CN102848381A - 四支链两维平动和一维转动高速并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四支链两维平动和一维转动高速并联机构，包括固定架、运动平台及对称布置在它们之间的四条结构相同的支链；其中两个相邻运动支链通过两锥齿轮啮合传动，在一驱动装置的驱动作用下，实现动平台作二维平动；运动平台包括一个主平台、两个副平台、两个螺旋齿扇、两个螺旋齿轮和一个末端执行器；末端执行器通过一转轴与主平台转动连接且与两螺旋齿轮同轴固定；两螺旋齿扇分别与两副平台固定连接且与两螺旋齿轮啮合；两副平台与主平台转动连接。在三个驱动装置的驱动作用下，实现末端执行器的平面两维平动和一维转动。本发明结构设计合理，紧凑，刚度和稳定性好；各支链对称布置，受力均匀，运动轻巧，易实现高速抓取，使用寿命较高。

Description

四支链两维平动和一维转动高速并联机构

技术领域

本发明涉及一种并联机器人，特别是涉及一种具有两维平动一维转动自由度的高速并联机构。

背景技术

专利文献US 7090458 B2和ZL 01154160.2公开了一种可实现平面二自由度的并联机构，包括驱动装置、机架、动平台和两对支链。两个伺服电机安装在机架上，动平台通过两个支链与机架连接，形成并联闭环结构。两个支链各含有两个平行四边形机构，分别作为驱动杆组和从动杆组，各运动件之间完全采用转动铰链连接。采用平行四边形支链结构实现动平台的二维平动。上述机构的局限性在于：该机构每条支链各含两组平行四边形机构，结构复杂；各运动构件均在同一平面内或平行于该平面，平面法线方向上的刚度较差。

实际工程中，存在一些场合需要机构动平台在实现二维平动的基础上具有一定的调姿能力，而采用上述机构无法满足这种需求。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题，满足复杂的应用需求，提供一种四支链两维平动和一维转动高速并联机构，具有结构刚性好、使用寿命长且结构简单的特点。

为了解决上述技术问题，本发明四支链两维平动和一维转动高速并联机构予以实现的技术方案是：包括固定架、运动平台及对称布置在所述固定架与运动平台之间的四条结构相同的运动支链a、运动支链b、运动支链c和运动支链d；所述固定架上固接有第一驱动装置、第二驱动装置和第三驱动装置；每个运动支链均分别包括近架杆和两个平行且等长的远架杆；运动支链a中的近架杆的一端与第一驱动装置固接，并固接有第一转轴，该近架杆的另一端固接有第一上连接轴；所述运动支链a中的两个平行且等长的远架杆的同一端分别与所述第一上连接轴球铰接，其另一端分别与所述第一下连接轴球铰接；所述第一上连接轴、所述第一下连接轴与连接在两者之间的两个平行且等长的远架杆形成平行四边形；所述第一驱动装置为与其固接的近架杆提供一个转动或移动自由度；运动支链b中的近架杆的一端固接有第二转轴，该近架杆的另一端固接有第二上连接轴；所述运动支链b中的两个平行且等长的远架杆的同一端分别与第二上连接轴球铰接，其另一端分别与第二下连接轴球铰接；所述第二上连接轴、所述第二下连接轴与连接在两者之间的两个平行且等长的远架杆形成平行四边形；所述第一转轴和所述第二转轴的转动轴线与各自所属支链内的近架杆的转动轴线重合，并汇交于一点；所述第一转轴和第二转轴的端部设有相互啮合的第一锥齿轮和第二锥齿轮，第一锥齿轮和第二锥齿轮结构相同，每个锥齿轮的旋转轴线与所在转轴的轴线重合并汇交于一点；运动支链c中的近架杆的一端与第二驱动装置固接，其另一端固接有第三上连接轴；所述运动支链c中的两个平行且等长的远架杆的同一端分别与第三上连接轴球铰接，其另一端分别第三下连接轴球铰接；所述第三上连接轴、所述第三下连接轴与连接在两者之间的两个平行且等长的远架杆形成平行四边形；运动支链d中的近架杆的一端与第三驱动装置固接，其另一端固接有第四上连接轴；所述运动支链d中的两个平行且等长的远架杆的同一端分别与第四上连接轴球铰接，其另一端分别第四下连接轴球铰接；所述第四上连接轴、所述第四下连接轴与连接在两者之间的两个平行且等长的远架杆形成平行四边形；运动支链a和运动支链b在第一驱动装置的驱动作用和平行四边形的约束作用下，实现所述动平台在运动支链a和运动支链b的对称面内作二维平动；所述运动平台包括一个主平台、第一副平台、第二副平台、第一螺旋齿扇、第二螺旋扇齿、第一螺旋齿轮、第二螺旋齿轮和一个末端执行器；运动支链a和运动支链b分别通过第一下连接轴和第二下连接轴与所述主平台相连，运动支链c通过第三下连接轴与第一副平台相连，运动支链d通过第四下连接轴与第二副平台相连；所述第一副平台通过第三转轴与所述主平台转动连接，所述第一螺旋齿扇固定在所述第三转轴上，所述第二副平台通过第四转轴与所述主平台转动连接，所述第二螺旋齿扇固定在所述第四转轴上，所述主平台的中心通过一转轴与末端执行器连接，所述第一螺旋齿轮与第二螺旋齿轮固定在所述末端执行器的转轴上，所述第一螺旋齿轮与第二螺旋齿轮旋向相反，且分别与所述第一螺旋齿扇和第二螺旋齿扇啮合。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明具有的优点和积极效果是：每条支链互成角度对称布置，加强了对动平台的约束作用，大幅提升机构的侧向刚度。每条支链的平行四边形结构均采用了球铰接方式，消隙方便，从而该机构的定位精度高。动平台采用一主、两副的方式进行布置，两个副平台通过两螺旋齿扇与旋向相反的两螺旋齿轮的啮合作用，将主、副平台之间的相对转动转化为末端执行器的旋转运动，其结构的刚度和稳定性较好，运动灵活，受力均匀，使用寿命长，易实现高速抓取，且满足复杂抓放操作的需要。

