CN103144100A - 三自由度移动并联机器人机构 - Google Patents

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郭林发
杨尹
沈宝国
冷承业
李良湾
许生炎
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Abstract

三自由度移动并联机器人机构，包括动平台（1）、定平台（8）以及连接动平台（1）和定平台（8）的三条分支运动链，其特征在于：所述的每条分支运动链均由一个螺旋副H（7），一个转动副R（5）和一个圆柱副C（2）组成，螺旋副H（7）的轴线垂直于转动副R（5）的轴线，转动副R（5）与圆柱副C（2）的轴线相互平行。本发明，可实现空间的三维移动，除具有并联机构的刚度大、承载高的特点外，还具有结构相对简单，结构对称等特点，可实现高速精密传动。本发明可以设计各种用途的空间并联机器人，并联虚拟轴机床等。

Description

三自由度移动并联机器人机构
技术领域
本发明涉及一种空间并联机器人机构，尤其涉及一种能够实现三个移动的三自由度空间并联机器人机构，属于机械设计领域。
背景技术
空间并联机器人是当今国内外机器人领域研究的热点之一。与串联机器人相比，并联机器人具有刚度大、负荷自重比高等特点。最早的空间六自由度并联机器人是Swewart 1965年采用的6—SPS平台机构。这种空间并联机构开始用于飞行模拟器，近年来又被设计成并联虚拟轴机床，微动机器人和传感元件等。
并联机器人具有广泛应用前景，特别是结构与控制较简单的二、三、四、五自由度并联机器人，是当前应用研究中的一个新热点。相对于六自由度并联机器人，少自由度并联机构的机械结构更趋于简单，从而降低设计、制造和控制的成本。因此，越来越多的学者开始了对少自由度并联机构的研究，尤其是对称少自由度并联机构，如Delta机构、 StarLike机构等。中国学者在少自由度并联机器人机构的研究方面也取得了大量的研究成果(如专利申请号:01108297.6；01113519.0；03113354.1；200410018623.8；200510037951.7等)。
目前三平动并联机构机器人机构作为分拣机构具有广阔的应用前景，为克服并联结构形式的定位部件存在杆件多、运动副多、执行部分的惯性大而导致机构运行速度不高这一问题，需要创造出满足运动形式要求且运动副少、运行速度高的新机型。
发明内容
针对以上不足，本发明的目的在于提供一种三自由度移动并联机器人机构，是在动平台和定平台之间连接有三条结构形式相同的分支运动链，从定平台到动平台之间，每条分支均由一个螺旋副，一个转动副和一个圆柱副，螺旋副轴线垂直于转动副轴线，转动副与圆柱副轴线相互平行，实现空间的三维移动。
本发明的技术方案是通过以下方式实现的：三自由度移动并联机器人机构，包括动平台、定平台以及连接动平台和定平台的三条分支运动链，其特征在于：所述的每条分支运动链均由一个螺旋副H，一个转动副R和一个圆柱副C组成，螺旋副H的轴线垂直于转动副R的轴线，转动副R与圆柱副C的轴线相互平行。
所述的定平台上设有支架，支架是三叉结构，三叉上分别设有三个传动丝杠机构，每个传动丝杠机构由滚珠丝杠、移动滑块、螺母、左限位块、轴承、滚珠丝杠和右限位块组成，滚珠丝杠通过左限位块和右限位块固定在支架上，移动滑块通过电机在滚珠丝杠上移动，移动滑块连接螺旋副H和转动副R，转动副R和圆柱副C通过连杆连接，圆柱副C安装在动平台上。
所述的动平台上的三个圆柱副C的轴线平行于同一平面或相互垂直，安装在支架的三个滚珠丝杠可以与定平台成任意角度。
所述的传动丝杠机构是普通螺旋副。
本发明，1、机构工作平台可实现三平动形式的运动输出。2、机构简单、机构关节少，运动副自由度总数只有9个。3、机构的驱动副完全放置于固定平台之上，大大减少了机构整体的运动惯性，从而可以实现机构的高速运动。4、可以有效的改善并联机构因运动副自由度过多而导致的容易发生挠曲和扭转变形的问题。5、通过在运动平台上串接一个夹持工具，由此可应用于高速分拣的场合。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是滚珠丝杠与支架连接示意图。
图中：1.动平台，2.圆柱副C，3.连杆，4.支架，5.转动副R，6.移动滑块，7.螺旋副H，8.定平台，9.螺母，10.左限位块，11.轴承，12. 滚珠丝杠，13.右限位块。
具体实施方式
由图1知，三自由度移动并联机器人机构，由动平台1、定平台8以及连接动平台1和定平台8的三个分支组成，三条分支由三个螺旋副H 7（H11、H21、H32），三个转动副R 5（R 12、R 22、R 32）和三个圆柱副C2（C 13、C 23、C 33）组成，一个转动副R5和一个圆柱副C2组成螺旋副H7的轴线垂直于转动副R5的轴线，转动副R5与圆柱副C2的轴线相互平行。上下三角形表示动定平台，每个分支是                                                
Figure 43591DEST_PATH_IMAGE001
运动链。
Figure 774787DEST_PATH_IMAGE002
（i=1,2,3;j=1,2,3）表示运动副的轴线。
本发明公开的3-HRC三自由度移动并联机器人机构，安装在动平台1上的三个圆柱副的轴线可以平行于同一平面也可以相互垂直，安装在支架4上的三个螺旋副可以与定平台8成任意角度；三个输入是三个安装在支架4的电机驱动的三个滚珠丝杠12，移动滑块6连接螺旋副H7和转动副R5，转动副R5和圆柱副C2通过连杆3连接，圆柱副C2安装在动平台1上。
由图2知，是滚珠丝杠与支架连接示意图。所述的定平台8上设有支架4，支架4是三叉结构，三叉上分别设有三个传动丝杠机构，传动丝杠机构由滚珠丝杠12、移动滑块6、螺母9、左限位块10、轴承11、滚珠丝杠12和右限位块13组成，滚珠丝杠12通过左限位块10和右限位块13固定在支架4，移动滑块6通过电机在滚珠丝杠7上移动，移动滑块6连接螺旋副H7和转动副R5，转动副R5和圆柱副C2通过连杆3连接，圆柱副C2安装在动平台1上。动平台1上的三个圆柱副C2的轴线平行于同一平面或相互垂直，安装在支架4的三个滚珠丝杠12可以与定平台8成任意角度。传动丝杠机构可以是普通螺旋副，也可以是精密高速滚珠丝杠副。。
螺旋副
Figure 768150DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 584797DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 321809DEST_PATH_IMAGE005
作为机构的驱动副，通过三个伺服电机实现驱动。当各驱动副在控制下运动不同位移时，其余的各转动副和圆柱副则在连杆和动平台的拉动下，作相应的运动，从而实现动平台在工作空间内做三维移动的运动输出。
本发明可以于设计各种用途的空间并联机器人（如工业生产、分拣等）、并联虚拟轴机床等。

