CN104260079A - 用于3d打印机的含双空间并联支链的并联机器人装置 - Google Patents

用于3d打印机的含双空间并联支链的并联机器人装置 Download PDF

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陈晓永
崔国起
秦晓靖
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Abstract

一种用于3D打印机的含双空间并联支链的并联机器人装置，包括有定平台，位于定平台下方的动平台，以及分别固定在定平台上的第一～第四电机，所述的第一电机的输出轴和第二电机的输出轴分别对应的通过第一支链和第二支链能够旋转的连接在动平台一端的上侧，所述第三电机和第四电机的输出轴分别对应的通过第三支链和第四支链能够转动的连接在动平台另一端的上侧。本发明具有结构简单，运动精度高，响应速度快等特点。相对于现有三转动一移动四自由度并联机器人具有动平台结构简单，控制算法容易等优点。

Description

用于3D打印机的含双空间并联支链的并联机器人装置
技术领域
本发明涉及一种工业机器人。特别是涉及一种用于3D打印机的含双空间并联支链的并联机器人装置。
背景技术
并联机构是指在定平台和动平台之间设置有多个支链构成的闭环机构，具有两个或两个以上自由度。并联机构相比传统串联机构具有结构紧凑、刚度重量比高、动态性能好等特点，被广泛用在电子、轻工、医疗以及食品等行业。
目前，应用最为成熟的并联机构当属可实现三维平动的Delta机构(US4976582)，然而这种机构对于需要末端执行器一维转动的作业则需要在动平台上串接一个可转动的末端执行器，增加了动平台的质量，对该机构的动态性能产生影响。之后，为了解决Delta机构的自由度在某些作业场合的局限性，Pierrot等提出了具有四支链、双动平台特征的可实现SCARA运动的H4型并联机构，该机构的商业化产品Adept QuatrroTM S650机械手已成功用于生产线。该H4机构采用双平台结构，结构复杂，对其高速动态响应特性产生不利影响，不利于生产效率的进一步提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够克服所述H4机构双平台结构的弊端，具有三移一转四自由度的用于3D打印机的含双空间并联支链的并联机器人装置。
本发明所采用的技术方案是：一种用于3D打印机的含双空间并联支链的并联机器人装置，包括有定平台，位于定平台下方的动平台，以及分别固定在定平台上的第一～第四电机，所述的第一电机的输出轴和第二电机的输出轴分别对应的通过第一支链和第二支链能够旋转的连接在动平台一端的上侧，所述第三电机和第四电机的输出轴分别对应的通过第三支链和第四支链能够转动的连接在动平台另一端的上侧。
固定设置在定平台上的第一～第四电机呈平行四边形布局。
所述的第一支链、第二支链、第三支链和第四支链结构完全相同，均包括有一端与所述的第一电机或第二电机或第三电机或第四电机的输出轴固定连接的主动连杆，所述主动连杆的另一端能够旋转的连接平行四边形机构的上连杆，平行四边形机构的下连杆通过连接件能够旋转的连接所述动平台的一端。
所述的平行四边形机构包括有构成平行四边形机构的两个平行边的第一侧杆和第二侧杆，所述的上连杆和下连杆分别连接在第一侧杆和第二侧杆两侧的两个端部之间，构成平行四边形机构的另外两个平行边，所述的上连杆和下连杆结构完全相同，均包括有分别能够旋转的连接在所述第一侧杆和第二侧杆端部的两个立柱和能够旋转的连接在两个立柱之间的旋转轴，所述的主动连杆的端部形成有贯通孔，所述的上连杆是通过使旋转轴贯穿所述的主动连杆的贯通孔与所述的主动连杆能够旋转的连接。
所述的连接件包括有垂直连接在动平台上的连接柱，分别能够旋转的连接在所述连接柱下部的下旋转块和连接在所述连接柱上部的上旋转块，所述的下旋转块和上旋转块对应所述平行四边形机构的一侧形成有贯通孔，所述的平行四边形机构的下连杆是通过使旋转轴贯穿所述连接件中的下旋转块或上旋转块的贯通孔与所述的连接件能够旋转的连接。