附图说明

图1为本发明四支链两维平动和一维转动高速并联机构的整体结构示意图；

图2为本发明中运动平台的主体结构示意图；

图3为图2中所示螺旋齿扇与螺旋齿轮啮合示意图。

图中：

1a、1b、1c-驱动装置        2-固定架          3a、3b、3c、3d-近架杆

4a、4b、4c、4d-上连接轴    5a～5d-远架杆     6a-第一转轴

6b-第二转轴                7a-第一锥齿轮     7b-第二锥齿轮

8-运动平台                 9a、9b、9c、9d-下连接轴

10-第一副平台              11-第二副平台     13-主平台

14-第一螺旋齿扇            15-第二螺旋齿扇   16-第三转轴

17-第四转轴                18-末端执行器     19-转轴

20-第一螺旋齿轮            21-第二螺旋齿轮

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如图1所示，本发明一种四支链两平一转高速并联机构，包括固定架2、运动平台8及对称布置在所述固定架2与运动平台8之间的四条结构相同的运动支链a、运动支链b、运动支链c和运动支链d；所述固定架2上固接有第一驱动装置1a、第二驱动装置1c和第三驱动装置1d；每个运动支链均分别包括近架杆和两个平行且等长的远架杆。

运动支链a中的近架杆3a的一端与第一驱动装置1a固接，并固接有第一转轴6a，该近架杆3a的另一端固接有第一上连接轴4a；所述运动支链a中的两个平行且等长的远架杆的同一端分别与所述第一上连接轴4a球铰接，其另一端分别与所述第一下连接轴9a球铰接；所述第一上连接轴4a、所述第一下连接轴9a与连接在两者之间的两个平行且等长的远架杆形成平行四边形；所述第一驱动装置1a为与其固接的近架杆3a提供一个转动或移动自由度。

运动支链b中的近架杆3b的一端固接有第二转轴6b，该近架杆3b的另一端固接有第二上连接轴4b；所述运动支链b中的两个平行且等长的远架杆的同一端分别与第二上连接轴4b球铰接，其另一端分别与第二下连接轴9b球铰接；所述第二上连接轴4b、所述第二下连接轴9b与连接在两者之间的两个平行且等长的远架杆形成平行四边形。

