CN103568004B - 两移动一转动三自由度空间解耦并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种两移动一转动三自由度空间解耦并联机构，其包括定平台（4）、动平台（5）以及连接定平台（4）、动平台（5）的三个分支Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（1ab、2ab、3abcd），所述定平台（4）为相互垂直的长方形底面和侧面组成，定平台（4）的底面一边安装第二滑轨Ⅲ（3d-2），所述第二滑轨Ⅲ（3d-2）的中心线与定平台（4）底面和侧面的交线相平行，动平台（5）为等腰三角形结构。本发明结构简单，制造成本低，能够实现动平台（5）两个移动和一个转动完全解耦，具有易于控制、反应速度快和承载力强等优点。

Description

两移动一转动三自由度空间解耦并联机构

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种两移动一转动三自由度空间解耦并联机构。

背景技术

少自由度机器人是指自由度在2到5之间的机器人。与6自由度并联机器人相比，少自由度并联机器人具有机械结构简单，制造和控制成本相对较低等优点。在焊接、切削加工、搬运等不需要6个自由度的工作场合就可以采用少自由度并联机器人。

随着并联机器人在工业领域的不断普及，并联机构存在的强耦合性特点却在制约着并联机器人的发展。并联机构强耦合性的存在使得机构存在着诸多问题，比如机构设计、计算分析和运动控制等方面。因此如何实现并联机构的解耦，已成为一个机构学研究领域的挑战性课题。

作为少自由度并联机构的重要分支，在三自由度并联机构研究中，特别对于两移一转三自由度并联机构的解耦性研究取得一些进展，例如，中国专利(CN102476294A)公开了一种专用三自由度两平移一转动并联机构，该机构较简单、易于精密加工、存在部分控制解耦性；中国专利(CN1389327A)公开了一种用于虚轴机床和机器人的一类两平移一转动并联机构，该机构具有正解求解容易，非期望输出为常量、刚性好等优点。此外，中国专利(CN102922310A)还公开了一种2T1R三自由度空间并联机构。上述专利技术虽然机构动平台能实现两移一转运动，但解耦性并没有很好解决。

发明内容

为了克服现有技术存在的上述不足，本发明提供一种两移动一转动三自由度空间解耦并联机构。该发明实现了空间两维平动一维转动的完全解耦，使得机构的控制和正反解极为容易。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种两移动一转动三自由度空间解耦并联机构，包括定平台、动平台以及连接定平台、动平台的三个分支Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。所述定平台为相互垂直的长方形底面和侧面组成，定平台的底面一边安装第二滑轨Ⅲ，所述第二滑轨Ⅲ的中心线与定平台底面和侧面的交线相平行，动平台为等腰三角形结构。

所述第一分支Ⅰ中的第一连杆Ⅰ的一端通过第一转动副与定平台连接，第一连杆Ⅰ的另一端通过第二转动副Ⅰ与第二连杆Ⅰ的一端连接，第二连杆Ⅰ的另一端通过第三转动副Ⅰ与第三连杆Ⅰ的一端连接，第三连杆Ⅰ的另一端通过第四转动副Ⅰ与第四连杆Ⅰ的一端连接，第四连杆Ⅰ的另一端通过第五转动副Ⅰ与第五连杆Ⅰ的一端连接，第五连杆Ⅰ的另一端通过第六转动副Ⅰ与动平台连接。所述第二分支Ⅱ中的第一连杆Ⅱ的一端通过第一转动副Ⅱ与定平台连接，第一连杆Ⅱ的另一端通过第二转动副Ⅱ与第二连杆Ⅱ的一端连接，第二连杆Ⅱ的另一端通过第三转动副Ⅱ与第三连杆Ⅱ的一端连接，第三连杆Ⅱ的另一端通过第四转动副Ⅱ与第四连杆Ⅱ的一端连接，第四连杆Ⅱ的另一端通过第五转动副Ⅱ与动平台连接。所述第三分支Ⅲ中的第一移动副Ⅲ的一端通过第二滑轨Ⅲ与定平台连接，另一端与第一连杆Ⅲ连接，第一连杆Ⅲ的另一端与第一滑轨Ⅲ连接，第二移动副Ⅲ的一端与第一滑轨Ⅲ连接，另一端与第二连杆Ⅲ连接，第二连杆Ⅲ的另一端通过第一转动副Ⅲ与动平台连接。