Claims (4)

1.三自由度移动并联机器人机构，包括动平台（1）、定平台（8）以及连接动平台（1）和定平台（8）的三条分支运动链，其特征在于：所述的每条分支运动链均由一个螺旋副H（7），一个转动副R（5）和一个圆柱副C（2）组成，螺旋副H（7）的轴线垂直于转动副R（5）的轴线，转动副R（5）与圆柱副C（2）的轴线相互平行。
2.根据权利要求1所述的三自由度移动并联机器人机构，其特征在于：所述的定平台（8）上设有支架（4），支架（4）是三叉结构，三叉上分别设有三个传动丝杠机构，传动丝杠机构由滚珠丝杠（12）、移动滑块（6）、螺母（）9、左限位块（10）、轴承（11）、滚珠丝杠（12）和右限位块（13）组成，滚珠丝杠（12）通过左限位块（10）和右限位块（13）固定在支架（4），移动滑块（6）通过电机在滚珠丝杠（7）上移动，移动滑块（6）连接螺旋副H（7）和转动副R（5），转动副R（5）和圆柱副C（2）通过连杆（3）连接，圆柱副C（2）安装在动平台（1）上。
3.根据权利要求1所述的三自由度移动并联机器人机构，其特征在于：所述的动平台（1）上的三个圆柱副C（2）的轴线平行于同一平面或相互垂直，安装在支架（4）的三个滚珠丝杠（7）可以与定平台（8）成任意角度。
4.根据权利要求2所述的三自由度移动并联机器人机构，其特征在于：所述的传动丝杠机构是普通螺旋副。
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