CN102642205A

CN102642205A - 一种四自由度双动平台并联机构

Info

Publication number: CN102642205A
Application number: CN2012101186102A
Authority: CN
Inventors: 刘辛军; 苏铮; 陈禹臻; 陈祥; 汪劲松
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2012-08-22

Abstract

本发明涉及一种四自由度双动平台并联机构，属于工业机器人领域，该机构包括定平台、动平台以及连接所述定平台和动平台之间的四个支链，动平台包括相互平行的上、下动平台，还包括连接上、下动平台的连接机构和转动机构连接，以及末端执行器；连接机构为由均匀布置并连接在所述的上动平台和下动平台外周之间的三个或四个平面四边形机构组成。本发明采用了平面四边形机构，该机构不仅合理的连接了上、下动平台，而且也有效的起到了支撑和导向的作用，利用其过约束特性和高刚度特性，在上、下平台相对移动时方向受力均匀且保持刚度不变，提高了整机并联机构的刚度和稳定性，此外该四边形机构的运动均在各自平面内，使得结构更加紧凑。

Description

一种四自由度双动平台并联机构

技术领域

本发明属于工业机器人领域，具体涉及一种三移动一转动自由度的并联机构。

背景技术

在工业机器人领域，传统机器人的机械结构大多采用串联式的连接方式，使得机器人的末端执行器容易产生误差积累，整体刚度不高。随着人们对并联机构的不断深入了解，越来越多的由并联机构组成的工业机器人得到了大家的关注和重视。并联机构具有结构简单、刚度高、无误差积累、运动部件质量小、易于实现高速运动等优点，在一定程度上弥补了传统串联机器人的不足。总之，由并联机构组成的工业机器人具有较高的研究价值，其应用前景值得期待。

美国专利文献US20090019960和EP1084802公开了一种上下伸缩式三平一转并联机构，包括固定机架、四个主动支链和一个动平台，每条支链包括主动杆和随动杆两部分。其中主动杆一端与固定机架通过一个转动铰链或移动副相连接，另一端通过两个旋转铰链与随动杆的一端连接；随动杆的另一端通过两个旋转铰链与动平台连接，从而保证机构的平动；动平台由四个部件组成，其中两个部件需相互平行，另外两个部件与前述两个相互平行的部件通过转动铰链连接，通过部件之间的相互转动可实现绕垂直于动平台的轴线的转动自由度，同时配以相应的放大机构可扩大转角范围。上述机构相对巧妙的实现了机构的三个移动自由度和一个转动自由度，但其存在的局限性在于：该机构动平台的多个部件处于同一个平面内，使动平台的尺寸较大，结构不紧凑，并且放大机构增加了动平台的重量，不利于提高机构效率和动态性能。

中国专利文献CN102161201A公开了一种上下伸缩式的四自由度并联机构，包括包括固定架、动平台以及对称设置在固定架与动平台之间的四组结构相同的支链，其中动平台包括上平台和下平台，两者间通过二个或三个双连杆导向机构和一个丝杠结构连接。该机构的四个支链可以完成三个移动自由度，并且可通过转动机构和连杆组导向机构将上、下平台沿共轴线方向的相对移动转化为丝杠绕其轴线的转动，实现一转动自由度。该机构具有并联机构的一些优点，同时也存在一定的局限，例如，其连杆组导向机构在运动过程中会向外支出，使得动平台结构不够紧凑。

发明内容

本发明的目的是为解决上述技术问题，提供了一种新的四自由度双动平台并联机构，该机构的动平台结构更加紧凑，支撑机构更加合理，受力更加均匀，使用寿命长，其工业应用背景更值得期待。