所述第一分支Ⅰ中，第一转动副Ⅰ和第二转动副Ⅰ的轴线平行；第三转动副Ⅰ、第四转动副Ⅰ和第五转动副Ⅰ的轴线平行，并与第一转动副Ⅰ和第二转动副Ⅰ的轴线垂直；第六转动副Ⅰ与另外五个转动副的轴线垂直；另外第一连杆Ⅰ、第二连杆Ⅰ、第三连杆Ⅰ和第四连杆Ⅰ的轴线与第一分支Ⅰ中前五个转动副的轴线垂直，第五连杆Ⅰ的轴线一端与第五转动副Ⅰ的轴线垂直，另一端与第六转动副Ⅰ的轴线重合。

所述第二分支Ⅱ中，第一转动副Ⅱ和第五转动副Ⅱ的轴线平行，第二转动副Ⅱ、第三转动副Ⅱ和第四转动副Ⅱ的轴线平行，并与第一转动副Ⅱ和第五转动副Ⅱ的轴线垂直；另外第一连杆Ⅱ和第四连杆Ⅱ的轴线一端分别与第一转动副Ⅱ和第五转动副Ⅱ的轴线重合，另一端分别与第二转动副Ⅱ、第三转动副Ⅱ和第四转动副Ⅱ的轴线垂直；第二连杆Ⅱ和第三连杆Ⅱ的轴线与第二转动副Ⅱ、第三转动副Ⅱ和第四转动副Ⅱ的轴线垂直。

所述第三分支Ⅲ中，第一移动副Ⅲ的移动方向和第二移动副Ⅲ的移动方向垂直，且与第一转动副Ⅲ的轴线垂直；第一连杆Ⅲ的一端与第一移动副Ⅲ的移动方向垂直，另一端与第一滑轨Ⅲ的滑动轴线垂直；第一滑轨Ⅲ的滑动轴线与第二移动副Ⅲ的移动方向重合；第二连杆Ⅲ的一端与第二移动副Ⅲ的移动方向垂直，另一端与第一转动副Ⅲ的轴线重合。

所述第一分支Ⅰ中与定平台连接的第一转动副Ⅰ的轴线与定平台(4)底面平行；第二分支Ⅱ中与定平台连接的第一转动副Ⅱ的轴线与定平台底面垂直，且与定平台侧面平行；第三分支Ⅲ中与定平台连接的第一移动副Ⅲ的移动方向与定平台底面平行。

所述三个分支Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中，第二分支Ⅱ和第三分支Ⅲ分别与动平台连接的第五转动副Ⅱ、第一转动副Ⅲ轴线重合；第一分支Ⅰ和第二分支Ⅱ)的第一转动副Ⅰ、第一转动副Ⅱ为输入副，第三分支Ⅲ的第二移动副Ⅲ为输入副，并且三个输入副中两个转动输入副的轴线和移动输入副的移动方向相互垂直。

本发明与现有技术相比具有如下优点：结构简单，运动副均为低副，可以降低制造成本。实现了空间两维平动一维转动的完全解耦，使得机构的控制和正反解极为容易。所有输入运动副全部靠近定平台相连，这样不仅减少了杆件的负载，而且具有良好的运动性和较高的反应速度。