第一支链和第二支链中的平行四边形机构的下连杆与所述的连接件分别构成转动副结构，所述分别构成的转动副结构的轴线重合；第三支链和第四支链中的平行四边形机构的下连杆与所述的连接件分别构成转动副结构，所述分别构成的转动副结构的轴线重合。
所述的第一支链、第二支链、第三支链和第四支链结构完全相同，均包括有：一端与所述的第一电机或第二电机或第三电机或第四电机的输出轴固定连接的主动连杆，所述主动连杆的另一端通过第一球面副结构连接两条平行设置的随动连杆的一端，两条平行设置的随动连杆的另一端通过第二球面副结构连接所述的动平台的一端。
所述的第一球面副结构包括有：形成在主动连杆端部的贯通孔，贯穿所述贯通孔的旋转轴，对应连接在所述旋转轴两端上的两个球面轴承，所述的两个球面轴承对应固定连接在所述的两条平行设置的随动连杆的一端；所述的第二球面副结构包括有：垂直连接在动平台上的连接柱，固定连接或能够旋转的连接在所述连接柱下部的下连接轴和连接在所述连接柱上部的上连接轴，所述下连接轴和上连接轴的两端分别各连接有一个球面轴承，所述的各球面轴承分别与所对应的两条平行设置的随动连杆的另一端固定连接。
本发明的用于3D打印机的含双空间并联支链的并联机器人装置，具有结构简单，运动精度高，响应速度快等特点。相对于现有三转动一移动四自由度并联机器人具有动平台结构简单，控制算法容易等优点。
附图说明
图1是本发明第一实施例的整体结构示意图；
图2是图1中平行四边形机构两端的连接结构示意图；
图3是图1中平行四边形机构的结构示意图；
图4是本发明第二实施例的整体结构示意图。
图中
1：第一电机                      2：第二电机
3：第三电机                      4：第四电机
5：定平台                        6：动平台
7：主动连杆                      8：平行四边形机构
9：连接件                        10：主动连杆
11：随动连杆                     12：随动连杆
13：连接柱                       14：旋转轴
15：球面轴承                     16：下连接轴
17：上连接轴                     18：球面轴承
81：第一侧杆                     82：第二侧杆
83：上连杆                       84：下连杆
85：立柱                         86：旋转轴
91：连接柱                       92：下旋转块
93：上旋转块
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的用于3D打印机的含双空间并联支链的并联机器人装置做出详细说明。
如图1、图4所示，本发明的用于3D打印机的含双空间并联支链的并联机器人装置，包括有定平台5，位于定平台5下方的动平台6，以及分别固定在定平台5上的第一～第四电机1、2、3、4，固定设置在定平台5上的第一～第四电机1、2、3、4呈平行四边形布局，所述动平台6呈长方体结构。所述的第一电机1的输出轴和第二电机2的输出轴分别对应的通过第一支链Ⅰ和第二支链Ⅱ能够旋转的连接在动平台6一端的上侧，所述第三电机3和第四电机4的输出轴分别对应的通过第三支链Ⅲ和第四支链Ⅳ能够转动的连接在动平台6另一端的上侧。第一～第四电机1、2、3、4分别驱动第一支链Ⅰ、第二支链Ⅱ、第三支链Ⅲ和第四支链Ⅳ，实现三维平动和一维转动自由度。
如图1、图2所示，所述的第一支链Ⅰ、第二支链Ⅱ、第三支链Ⅲ和第四支链Ⅳ结构完全相同，均包括有一端与所述的第一电机1或第二电机2或第三电机3或第四电机4的输出轴固定连接的主动连杆7，所述主动连杆7的另一端能够旋转的连接平行四边形机构8的上连杆83，平行四边形机构8的下连杆84通过连接件9能够旋转的连接所述动平台6的一端。