本发明提出的一种四自由度双动平台并联机构，该机构包括定平台、动平台以及连接所述定平台和动平台之间的第一、第二、第三、第四支链；所述定平台上固接有四个驱动装置，分别驱动四个支链；所述的动平台包括相互平行的上动平台、下动平台，还包括连接所述上、下动平台的连接机构和转动机构，以及连接在下动平台的末端执行器，其特征在于，所述的四个支链中的第一和第三支链连接所述的定平台和上动平台，第二和第四支链连接所述的定平台和下动平台；四个支链结构相同，依次均匀分布且连接所述定平台和动平台的外周；每个支链均包括主动连杆、随动连杆，和多个运动副铰链，所述的主动连杆通过转动副与定平台链接，该转动副为驱动副，所述的随动连杆为平行四边形机构杆件，此平行四边形机构由两个平行且等长的长连杆和两个平行且等长的短连杆所组成，所述两个长连杆的两端分别通过球铰或者虎克铰链链接与两个短连杆的两端通过球铰或者虎克铰链链接，所述的短连杆中的一个与主动连杆通过转动副连接，另一个与动平台固接；所述连接所述上、下动平台的连接机构为由均匀布置并连接在所述的上动平台和下动平台外周之间的三个或四个平面四边形机构组成；每个平面四边形机构由四个杆件通过四个转动铰链首尾依次相连接的闭环结构，其中两个相邻杆件之间的旋转铰链固结在上动平台上，另外两个相邻杆件之间的铰链与下动平台固结。

本发明的工作原理是：通过四个支链的驱动完成末端执行器的三个移动自由度，且通过丝杠和四边形连接机构将上、下动平台沿轴向的相对移动转化成末端执行器的转动自由度，由此可实现三移动和一转动的四个自由度运动。

本发明与现有技术相比，其技术特点及有益效果：

a)引入的四边形机构同时起支撑和导向的作用，且每个四边形机构单元均左右对称，在上、下平台相对移动时，该四边形机构中每个杆件受力均匀。

b)引入的四边形机构结构简单，由对称杆件通过旋转副连接，制造方便，且利用了其本身结构的过约束特性和高刚度特性，提高了整个四自由度并联机构的刚度和稳定性，增加了其使用寿命。

c)由于引入的平面四边形机构的运动均在各自的机构平面内，使得其整体结构更加紧凑优越，能实现高速高加速运动，满足工业中特定的工作要求。

d)动平台分为上平台和下平台，两者之间通过三组或四组对称布置的四边形机构连接，若选择三个四边形机构单元时，使其与中心成120°对称布置，若选择四个单元时，则可与中心成90°对称布置。

附图说明

图1为本发明的四自由度双动平台并联机构实施例结构示意图。

图2为本发明的四自由度双动平台并联机构的动平台的实施例1结构示意图。

图3为本发明的四自由度双动平台并联机构的动平台的实施例2结构示意图。

图中：I-第一支链、II-第二支链、III-第三支链、IV-第四支链、1-定平台、2-驱动装置、3-主动连杆、4a-随动短连杆1、4b-随动短连杆2、5a-随动长连杆1、5b-随动长连杆2、6-动平台、7-上动平台、8-丝杠、9-丝杠螺母、10-平面四边形机构、10a-右上杆件、10b-右下杆件、10c-左上杆件、10d-左下杆件、11-末端执行器、12-下动平台、13-上动平台、14-平面四边形机构、15-下动平台

具体实施方式

为了能进一步了解本发明的内容和特点，结合附图和实施例作详细说明如下：

本发明提出的一种四自由度并联机构的实施例结构，如图1所示，包括定平台1、由相互平行的上动平台、下动平台构成的动平台6、连接在上、下动平台的连接机构、转动机构及末端执行器11(图2)，以及连接所述定平台1和动平台6之间的第一支链I、第二支链II、第三支链III、第四支链IV，且四个支链分别置于定平台1和动平台6外周的前、后、左、右；四个支链结构相同，均包括主动连杆3、随动短连杆4a，随动短连杆4b，随动长连杆5a，随动长连杆5b和若干运动副铰链，其中主动连杆3一端通过转动副与定平台1链接，此转动副为驱动副被驱动装置2驱动，随动短连杆4a、随动长连杆5a、随动短连杆4b和随动长连杆5b的首尾通过球副或虎克铰链依次连接，构成平行四边形机构杆件，所述的随动短连杆4a与主动连杆3另一端通过转动副连接，随动短连杆4b固结于动平台6。通过四个支链的运动可实现动平台6的三个移动自由度。