附图说明

图1是一种两移动一转动三自由度空间解耦并联机构的立体结构示意图。

在图1中，1ab.第一分支Ⅰ，1a-1.第一转动副Ⅰ，1b-1.第一连杆Ⅰ，1a-2.第二转动副Ⅰ，1b-2.第二连杆Ⅰ，1a-3.第三转动副Ⅰ，1b-3.第三连杆Ⅰ，1a-4.第四转动副Ⅰ，1b-4.第四连杆Ⅰ，1a-5.第五转动副Ⅰ，1b-5.第五连杆Ⅰ，1a-6.第六转动副Ⅰ，2ab.第二分支Ⅱ，2a-1.第一转动副Ⅱ，2b-1.第一连杆Ⅱ，2a-2.第二转动副Ⅱ，2b-2.第二连杆Ⅱ，2a-3.第三转动副Ⅱ，2b-3.第三连杆Ⅱ，2a-4.第四转动副Ⅱ，2b-4.第四连杆Ⅱ，2a-5.第五转动副Ⅱ，3abcd.第三分支Ⅲ，3a-1.第一转动副Ⅲ，3b-1.第一连杆Ⅲ，3b-2.第二连杆Ⅲ，3c-1.第一移动副Ⅲ，3c-2.第二移动副Ⅲ，3d-1.第一滑轨Ⅲ，3d-2.第二滑轨Ⅲ，4.定平台，5.动平台。

具体实施方式

在图1所示的一种两移动一转动三自由度空间解耦并联机构示意图中，第一分支Ⅰ1ab中的第一连杆Ⅰ1b-1的一端通过第一转动副Ⅰ1a-1与定平台4连接，第一连杆Ⅰ1b-1的另一端通过第二转动副Ⅰ1a-2与第二连杆Ⅰ1b-2的一端连接，第二连杆Ⅰ1b-2的另一端通过第三转动副Ⅰ1a-3与第三连杆Ⅰ1b-3的一端连接，第三连杆Ⅰ1b-3的另一端通过第四转动副Ⅰ1a-4与第四连杆Ⅰ1b-4的一端连接，第四连杆Ⅰ1b-4的另一端通过第五转动副Ⅰ1a-5与第五连杆Ⅰ1b-5的一端连接，第五连杆Ⅰ1b-5的另一端通过第六转动副Ⅰ1a-6与动平台5连接。

第二分支Ⅱ2ab中的第一连杆Ⅱ2b-1的一端通过第一转动副Ⅱ2a-1与定平台4连接，第一连杆Ⅱ2b-1的另一端通过第二转动副Ⅱ2a-2与第二连杆Ⅱ2b-2的一端连接，第二连杆Ⅱ2b-2的另一端通过第三转动副Ⅱ2a-3与第三连杆Ⅱ2b-3的一端连接，第三连杆Ⅱ2b-3的另一端通过第四转动副Ⅱ2a-4与第四连杆Ⅱ2b-4的一端连接，第四连杆Ⅱ2b-4的另一端通过第五转动副Ⅱ2a-5与动平台5连接。

第三分支Ⅲ3abcd中的第一移动副Ⅲ3c-1的一端通过第二滑轨Ⅲ3d-2与定平台4连接，另一端与第一连杆Ⅲ3b-1连接，第一连杆Ⅲ3b-1的另一端与第一滑轨Ⅲ3d-1连接，第二移动副Ⅲ3c-2的一端与第一滑轨Ⅲ3d-1连接,另一端与第二连杆Ⅲ3b-2连接，第二连杆Ⅲ3b-2的另一端通过第一转动副Ⅲ3a-1与动平台5连接。

第一分支Ⅰ1ab中，第一转动副Ⅰ1a-1和第二转动副Ⅰ1a-2的轴线平行；第三转动副Ⅰ1a-3、第四转动副Ⅰ1a-4和第五转动副Ⅰ1a-5的轴线平行，并与第一转动副Ⅰ1a-1和第二转动副Ⅰ1a-2的轴线垂直；第六转动副Ⅰ1a-6与另外五个转动副的轴线垂直。另外第一连杆Ⅰ1b-1、第二连杆Ⅰ1b-2、第三连杆Ⅰ1b-3和第四连杆Ⅰ1b-4的轴线与第一分支Ⅰ1ab中前五个转动副的轴线垂直，第五连杆Ⅰ1b-5的轴线一端与第五转动副Ⅰ1a-5的轴线垂直，另一端与第六转动副Ⅰ1a-6的轴线重合。

