CN103085059A - 一转四移驱动五自由度并联机器人 - Google Patents

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一种一转四移驱动五自由度并联机器人，主要包括机座、动平台和联接机座与动平台的4个结构相同的SPU型移动驱动分支和1个RRPU型转动驱动分支。4个SPU型分支的中间移动副的一端通过球副与机座联接，且均布在机座的同一圆周上，移动副的另一端通过万向副与动平台联接，且呈矩形分布在动平台的同一圆周上。RRPU型分支由1个驱动转动副、1个被动转动副、1个被动移动副和1个万向副串联构成，与电动机联接的驱动转动副垂直支撑在机座中心，并与被动转动副正交，万向副与动平台中心联接。本发明结构简单，动平台位置和姿态工作空间大，灵活性好，承载能力高和容易控制。

Description

一转四移驱动五自由度并联机器人
技术领域
本发明涉及机器人领域，特别是一种五自由度并联机器人。
背景技术
并联机器人相对具有机构刚度大，承载能力强，末端质量轻，惯性小，位置误差不累积等特点，应用上与串联机器人优势互补。多年来，六自由度并联机构已成为构造多种并联机器人/机床的主要机构。与六自由度并联机器人/机床相比，五自由度并联机器人/机床具有结构更简单、更容易控制的优点，且满足刀具法向加工自由曲面要求，故近年来备受专家们的关注。2000年高峰等提出一种正交五自由度五轴并联虚拟轴机床CN1258585和一种五自由度并联解耦机构CN1462672；2003年赵永生等设计一种含UPRP型约束分支五轴联动并联机床机构CN1371786；2005年黄田等开发出一个由三自由度并联机构与二自由度刀架混联的五自由度混联机器人CN101049692；2003和2009年汪劲松等提出一种空间五自由度并联机器人CN1546287和一种冗余驱动五自由度并联机床；2002年Tsai和方跃法设计一种过约束五自由度并联机构，2005年张宪民提出一种3移2转五自由度并联机构CN100427276C，用机座上三个平行导轨提供5个移动驱动支撑。2007年黄真等提出一类对称具有3转2移运动的五自由度并联机构；2009-2012年路懿等提出含双复合等效球副五自由度并联机器人，含双复合驱动分支三腿五自由度并联机构和含中间UPU型被动约束分支5SPS+UPU型五自由度并联机构；2009年赵铁石等提出一种五自由度双重驱动并联机构CN101623866B，实际该机构有10个自由度；2011年Gosselin等提出一种全对称具有3转2移运动的5-RPUR型五自由度并联机构。上述五自由度并联机构各具特色。在确保五自由度并联机器人优势前提下，如何进一步简化结构，增大动平台位置工作空间和灵巧度，是机器人研究领域专家们不懈努力的方向。目前对其研究逐步从试验研究转入到实际应用，已成为机器人和高端装备制造领域研究热点的和前沿。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高刚度、承载力大、工作空间大、结构简单，运动精度高、控制容易的一转四移驱动五自由度并联机器人。本发明主要包括机座、动平台和联接机座与动平台的4个结构完全相同的SPU型直线驱动分支和1个RRPU型转动驱动分支。上述4个SPU型直线驱动分支依次由下端球副S，中间驱动移动副P和上端万向副U串联构成，移动副轴线通过球副和万向副中心，该分支的一端通过球副与机座联接，且均布在机座的同一圆周上，该分支的另一端通过万向副与动平台联接，且呈矩形分布在动平台的同一圆周上，以免奇异。上述RRPU型转动驱动分支依次由下端驱动转动副R、被动转动副R、中间被动移动副P和上端万向副U串联构成，该分支的一端通过下端驱动转动副与机座中心联接，该分支的另一端通过万向副与动平台中心联接，上述下端驱动转动副与机座垂直并与被动转动副正交，中间被动移动副轴线通过上述两个转动副的正交点和万向副中心。
上述每个SPU型直线驱动分支的中间驱动移动副采用电动缸驱动或液压缸驱动。上述RRPU型转动驱动分支的转动驱动副与电动机同轴联接，电动机垂直支撑在机座底面。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、结构对称、简单，简化了总体结构。
2、每个SPU直线驱动分支承载力大、受力好，通用性互换性好。
3、RRPU型转动驱动分支能有效增大位置工作空间和灵活工作空间，避免工作空间内的奇异。
4、机构自由度可变，当在任意转动位置锁定转动驱动副，RRPU型转动分支变成被动约束分支，机构变成四自由度并联机器人，简化了控制。
在高端数控制造及重型并联装备、航空航天模拟及探测装备、军事装备、生物医疗及仿生操作装置、多维力传感器、微纳米操作装置、人体康复装置及相应领域都有广泛应用前景。
附图说明
图1是本发明的结构立体示意简图。
具体实施方式
在图1所示的一转四移驱动五自由度并联机器人示意图中， 4个结构完全相同的SPU型直线驱动分支中的中间驱动移动副4的一端通过球副3与机座1联接，且均布在机座的同一圆周上，中间驱动移动副4的另一端通过万向副5与动平台2联接，且呈矩形分布在动平台的同一圆周上，以免奇异。RRPU型转动驱动分支中的下端驱动转动副6与机座中心垂直联接，该下端驱动转动副与被动转动副7联接并与其正交，该被动转动副与中间被动移动副8的一端联接，该中间被动移动副的另一端通过上端万向副9与动平台联接，上述中间被动移动副轴线通过上述两个转动副的正交点和上述上端万向副中心。
上述每个SPU型直线驱动分支的中间驱动移动副采用电动缸驱动或液压缸驱动。上述RRPU型转动驱动分支的转动驱动副与电动机同轴联接，电动机垂直支撑在机座底面。
当一个转动输入加到RRPU型转动驱动分支的下端驱动转动副，四个移动输入加到4个SPU型直线驱动分支的中间移动驱动副，可实现动平台的五自由度灵活运动。运动模拟证明，本实施方式的机构自由度是5，动平台位置和姿态工作空间大，灵活性好。

Claims (3)

1.一种一转四移驱动五自由度并联机器人，其包括机座、动平台和联接机座与动平台的4个结构完全相同的SPU型直线驱动分支和1个RRPU型转动驱动分支，其特征在于：其4个SPU型直线驱动分支依次由下端球副S，中间驱动移动副P和上端万向副U串联构成，移动副轴线通过球副和万向副中心，该分支的一端通过球副与机座联接，且均布在机座的同一圆周上，该分支的另一端通过万向副与动平台联接，且呈矩形分布在动平台的同一圆周上，所述RRPU型转动驱动分支依次由下端驱动转动副R、被动转动副R、中间被动移动副P和上端万向副U串联构成，该分支的一端通过下端驱动转动副与机座中心联接，该分支的另一端通过万向副与动平台中心联接，上述下端驱动转动副与机座垂直并与被动转动副正交，中间被动移动副轴线通过上述两个转动副的正交点和万向副中心。
2.根据权利要求1所述的一种一转四移驱动五自由度并联机器人，其特征在于：所述每个SPU型直线驱动分支的中间驱动移动副采用电动缸驱动或液压缸驱动。
3.根据权利要求1或2所述的一种一转四移驱动五自由度并联机器人，其特征在于：所述RRPU型转动驱动分支的转动驱动副与电动机同轴联接，电动机垂直支撑在机座底面。
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