CN103240729B - 伸缩式空间三平动并联机械手 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种伸缩式空间三平动并联机械手，包括空间三平动并联机构和伸缩式传动机构，空间三平动并联机构包括固定机架、动平台以及对称布置在固定机架与动平台之间的三条结构相同的第一支链；伸缩式传动机构包括第二驱动装置、第一和第二虎克铰、上平台和下平台、末端执行器和轴对称布置在上平台与下平台之间的三条结构相同的第二支链；每条第二支链由近架杆、远架杆和用来依次连接近架杆、远架杆、上平台和下平台的三个转动副组成；第二驱动装置通过伸缩式传动机构为末端执行器提供一个转动自由度，并利用三条结构相同的第二支链实现末端执行器的伸缩运动。本发明制造成本低、传递力矩性能优、动态特性好、便于清洁及维护、使用寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人，特别涉及一种空间三平动并联机械手。
背景技术
专利文献US4976582中公开了一种用于空间抓放操作的三平动一转动并联机械手，包括三个主动支链，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，从而限制动平台相对于固定机架的三个回转自由度。此类机构远架杆的形式分为两种，一种为单杆形式，杆的两端通过虎克铰分别与近架杆和动平台连接；一种为由双杆构成的平行四边形，每根杆两端通过虎克铰或球铰链分别与近架杆和动平台连接。此外，通过在动平台上设置电机或在固定机架与动平台之间设置可伸缩式传动轴，实现被操作对象绕其纵向轴线的转动自由度。该机械手已被用作包装机械在卫生医疗、食品包装等领域得到应用。
为提供被操作对象绕其纵向轴线的转动自由度，在动平台上设置电机必然增加运动部件的惯性质量，影响抓放操作的速度和精度。为克服这一问题，专利文献US20030121350、US20040143876、EP2301726中公开了三种用于该机械手的可伸缩式传动轴方案。
专利文献US20030121350公开的可伸缩式传动轴由两个定长的组件构成，每个组件中含有至少两根导向杆及若干导向套。两个组件装配时导向杆交错布置，可实现两个组件沿导向杆轴线方向的伸缩运动并同时实现传递力矩的功能。上述结构的局限性在于：导向杆及导向套制造精度要求高、成本高，且导向套易磨损，使用寿命低，保养及维修成本高；组件总体质量大，动力学特性差。
专利文献US20040143876公开的可伸缩式传动轴采用套筒和伸缩杆的结构，二者通过花键及滑动轴承连接实现沿导向伸缩杆轴线方向的伸缩运动并同时实现传递力矩的功能。上述结构的局限性在于：花键制造工艺复杂、成本高；花键装配困难且易磨损，使用寿命低，保养及维修困难；应用于重载工况时需要增大部件的径向横截面积，整体惯性质量增大、动力学特性变差，因而不适合高速重载应用场合；套筒和伸缩杆连接部分为封闭结构，不便拆卸，滑动轴承需润滑难以清洁，因而不适用于食品包装等需要避免污染的应用场合。
专利文献EP2301726公开的可伸缩式传动轴采用多边形外套和伸缩杆的结构，伸缩杆一段固定设置有与多边形外套配合的多边形导向滑块，可实现伸缩杆沿其轴线方向的伸缩运动并同时传递力矩的功能。上述结构的局限性在于：导向滑块制造精度要求高、成本高；导向滑块易磨损，使用寿命低，维修成本高；应用于重载工况时需要增大部件的径向横截面积，整体惯性质量增大、动力学特性变差，因而不适合高速重载应用场合。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种伸缩式空间三平动并联机械手，其制造成本低、传递力矩性能优、动态特性好、便于清洁及维护、使用寿命长。
