CN104015186A - 三维平动一维转动的四自由度并联机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维平动一维转动的四自由度并联机构，该机构由实现一维平动的直线运动机构和实现两维平动一维转动的三自由度并联机构所组成，所述两维平动一维转动并联机构的动平台和定平台之间具有三组或四组运动支链，所述支链中包含一组RRR或PRR支链，其余均为具有空间六自由度的UPS支链，所述UPS支链的两端在动平台和定平台的连接点分别称为动平台连接点和定平台连接点，任意两个动平台连接点连接形成直线L，RRR或PRR支链在动平台上的连接点为直线L中垂线上的任意一点，但不是垂足；各支链在定平台上的连接点与动平台连接点对应分布。该并联机构适用于机床和机器人等。
Description
技术领域
本发明属于工业机器人机构领域，具体讲是一种三维平动一维转动的四自由度并联机构。
背景技术
并联机构是指动平台与定平台之间由两个或两个以上分支相连，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的机构。并联机构由于具有刚度大、承载能力强、误差累积小、动态性能好、结构紧凑等优点，近年来被广泛应用于众多技术领域。早期的并联机构通常是6自由度的Stewart并联机构，该机构的动平台与定平台之间以六个分支相连，每个分支两端是两个球铰，中间是一移动副。驱动副推动移动副做相对移动，改变分支的长度，使动平台的位置和姿态变化。Stewart并联机构有工作空间小、运动正解困难、结构复杂等缺点。为了克服6自由度并联机构的这些缺点，近年来许多研究人员把注意力转向了少自由度并联机构。具有三维平动一维转动的四自由度并联机构在工业中应用比较广泛。现有的具有三维平动一维转动的四自由度并联机构大多采用对称结构，结构复杂，工作空间小，制造成本高，实用性差。另外，在轻工、医药、食品和电子等行业的自动化生产线中，诸如分拣、包装、封装等作业往往需要末端执行器不但能实现两维平动一维转动的特殊的轨迹运动，而且也能实现垂直于特殊轨迹所在平面的长距离运输。由于该类末端执行器的工作空间大，所以它不适合采用四自由度完全对称并联机构。
发明内容
本发明解决的技术问题在于：针对现有的四自由度并联机构对称结构导致的工作空间小问题，本发明提出了一种具有高刚度，非对称且动态性能好的三维平动一维转动的四自由度并联机构。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：将三维平动一维转动的四自由度分解为一维平动自由度和具有两维平动一维转动的三自由度，其中一维平动由直线运动机构实现，而两维平动一维转动的三自由度由并联机构实现。上述两维平动一维转动并联机构的动平台和定平台间具有三组或四组运动支链，所述支链中包含一组RRR或PRR支链，其余均为具有空间六自由度的UPS支链。另外，所述UPS支链的两端在动平台和定平台的连接点分别称为动平台连接点和定平台连接点，任意两个动平台连接点连接形成直线L，RRR或PRR支链在动平台上的连接点为直线L中垂线上的任意一点，但不是垂足；各支链在定平台上的连接点与动平台连接点对应分布。
本发明动平台和定平台之间具有三组运动支链的优选结构是：第一组运动支链和第二组运动支链都是UPS支链，但第三组运动支链为RRR或PRR支链；这三组运动支链依次间隔120°均布于动平台和定平台之间，其两端在动平台和定平台的连接点分别构成正三角形，如果运动支链末端是移动副P，则可沿定平台的直径方向移动。
本发明动平台和定平台之间具有四组运动支链的优选结构是：前三组运动支链为具有空间六自由度的UPS支链，布置方式同上述三组运动支链；而RRR或PRR支链为第四组运动支链，用来作为中间约束支链，其两端分别连接动平台和定平台的中心位置。移动副P则可沿定平台的直径方向移动。
在本发明中，如果运动支链为RRR支链，则该支链中三个转动副的轴线互相平行；如果运动支链为PRR支链，则该支链中移动副的移动方向垂直于另外两个转动副的轴线。
本发明所采用的非对称支链结构使得机构的工作空间比对称的并联机构大；该机构控制简单，标定容易，易于控制，动态性能好；它既能作复杂的平面运动，又能绕该平面中的某个轴线转动。本发明适用于机床和机器人等。
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图，也是实施例1的示意图。
图2是本发明的又一种结构示意图，也是实施例2的示意图。
图3是本发明的又一种结构示意图，也是实施例3的示意图。
图4是本发明的又一种结构示意图，也是实施例4的示意图。
图5是图1中两维平动一维转动并联机构的具体结构示意图。
图6是图2中两维平动一维转动并联机构的具体结构示意图。
