CN102848376A

CN102848376A - 被动铰为虎克铰的二自由度平动并联机构

Info

Publication number: CN102848376A
Application number: CN2012103557200A
Authority: CN
Inventors: 彭斌彬; 李增明; 孙宇; 武凯; 王栓虎; 丁武学
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2032-09-21
Also published as: CN102848376B

Abstract

本发明公开了一种被动铰为虎克铰的二自由度平移运动并联机构。该并联机器人机构由运动平台、固定平台和两对导轨，以及并联连接在固定平台与运动平台之间的两条运动支链组成；每条运动支链由一条或两条子约束支链与运动滑块串联连接而成，而运动滑块直接与导轨相连，每个子约束支链分别由虎克铰、连杆和虎克铰串接而成且并联连接在运动平台和运动滑块之间。本发明的二自由度平移运动并联机构结构简单，无过约束结构；同时被动铰为虎克铰，改善了连杆的受力状态，提高了该机构的侧向刚度。

Description

被动铰为虎克铰的二自由度平动并联机构

技术领域

本发明属于并联机器人领域，特别是一种被动铰为虎克铰的二自由度平动并联机构。

背景技术

并联机构是由多个分支链并行连接于固定平台和动平台所形成的闭环运动系统，其驱动电机安装在固定平台上，减少了运动部件的质量。与传统的串联机构相比，并联机构具有以下优点：承载能力强、刚度质量比高、误差小、易于实现结构紧凑、高速运动、模块化设计。

二自由度平动并联机构属于少自由度并联机构中的一种，由于运动自由度少，需要约束的自由度多，使得运动支链的设计比较困难。目前出现的二自由度平动并联机构多采用平行四边形机构来实现，从结构的布置上看，这种机构可分为两类。一类是平行四边形机构交叉布置，如CN101804629A；另一类是平行四边形机构不交叉布置，如CN1589191A、CN1715009A、CN1628939A、CN2693426Y和CN2741730Y。除了以上平行四边形机构外，CN101161428A提出了一种含被动约束支链的二自由度平动并联机构，该机构通过伸缩杆连接一个被动移动副完成二自由度平移运动；CN1715009A提出的二自由度平动并联机构通过四个移动副形成约束，其中两个主动移动副轴线垂直布置，从动移动副的轴线也垂直布置，实现无条件解耦运动。总之，以上所提到的二自由度平动并联机构具有一个共同的特点，就是所含的转动副轴线都垂直于运动平面，移动副轴线都在运动平面内，因此这些机构在垂直于运动平面方向的刚度(侧向刚度)不高。在实际工作过程中，二自由度平动并联机构所承受的载荷都是空间的，也就是说动平台的各个方向都受到外载荷的作用，因此这些机构不能满足运动过程中对侧向刚度的要求。为了改善二自由度平动并联机构的侧向刚度，CN101224578A、CN101224577A提出的二自由度平动并联机构通过虎克铰的布置形成空间约束，改善了支链的受力状况，提高了机构的侧向承载能力及刚度，但是存在过约束，结构比较复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、侧向刚度高的二自由度平动并联机器人机构，该机构采用虎克铰作为被动铰，改善了机构的受力状况，提高了机构的刚度，尤其是侧向刚度。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种被动铰为虎克铰的二自由度平动并联机构，包括运动平台、固定平台和第一、二对导轨，以及并联连接在固定平台与运动平台之间的两条运动支链；固定平台保持不动，第一、二对导轨设置在固定平台上，第一对导轨上设置第一运动滑块，第二对导轨上设置第二运动滑块，该两条运动支链中第一条运动支链为复合支链，该第一条运动支链由两个子约束支链分别与第一运动滑块串联连接而成，该两个子约束支链并联连接在运动平台和第一运动滑块之间，其中一个子约束支链在第一对导轨轴线一侧设置，另一个子约束支链设置在第一对导轨轴线的另一侧；第二条运动支链为单支链或复合支链，第二条运动支链的单支链由一个子约束支链和第二运动滑块串联连接而成，该子约束支链连接在运动平台和第二运动滑块之间，或者第二条运动支链的复合支链由两个子约束支链分别与第二运动滑块串联连接而成，该两个子约束支链并联连接在运动平台和第二运动滑块之间，其中一个子约束支链在第二对导轨轴线一侧设置，另一个子约束支链设置在第二对导轨轴线的另一侧；所述的每个子约束支链分别由虎克铰、连杆、虎克铰串联组成，运动平台、运动滑块与子约束支链中的虎克铰连接，子约束支链中与连杆两端相连的虎克铰的转动副轴线相互平行。