第二分支Ⅱ2ab中，第一转动副Ⅱ2a-1和第五转动副Ⅱ2a-5的轴线平行，第二转动副Ⅱ2a-2、第三转动副Ⅱ2a-3和第四转动副Ⅱ2a-4的轴线平行，并与第一转动副Ⅱ2a-1和第五转动副Ⅱ2a-5的轴线垂直。另外第一连杆Ⅱ2b-1和第四连杆Ⅱ2b-4的轴线一端分别与第一转动副2a-1和第五转动副2a-5的轴线重合，另一端分别与第二转动副2a-2、第三转动副2a-2和第四转动副2a-4的轴线垂直。第二连杆Ⅱ2b-2和第三连杆Ⅱ2b-3的轴线与第二转动副Ⅱ2a-2、第三转动副Ⅱ2a-2和第四转动副Ⅱ2a-4的轴线垂直。

第三分支Ⅲ3abcd中，第一移动副Ⅲ3c-1的移动方向和第二移动副Ⅲ3c-2的移动方向垂直，且与第一转动副Ⅲ3a-1的轴线垂直。第一连杆Ⅲ3b-1的一端与第一移动副Ⅲ3c-1的移动方向垂直，另一端与第一滑轨Ⅲ3d-1的滑动轴线垂直。第一滑轨Ⅲ3d-1的滑动轴线与第二移动副Ⅲ3c-2的移动方向重合。第二连杆Ⅲ3b-2的一端与第二移动副Ⅲ3c-2的移动方向垂直，另一端与第一转动副Ⅲ3a-1的轴线重合。

定平台4为相互垂直的框架结构，动平台5为等腰三角形结构，第一分支Ⅰ1ab中与定平台4连接的转动副Ⅰ1a-1的轴线与定平台4底面平行。第二分支Ⅱ2ab中与定平台4连接的转动副Ⅱ2a-1的轴线与定平台4底面垂直，且与定平台4侧面平行，第三分支Ⅲ3abcd中与定平台4连接的移动副Ⅲ3c-1的移动方向与定平台4底面平行。

三个分支中，第二分支Ⅱ2ab和第三分支Ⅲ3abcd分别与动平台5连接的两个转动副Ⅱ、Ⅲ(2a-5、3a-1)轴线重合。第一分支Ⅰ2ab和第二分支Ⅱ2ab的第一个转动副Ⅰ、Ⅱ(1a-1、2a-1)为输入副，第三分支Ⅲ3abcd的第二个移动副Ⅲ3c-2为输入副，并且三个输入副中两个转动输入副的轴线和移动输入副的移动方向相互垂直。

第一分支Ⅰ1ab的转动输入副的轴线和第三分支Ⅲ3abcd的移动输入副的移动方向，始终与定平台4平行，第二分支Ⅱ2ab的转动输入副的轴线与定平台4的底面垂直。

第一分支Ⅰ1ab中，第一连杆Ⅰ1b-1在第一转动副Ⅰ1a-1的驱动下发生转动，并带动第二连杆Ⅰ1b-2发生转动，第二连杆Ⅰ1b-2又带动第三连杆Ⅰ1b-3发生转动，最终带动第五连杆Ⅰ1b-5发生转动，动平台5在第五连杆Ⅰ1b-5的带动下发生转动。第二分支Ⅱ2ab中，第一连杆Ⅱ2b-1在第一转动副Ⅱ2a-1驱动下发生转动，并带动第二连杆Ⅱ2b-2发生转动，第二连杆Ⅱ2b-2又带动第三连杆Ⅱ2b-3发生转动，最终经第四连杆Ⅱ2b-4的转动带动动平台5发生移动。第三分支Ⅲ3abcd中，第一连杆Ⅲ3b-1在移动副和滑轨的驱动下发生移动，并带动第二连杆Ⅲ3b-2发生移动，最终经第二连杆Ⅲ3b-2的移动带动动平台5发生移动。动平台5发生的三个运动中，其中转动方向和两个移动方向组成的平面垂直，且这三个方向的一个转动和两个移动运动是无条件解耦的，互不干涉。