图7是图3中两维平动一维转动并联机构的具体结构示意图。
图8是图4中两维平动一维转动并联机构的具体结构示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示的三维平动一维转动的四自由度并联机构，它由两维平动一维转动并联机构和直线运动机构所组成。直线导轨17、滚珠丝杆18以及驱动电机19组成了直线运动机构。两维平动一维转动并联机构的具体结构示意图如图5所示。其定平台1上方设有动平台2，定平台经三组运动支链连接动平台。第一组运动支链上设有移动副4，移动副4连接连杆6和连杆7，连杆6通过万向节3与定平台直接相连接，连杆7通过球副5与动平台连接。万向节3、移动副4和球副5构成第一组UPS运动支链。第二组运动支链的结构与第一组相同，它通过万向节8与定平台相连接，连杆12通过球副10与动平台连接，移动副9连接连杆11和连杆12。第三组运动支链通过转动副14与定平台相连接，与动平台2相连接的运动副为转动副16，第三组运动支链的中间运动副为转动副15。
实施例2
如图2所示的三维平动一维转动的四自由度并联机构，其由两维平动一维转动的并联机构和直线运动机构所组成。两维平动一维转动并联机构的具体结构示意图如图6所示。其中第三组运动支链通过转动副16与动平台连接，第三组运动支链的中间运动副为转动副15，而第三组运动支链中与定平台1相连接的运动副为移动副13。其它结构同实施例1，不再赘述。
实施例3
如图3所示的三维平动一维转动的四自由度并联机构，其由两维平动一维转动的并联机构和直线运动机构所组成。两维平动一维转动并联机构的具体结构示意图如图7所示。其定平台1经四组运动支链连接动平台2，第一组运动支链通过万向节3与定平台1相连接，第一组运动支链中与动平台2相连接的运动副为球副5，第一组运动支链中设有中间移动副4。第二组和第三组运动支链结构与第一组运动支链相同。第四组运动支链为中间约束支链，它通过转动副14与定平台1相连接，它与动平台2相连接的运动副为转动副16，第四组运动支链中的中间运动副为转动副15。
实施例4
如图4所示的三维平动一维转动的四自由度并联机构，其由两维平动一维转动并联机构和直线运动机构所组成。两维平动一维转动并联机构的具体结构示意图如图8所示。其中第四组运动支链也为中间约束支链，它通过转动副16与动平台2相连接，它的中间运动副为转动副15，而它与定平台1相连接的运动副为移动副13。其它结构同实施例3，不再赘述。
本发明并不局限于上述具体实施方式，上述实施例仅仅为示意性的，并不是限制性的，本领域技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的更改元件造型、连接方式等，可以作出很多类似的结构方式及实施例，均在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.三维平动一维转动的四自由度并联机构，该四自由度并联机构由实现一维平动的直线运动机构和实现两维平动一维转动的三自由度并联机构所组成，其特征在于：所述两维平动一维转动并联机构的动平台和定平台之间具有三组或四组运动支链，所述支链中包含一组RRR或PRR支链，其余均为具有空间六自由度的UPS支链，所述UPS支链的两端在动平台和定平台的连接点分别称为动平台连接点和定平台连接点，任意两个动平台连接点连接形成直线L，RRR或PRR支链在动平台上的连接点为直线L中垂线上的任意一点，但不能为垂足；各支链在定平台上的连接点与动平台连接点对应分布。
2.根据权利要求1所述的三维平动一维转动的四自由度并联机构，其特征在于：所述动平台和定平台之间具有三组运动支链，第一组和第二组运动支链都是UPS支链，而第三组运动支链为RRR或PRR支链；三组运动支链依次间隔120°均布于动平台和定平台之间，其两端在动平台和定平台的连接点分别构成正三角形，如果运动支链末端是移动副P，则可沿定平台的直径方向移动。
3.根据权利要求1所述的三维平动一维转动的四自由度并联机构，其特征在于：所述动平台和定平台之间具有四组运动支链，前三组运动支链为具有空间六自由度的UPS支链，三组运动支链依次间隔120°均布于动平台和定平台之间，其两端在动平台和定平台的连接点分别构成正三角形，RRR或PRR支链为第四组运动支链，其两端分别连接动平台和定平台的中心位置，移动副P则可沿定平台的直径方向移动。
4.根据权利要求1-3任一所述的三维平动一维转动的四自由度并联机构，其特征在于：所述RRR支链中的三个转动副的轴线互相平行。
5.根据权利要求1-3任一所述的三维平动一维转动的四自由度并联机构，其特征在于：所述PRR支链中的移动副的移动方向垂直于另外两个转动副的轴线。
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