CN102922512A

CN102922512A - 一种可实现三平动一转动的四自由度单动平台并联机构

Info

Publication number: CN102922512A
Application number: CN2012104344822A
Authority: CN
Inventors: 谢福贵; 刘辛军; 王立平; 尤政
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2012-11-02
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2013-02-13

Abstract

本发明涉及一种可实现三平动一转动的四自由度单平台并联机构，属于工业机器人技术领域。包括一个安装执行器的动平台和定平台，连接所述动平台和定平台之间的具有相同结构的第一、第二、第三和第四支链，该第一、第二、第三和第四支链均含有一个主动驱动的运动副；所述第一、第二、第三和第四支链分别与定平台以及动平台连接形成一个并联闭环机构，该并联闭环机构通过四个输入运动驱动动平台运动，实现空间内的三维平动和一维转动运动。该并联机构具有单平台的结构特征，结构简洁、运动学简单，有利于实现高速运动。

Description

一种可实现三平动一转动的四自由度单动平台并联机构

技术领域

本发明属于工业机器人领域，特别涉及一种能够实现高速运动的四自由度单平台并联机构。

背景技术

在工业机器人领域，能够实现具有选择顺应性的装配机器人手臂(Selective ComplianceAssembly Robot Arm，SCARA)运动的机械手在自动搬运、喷涂、焊接以及装配等工业领域得到了广泛应用。SCARA运动一般是指空间的三维平动和一维转动，且转动轴线垂直于水平面，机械手在水平面内具有良好的顺应性，在垂直于水平面方向上具有良好的刚性。这种机器人手臂最早通过串联机构实现。串联机构与并联机构是一对相对概念，与串联机构的单开环支链结构不同，并联机构是由多个支链构成的闭环机构，这种独特的结构使得该类机构具有更高的动态响应性能，更容易实现高速高加速度运动，更适用于上述工业应用领域。

在并联机构领域内，Clavel提出了由三条对称支链构成的Delta并联机构，后被ABB公司推广并应用于食品包装等生产线中代替人工完成食品等的快速分拣操作。该机构可实现空间内的三维平动，并具有高速运动特性，一度在学术界和工业界引起强烈反响。但该机构在分拣生产线应用时需添加一旋转自由度以解决分拣生产线输送产品的杂乱无章排列对机械手转动灵活性的需求。为了进一步增加拾取动作的柔性并提高效率，Pierrot等提出了具有四支链、双动平台结构特征的可实现SCARA运动的H4型并联机构，并将其成功商业化，基于H4机构开发的典型的产品如Adept Quattro^TM S650H等。H4型并联机构继承了Delta机构的优点，满足了生产线上对于机械手实现SCARA运动的应用需求。但其转动输出运动是由双平台的相对运动产生的，这种双动平台结构增加了此类机构的结构复杂性，并导致了复杂的运动学特性。

发明内容

本发明的目的是为克服H4型并联机构的双平台结构对机械手高速高动态响应的不利影响，提出一种可实现三平动一转动的四自由度单动平台并联机构，该机构具有单平台结构特征，且结构简洁、更容易实现高速运动，能够实现SCARA运动的机器人的应用需求。

本发明提出的一种可实现三平动一转动的四自由度单平台并联机构，包括一个安装执行器的动平台和定平台，其特征在于：还包括连接所述动平台和定平台之间的具有相同结构的第一、第二、第三和第四支链，该第一、第二、第三和第四支链均含有一个主动驱动的运动副；所述第一、第二、第三和第四支链分别与定平台以及动平台连接形成一个空间并联闭环机构，该空间并联闭环机构通过四个输入运动驱动动平台运动，实现三个平动自由度和一个转动自由度。

本发明的特点及技术效果

本发明提出一种可实现三平动一转动的四自由度单平台并联机构，可实现SCARA运动，并具有高速运动特性。

本发明的一种可实现三平动一转动的四自由度单平台并联机构通过四个主动驱动的运动副驱动动平台运动，实现空间内的三维平动运动和一维旋转运动，与H4型并联机构不同，该机构具有单平台结构特征，其结构简洁、运动学相对简单。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图。

图2为本发明实施例二的结构示意图。

具体实施方式

本发明的一种可实现三平动一转动的四自由度单平台并联机构结合附图及实施例详细说明如下：

所述结构相同的第一、第二、第三和第四支链均包括：滑块、上连杆、下连杆、支撑杆以及运动副。所述运动副有七个，一个是连接于定平台和滑块之间的移动副P，一个是连接于滑块和上连杆之间的球铰S，一个是连接于滑块和下连杆之间的球铰S，一个是连接于支撑杆和上连杆之间的转动副R，一个是连接于支撑杆和下连杆之间的转动副R，一个是连接于动平台和上连杆之间的球铰S，一个是连接于动平台和下连杆之间的球铰S。其中，连接于定平台和滑块之间的移动副P是主动驱动的。