如图3所示，所述的平行四边形机构8包括有构成平行四边形机构8的两个平行边的第一侧杆81和第二侧杆82，所述的上连杆83和下连杆84分别连接在第一侧杆81和第二侧杆82两侧的两个端部之间，构成平行四边形机构8的另外两个平行边，所述的上连杆83和下连杆84结构完全相同，均包括有分别能够旋转的连接在所述第一侧杆81和第二侧杆82端部的两个立柱85和能够旋转的连接在两个立柱85之间的旋转轴86，所述的主动连杆7的端部形成有贯通孔，所述的上连杆83是通过使旋转轴86贯穿所述的主动连杆7的贯通孔与所述的主动连杆7能够旋转的连接。
如图2所示，所述的连接件9包括有垂直连接在动平台6上的连接柱91，分别能够旋转的连接在所述连接柱91下部的下旋转块92和连接在所述连接柱91上部的上旋转块93，所述的下旋转块92和上旋转块93对应所述平行四边形机构8的一侧形成有贯通孔，所述的平行四边形机构8的下连杆84是通过使旋转轴86贯穿所述连接件9中的下旋转块92或上旋转块93的贯通孔与所述的连接件9能够旋转的连接。
第一支链Ⅰ和第二支链Ⅱ中的平行四边形机构8的下连杆84与所述的连接件9分别构成转动副结构，所述分别构成的转动副结构的轴线重合；第三支链Ⅲ和第四支链Ⅳ中的平行四边形机构8的下连杆84与所述的连接件9分别构成转动副结构，所述分别构成的转动副结构的轴线重合。
本发明的用于3D打印机的含双空间并联支链的并联机器人装置中，第一支链Ⅰ、第二支链Ⅱ、第三支链Ⅲ和第四支链Ⅳ分别各构成有四个运动副：连接于定平台5和主动连杆7之间的转动副，连接于主动连杆7和平行四边形机构上连杆83之间的转动副，连接于平行四边形机构下连杆84与连接件9之间的转动副以及连接于动平台6和连接件9之间的转动副。
如图4所示，所述的第一支链Ⅰ、第二支链Ⅱ、第三支链Ⅲ和第四支链Ⅳ结构完全相同，均包括有：一端与所述的第一电机1或第二电机2或第三电机3或第四电机4的输出轴固定连接的主动连杆10，所述主动连杆10的另一端通过第一球面副结构连接两条平行设置的随动连杆11、12的一端，两条平行设置的随动连杆11、12的另一端通过第二球面副结构连接所述的动平台6的一端。
所述的第一球面副结构包括有：形成在主动连杆10端部的贯通孔，贯穿所述贯通孔的旋转轴14，对应连接在所述旋转轴14两端上的两个球面轴承15，所述的两个球面轴承15对应固定连接在所述的两条平行设置的随动连杆11、12的一端；所述的第二球面副结构包括有：垂直连接在动平台6上的连接柱13，固定连接或能够旋转的连接在所述连接柱13下部的下连接轴16和连接在所述连接柱13上部的上连接轴17，所述下连接轴16和上连接轴17的两端分别各连接有一个球面轴承18，所述的各球面轴承18分别与所对应的两条平行设置的随动连杆11、12的另一端固定连接。
本发明的用于3D打印机的含双空间并联支链的并联机器人装置中，各条支链上的平行四边形机构的第一侧杆和第二侧杆与上连杆和下连杆的链接并不限于上述结构，也可以采用第一侧杆和第二侧杆与上连杆和下连杆通过球铰链接，但是需要在两个侧杆之间添加多个约束杆，约束杆垂直固接在两个侧杆之间，使得主动连杆和动平台分别与上连杆和下连杆的连接件相对于平行四边形机构只能做旋转运动，此时上连杆和下连杆分别退化为主动杆和连接件的一部分。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于3D打印机的含双空间并联支链的并联机器人装置，包括有定平台(5)，位于定平台(5)下方的动平台(6)，以及分别固定在定平台(5)上的第一～第四电机(1、2、3、4)，其特征在于，所述的第一电机(1)的输出轴和第二电机(2)的输出轴分别对应的通过第一支链(Ⅰ)和第二支链(Ⅱ)能够旋转的连接在动平台(6)一端的上侧，所述第三电机(3)和第四电机(4)的输出轴分别对应的通过第三支链(Ⅲ)和第四支链(Ⅳ)能够转动的连接在动平台(6)另一端的上侧。
