CN103381601A - 六自由度3-3正交型并联机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种六自由度3-3正交型并联机器人，包括运动平台、固定机架以及设置于运动平台和固定机架之间且连接运动平台和固定机架的机械支链组，所述机械支链组包括六条采用3-3式正交布置的机械支链。3-3式正交布置即六条机械支链分成两组，每组三条。第一组三条机械支链的三个驱动器方向铀线处于同一平面内，且两两之间成120度角，但并不交于一点;另外一组三条机械支链的驱动器方向轴线相互平行但不共面，且与第一组三条机械支链的方向轴线两两正交。本发明具有系统刚性高，定位精度高，动态响应特性好，刚度、承载等机械特性的各向同性好，占地空间小，能耗低，使用寿命长，制造成本低，维护费用少，无污染等优点。
Description
技术领域
本发明涉及机械学技术领域的六自由度并联机器人，具体是一种六自由度3-3正交型并联机器人。
背景技术
多自由度并联机器人应用十分广泛，可用于并联加工机床、微操作机器人、运动模拟器(如飞机训练模拟系统、地震模拟试验系统)等领域。目前广泛采用斯蒂瓦特(Stewart)机构，(参见文献《一种六自由度并联平台》)(D.Stewart.Aplatformwith Six Degrees of freedom.Proc.of the Institution of Mechanical Engineers.London，UK，1965，180(15):371-386))，由六个输入获得六个输出自由度。这类平台具有承载能力大，刚度高，结构稳定，精度高，加速度大等特点。
分析斯蒂瓦特结构并联机器人具有以下不足:
1、由于驱动的布置方式限制，使得6个驱动力高度耦合，给解耦计算带来了困难，不利于机构的控制;
2、由于支链均位于运动平台的下方，使得机构的各向同性度较差;
3、由于机构限制，一般采用只能大型伺服油缸驱动，并配备大型储能装置，因此设备庞大，制造维护费用高，液压油易泄露、造成环境污染;
4、由于液压缸本身刚度相对较低，动态响应延迟较大，影响了系统整体的刚度及响应特性;
5、在并联机器人的运动平台运动过程中，质量较大的驱动系统也要随之进行摆动，这部分附加的质量及转动惯量不仅耗费能源，还降低了整体系统的动态响应特性;
6、由于驱动支链布置方式的限制，占地空间相对较大。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种六自由度3-3正交型并联机器人。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种六自由度3-3正交型并联机器人，包括运动平台、固定机架以及设置于运动平台和固定机架之间且连接运动平台和固定机架的机械支链组，所述机械支链组包括六条采用3-3式正交布置的机械支链。
所述每一条机械支链均包括直线驱动器和刚性定长连杆，其中，所述直线驱动器固定于固定机架上，所述刚性定长连杆的一端设有球铰，刚性定长连杆的另一端设有虎克铰或球铰，所述直线驱动器的一端与刚性定长连杆的一端通过球铰或虎克铰连接，所述刚性定长连杆的另一端通过球铰或虎克铰与运动平台连接。
所述刚性定长连杆与运动平台相连接的一端，其球铰或虎克铰为六个，六个球铰或虎克铰呈中心对称的方式分布于运动平台上。
所述直线驱动器包括如下部件:
-电机;
-联轴器;
-滚珠丝杠;
-滑块;
-导轨;
所述电机通过联轴器与滚珠丝杠刚性连接，所述滚珠丝杠与滑块相连接，所述滑块设置在导轨上并沿着导轨限定的运动方向做直线运动，所述滑块的一端通过球铰或虎克铰与刚性定长连杆的一端连接，从而实现直线驱动器与刚性定长连杆的连接，其中，电机通过联轴器带动滚珠丝杠转动，进而驱动滑块在导轨上沿着导轨限定的方向做直线运动。