Claims (4)

1.一种两移动一转动三自由度空间解耦并联机构，包括定平台(4)、动平台(5)以及连接定平台(4)、动平台(5)的三个分支Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ(1ab、2ab、3abcd)，其特征是：第一分支Ⅰ(1ab)中的第一连杆Ⅰ(1b-1)的一端通过第一转动副Ⅰ(1a-1)与定平台(4)连接，第一连杆Ⅰ(1b-1)的另一端通过第二转动副Ⅰ(1a-2)与第二连杆Ⅰ(1b-2)的一端连接，第二连杆Ⅰ(1b-2)的另一端通过第三转动副Ⅰ(1a-3)与第三连杆Ⅰ(1b-3)的一端连接，第三连杆Ⅰ(1b-3)的另一端通过第四转动副Ⅰ(1a-4)与第四连杆Ⅰ(1b-4)的一端连接，第四连杆Ⅰ(1b-4)的另一端通过第五转动副Ⅰ(1a-5)与第五连杆Ⅰ(1b-5)的一端连接，第五连杆Ⅰ(1b-5)的另一端通过第六转动副Ⅰ(1a-6)与动平台(5)连接；第二分支Ⅱ(2ab)中的第一连杆Ⅱ(2b-1)的一端通过第一转动副Ⅱ(2a-1)与定平台(4)连接，第一连杆Ⅱ(2b-1)的另一端通过第二转动副Ⅱ(2a-2)与第二连杆Ⅱ(2b-2)的一端连接，第二连杆Ⅱ(2b-2)的另一端通过第三转动副Ⅱ(2a-3)与第三连杆Ⅱ(2b-3)的一端连接，第三连杆Ⅱ(2b-3)的另一端通过第四转动副Ⅱ(2a-4)与第四连杆Ⅱ(2b-4)的一端连接，第四连杆Ⅱ(2b-4)的另一端通过第五转动副Ⅱ(2a-5)与动平台(5)连接；第三分支Ⅲ(3abcd)中的第一移动副Ⅲ(3c-1)的一端通过第二滑轨Ⅲ(3d-2)与定平台(4)连接，另一端与第一连杆Ⅲ(3b-1)连接，第一连杆Ⅲ(3b-1)的另一端与第一滑轨Ⅲ(3d-1)连接，第二移动副Ⅲ(3c-2)的一端与第一滑轨Ⅲ(3d-1)连接，另一端与第二连杆Ⅲ(3b-2)连接，第二连杆Ⅲ(3b-2)的另一端通过第一转动副Ⅲ(3a-1)与动平台(5)连接；

所述第一分支Ⅰ(1ab)中，第一转动副Ⅰ(1a-1)和第二转动副Ⅰ(1a-2)的轴线平行；第三转动副Ⅰ(1a-3)、第四转动副Ⅰ(1a-4)和第五转动副Ⅰ(1a-5)的轴线平行，并与第一转动副Ⅰ(1a-1)和第二转动副Ⅰ(1a-2)的轴线垂直；第六转动副Ⅰ(1a-6)与该分支另外五个转动副的轴线垂直；另外第一连杆Ⅰ(1b-1)、第二连杆Ⅰ(1b-2)、第三连杆Ⅰ(1b-3)和第四连杆Ⅰ(1b-4)的轴线与第一分支Ⅰ(1ab)中前五个转动副的轴线垂直，第五连杆Ⅰ(1b-5)的轴线一端与第五转动副Ⅰ(1a-5)的轴线垂直，另一端与第六转动副Ⅰ(1a-6)的轴线重合；

