CN102896628A - 一种四自由度全解耦并联机器人机构 - Google Patents

一种四自由度全解耦并联机器人机构 Download PDF

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张彦斌
吴鑫
李一帆
党玉功
张树乾
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Abstract

本发明涉及一种四自由度全解耦并联机器人机构,包括定平台、动平台以及连接定平台和动平台的第一、第二分支运动链,动平台采用台面板,第一分支运动链为混合链,第二分支运动链为单开链;第一分支运动链包括一个闭回路结构、第十一传动臂和设在第十一传动臂上的第十三转动副,闭回路结构由第一、第二和第三子分支运动链组成;本发明动平台可实现二维移动二维转动输出,且非期望输出运动为常数;机构速度雅可比矩阵为4×4对角阵,故所述机构动平台的输出速度与主动关节的输入速度之间存在一一对应控制关系,即动平台的一个运动输出只需一个驱动器控制,大大地减少了各分支运动链之间的相互影响,解决了现有的并联机器人机构的运动学解耦性差的问题。

Description

一种四自由度全解耦并联机器人机构
技术领域
[0001] 本发明涉及机器人领域,尤其是一种四自由度全解耦并联机器人机构。
背景技术
[0002] 并联机器人机构是近几十年来机构学和机器人领域研究的热点之一。相对于串联机构,并联机构具有承载能力强、精度高、刚度大、速度响应快和自重负荷比小等优点。因此,并联机器人机构在工业机器人、并联机床、医疗机器人、微操作机器人等领域具有广阔的应用前景。早期的并联机器人机构研究大多集中于六自由度并联机构,Steward机构是典型的例子。六自由度并联机构具有较高的承载能力,能应用于运动复杂的场合。但此类机构运动学耦合性强,造成机构的有效工作空间相对较小,同时轨迹规划和控制设计也较为困难,且很多领域并不需要机构具有六个自由度。因此,近些年来少自由度并联机器人机构得到了较多的关注。·
[0003] 少自由度并联机器人机构具有结构简单、控制较为容易、制造成本低等特点。三自由度并联机器人机构得到了较多的研究,国际上已有多种三自由度并联机器人机构得到了实际应用,如Delta机构、Star机构、Agile Eye机构等。目前对于四、五自由度并联机器人机构得到的研究则相对较少。我国不少机构学者已设计出诸多新型并联机器人机构,并申请了相关专利,如申请号为:200610151078. 9,200920032890. 9,200710063054. 2,200710057179. 4,201010225502. 6的中国专利。对于一般的并联机器人机构,其运动学耦合性都较强,导致运动学解有多组和工作空间减小,且使得机构轨迹规划和精度控制困难。因此如何设计运动学解耦性好、控制简单的并联机器人机构已成为该领域研究的新课题。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种四自由度全解耦并联机器人机构,以解决现有的并联机器人机构的运动学解耦性差的问题。
[0005] 为了解决上述问题,本发明的一种四自由度全解耦并联机器人机构采用以下技术方案:一种四自由度全解耦并联机器人机构,其特征在于:包括定平台、动平台以及连接定平台和动平台的第一分支运动链和第二分支运动链,动平台采用台面板,第一分支运动链为混合链,第二分支运动链为单开链;
第一分支运动链包括一个闭回路结构、第十一传动臂和设在第十一传动臂上的第十三转动副,闭回路结构由第一子分支运动链、第二子分支运动链和第三子分支运动链组成,第一子分支运动链从定平台至第十一传动臂依次串联有第一移动副、第二移动副及第三转动畐0,第一移动副与第二移动副之间通过第二传动臂连接,第二移动副与第三转动副之间通过第三传动臂连接,第一移动副的轴线、第二移动副的轴线及第三转动副的轴线两两相互垂直,它们分别与xyz坐标系的X轴、Y轴和Z轴对应平行,其中第一移动副为主动副;闭回路结构的第二子分支运动链包括从定平台至第十一传动臂依次串联的第四移动畐O、第五转动副、第六转动副、第七转动副及第八转动副,第四移动副与第五转动副之间通过第四传动臂连接,第五转动副与第六转动副之间通过第五传动臂连接,第六转动副与第七转动副之间通过第六传动臂连接,第七转动副与第八转动副之间通过第七传动臂连接,其中第四移动副的轴线、第五转动副的轴线、第六转动副的轴线以及第七转动副的轴线均相互平行且与第八转动副的转动轴线垂直,第一移动副的轴线与xyz坐标系中的X轴平行,第四移动副与xyz坐标系中的Y轴平行,第八转动副的轴线与第三转动副的轴线共线,其中第四移动副为主动副;