2.根据权利要求1所述的用于3D打印机的含双空间并联支链的并联机器人装置，其特征在于，固定设置在定平台(5)上的第一～第四电机(1、2、3、4)呈平行四边形布局。
3.根据权利要求1所述的用于3D打印机的含双空间并联支链的并联机器人装置，其特征在于，所述的第一支链(Ⅰ)、第二支链(Ⅱ)、第三支链(Ⅲ)和第四支链(Ⅳ)结构完全相同，均包括有一端与所述的第一电机(1)或第二电机(2)或第三电机(3)或第四电机(4)的输出轴固定连接的主动连杆(7)，所述主动连杆(7)的另一端能够旋转的连接平行四边形机构(8)的上连杆(83)，平行四边形机构(8)的下连杆(84)通过连接件(9)能够旋转的连接所述动平台(6)的一端。
4.根据权利要求3所述的用于3D打印机的含双空间并联支链的并联机器人装置，其特征在于，所述的平行四边形机构(8)包括有构成平行四边形机构(8)的两个平行边的第一侧杆(81)和第二侧杆(82)，所述的上连杆(83)和下连杆(84)分别连接在第一侧杆(81)和第二侧杆(82)两侧的两个端部之间，构成平行四边形机构(8)的另外两个平行边，所述的上连杆(83)和下连杆(84)结构完全相同，均包括有分别能够旋转的连接在所述第一侧杆(81)和第二侧杆(82)端部的两个立柱(85)和能够旋转的连接在两个立柱(85)之间的旋转轴(86)，所述的主动连杆(7)的端部形成有贯通孔，所述的上连杆(83)是通过使旋转轴(86)贯穿所述的主动连杆(7)的贯通孔与所述的主动连杆(7)能够旋转的连接。
5.根据权利要求3所述的用于3D打印机的含双空间并联支链的并联机器人装置，其特征在于，所述的连接件(9)包括有垂直连接在动平台(6)上的连接柱(91)，分别能够旋转的连接在所述连接柱(91)下部的下旋转块(92)和连接在所述连接柱(91)上部的上旋转块(93)，所述的下旋转块(92)和上旋转块(93)对应所述平行四边形机构(8)的一侧形成有贯通孔，所述的平行四边形机构(8)的下连杆(84)是通过使旋转轴(86)贯穿所述连接件(9)中的下旋转块(92)或上旋转块(93)的贯通孔与所述的连接件(9)能够旋转的连接。
6.根据权利要求5所述的用于3D打印机的含双空间并联支链的并联机器人装置，其特征在于，第一支链(Ⅰ)和第二支链(Ⅱ)中的平行四边形机构(8)的下连杆(84)与所述的连接件(9)分别构成转动副结构，所述分别构成的转动副结构的轴线重合；第三支链(Ⅲ)和第四支链(Ⅳ)中的平行四边形机构(8)的下连杆(84)与所述的连接件(9)分别构成转动副结构，所述分别构成的转动副结构的轴线重合。
7.根据权利要求3所述的用于3D打印机的含双空间并联支链的并联机器人装置，其特征在于，所述的第一支链(Ⅰ)、第二支链(Ⅱ)、第三支链(Ⅲ)和第四支链(Ⅳ)结构完全相同，均包括有：一端与所述的第一电机(1)或第二电机(2)或第三电机(3)或第四电机(4)的输出轴固定连接的主动连杆(10)，所述主动连杆(10)的另一端通过第一球面副结构连接两条平行设置的随动连杆(11、12)的一端，两条平行设置的随动连杆(11、12)的另一端通过第二球面副结构连接所述的动平台(6)的一端。
8.根据权利要求7所述的用于3D打印机的含双空间并联支链的并联机器人装置，其特征在于，所述的第一球面副结构包括有：形成在主动连杆(10)端部的贯通孔，贯穿所述贯通孔的旋转轴(14)，对应连接在所述旋转轴(14)两端上的两个球面轴承(15)，所述的两个球面轴承(15)对应固定连接在所述的两条平行设置的随动连杆(11、12)的一端；所述的第二球面副结构包括有：垂直连接在动平台(6)上的连接柱(13)，固定连接或能够旋转的连接在所述连接柱(13)下部的下连接轴(16)和连接在所述连接柱(13)上部的上连接轴(17)，所述下连接轴(16)和上连接轴(17)的两端分别各连接有一个球面轴承(18)，所述的各球面轴承(18)分别与所对应的两条平行设置的随动连杆(11、12)的另一端固定连接。
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