所述第一转轴6a和所述第二转轴6b的转动轴线与各自所属支链内的近架杆的转动轴线重合，并汇交于一点；所述第一转轴6a和第二转轴6b的端部设有相互啮合的第一锥齿轮7a和第二锥齿轮7b，第一锥齿轮7a和第二锥齿轮7b结构相同，每个锥齿轮的旋转轴线与所在转轴的轴线重合并汇交于一点。所述运动支链a与运动支链b通过第一锥齿轮7a和第二锥齿轮7b的啮合传动作用，使得第一驱动装置1a在驱动运动支链a时，运动支链b将产生等大同向运动；同时，由于运动支链a和运动支链b中的平行四边形结构共同对所述主平台13的姿态产生约束作用，限制了所述主平台13仅在运动支链a和运动支链b的对称面内作二维平动。

运动支链c中的近架杆3c的一端与第二驱动装置1c固接，所述第二驱动装置1c为与其固接的近架杆3c提供一个转动或移动自由度；所述近架杆3c的另一端固接有第三上连接轴4c；所述运动支链c中的两个平行且等长的远架杆的同一端分别与第三上连接轴4c球铰接，其另一端分别第三下连接轴9c球铰接。

运动支链d中的近架杆3d的一端与第三驱动装置1d固接，所述第一驱动装置1d为与其固接的近架杆3d提供一个转动或移动自由度；所述近架杆3d的另一端固接有第四上连接轴4d；所述运动支链d中的两个平行且等长的远架杆的同一端分别与第四上连接轴4d球铰接，其另一端分别第四下连接轴9d球铰接。

如图2和图3所示，所述运动平台8包括一个主平台13、第一副平台10、第二副平台11、第一螺旋齿扇14、第二螺旋扇齿15、第一螺旋齿轮20、第二螺旋齿轮21和一个末端执行器18；运动支链a和运动支链b分别通过第一下连接轴9a和第二下连接轴9b与所述主平台13相连，运动支链c通过第三下连接轴9c与第一副平台10相连，运动支链d通过第四下连接轴9d与第二副平台11相连；所述第一副平台10通过第三转轴16与所述主平台13转动连接，所述第一螺旋齿扇14固定在所述第三转轴16上，所述第二副平台11通过第四转轴17与所述主平台13转动连接，所述第二螺旋齿扇15固定在所述第四转轴17上，所述主平台13的中心通过一转轴19与末端执行器连接，所述第一螺旋齿轮20与第二螺旋齿轮21固定在所述末端执行器的转轴19上，所述第一螺旋齿轮20与第二螺旋齿轮21旋向相反，且分别与所述第一螺旋齿扇14和第二螺旋齿扇15啮合。在三个驱动装置1a、1c、1d的驱动作用下，四个运动支链a、b、c、d将运动传递至动平台8，第一副平台10与第二副平台11可产生相对于主平台13的转动，从而带动两个螺旋齿扇14、15转动，进而再通过与两个螺旋齿轮的啮合作用带动转轴19和末端执行器18产生转动。

本发明与现有技术相比，其不同点在于：

(1)在两条支链的近架杆上分别固定安装一对相互啮合的齿轮，利用齿轮啮合作用传递两条支链的运动，结合两支链中所含的平行四边形结构的约束作用，使得动平台仅在两支链的对称平面内产生二维平动，且使该机构在垂直于动平台的运动方向上刚性较高。

(2)动平台由一主、两副三个平台组成，主平台与两副平台间通过两转轴分别与主平台转动连接，每个转轴上固定安装一螺旋齿扇，在与主平台转动连接的转轴上安装两旋向相反的螺旋齿轮，分别与两螺旋齿扇啮合连接，当两个副平台旋转方向相反时，螺旋齿轮与齿扇的啮合作用可使转轴及末端执行器产生一维转动。

