CN102689305B - 一种三移动一转动的四自由度双动平台并联机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三移动一转动的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、上、下动平台以及四个支链，四个驱动装置；所述的动平台包括相互平行的上动平台、下动平台，连接所述上、下动平台的连接机构和传动机构；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，所述传动机构主要由连杆滑块机构和滑块摇杆机构串联而成。本发明利用四杆机构的巧妙组合将移动运动输出为转动运动，且利用了四边形闭环机构的过约束特性和高刚度特性，提高整机并联机构的刚度和稳定性，并使结构更加紧凑。
Description
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，有一类机器人正吸引着很多学者和企业界越来越多的关注，即主要由并联机构组成的并联机器人。并联机构相对于串联机构，有着许多先天的特性，如结构简单、刚度高、无误差积累、运动部件质量小、易于实现高速运动等。其在某种程度上弥补了传统串联机器人的不足，在某些特定场合有非常大的用武之地，例如在某轻载工况下需要机器人末端执行器能高速高加速度的实现定位、抓取等动作，此时并联机器人可更好的发挥其自身优势。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，为此本发明旨在设计一种能实现轻载、高速、高加速运动的易于准确定位的并联机构。
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，如图1所示，包括包括固定架01、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，每个支链包括一个近架杆02，和两个相互平行的远架杆04a,和04b，所述的动平台包括上平台05和下平台07，两者间通过至少三个连杆组导向机构06和一个丝杠结构连接，所述的连杆组导向机构包括与上平台05铰接的上连杆和与下平台07铰接的下连杆，所述的丝杠机构包括固定在上平台05上的丝杠螺母和与其转动连接的丝杠，丝杠由安装在所述下平台上的轴承支承。该机构通过驱动装置08驱动四个支链可以完成三个移动自由度，并且可通过丝杠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，实现丝杠末端固结的末端执行器的一转动自由度。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，且其中的丝杠机构传动精度高，但对使用环境有较高要求，其作为相对较薄弱环节，如在恶劣工况下，使用寿命将受到限制。
发明内容
本发明的目的是为解决上述技术问题，提供了一种新的三移动一转动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，传动机构更加合理巧妙，连接机构更加优化，受力更加均匀，使用寿命长，其工业应用背景更值得期待。
本发明提出的一种三移动一转动的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，连接所述上、下动平台的连接机构和传动机构，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；所述传动机构主要由连杆滑块机构和滑块摇杆机构串联而成，其中，所述连杆滑块机构主要由垂直于上、下动平台平面之间的竖直第一连杆和设置在下动平台上的水平导轨和滑块组成，第一连杆一端通过旋转铰链与上动平台连接，另一端通过旋转铰链与滑块连接，所述的两个旋转铰链轴线平行；所述滑块摇杆机构主要由设置在下动平台平面上由第二连杆与摇杆组成，所述滑块与第二连杆的一端通过旋转铰链连接，第二连杆的另一端与摇杆通过旋转铰链连接，摇杆的另一端固结末端执行器；所述末端执行器由下动平台上的轴承支撑，并可绕轴承的轴线自由旋转。
本发明的工作原理是：四个结构相同的支链可以完成末端执行器的三个移动自由度，且通过由连杆滑块机构和滑块摇杆机构串联的传动机构，巧妙的将上、下平台的相对移动转化成末端执行器的转动自由度，由此可完成该并联机构的三移动一转动的四个自由度。
a)本发明与现有技术相比，其不同点在于：由连杆滑块机构和滑块摇杆机构串联而成的传动机构巧妙合理的将上平台和下平台的相对运动转化成末端执行器的转动自由度，避免了使用相对较薄弱的丝杠传动机构，承载能力提高，使用范围变更广，并能提高整个机构的使用寿命。
b)还可增加齿轮组放大机构，大大改善末端执行器的转动角度范围。
c)动平台分为上动平台和下动平台，两者之间还可通过三组或四组对称布置的四边形连接机构连接，以起支撑作用，其四边形机构的运动轨迹均在其各自平面内，所以该机构结构更加紧凑优越。
d)利用了上述的四边形机构的高刚度特性和过约束特性，有效提高了整个并联机构的稳定性和使用寿命。
附图说明
图1为已有的一种上下伸缩式的四自由度并联机构。
图2为本发明的四自由度双动平台并联机构优选实施例结构示意图。
图3为本发明动平台的实施例1结构示意图。
图4为图3中动平台的传动机构结构示意图。
图5为本发明的动平台另一实施结构示意图。
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-下动平台、9-平面四边形机构、9a-左上杆件、9b-右上杆件、9c-左下杆件、9d-右下杆件、10-转动副、11-第一连杆、12-转动副、13-滑块、14-水平导轨、15-转动副、16-第二连杆、17-末端执行器、18-第一轴承、19-摇杆、20-转动副、21-第二轴承、22-小齿轮、23-大齿轮