所述结构相同的第一、第二、第三和第四支链也可均包括：滑块、平行四边形机构以及运动副；所述运动副有三个，一个是连接于定平台和滑块之间的移动副P，一个是连接于滑块和平行四边形机构之间的转动副R，一个是连接于平行四边形机构和动平台之间的转动副R；所述平行四边形机构是由上连杆、下连杆、左连杆和右连杆通过转动副首尾顺次连接构成的封闭环机构；其中，连接于定平台和滑块之间的移动副P是主动驱动的，该支链为PR(Pa)R型运动支链。

实施例一：

本实施例的一种可实现三平动一转动的四自由度单平台并联机构的结构如图1所示，包括由四块固定平板12、13、18、19所组成的定平台、一个安装执行器的动平台11以及第一支链I、第二支链II、第三支链III和第四支链IV，所述四条支链一端分别连接于四个固定平板（12、13、18、19），另一端与动平台11相连，四条支链分别与四块固定平板（12、13、18、19）和动平台11构成空间闭环机构。

所述第一支链I、第二支链II、第三支链III和第四支链IV结构完全相同，图中只标出第一支链I的结构，包括：滑块14、上连杆16、下连杆17、支撑杆15以及运动副。所述运动副有七个，一个是连接于定平台13和滑块14之间的移动副P，一个是连接于滑块14和上连杆16之间的球铰S，一个是连接于滑块14和下连杆17之间的球铰S，一个是连接于支撑杆15和上连杆16之间的转动副R，一个是连接于支撑杆15和下连杆17之间的转动副R，一个是连接于动平台11和上连杆16之间的球铰S，一个是连接于动平台11和下连杆17之间的球铰S。其中，连接于固定平板13和滑块14之间的移动副P是主动驱动的。

本实施例中，四块固定平板（12、13、18和19）均竖直放置且在圆周上呈均匀对称布置。连接于所述动平台11与所述第一支链I、第二支链II、第三支链III和第四支链IV之间的四个转动副相互平行且在所述动平台11上呈非正方形布置，当呈正方形布置时机构发生奇异，此时机构无效。因此，所有呈非正方形布置情形均属于本发明保护范围。

实施例二：

本实施例的一种可实现三平动一转动的四自由度单平台并联机构的结构如图2所示，与实施例相同，包括一个安装执行器的动平台21、结构完全相同的第一支链I、第二支链II、第三支链III和第四支链IV，以及由四块固定平板所组成的定平台。本实施例与实施例一的不同之处在于：所述第一支链I、第二支链II、第三支链III和第四支链IV中均由滑块、平行四边形机构以及运动副构成，即采用了平行四边形机构Pa。体现在具体结构上为：图中以第一支链I为例，滑块22与所述平行四边形机构Pa通过转动副连接，动平台21与所述平行四边形机构Pa通过转动副连接，所述平行四边形机构Pa是由上连杆25、下连杆24、左连杆26和右连杆23通过转动副首尾顺次连接构成的封闭环机构。

本发明实施例一和实施例二中所示机构的驱动方式还可通过转动副主动驱动实现。

Claims

1.一种可实现三平动一转动的四自由度单平台并联机构，其特征在于，包括一个安装执行器的动平台和定平台，还包括具有相同结构的第一、第二、第三和第四支链；该第一、第二、第三和第四支链均含有一个主动驱动的运动副；所述第一、第二、第三和第四支链分别与定平台和动平台连接，形成一个空间并联闭环机构，该空间并联闭环机构通过四个输入运动驱动动平台运动，实现三个平动自由度和一个转动自由度。

2.如权利要求1所述机构，其特征在于，所述运动副有七个，一个是连接于定平台和滑块之间的移动副（P）或转动副（R），一个是连接于滑块和上连杆之间的球铰（S），一个是连接于滑块和下连杆之间的球铰（S），一个是连接于支撑杆和上连杆之间的转动副（R），一个是连接于支撑杆和下连杆之间的转动副（R），一个是连接于动平台和上连杆之间的球铰（S），一个是连接于动平台和下连杆之间的球铰（S）；其中，连接于定平台和滑块之间的移动副（P）或转动副是主动驱动的。

3.如权利要求1所述机构，其特征在于，所述第一、第二、第三和第四支链包括：滑块、平行四边形机构以及运动副；所述运动副有三个，一个是连接于定平台和滑块之间的移动副（P）或转动副（R），一个是连接于滑块和平行四边形机构之间的转动副（R），一个是连接于平行四边形机构和动平台之间的转动副（R）。所述平行四边形机构是由上连杆、下连杆、左连杆和右连杆通过转动副首尾顺次连接构成的封闭环机构。其中，连接于定平台和滑块之间的移动副（P）或转动副是主动驱动的，该支链为PR(Pa)R型运动支链。

4.如权利要求1所述机构，其特征在于，所述定平台由四块分离，均竖直放置且在圆周上呈均匀对称布置的固定平板构成，所述第一、第二、第三和第四支链的一端分别与一块固定平板相连，所述动平台与所述第一、第二、第三和第四支链之间的四个转动副相互平行且在所述动平台上呈非正方形布置。