CN102848382B - 三维平动一维转动高速并联机械手 - Google Patents

三维平动一维转动高速并联机械手 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维平动一维转动高速并联机械手，包括固定架、动平台以及对称布置在所述固定架与动平台之间的四条结构相同的支链；所述固定架上固接有四个驱动装置；所述动平台包括四个齿轮柄、四个斜齿扇、两个斜齿轮、一个基座和一个末端执行器；所述末端执行器与所述基座转动铰接，两个斜齿轮旋向相反并与所述末端执行器同轴固定，四个齿轮柄相互之间呈90°设置且分别通过一转轴与所述基座转动连接，每个斜齿扇分别与其中一齿轮柄上的转轴固接，相对布置的两对斜齿扇与两个斜齿轮分别啮合；由于斜齿扇与旋向相反的斜齿轮间的啮合约束作用，当各驱动装置驱动相对应的支链运动时，可实现基座的三维平动和末端执行器相对基座的转动。

Description

三维平动一维转动高速并联机械手
技术领域
本发明涉及一种机器人，特别是涉及一种机器人的具有空间三平动一转动的高速并联机械手。
背景技术
专利文献US20090019960和EP1084802公开了一种可实现三维平动一维转动的并联机构，包括四个主动支链和一个动平台，每条支链包括近架杆和远架杆两部分。其中近架杆一端相对于固定机架仅具有一个移动或转动自由度，另一端通过仅具有两个回转自由度的铰链与远架杆的一端连接；远架杆另一端通过仅具有两个回转自由度的铰链与动平台连接，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。上述机构的局限性在于：该机构动平台受驱动的部件只有两个，这两个部件相当于平行四边形的一组对边，这样的驱动方式不灵活，受力情况不均匀，不利于机构的顺畅运行。
专利文献201010212312.0公开了一种可实现高速运动的三维平动一维转动并联机构，包括固定架、动平台以及对称布置在所述固定架与动平台之间的四条结构相同的支链；所述固定架上固接有驱动端；所述动平台上固接有下连接轴；每条支链包括近架杆和两个平行的远架杆，所述近架杆一端与所述驱动端固接，另一端固接有上连接轴；所述两个平行的远架杆一端分别与所述上连接轴的两端球铰接，另一端分别与所述下连接轴球铰接；所述动平台包括水平布置的上平台和下平台，沿所述上平台和下平台竖直中心线方向利用导套和导向套构成的移动副，利用所述螺旋副或通过所述移动副内部布置的转向机构均可将上、下平台的移动转化为绕丝杠轴线的转动。上述机构的局限在于：动平台分为上、下平台两个部分，所有的下连接轴不在同一个平面内，且使用移动副作为导向机构，在运动时会出现受力不均匀，摩擦力较大的等不足，因此会导致力传递效果差，机构的运动不顺畅，使用寿命低等问题。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种三维平动一维转动高速并联机械手。本发明具有动平台力传递效果好，使用寿命长的特点。
为了解决上述技术问题，本发明三维平动一维转动高速并联机械手予以实现的技术方案是：包括固定架、动平台以及对称布置在所述固定架与动平台之间的四条结构相同的支链；所述固定架上固接有四个驱动装置，每条支链包括近架杆和两个平行且等长的远架杆，所述近架杆的一端与其中一个驱动装置的输出端固接，所述近架杆的另一端固接有上连接轴，所述两个平行且等长的远架杆同侧的一端分别与所述上连接轴球铰接，所述两个平行且等长的远架杆的另一端分别与所述动平台上的下连接轴球铰接，每条支链上的所述下连接轴、所述上连接轴和所述两个平行且等长的远架杆构成一平行四边形结构；所述动平台包括四个齿轮柄、四个斜齿扇、两个斜齿轮、一个基座和一个末端执行器；所述末端执行器与所述基座转动铰接，两个斜齿轮旋向相反并与所述末端执行器同轴固定，四个齿轮柄相互之间90°布置且分别通过一转轴与所述基座转动连接，每个斜齿扇分别与相应齿轮柄上的转轴固结，相对布置的两对斜齿扇与两个斜齿轮分别啮合；每条支链的下连接轴分别固定安装在其中一齿轮柄上；由于斜齿扇与斜齿轮间的啮合作用以及两旋向相反斜齿轮所产生的约束作用，当各驱动装置驱动相对应的支链运动时，可实现基座的三维平动和末端执行器相对基座的转动。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的动平台结构中采用了斜齿轮与斜齿扇的啮合传动结构，使得动平台整体结构简单、紧凑，尺寸较小，结构刚性好，传动结构对称布置在基座的四周、受力均匀，运动精度高。
由于，本发明的动平台中不含产生相对移动的主、副(上、下)平台，均为转动副连接，因此，受力状况良好，摩擦力小，使用寿命长，动平台为整体框架结构，刚性和稳定性好，易实现高速抓取，且满足复杂抓放操作的要求。
附图说明
图1为本发明三维平动一维转动高速并联机械手的整体结构示意图；
图2为本发明中动平台结构示意图；
图3为图2所示动平台中斜齿扇与斜齿轮的啮合示意图。
图中：
1-驱动装置         2-固定架         3-近架杆
4-上连接轴         5a、5b-远架杆    6-下连接轴
7-动平台           8a～8d-齿轮柄    9a～9d-斜齿扇
10a、10b-斜齿轮    11-基座          12-末端执行器
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，本发明一种三维平动一维转动高速并联机械手，包括固定架2、动平台7以及对称布置在所述固定架2与动平台7之间的四条结构相同的支链；所述固定架2上固接有四个驱动装置1，每条支链包括近架杆3和两个平行且等长的远架杆5a、5b，所述近架杆3的一端与其中一个驱动装置1的输出端固接，所述近架杆3的另一端固接有上连接轴4，所述两个平行且等长的远架杆5a、5b同侧的一端分别与所述上连接轴4球铰接，所述两个平行且等长的远架杆5a、5b的另一端分别与所述动平台7上的下连接轴6球铰接，每条支链上的所述下连接轴6、所述上连接轴4和所述两个平行且等长的远架杆5a、5b构成一平行四边形结构；
如图2和图3所示，所述动平台7包括四个齿轮柄8a、8b、8c、8d，四个斜齿扇9a、9b、9c、9d，两个斜齿轮10a、10b，一个基座11和一个末端执行器12。所述末端执行器12与所述基座11转动铰接，两个斜齿轮10a、10b的旋向相反并与所述末端执行器12同轴固定，四个齿轮柄8a、8b、8c、8d相互之间呈90°布置且分别通过一转轴与所述基座11转动连接，每个斜齿扇分别与相应齿轮柄上的转轴固结，相对布置的两对斜齿扇与两个斜齿轮分别啮合，如图3所示，一对相对布置的斜齿扇9a、9b与同轴的固定在末端执行器12上的(左旋)斜齿轮10相啮合，另外一对相对布置的斜齿扇9c、9d与同轴的固定在末端执行器12上的(右旋)斜齿轮10b相啮合；每条支链的下连接轴6分别固定安装在其中一齿轮柄上；由于各支链中平行四边形结构对基座11的约束作用以及相对布置的两个齿轮柄(8a、8b或8c、8d)分别与两个旋向相反的两个斜齿轮10a、10b的啮合作用，因此，当各驱动装置驱动相对应的支链运动时，可实现基座11的三维平动和末端执行器12相对基座11的转动。
本发明与现有技术相比，其不同点在于：
(1)本发明中的动平台7上采用了两对斜齿扇(9a、9b，9c、9d)分别与两个旋向相反的斜齿轮10a、10b相啮合的结构，用以产生末端执行器相对于基座的一维转动。
(2)在动平台7上设置了分别与四个斜齿扇9a～9d固接的四个齿轮柄8a～8d，而且四个齿轮柄8a～8d与动平台中的基座转动铰接。因此，在各自驱动装置对相应支链的驱动作用下，四个齿轮柄8a～8d产生相对于基座11的转动运动。
本发明设计巧妙独特，具有如下优点：动平台结构简单、传力特性好，传动精度较高，使用寿命长；四周对称布置斜齿轮与斜齿扇的啮合结构使整体动平台结构紧凑，体积较小，轻巧灵便；机械手整机刚性高，易实现高速平稳运动，可满足复杂抓放操作的要求。
尽管上面结合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的具体实施方式，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)