上述实施例的连接动平台6的连接机构和转动机构，其具体的实施例1结构如图2所示，所述的动平台6包括相互平行的上动平台7和下动平台12，上述的四个支链中第一支链I和第三支链III连接定平台1和动平台6中的上动平台7的两对侧，第二支链II和第四支链IV连接定平台1和动平台6中的下动平台12的另外两对侧；所述的上动平台7和下动平台12之间的外周通过四个对称布置的平面四边形机构10和一个转动机构连接，每个四边形机构10由四个杆件：右上杆件10a、右下杆件10b、左下杆件10d、左上杆件10c，通过四个转动铰链首尾依次相连接的闭环结构，其中左上杆件10c和右上杆件10a之间的旋转铰链固结在上动平台7上，左下杆件10d和右下杆件10b之间的铰链与下动平台12 固结。为保证受力相对均匀，此处的左上杆件10c和右上杆件10a长度可保持一致，以及左下杆件10d和右下杆件10b的长度可保持一致；所述的转动机构为滚轴丝杠结构，包括一套在上下动平台中心孔的丝杠，固定在上动平台7中心孔的丝杠螺母9，该丝杠螺母与丝杠8上端转动连接，在丝杠下端连接末端执行器11；此双动平台并联机构为上下伸缩式机构，其上动平台7和下动平台12之间的沿轴向的相对运动通过丝杠的伸缩转化成末端执行器11的转动，即实现另一转动自由度。

上述动平台6的连接机构和转动机构的实施例2如图3所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例中所述的上动平台13和下动平台15之间通过三个平面四边形机构14和一个转动机构连接，且其四边形机构与中心成120°对称布置，每个四边形机构同实施例1中所述。

本发明以优选实施例并附图进行了说明，但是可以理解，本领域的技术人员在不超出本发明范围的情况下，可将所述的四自由度双动平台的并联机构进行倒置或横置情况，均属于本发明保护范围之内。

Claims

1.一种四自由度双动平台并联机构，该机构包括定平台、动平台以及连接所述定平台和动平台之间的第一、第二、第三、第四支链；所述定平台上固接有四个驱动装置，分别驱动四个支链；所述的动平台包括相互平行的上动平台、下动平台，还包括连接所述上、下动平台的连接机构和转动机构，以及连接在下动平台的末端执行器，其特征在于，所述的四个支链中的第一和第三支链连接所述的定平台和上动平台，第二和第四支链连接所述的定平台和下动平台；四个支链结构相同，依次均匀分布且连接所述定平台和动平台的外周；每个支链均包括主动连杆、随动连杆，和多个运动副铰链，所述的主动连杆通过转动副与定平台链接，该转动副为驱动副，所述的随动连杆为平行四边形机构杆件，此平行四边形机构由两个平行且等长的长连杆和两个平行且等长的短连杆所组成，所述两个长连杆的两端分别通过球铰或者虎克铰链链接与两个短连杆的两端通过球铰或者虎克铰链链接，所述的短连杆中的一个与主动连杆通过转动副连接，另一个与动平台固接；所述连接所述上、下动平台的连接机构为由均匀布置并连接在所述的上动平台和下动平台外周之间的三个或四个平面四边形机构组成；每个平面四边形机构由四个杆件通过四个转动铰链首尾依次相连接的闭环结构，其中两个相邻杆件之间的旋转铰链固结在上动平台上，另外两个相邻杆件之间的铰链与下动平台固结。

2.如权利要求1所述的机构，其特征在于，所述四边形闭环机构的个数若为四个时，每个与动平台的中心成90°对称布置；或若为三个时，每个与动平台中心成120°对称布置。

3.如权利要求1或2所述机构，其特征在于，所述的转动机构为滚轴丝杠结构，包括一套在上下动平台中心孔的丝杠，固定在上动平台中心孔的丝杠螺母，该丝杠螺母与丝杠上端转动连接，在丝杠下端连接末端执行器。