11设置导轨槽，动平台8沿C轴方向安装导轨，导轨与导轨槽形成移动副，在每一主动支链的带动下所述滑块可沿C轴方向移动。同时安装在第二滑块5、第四滑块9上的第二螺母23分别与第一丝杠21、第三丝杠28形成丝杠螺母副，安装在第三滑块7、第五滑块11上的第三螺母32分别与第二丝杠22、第四丝杠28形成丝杠螺母副。第二、第四滑块5、9分别带动对应设置的第二螺母23沿C轴方向移动，则第一、第三丝杠21、28绕C轴转动，从而使得第一、第三齿轮24、26产生绕C轴的转动。同样的，第三、第五滑块7、11分别带动对应设置的第三螺母32沿C轴方向移动，则第二、第四丝杠22、28绕C轴转动，从而使得第二、第四齿轮25、27产生绕C轴的转动。

在本发明的技术方案中：所述第一、第二、第三、第四主动支链1、2、13、14均可沿第一导轨滑块方向移动，所以机构可实现沿C轴方向的平动。由于所述第一、第二、第三、第四主动支链1、2、13、14的滑鞍18通过转动副与连杆20连接，所述连杆20通过具有三个转动自由度的第一、第二、第三、第四铰链4、6、10、12与动平台8连接，所以第一、第二、第三、第四主动支链1、2、13、14相对所述机架3可实现绕A轴方向与绕B轴方向转动。当各主运动链在所述伺服电机15的驱动下独立运动时，所述动平台8发生空间位移，机构的空间姿态也同时发生改变，加上安装在所述动平台8底部的末端执行器可调整姿态实现绕C轴的转动，从而构成了实现三转动一平动的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21、第三丝杠28的螺纹为左旋螺纹，第二丝杠22、第四丝杠29的螺纹为右旋螺纹。当第二滑块5、第四滑块9以相同的速度同时向下运动时，第一齿轮24、第三齿轮26产生逆时针的转动；第三滑块7、第五滑块11以同样的速度同时向上运动时，第二齿轮25、第四齿轮27也产生逆时针的转动。中心齿轮31同时与四个齿轮啮合，即当四个齿轮产生同样的逆时针转动时，中心齿轮31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，当第二滑块5、第四滑块9以相同的速度同时向上运动，第三滑块7、第五滑块11以同样的速度同时向下运动时，中心齿轮31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。第二滑块5、第四滑块9的运动与第三滑块7、第五滑块11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。

只有第二滑块5、第四滑块9的运动与第三滑块7、第五滑块11的运动速度等大反向，四个齿轮转动的转向一致时，才能使中心齿轮发生转动。第二滑块5、第四滑块9的运动与第三滑块7、第五滑块11的运动速度不是等大反向的情况下，四个齿轮转向不一致，约束了中心齿轮的转动。

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中心齿轮啮合的形式，只有四个小齿轮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。

本发明的可实现三转动一平动自由度新型调姿机构使用情况概述：如图6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，与两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.可实现三转动一平动自由度新型调姿机构，其特征在于：它包括机架，第一、第二、第三和第四主动支链沿同一圆周方向安装在所述机架的中心孔内，所述第一、第二、第三、第四主动支链均包括滑鞍、与机架的中心孔内壁固定相连的连接板，所述的滑鞍通过第一导轨滑块结构与连接板滑动相连并且所述滑鞍能够在驱动装置的驱动下沿与机架的中心孔轴线平行的方向移动，所述滑鞍通过转动副与连杆一端相连，所述连杆的另一端分别通过第一、第二、第三、第四铰链与第二、第三、第四、第五滑块转动相连，所述第一、第二、第三、第四铰链具有三回转自由度，所述第二、第三、第四、第五滑块分别与安装在动平台外壁上的第二导轨滑动相连，所述第二导轨沿机架中心孔轴线方向设置，所述第二、第四滑块的底部分别固定连接有第二螺母，所述第三、第五滑块的底部分别固定连接有第三螺母，所述第二、第三螺母分别与设置在动平台内并且沿机架中心孔轴线方向设置的第一、第二、第三、第四丝杠的一端相螺纹连接，所述每一丝杠的另一端分别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，所述第一、第三丝杠的螺纹方向与第二、第四丝杠的螺纹方向相反，所述第一、第二、第三、第四丝杠上分别连接有第一、第二、第三、第四齿轮，在所述四个齿轮的中间设置有一个与所述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，在齿轮轴下端安装有末端执行器。

2.根据权利要求1所述的可实现三转动一平动自由度新型调姿机构，其特征在于：所述的驱动装置包括安装在连接板上的伺服电机，所述的伺服电机的输出轴与第一滚珠丝杠的一端固定相连，所述的第一滚珠丝杠与安装在滑鞍上的第一螺母形成丝杠螺母结构。

3.根据权利要求1或2所述的可实现三转动一平动自由度新型调姿机构，其特征在于：所述的第一、第二、第三和第四主动支链彼此之间均匀间隔设置。

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