闭回路结构的第三子分支运动链包括从定平台至闭回路结构第十一传动臂依次串联的第九转动副、第十虎克铰、第十一移动副及第十二虎克铰,第九转动副与第十虎克铰之间通过第八传动臂连接,第十虎克铰与第十一移动副之间通过第九传动臂连接,第十一移动副与第十二虎克铰之间通过第十传动臂连接,其中第十虎克铰中与第八传动臂连接的转动轴与第九转动副的轴线垂直,二者中第九转动副的轴线与xyz坐标系的Z轴平行,第十二虎克铰中与第十传动臂连接的转动轴和第十虎克铰中与第九传动臂连接的转动轴互相平行,第十虎克铰中与第八传动臂连接的转动轴和第十二虎克铰中与第十一传动臂连接的转动轴互相平行,其中第九转动副为主动副; 第一子分支运动链的第三转动副、第二子分支运动链的第八转动副以及第三子分支运动链的第十二虎克铰均通过第十一传动臂与第十三转动副连接;第三转动副与第八转动副的轴线共线且与第十三转动副的轴线垂直;第十三转动副与动平台相连;
第二分支运动链包括从所述定平台至动平台依次串联的第十四移动副、第十五转动畐O、第十六转动副、第十七转动副和第十八转动副,第十四移动副与第十五转动副之间通过第十二传动臂连接,第十五转动副与第十六转动副之间通过第十三传动臂连接,第十六转动副与第十七转动副之间通过第十四传动臂连接,第十七转动副与第十八转动副之间通过第十五传动臂连接,第十四移动副、第十五转动副、第十六转动副及第十七转动副的轴线均与xyz坐标系的Z轴平行,第十八转动副的轴线与第十三转动副的轴线互相平行,其中第十四移动副为主动副。
[0006] 由于本发明的四自由度全解耦并联机器人机构的动平台具有所述的第一分支运动链(混合运动链)及第二分支运动链(条单开链),所述的第一移动副、第四移动副、第九转动副和第十四移动副为主动副;第一移动副的轴线、第四移动副的轴线及第九转动副的轴线两两相互垂直,所述第九转动副轴线与第十四移动副轴线相互平行;所述的与动平台相连的第十三转动副和第十八转动副轴线相互平行,因此,本发明动平台可实现二维移动二维转动输出,且非期望输出运动为常数;机构速度雅可比矩阵为4X4对角阵,故所述机构动平台的输出速度与主动关节的输入速度之间存在一一对应控制关系,即动平台的一个运动输出只需一个驱动器控制,大大地减少了各分支运动链之间的相互影响,解决了现有的机器人机构的运动学解耦性差的问题。
附图说明
[0007] 图I是本发明的一种四自由度全解耦并联机器人机构的实施例I的结构示意图。具体实施方式
[0008] 本发明的一种自由度全解耦并联机器人机构的实施例1,如图I所示,包括定平台I、动平台20以及连接定平台I和动平台20的第一分支运动链和第二分支运动链,动平台20采用台面板,第一分支运动链为混合链,第二分支运动链为单开链。
[0009] 第一分支运动链包括一个闭回路结构、第十一传动臂11和设在第十一传动臂11上的第十三转动副R13,闭回路结构由三条子分支运动链组成,此处将其分为第一子分支运动链、第二子分支运动链和第三子分支运动链,第一子分支运动链从定平台I至第十一传动臂11依次串联有第一移动副PU第二移动副P2及第三转动副R3,第一移动副Pl与第二移动副P2之间通过第二传动臂2连接,第二移动副P2与第三转动副R3之间通过第三传动臂3连接,第一移动副Pl的轴线、第二移动副P2的轴线及第三转动副R3的轴线两两相互垂直,它们分别与xyz坐标系的X轴、Y轴和Z轴对应平行,其中第一移动副Pl为主动副。