所述3-3式正交布置具体为，六条机械支链分成两组，每一组均设有三条机械支链，其中，第一组中三条机械支链的直线驱动器的运动方向轴线处于同一个平面内，两两机械支链的直线驱动器的运动方向轴线之间成120度角且不交于同一点;第二组中三条机械支链的直线驱动器的运动方向轴线相互平行但不共面，且与第一组中三条机械支链的直线驱动器的运动方向轴线两两正交。
所述第一组中三条机械支链的直线驱动器的运动方向轴线和第二组中三条机械支链的直线驱动器运动方向轴线均为构成每一条机械支链的导轨限定的运动方向轴线。
所述固定机架为固定在地面上的刚性支架;所述运动平台为刚性平台，运动平台的输出为六自由度3-3正交型并联机器人提供六维运动空间。
所述刚性定长连杆两端的铰链可以任意设计为球铰或者是虎克铰，但不能两端都是虎克铰，其中，球铰可以由虎克铰串联转动副组成，或三个转动副串联组成，也可以是直接加工封装而成的球铰。
所述直线驱动器还可以采用齿轮齿条、直线电机、液压油缸或其他公知的直线驱动装置。当采用这些驱动装置时，直线驱动器的运动方向轴线由所采用的机构所限定的(或能提供的)直线运动的方向来确定。
本发明提供的六自由度3-3正交型并联机器人，其运动平台和固定机架之间通过六条机械支链并联，其中每一条机械支链均包括一根刚性定长连杆及直线驱动器，每一根刚性定长连杆的一端与运动平台使用虎克铰或球铰连接，另一端使用球铰或虎克铰与直线驱动器连接;六条机械支链采用“3-3”式正交布置。
本发明与现有技术相比，具有系统刚性高，动态响应特性好，精度高，刚度、承载等机械特性的各向同性好，占地空间小，能耗低，使用寿命长，制造成本低，维护费用少以及无污染等特点。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1为本发明六自由度3-3正交型并联机器人结构示例图;
图中:1为运动平台，2为固定机架，31为第一虎克铰，32为第二虎克铰，33为第三虎克铰，34为第四虎克铰，35为第五虎克铰，36为第六虎克铰，41为第一刚性定长连杆，42为第二刚性定长连杆，43为第三刚性定长连杆，44为第四刚性定长连杆，45为第五刚性定长连杆，46为第六刚性定长连杆，51为第一球铰，52为第二球铰，53为第三球铰，54为第四球铰，55为第五球铰，56为第六球铰，61为第一滑块，62为第二滑块，63为第三滑块，64为第四滑块，65为第五滑块，66为第六滑块，71为第一导轨，72为第二导轨，73为第三导轨，74为第四导轨，75为第五导轨，76为第六导轨，81为第一电机，82为第二电机，83为第三电机，85为第五电机，86为第六电机。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明:本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例提供了一种六自由度3-3正交型并联机器人，包括运动平台、固定机架以及设置于运动平台和固定机架之间且连接运动平台和固定机架的机械支链组，所述机械支链组包括六条采用3-3式正交布置的机械支链。
进一步地，所述每一条机械支链均包括直线驱动器和刚性定长连杆，其中，所述直线驱动器固定于固定机架上，所述刚性定长连杆的一端设有球铰，刚性定长连杆的另一端设有虎克铰或球铰，所述直线驱动器的一端与刚性定长连杆的一端通过球铰或虎克铰连接，所述刚性定长连杆的另一端通过球铰或虎克铰与运动平台连接。
进一步地，所述刚性定长连杆与运动平台相连接的一端，其球铰或虎克铰为六个，六个球铰或虎克铰呈中心对称的方式分布于运动平台上。