所述第二分支Ⅱ(2ab)中，第一转动副Ⅱ(2a-1)和第五转动副Ⅱ(2a-5)的轴线平行，第二转动副Ⅱ(2a-2)、第三转动副Ⅱ(2a-3)和第四转动副Ⅱ(2a-4)的轴线平行，并与第一转动副Ⅱ(2a-1)和第五转动副Ⅱ(2a-5)的轴线垂直；另外第一连杆Ⅱ(2b-1)和第四连杆Ⅱ(2b-4)的轴线一端分别与第一转动副Ⅱ(2a-1)和第五转动副Ⅱ(2a-5)的轴线重合，另一端分别与第二转动副Ⅱ(2a-2)、第三转动副Ⅱ(2a-3)和第四转动副Ⅱ(2a-4)的轴线垂直；第二连杆Ⅱ(2b-2)和第三连杆Ⅱ(2b-3)的轴线与第二转动副Ⅱ(2a-2)、第三转动副Ⅱ(2a-3)和第四转动副Ⅱ(2a-4)的轴线垂直；

所述第三分支Ⅲ(3abcd)中，第一移动副Ⅲ(3c-1)的移动方向和第二移动副Ⅲ(3c-2)的移动方向垂直，且与第一转动副Ⅲ(3a-1)的轴线垂直；第一连杆Ⅲ(3b-1)的一端与第一移动副Ⅲ(3c-1)的移动方向垂直，另一端与第一滑轨Ⅲ(3d-1)的滑动轴线垂直；第一滑轨Ⅲ(3d-1)的滑动轴线与第二移动副Ⅲ(3c-2)的移动方向重合；第二连杆Ⅲ(3b-2)的一端与第二移动副Ⅲ(3c-2)的移动方向垂直，另一端与第一转动副Ⅲ(3a-1)的轴线重合。

2.根据权利要求1所述的两移动一转动三自由度空间解耦并联机构，其特征是：所述第一分支Ⅰ(1ab)中与定平台(4)连接的第一转动副Ⅰ(1a-1)的轴线与定平台(4)底面平行；第二分支Ⅱ(2ab)中与定平台(4)连接的第一转动副Ⅱ(2a-1)的轴线与定平台(4)底面垂直，且与定平台(4)侧面平行；第三分支Ⅲ(3abcd)中与定平台(4)连接的第一移动副Ⅲ(3c-1)的移动方向与定平台(4)底面平行。

3.根据权利要求1所述的两移动一转动三自由度空间解耦并联机构，其特征是：所述三个分支Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ(1ab、2ab、3abcd)中，第二分支Ⅱ(2ab)和第三分支Ⅲ(3abcd)分别与动平台(5)连接的第五转动副Ⅱ、第一转动副Ⅲ(2a-5、3a-1)轴线重合；第一分支Ⅰ(2ab)和第二分支Ⅱ(2ab)的第一转动副Ⅰ、第一转动副Ⅱ(1a-1、2a-1)为输入副，第三分支Ⅲ(3abcd)的第二移动副Ⅲ(3c-2)为输入副，并且三个输入副中两个转动输入副Ⅰ、Ⅱ(1a-1、2a-1)的轴线和移动输入副(3c-2)的移动方向相互垂直。

4.根据权利要求1所述的两移动一转动三自由度空间解耦并联机构，其特征是：所述定平台(4)为相互垂直的长方形底面和侧面组成，定平台(4)的底面一边安装第二滑轨Ⅲ(3d-2)，所述第二滑轨Ⅲ(3d-2)的中心线与定平台(4)底面和侧面的交线相平行，动平台(5)为等腰三角形结构。