为了解决上述技术问题，本发明伸缩式空间三平动并联机械手予以实现的技术方案是：该机械手包括空间三平动并联机构和伸缩式传动机构，所述空间三平动并联机构包括固定机架、动平台以及对称布置在所述固定机架与动平台之间的三条结构相同的第一支链；每条第一支链由第一驱动装置、驱动臂、第一连杆和第二连杆和用来依次连接驱动臂、第一连杆、第二连杆和动平台的四个球副组成，所述第一驱动装置固定在所述固定机架上，所述驱动臂与所述第一驱动装置的输出轴相连；所述第一连杆、第二连杆和四个球副构成了一平行四边形结构，利用该平行四边形结构实现动平台10的空间三个平动自由度；所述伸缩式传动机构包括第二驱动装置、第一虎克铰和第二虎克铰、上平台和下平台、末端执行器和轴对称布置在所述上平台与下平台之间的三条结构相同的第二支链；每条第二支链由近架杆、远架杆和用来依次连接近架杆、远架杆、上平台和下平台的三个转动副组成；所述第二驱动装置固定在所述固定机架上，所述上平台与所述第二驱动装置的输出轴之间通过所述第一虎克铰相连；所述下平台与所述末端执行器之间通过第二虎克铰相连；所述末端执行器与所述动平台之间通过转动副相连；所述第二驱动装置通过所述伸缩式传动机构为末端执行器提供一个转动自由度，同时利用三条结构相同的第二支链实现末端执行器的伸缩运动。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明伸缩式空间三平动并联机械手中的伸缩式传动机构由转动副和连杆构成，制造成本低、清洁及维护简便、使用寿命长；伸缩式传动机构中的传动装置采用空间对称多连杆结构，从而可有效提高机构整体刚度，力矩传递能力强，适合重载作业。还有，本发明，其整体惯性质量小，动力学性能优异，适合高速作业。
附图说明
图1是本发明伸缩式空间三平动并联机械手的整体结构示意图；
图2是图1所示机械手中伸缩式传动机构的结构示意图。
图中：1-第二驱动装置，2-固定机架，3a、3b-虎克铰，4-上平台，5a、5b、5c、5d-转动副，6、近架杆，7-远架杆，8-下平台，9-末端执行器，10-动平台，11-第一支链，12-第一驱动装置，13-驱动臂，14-第一连杆，15-第二连杆，14a、15a、14b、15b-球副。
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和图2所示，本发明伸缩式空间三平动并联机械手，包括空间三平动并联机构和伸缩式传动机构。
所述空间三平动并联机构包括固定机架2、动平台10以及对称布置在所述固定机架2与动平台10之间的三条结构相同的第一支链11；每条第一支链11由第一驱动装置12、驱动臂13、第一连杆14和第二连杆15和用来依次连接驱动臂13、第一连杆14、第二连杆15和动平台10的四个球副14a、15a、14b、15b组成，即所述驱动臂13与所述第一连杆14通过球副14a相连；所述驱动臂13与所述第二连杆15通过球副15a相连；所述第一连杆14与所述动平台10通过球副14b相连；所述第二连杆15与所述动平台10通过球副15b相连。所述第一连杆14、第二连杆15、四个球副14a、15a、14b、15b构成一平行四边形结构。所述第一驱动装置12固定在所述固定机架2上，所述驱动臂13与所述第一驱动装置12的输出轴相连。
所述伸缩式传动机构包括第二驱动装置1、第一虎克铰3a和第二虎克铰3b、上平台4和下平台8、末端执行器9和轴对称布置在所述上平台4与下平台8之间的三条结构相同的第二支链；每条第二支链由近架杆6、远架杆7和用来依次连接近架杆6、远架杆7、上平台4和下平台8的三个转动副5a、5b、5c组成，即所述上平台4与所述近架杆6通过转动副5a相连；所述近架杆6与所述远架杆7通过转动副5b相连；所述远架杆7与所述下平台8通过转动副5c相连。
所述第二驱动装置1固定在所述固定机架2上，所述上平台4与所述第二驱动装置1的输出轴之间通过所述第一虎克铰3a相连；所述下平台8与所述末端执行器9之间通过第二虎克铰3b相连；所述末端执行器9与所述动平台10之间通过转动副5d相连。