本发明结构设计合理，紧凑，刚度和稳定性好；各支链对称布置，受力均匀，运动轻巧，易实现高速抓取，使用寿命较高。

尽管上面的描述和附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种四支链两维平动和一维转动高速并联机构，包括固定架(2)、运动平台(8)及对称布置在所述固定架(2)与运动平台(8)之间的四条结构相同的运动支链a、运动支链b、运动支链c和运动支链d；所述固定架(2)上固接有第一驱动装置(1a)、第二驱动装置(1c)和第三驱动装置(1d)；每个运动支链均分别包括近架杆和两个平行且等长的远架杆；其特征在于，

运动支链a中的近架杆(3a)的一端与第一驱动装置(1a)固接，并固接有第一转轴(6a)，该近架杆(3a)的另一端固接有第一上连接轴(4a)；所述运动支链a中的两个平行且等长的远架杆的同一端分别与所述第一上连接轴(4a)球铰接，其另一端分别与所述第一下连接轴(9a)球铰接；所述第一上连接轴(4a)、所述第一下连接轴(9a)与连接在两者之间的两个平行且等长的远架杆形成平行四边形；所述第一驱动装置(1a)为与其固接的近架杆(3a)提供一个转动或移动自由度；

运动支链b中的近架杆(3b)的一端固接有第二转轴(6b)，该近架杆(3b)的另一端固接有第二上连接轴(4b)；所述运动支链b中的两个平行且等长的远架杆的同一端分别与第二上连接轴(4b)球铰接，其另一端分别与第二下连接轴(9b)球铰接；所述第二上连接轴(4b)、所述第二下连接轴(9b)与连接在两者之间的两个平行且等长的远架杆形成平行四边形；

所述第一转轴(6a)和所述第二转轴(6b)的转动轴线与各自所属支链内的近架杆的转动轴线重合，并汇交于一点；所述第一转轴(6a)和第二转轴(6b)的端部设有相互啮合的第一锥齿轮(7a)和第二锥齿轮(7b)，第一锥齿轮(7a)和第二锥齿轮(7b)结构相同，每个锥齿轮的旋转轴线与所在转轴的轴线重合并汇交于一点；

运动支链c中的近架杆的一端与第二驱动装置(1c)固接，其另一端固接有第三上连接轴(4c)；所述运动支链c中的两个平行且等长的远架杆的同一端分别与第三上连接轴(4c)球铰接，其另一端分别第三下连接轴(9c)球铰接；所述第三上连接轴(4c)、所述第三下连接轴(9c)与连接在两者之间的两个平行且等长的远架杆形成平行四边形；

运动支链d中的近架杆的一端与第三驱动装置(1d)固接，其另一端固接有第四上连接轴(4d)；所述运动支链d中的两个平行且等长的远架杆的同一端分别与第四上连接轴(4d)球铰接，其另一端分别第四下连接轴(9d)球铰接；所述第四上连接轴(4d)、所述第四下连接轴(9d)与连接在两者之间的两个平行且等长的远架杆形成平行四边形；

运动支链a和运动支链b在第一驱动装置(1a)的驱动和平行四边形的约束作用下，实现所述动平台(8)在运动支链a和运动支链b的对称面内作二维平动；

所述运动平台(8)包括一个主平台(13)、第一副平台(10)、第二副平台(11)、第一螺旋齿扇(14)、第二螺旋扇齿(15)、第一螺旋齿轮(20)、第二螺旋齿轮(21)和一个末端执行器(18)；运动支链a和运动支链b分别通过第一下连接轴(9a)和第二下连接轴(9b)与所述主平台(13)相连，运动支链c通过第三下连接轴(9c)与第一副平台(10)相连，运动支链d通过第四下连接轴(9d)与第二副平台(11)相连；所述第一副平台(10)通过第三转轴(16)与所述主平台(13)转动连接，所述第一螺旋齿扇(14)固定在所述第三转轴(16)上，所述第二副平台(11)通过第四转轴(17)与所述主平台(13)转动连接，所述第二螺旋齿扇(15)固定在所述第四转轴(17)上，所述主平台(13)的中心通过一转轴(19)与末端执行器连接，所述第一螺旋齿轮(20)与第二螺旋齿轮(21)固定在所述末端执行器的转轴(19)上，所述第一螺旋齿轮(20)与第二螺旋齿轮(21)旋向相反，且分别与所述第一螺旋齿扇(14)和第二螺旋齿扇(15)啮合。

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