具体实施方式
为了能进一步了解本发明的内容和特点，结合附图和优选实施例对本发明作详细说明如下：
本发明提出了一种三转动一移动的四自由度双动平台并联机构的优选实施例，如图2所示，包括定平台1、动平台6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；四个支链结构相同，依次均匀分布且连接所述定平台1和动平台6的外周；每个支链均包括主动连杆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和多个运动副铰链，其中主动连杆3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的首尾通过球铰链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。
上述实施例的动平台6的具体实施方式1如图3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8，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的相对两侧，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8的相对两侧；还包括由均匀布置并连接在所述的上动平台7和下动平台8外周之间的三个或四个平面四边形机构组成的连接机构，以及连接在上动平台7和下动平台8之间的一个传动机构；每个平面四边形机构由四个杆件：左上杆件9a、右上杆件9b、右下杆件9d和左下杆件9c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9a和右上杆件9b之间的旋转铰链固结在上动平台7上，左下杆件9c和右下杆件9d之间的铰链与下动平台8固结，为保证受力相对均匀，此具体实施时的左上杆件9a和右上杆件9b长度可保持一致，以及左下杆件9c和右下杆件9d的长度可保持一致。
上述实施例的动平台6的具体实施方式中的传动机构如图4所示，该传动机构主要由连杆滑块机构和滑块摇杆机构串联而成，其中，所述连杆滑块机构主要由垂直于上、下动平台平面之间的竖直第一连杆11和设置在下动平台上的水平导轨14和滑块13组成，所述的滑块13可在水平导轨14上自由移动，第一连杆11一端通过旋转铰链与上动平台7通过转动副10连接，另一端通过转动副12与滑块13连接，所述的两个转动副轴线平行；所述滑块摇杆机构主要由设置在下动平台8平面上由第二连杆16与摇杆19组成，滑块13与第二连杆16的一端通过转动副15连接，第二连杆16的另一端与摇杆19通过转动副20连接，摇杆19的另一端固结末端执行器17；所述末端执行器17由下动平台8上的第一轴承18支撑，并可绕第一轴承18的轴线自由旋转，该第一轴承18的轴线与所述下动平台8平面内的转动副15和转动副20的轴线平行，与所述的连杆滑块机构中的转动副10和转动副12的轴线垂直；此传动机构可将上平台7和下平台8之间的相对移动转化成末端执行器17的转动，即实现另一转动自由度。
上述实施例的动平台6的具体实施方式中的传动机构的另一种结构如图5所示，此结构与图3所示结构的区别在于：上述传动机构还包括一齿轮组放大机构，其末端执行器17并未直接固结于摇杆19的一端，而是通过齿轮组放大机构进行连接。该齿轮组放大机构具体包括由下动平台8上的第一轴承18支撑的大齿轮23和由第二轴承21支撑的小齿轮22，其中大齿轮23和小齿轮22为啮合关系，末端执行器17固结于小齿轮22上。通过此齿轮组放大机构，可大大改善末端执行器17的转动角度范围。
本实施例中所述的上动平台7和下动平台8的四边形机构9的个数若为四个时，每个与动平台6的中心成90°对称布置；或若为三个时，每个与中心成120°对称布置即可。
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，可将所述的三转动一移动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 (3)
1.一种三移动一转动的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，连接所述上、下动平台的连接机构和传动机构，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；所述传动机构主要由连杆滑块机构和滑块摇杆机构串联而成，其中，所述连杆滑块机构主要由垂直于上、下动平台平面之间的竖直第一连杆和设置在下动平台上的水平导轨和滑块组成，第一连杆一端通过旋转铰链与上动平台连接，另一端通过旋转铰链与滑块连接，所述的两个旋转铰链轴线平行；所述滑块摇杆机构主要由设置在下动平台平面上由第二连杆与摇杆组成，所述滑块与第二连杆的一端通过旋转铰链连接，第二连杆的另一端与摇杆通过旋转铰链连接，摇杆的另一端固结末端执行器；所述末端执行器由下动平台上的轴承支撑，并可绕轴承的轴线自由旋转。
2.如权利要求1所述的机构，其特征在于，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。
3.如权利要求2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。
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