本发明机械手的动作过程是：所述第一驱动装置12通过输出轴带动驱动臂13运动，驱动臂13带动由所述第一连杆14、第二连杆15、四个球副14a、15a、14b、15b构成的平行四边形结构，从而实现动平台10的空间三个平动自由度。所述第二驱动装置1依次通过输出轴和第一虎克铰3a将动力传递给上平台4，连接在上平台4与下平台8之间的三条结构相同的第二支链通过第二虎克铰3b将动力传递给末端执行器9，从而为末端执行器9提供一个转动自由度，与此同时，三条结构相同的第二支链还实现末端执行器9的伸缩运动。
本发明伸缩式空间三平动并联机械手中的伸缩式传动机构采用空间轴对称多连杆结构，有效提高机构整体刚度，力矩传递能力强，适合高速重载作业；传动结构转动副和连杆构成，制造成本低、清洁及维护简便、使用寿命长。
本发明伸缩式空间三平动并联机械手中的伸缩式传动机构，与现有技术的用于空间三平动并联机构的伸缩式传动轴相比，其不同点在于：
(1)伸缩式传动机构由第二驱动装置1、第一虎克铰3a和第二虎克铰3b、上平台4、下平台8、末端执行器9和轴对称布置在所述上平台4与下平台8之间的三条结构相同的第二支链组成；
(2)每条第二支链由近架杆6、远架杆7和连接近架杆6、远架杆7与上平台4与下平台8的转动副5a～5c构成。
本发明利用近架杆6、远架杆7的相对运动实现传动机构在传递力矩的同时可实现伸缩运动。
尽管上面结合图对本发明进行了描述，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，而不是限制性的，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的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (2)
1.一种伸缩式空间三平动并联机械手，包括空间三平动并联机构和伸缩式传动机构，所述空间三平动并联机构包括固定机架(2)、动平台(10)以及对称布置在所述固定机架(2)与动平台(10)之间的三条结构相同的第一支链(11)，每条第一支链(11)由第一驱动装置(12)、驱动臂(13)、第一连杆(14)和第二连杆(15)和用来依次连接驱动臂(13)、第一连杆(14)、第二连杆(15)和动平台(10)的四个球副(14a、15a、14b、15b)组成，所述第一驱动装置(12)固定在所述固定机架(2)上，所述驱动臂(13)与所述第一驱动装置(12)的输出轴相连；所述第一连杆(14)、第二连杆(15)和四个球副(14a、15a、14b、15b)构成了一平行四边形结构，利用该平行四边形结构实现动平台10的空间三个平动自由度；其特征在于，
所述伸缩式传动机构包括第二驱动装置(1)、第一虎克铰(3a)和第二虎克铰(3b)、上平台(4)和下平台(8)、末端执行器(9)和轴对称布置在所述上平台(4)与下平台(8)之间的三条结构相同的第二支链；
每条第二支链由近架杆(6)、远架杆(7)和用来依次连接近架杆(6)、远架杆(7)、上平台(4)和下平台(8)的三个转动副组成；
所述第二驱动装置(1)固定在所述固定机架(2)上，所述上平台(4)与所述第二驱动装置(1)的输出轴之间通过所述第一虎克铰(3a)相连；所述下平台(8)与所述末端执行器(9)之间通过第二虎克铰(3b)相连；所述末端执行器(9)与所述动平台(10)之间通过转动副(5d)相连；
所述第二驱动装置(1)通过所述伸缩式传动机构为末端执行器(9)提供一个转动自由度，且利用三条结构相同的第二支链实现末端执行器(9)的伸缩运动。
2.根据权利要求1所述伸缩式空间三平动并联机械手，其特征在于，所述上平台(4)与所述近架杆(6)通过转动副(5a)相连；所述近架杆(6)与所述远架杆(7)通过转动副(5b)相连；所述远架杆(7)与所述下平台(8)通过转动副(5c)相连。
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