[0010] 闭回路结构的第二子分支运动链包括从定平台I至第十一传动臂11依次串联的第四移动副P4、第五转动副R5、第六转动副R6、第七转动副R7及第八转动副R8,第四移动副P4与第五转动副R5之间通过第四传动臂4连接,第五转动副R5与第六转动副R6之间通过第五传动臂5连接,第六转动副R6与第七转动副R7之间通过第六传动臂6连接,第七 转动副R7与第八转动副R8之间通过第七传动臂7连接,其中第四移动副P4的轴线、第五转动副R5的轴线、第六转动副R6的轴线以及第七转动副R7的轴线均相互平行且与第八转动副R8的转动轴线垂直,第一移动副Pl的轴线与xyz坐标系中的X轴平行,第四移动副P4与xyz坐标系中的Y轴平行,第八转动副R8的轴线与第三转动副R3的轴线共线,其中第四移动副P4为王动副。
[0011] 闭回路结构的第三子分支运动链包括从定平台I至闭回路结构第十一传动臂11依次串联的第九转动副R9、第十虎克铰U10、第i^一移动副Pll及第十二虎克铰U12,第九转动副R9与第十虎克铰UlO之间通过第八传动臂8连接,第十虎克铰UlO与第i^一移动副Pll之间通过第九传动臂9连接,第十一移动副Pll与第十二虎克铰U12之间通过第十传动臂10连接,其中第十虎克铰UlO中与第八传动臂8连接的转动轴U10-1与第九转动副R9的轴线垂直,二者中第九转动副R9的轴线与xyz坐标系的Z轴平行,第十二虎克铰U12中与第i^一传动臂11连接的转动轴U12-1与转动轴UlO-I互相平行,第十虎克铰UlO中与第九传动臂9连接的转动轴U10-2与第十二虎克铰U12的与第十传动臂10连接的转动轴U12-2互相平行,其中第九转动副R9为主动副。
[0012] 第一子分支运动链的第三转动副R3、第二子分支运动链的第八转动副R8以及第三子分支运动链的第十二虎克铰U12均通过第十一传动臂11与第十三转动副R13连接;第三转动副R3与第八转动副R8的轴线共线且与第十三转动副R13的轴线垂直;第十三转动副R13与动平台20相连。
[0013] 第二分支运动链包括从所述定平台I至动平台20依次串联的第十四移动副P14、第十五转动副R15、第十六转动副R16、第十七转动副R17和第十八转动副R18,第十四移动副P14与第十五转动副R15之间通过第十二传动臂12连接,第十五转动副R15与第十六转动副R16之间通过第十三传动臂13连接,第十六转动副R16与第十七转动副R17之间通过第十四传动臂14连接,第十七转动副R17与第十八转动副R18之间通过第十五传动臂15连接,第十四移动副P14、第十五转动副R15、第十六转动副R16及第十七转动副R17的轴线均与xyz坐标系的Z轴平行,第十八转动副R18的轴线第十三转动副R13的轴线互相平行,其中第十四移动副P14为主动副。[0014] 本发明的四自由度全解耦并联机器人机构在工作过程中,当需要动平台在X方向往复运动时,可通过驱动所述第一移动副来驱动所述动平台,在此过程中,所述的第二子分支运动链、第三子分支运动链及第二分支运动链做适应性运动;当需要所述动平台在Y方向做往复运动时,可通过所述第四移动副来驱动所述动平台,此过程中,所述第一子分支运动链、第三子分支运动链和第二分支运动链做适应性运动;当需要所述动平台绕Z轴转动时,通过第九转动副来驱动所述动平台,与此同时,所述第一子分支运动链、第二子分支运动链及第二分支运动链做适应性运动;当需要所述动平台绕第十三转动副的轴线转动时,可通过第十四移动副驱动所述动平台,最终实现本发明的四自由度全解耦并联机器人机构的“二维移动和二维转动”。由于本发明的一种四自由度全解耦并联机器人机构的动平台具有所述的第一分支运动链(混合链)和第二分支运动链(单开链),所述的第一移动副、第四移动副、第九转动副和第十四移动副为主动副,第一移动副的轴线、第四移动副的轴线及第九转动副的轴线两两相互垂直,所述第九转动副轴线与第十四移动副轴线相互平行;所述第一子分支运动链的第三转动副、第二子分支运动链的第八转动副、第三子分支运动链的第十二虎克铰通过第十一传动臂与第十三转动副连接;所述第三转动副与第八转动副的轴线共线且与第十三转动副的轴线垂直;所述第十三转动副与第十八转动副的轴线相互平行,因此机构动平台可实现二维移动二维转动输出,非期望输出运动为常数;机构雅可比矩 阵为4X4单位阵,故所述机构动平台的输出速度与主动关节的输入速度之间存在一一对应控制关系,即动平台的一个运动输出只需一个驱动器控制,解决了一般并联机器人机构的运动学解耦性差的问题。该机构可作为工业机器人、医疗机器人和微操作机器人的末端执行机构,实现二维移动和二维转动的操作动作。