本发明与现有技术相比，其显著优点：本发明的二自由度平动并联机构没有采用平行四边形结构，而是通过虎克铰的运动约束及其轴线的交错布置，形成空间约束来实现二自由度的平移运动，不仅能提高机构的侧向刚度，而且减少了机构约束支链的数量。该机构具有结构简单可靠、侧向刚度高、易于控制及制造成本低等优点。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例1的二自由度平动并联机构总结构示意图。

图2为本发明实施例2的二自由度平动并联机构总结构示意图。

图3为本发明实施例3的二自由度平动并联机构总结构示意图。

图4为本发明实施例4的二自由度平动并联机构总结构示意图。

具体实施方式

结合图1，本发明被动铰为虎克铰的二自由度平动并联机构，包括运动平台7、固定平台1和第一、二对导轨21、22，以及并联连接在固定平台1与运动平台7之间的两条运动支链。固定平台1保持不动，第一、二对导轨21、22设置在固定平台1上，第一对导轨21上设置第一运动滑块31，第二对导轨22上设置第二运动滑块32；该两条运动支链中第一条运动支链为复合支链，该第一条运动支链的复合支链由两个子约束支链分别与第一运动滑块31串联连接而成，该两个子约束支链并联连接在运动平台7和第一运动滑块31之间，其中一个子约束支链在第一对导轨21轴线一侧设置，另一个子约束支链设置在第一对导轨21轴线的另一侧；第二条运动支链为单支链或复合支链，第二条运动支链的单支链由一个子约束支链和第二运动滑块32串联连接而成，该子约束支链连接在运动平台7和第二运动滑块32之间，或者第二条运动支链的复合支链由两个子约束支链分别与第二运动滑块32串联连接而成，该两个子约束支链并联连接在运动平台7和第二运动滑块32之间，其中一个子约束支链在第二对导轨22轴线一侧设置，另一个子约束支链设置在第二对导轨22轴线的另一侧；所述的每个子约束支链分别由虎克铰、连杆、虎克铰串联组成，运动平台7、运动滑块与子约束支链中的虎克铰连接，子约束支链中与连杆两端相连的虎克铰的转动副轴线相互平行。

本发明的复合支链中连杆的长度相等，与运动滑块相连的两个虎克铰的转动副轴线相交于一点，与运动平台7相连的两个虎克铰的转动副轴线也相交于一点；复合支链中与运动平台7相连的两虎克铰的中心点之间的距离小于与运动滑块相连的两虎克铰的中心点之间的距离。

本发明设置在固定平台1上的第一、二对导轨21、22的轴线重合或平行布置，通过驱动第一、二运动滑块31、32可使运动平台7实现二自由度平移运动。

实施例1

本发明二自由度平动并联机构的总结构如图1所示，除了具有上述结构特点外，第一条运动支链的复合支链包括第一运动滑块31、第一、第二子约束支链，该第一、第二子约束支链并接于该第一运动滑块31和运动平台7之间，第二条运动支链的单支链包括第二运动滑块32和第三子约束支链，第一运动滑块31设置在第一导轨21，第二运动滑块32设置在第二导轨22上；所述的第一子约束支链由第一虎克铰41、第一连杆51与第四虎克铰61串联连接而成，所述的第二子约束支链由第二虎克铰42、第二连杆52和第五虎克铰62串联连接而成；第一子约束支链和第二子支链并联连接在第一运动滑块31和运动平台7之间，分别通过第一、二虎克铰41、42与第一运动滑块31连接，分别通过第四、第五虎克铰61、62与运动平台7连接；第一子约束支链和第二子支链设置在第一导轨21轴线两侧，两子支链中的第一连杆51和第二连杆52等长；所述的第三子约束支链分别由第三虎克铰43、第三连杆53和第六虎克铰63串联连接而成，第三子约束支链分别通过第三、六虎克铰43、63与第二运动滑块32和运动平台7相连接，分别与第一、二、三连杆51、52、53两端相连的第一、二、三、四、五、六虎克铰41、61、42、62、43、63转动副轴线相互平行。