进一步地，所述直线驱动器包括如下部件:
-电机;
-联轴器;
-滚珠丝杠;
-滑块;
-导轨;
所述电机通过联轴器与滚珠丝杠刚性连接，所述滚珠丝杠与滑块相连接，所述滑块设置在导轨上并沿着导轨限定的运动方向做直线运动，所述滑块的一端通过球铰或虎克铰与刚性定长连杆的一端连接，从而实现直线驱动器与刚性定长连杆的连接，其中，电机通过联轴器带动滚珠丝杠转动，进而驱动滑块在导轨上沿着导轨限定的方向做直线运动。
进一步地，所述3-3式正交布置具体为，六条机械支链分成两组，每一组均设有三条机械支链，其中，第一组中三条机械支链的直线驱动器的运动方向轴线处于同一个平面内，两两机械支链的直线驱动器的运动方向轴线之间成120度角且不交于同一点;第二组中三条机械支链的直线驱动器的运动方向轴线相互平行但不共面，且与第一组中三条机械支链的直线驱动器的运动方向轴线两两正交。
进一步地，所述第一组中三条机械支链的直线驱动器的运动方向轴线和第二组中三条机械支链的直线驱动器运动方向轴线均为构成每一条机械支链的导轨限定的运动方向轴线。
进一步地，所述固定机架为固定在地面上的刚性支架;所述运动平台为刚性平台，运动平台的输出为六自由度3-3正交型并联机器人提供六维运动空间。
在本实施例中，所述刚性定长连杆两端的铰链可以任意设计为球铰或者是虎克铰，但不能两端都是虎克铰，其中，球铰可以由虎克铰串联转动副组成，或三个转动副串联组成，也可以是直接加工封装而成的球铰;所述直线驱动器还可以采用齿轮齿条、直线电机、液压油缸或其他公知的直线驱动装置。
具体为:
固定机架2是一个安置在地上的刚性支架，作用是固定安装六条机械支链的直线驱动器，并保持它们之间的相对位置姿态关系，固定机架2可以由钢架、水泥墩等任意高强度的刚性结构构成，能维持六个驱动器的相对位姿即可，并不限于图中的结构。
运动平台1是一个刚性的平台结构，并联机器人的六维空间运动就是由运动平台1来输出实现的，设置在运动平台1上的六个中心对称分布的虎克铰(数字标号分别为11，12，13，14，15，16)实现运动平台1与六条机械支链的刚性定长连杆(数字标号分别为41，42，43，44，45，46)的连接。
第i(i=1~6)条机械支链的构成为:电机(8i)通过联铀器与滚珠丝杠刚性连接并带动其转动，从而驱动滑块(6i)在导轨(7i)上沿右导轨(7i)限定的方向做直线运动，这一部分统称为直线驱动器，直线驱动器的驱动方向轴线也就是导轨(7i)的运动方向轴线。导轨(7i)固连在机架上。直线驱动器的末端，即滑块(6i)的末端通过球铰(5i)与一个刚性定长连杆(4i)的一端相连，刚性定长连杆(4i)的另一端通过虎克铰(3i)和运动平台(1)连接。从电机(8i)至虎克铰(3i)的这部分机械结构，我们把它统称为一条机械支链。
六条机械支链采用“3-3”正交的形式进行布置，“3-3”表示六条支链分成两组，每组三条支链。第一组三条支链的三个导轨(数字标号分别为71、72、73)的运动方向铀线处于同一平面内，且两两之间成120度角，但并不交于同一点;另外一组三条支链的三个导轨(数字标号分别为74、75、76)的运动方向轴线相互平行但不共面，且与第一组的三个导轨(数字标号分别为71、72、73)的方向轴线两两正交。
六个电机(数字标号分别为81，82，......，86)驱动六条机械支链协同工作，带动运动平台1产生六维运动。直线驱动器并不限于本文所述的丝杠滑块的形式，还可以采用齿轮齿条、直线电机、或者液压油缸等任何公知的直线驱动形式进行驱动。在任意一条支链i(i=1~6)中，刚性定长连杆(4i)的两端可以任意设为虎克铰或者球铰，但是两者之中，至少要有一个是球铰，其中球铰可以由一个虎克铰串联一个转动副组成，或三个转动副串联组成，也可以是直接加工封装而成的球铰。