Claims (1)

1. 一种四自由度全解耦并联机器人机构,其特征在于:包括定平台、动平台以及连接定平台和动平台的第一分支运动链和第二分支运动链,动平台采用台面板,第一分支运动链为混合链,第二分支运动链为单开链; 第一分支运动链包括一个闭回路结构、第十一传动臂和设在第十一传动臂上的第十三转动副,闭回路结构由第一子分支运动链、第二子分支运动链和第三子分支运动链组成,第一子分支运动链从定平台至第十一传动臂依次串联有第一移动副、第二移动副及第三转动畐IJ,第一移动副与第二移动副之间通过第二传动臂连接,第二移动副与第三转动副之间通过第三传动臂连接,第一移动副的轴线、第二移动副的轴线及第三转动副的轴线两两相互垂直,它们分别与xyz坐标系的X轴、Y轴和Z轴对应平行,其中第一移动副为主动副;闭回路结构的第二子分支运动链包括从定平台至第十一传动臂依次串联的第四移动畐O、第五转动副、第六转动副、第七转动副及第八转动副,第四移动副与第五转动副之间通过第四传动臂连接,第五转动副与第六转动副之间通过第五传动臂连接,第六转动副与第七转动副之间通过第六传动臂连接,第七转动副与第八转动副之间通过第七传动臂连接,其中第四移动副的轴线、第五转动副的轴线、第六转动副的轴线以及第七转动副的轴线均相互平行且与第八转动副的转动轴线垂直,第一移动副的轴线与xyz坐标系中的X轴平行,第四移动副与xyz坐标系中的Y轴平行,第八转动副的轴线与第三转动副的轴线共线,其中第四移动副为主动副; 闭回路结构的第三子分支运动链包括从定平台至闭回路结构第十一传动臂依次串联的第九转动副、第十虎克铰、第十一移动副及第十二虎克铰,第九转动副与第十虎克铰之间通过第八传动臂连接,第十虎克铰与第十一移动副之间通过第九传动臂连接,第十一移动副与第十二虎克铰之间通过第十传动臂连接,其中第十虎克铰中与第八传动臂连接的转动轴与第九转动副的轴线垂直,二者中第九转动副的轴线与xyz坐标系的Z轴平行,第十二虎克铰中与第十传动臂连接的转动轴和第十虎克铰中与第九传动臂连接的转动轴互相平行,第十虎克铰中与第八传动臂连接的转动轴和第十二虎克铰中与第十一传动臂连接的转动轴互相平行,其中第九转动副为主动副; 第一子分支运动链的第三转动副、第二子分支运动链的第八转动副以及第三子分支运动链的第十二虎克铰均通过第十一传动臂与第十三转动副连接;第三转动副与第八转动副的轴线共线且与第十三转动副的轴线垂直;第十三转动副与动平台相连; 第二分支运动链包括从所述定平台至动平台依次串联的第十四移动副、第十五转动畐O、第十六转动副、第十七转动副和第十八转动副,第十四移动副与第十五转动副之间通过第十二传动臂连接,第十五转动副与第十六转动副之间通过第十三传动臂连接,第十六转动副与第十七转动副之间通过第十四传动臂连接,第十七转动副与第十八转动副之间通过第十五传动臂连接,第十四移动副、第十五转动副、第十六转动副及第十七转动副的轴线均与xyz坐标系的Z轴平行,第十八转动副的轴线与第十三转动副的轴线互相平行,其中第十四移动副为主动副。
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