在第一子约束支链和第二子约束支链中，与第一运动滑块31相连的第一、二虎克铰41、42的转动副轴线相交于一点，与运动平台7相连的第四、五虎克铰61、62的转动副轴线也相交于一点；与运动平台7相连的第五、六两虎克铰62、63的中心之间的距离小于与第二运动滑块32相连的第二、三虎克铰42、43的中心之间的距离，当驱动第一、二运动滑块31、32时，运动平台7可作两自由度平面平移运动。设置在定平台1上的第一、二对导轨21、22的轴线重合，因此第一、二运动滑块31、32的运动方向重合。

实施例2

本发明二自由度平动并联机构的总结构如图2所示，除了具有实施例1的特点外，设置在固定平台1上的第一、二对导轨21、22的轴线平行布置，因此第一、二运动滑块31、32的运动方向相互平行。

实施例3

本发明二自由度平动并联机构的总结构如图3所示，该机构与实施例1机构的区别在于并联连接固定平台1和动平台7的两条运动支链都是复合支链，该两条复合支链的结构布置方式与实施例1的复合支链完全相同，其中由第三虎克铰43、第三连杆53和第六虎克铰63串联连接的子支链相当于实施例1中复合支链的第二子约束支链，由第四虎克铰44、第四连杆54和第七虎克铰64串联连接的子支链相当于实施例1中复合支链的第一子约束支链。

实施例4

本发明二自由度平动并联机构的总结构如图4所示，其结构与实施例3机构的结构相同，唯一不同的是第一、二对导轨21、22的布置方式，第一、二对导轨21、22的轴线平行布置在固定平台1上。

Claims

1.一种被动铰为虎克铰的二自由度平动并联机构，其特征在于：包括运动平台（7）、固定平台（1）和第一、二对导轨（21、22），以及并联连接在固定平台（1）与运动平台（7）之间的两条运动支链；固定平台（1）保持不动，第一、二对导轨（21、22）设置在固定平台（1）上，第一对导轨（21）上设置第一运动滑块（31），第二对导轨（22）上设置第二运动滑块（32），该两条运动支链中第一条运动支链为复合支链，该第一条运动支链由两个子约束支链分别与第一运动滑块（31）串联连接而成，该两个子约束支链并联连接在运动平台（7）和第一运动滑块（31）之间，其中一个子约束支链在第一对导轨（21）轴线一侧设置，另一个子约束支链设置在第一对导轨（21）轴线的另一侧；第二条运动支链为单支链或复合支链，第二条运动支链的单支链由一个子约束支链和第二运动滑块（32）串联连接而成，该子约束支链连接在运动平台（7）和第二运动滑块（32）之间，或者第二条运动支链的复合支链由两个子约束支链分别与第二运动滑块（32）串联连接而成，该两个子约束支链并联连接在运动平台（7）和第二运动滑块（32）之间，其中一个子约束支链在第二对导轨（22）轴线一侧设置，另一个子约束支链设置在第二对导轨（22）轴线的另一侧；所述的每个子约束支链分别由虎克铰、连杆、虎克铰串联组成，运动平台（7）、运动滑块与子约束支链中的虎克铰连接，子约束支链中与连杆两端相连的虎克铰的转动副轴线相互平行。

2.根据权利要求1所述的被动铰为虎克铰的二自由度平动并联机构，其特征在于：复合支链中连杆的长度相等，与运动滑块相连的两个虎克铰的转动副轴线相交于一点，与运动平台（7）相连的两个虎克铰的转动副轴线也相交于一点；复合支链中与运动平台（7）相连的两虎克铰的中心点之间的距离小于与运动滑块相连的两虎克铰的中心点之间的距离。

3.根据权利要求1所述的被动铰为虎克铰的二自由度平动并联机构，其特征在于：设置在固定平台（1）上的第一、二对导轨（21、22）的轴线重合或平行布置，通过驱动第一、二运动滑块（31、32）可使运动平台（7）实现二自由度平移运动。