本实施例提供的六自由度3-3正交型并联机器人，其运动平台和固定机架之间通过六条并联机械支链连接。每条支链均由一恨定长连杆及直线驱动器组成。每个定长连杆的一端与运动平台使用虎克铰连接，另一端使用球铰和直线驱动器连接。六条支链采用“3-3”式正交布置。
由于驱动器与固定机架固连，使得参与运动的部件总质量大大降低，提高了整体系统的动态响应特性，同时也节约了能源;六条机械支链的“3-3”式正交布置使得驱动力基本解耦，三个竖直方向上的机械支链主要承担纵向力以及水平面内的两个转矩。而水平布置的三条机械支链的三个驱动器主要承担水平力以及竖直方向的转矩，这种对称的正交式布置形式使得各个驱动器在运动过程中平均受力基本相同，进一步使得并联机器人的刚度、承载等机械性能具有较高的各向同性;由于采用机械电器驱动系统取代现有的液压驱动系统，解决了设备庞大，制造维护费用高，液压油易泄露、污染环境等问题;机械电器驱动系统具有更高的刚度和更快的响应，提高了实验体统整体的刚度和动态响应特性;由于本机构结构较为紧凑，其占地空间也相对较小。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (7)
1.一种六自由度3-3正交型并联机器人，其特征在于，包括运动平台、固定机架以及设置于运动平台和固定机架之间且连接运动平台和固定机架的机械支链组，所述机械支链组包括六条采用3-3式正交布置的机械支链。
2.根据权利要求1所述的六自由度3-3正交型并联机器人，其特征在于，所述每一条机械支链均包括直线驱动器和刚性定长连杆，其中，所述直线驱动器固定于固定机架上，所述刚性定长连杆的一端设有球铰，刚性定长连杆的另一端设有虎克铰或球铰，所述直线驱动器的一端与刚性定长连杆的一端通过球铰或虎克铰连接，所述刚性定长连杆的另一端通过球铰或虎克铰与运动平台连接。
3.根据权利要求2所述的六自由度3-3正交型并联机器人，其特征在于，所述刚性定长连杆与运动平台相连接的一端，其球饺或虎克铰为六个，六个球铰或虎克铰呈中心对称的方式分布于运动平台上。
4.根据权利要求2所述的六自由度3-3正交型并联机器人，其特征在于，所述直线驱动器包括如下部件:
-电机;
-联轴器;
-滚珠丝杠;
-滑块;
-导轨;
所述电机通过联轴器与滚珠丝杠刚性连接，所述滚珠丝杠与滑块相连接，所述滑块设置在导轨上并沿着导轨限定的运动方向做直线运动，所述滑块的一端通过球铰或虎克铰与刚性定长连杆的一端连接，从而实现直线驱动器与刚性定长连杆的连接，其中，电机通过联轴器带动滚珠丝杠转动，进而驱动滑块在导轨上沿着导轨限定的方向做直线运动。
5.根据权利要求4所述的六自由度3-3正交型并联机器人，其特征在于，所述3-3式正交布置具体为，六条机械支链分成两组，每一组均设有三条机械支链，其中，第一组中三条机械支链的直线驱动器的运动方向轴线处于同一个平面内，两两机械支链的直线驱动器的运动方向轴线之间成120度角且不交于同一点;第二组中三条机械支链的直线驱动器的运动方向轴线相互平行但不共面，且与第一组中三条机械支链的直线驱动器的运动方向轴线两两正交。
6.根据权利要求5所述的六自由度3-3正交型并联机器人，其特征在于，所述第一组中三条机械支链的直线驱动器的运动方向轴线和第二组中三条机械支链的直线驱动器运动方向轴线均为构成每一条机械支链的导轨限定的运动方向轴线。
7.根据权利要求1所述的六自由度3-3正交型并联机器人，其特征在于，所述固定机架为固定在地面上的刚性支架;所述运动平台为刚性平台，运动平台的输出为六自由度3-3正交型并联机器人提供六维运动空间。
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