1.一种三维平动一维转动高速并联机械手，包括固定架(2)、动平台(7)以及对称布置在所述固定架(2)与动平台(7)之间的四条结构相同的支链；所述固定架(2)上固接有四个驱动装置(1)；
每条支链包括近架杆(3)和两个平行且等长的远架杆(5a、5b)，所述近架杆(3)的一端与其中一个驱动装置(1)的输出端固接，所述近架杆(3)的另一端固接有上连接轴(4)，所述两个平行且等长的远架杆(5a、5b)同侧的一端分别与所述上连接轴(4)球铰接，所述两个平行且等长的远架杆(5a、5b)的另一端分别与所述动平台(7)上的下连接轴(6)球铰接，每条支链上的所述下连接轴(6)、所述上连接轴(4)和所述两个平行且等长的远架杆(5a、5b)构成一平行四边形结构；
其特征在于，
所述动平台(7)包括四个齿轮柄(8a、8b、8c、8d)，四个斜齿扇(9a、9b、9c、9d)、两个斜齿轮(10a和10b)、一个基座(11)和一个末端执行器(12)；所述末端执行器(12)与所述基座(11)转动铰接，两个斜齿轮旋向相反并与所述末端执行器(12)同轴固定，四个齿轮柄(8a、8b、8c、8d)相互之间90°布置且分别通过一转轴与所述基座(11)转动连接，
每个斜齿扇分别与相应一齿轮柄上的转轴固接，相对布置的两对斜齿扇与两个斜齿轮分别啮合；每条支链的下连接轴(6)分别固定安装在其中一齿轮柄上；由于各支链中平行四边形结构对基座11的约束作用和两对斜齿扇与两旋向相反的斜齿轮间的啮合作用，当各驱动装置驱动相对应的支链运动时，可实现基座(11)的三维平动和末端执行器(12)相对基座(11)的转动。
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