CN105033988B - 一种两维转动三维移动五自由度并联机器人机构 - Google Patents

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本发明涉及机器人和机械制造领域，特别是一种两维转动三维移动五自由度并联机器人机构，包括机座(4)和动平台(9)，其中，动平台(9)与机座(4)通过五个结构完全相同的RUS型驱动分支以及一个约束分支相连接。本发明的一种两维转动三维移动五自由度并联机器人机构具有完全对称的结构，运动学正解、反解简单，运动形式明确，即可实现空间两维转动三维移动。

Description

一种两维转动三维移动五自由度并联机器人机构
技术领域
本发明涉及机器人和机械制造领域，特别是一种两维转动三维移动五自由度并联机器人。
背景技术
并联机构是指由两个或两个以上分支组成，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的结构。并联机器人相对串联机器人具有机构刚度大、承载能力强、末端质量轻、惯性小、位置误差不累积等特点，应用上与串联机器人优势互补。Stewart平台是一种典型的6自由度并联机器人机构，该机构首次用于并联机器人和数控机床，并被认为是二十世纪以来机床结构的一次革命，随后发明了多种6自由度并联机构。但由于结构的限制，6自由度并联机构有许多技术问题没能很好解决，如运动耦合性强、运动学正解复杂、工作空间小、传动特性差等。与六自由度并联机器人、机床相比，五自由度并联机器人、机床具有结构更简单、更容易控制的优点，其应用领域扩展到轻工、医药、电子以及加工制造业等行业，故五自由度并联机器人机构已成机器人和制造领域的研究热点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工作空间大、结构简单、运动精度高、易于控制、能够折叠的一种两维转动三维移动五自由度并联机器人机构。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种两维转动三维移动五自由度并联机器人机构，包括机座4和动平台9，其中，动平台9与机座4通过五个结构完全相同的RUS型驱动分支以及一个约束分支相连接；
所述五个RUS型驱动分支包括转动副、第一下连杆5、第一虎克铰6、第一上连杆7和球副8，所述转动副为第一转动副1或者第二转动副2；
在动平台9的下表面，以动平台9的下表面中心为圆心的同一圆周上均匀布置有球副8；
在机座4的上表面，四个第一转动副1均匀地布置在以机座4的上表面中心为圆心的同一圆周上，相邻第一转动副1的间隔角度为90°；
一个第二转动副2位于两个相邻的第一转动副1连线的垂直平分线上，且第二转动副2与这两个相邻的第一转动副1的间隔角度分别为45°；
机座4通过第一转动副1或第二转动副2和第一下连杆5相连，第一下连杆5通过第一虎克铰6和第一上连杆7相连，第一上连杆7通过球副8和动平台9相连，第一虎克铰6的第一虎克铰转动副a的轴线方向和与其连接的第一转动副1或第二转动副2的轴线方向平行。
所述约束分支包括第二虎克铰10、第二上连杆11、第二下连杆12和第三虎克铰13；
第二虎克铰10设于动平台9的下表面中心，第三虎克铰13设于机座4的上表面中心；动平台9通过第二虎克铰10和第二上连杆11相连，第二上连杆11通过移动副和第二下连杆12相连，第二下连杆12通过第三虎克铰13和机座4相连；第三虎克铰13的第三虎克铰转动副c的轴线方向、第二转动副2的轴线方向及第二虎克铰10的第二虎克铰转动副b的轴线方向平行。
所述约束分支包括第二虎克铰10、第二上连杆11、第三转动副3、第二下连杆12和第三虎克铰13；
第二虎克铰10设于动平台9的下表面中心，第三虎克铰13设于机座4的上表面中心；动平台9通过第二虎克铰10和第二上连杆11相连，第二上连杆11通过第三转动副3和第二下连杆12相连，第二下连杆12通过第三虎克铰13和机座4相连；第三虎克铰13的第三虎克铰转动副c的轴线方向、第二转动副2的轴线方向及第二虎克铰10的第二虎克铰转动副b的轴线方向平行。
每个第一转动副1和第二转动副2分别与电动机14同轴联接，电动机14位于机座4上。
本发明的有益效果在于：
1、本发明结构简单、承载能力高、易折叠，便于安装及重组。
2、以伺服电机为驱动，过载能力强、移动灵活、易实现高精度伺服控制、易于实现大驱动。
3、本发明的一种两维转动三维移动五自由度并联机器人机构具有完全对称的结构，运动学正解、反解简单，运动形式明确，即可实现空间两维转动三维移动。
4、在高端数控制造及重型并联装备、航空航天模拟及探测装备、军事装备、生物医疗及仿生操作装置、多维力传感器、微纳米操作装置、人体康复装置及相应领域都有广泛应用前景。
附图说明
图1为本发明的两维转动三维移动五自由度并联机器人机构第一实施例的结构示意图。
图2为本发明的两种两维转动三维移动五自由度并联机器人机构第二实施例的结构示意图。
附图标记：
1第一转动副 2第二转动副 3第三转动副
4机座 5第一下连杆 6第一虎克铰
7第一上连杆 8球副 9动平台
10第二虎克铰 11第二上连杆 12第二下连杆
13第三虎克铰 14电动机 a第一虎克铰转动副
b第二虎克铰转动副 c第三虎克铰转动副
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为便于说明，用S、U、R、P分别表示分支运动链中的球副、虎克铰、转动副和移动副，它们的组合构成分支运动链结构。驱动分支为含驱动装置的运动分支，约束分支为不含驱动装置的运动分支。
实施例1
图1所示的两维转动三维移动五自由度并联机器人机构，包括机座4和动平台9，动平台9与机座4通过五个结构完全相同的RUS型驱动分支以及一个约束分支相连接。
五个RUS型驱动分支包括转动副、第一下连杆5、第一虎克铰6、第一上连杆7和球副8，所述转动副为第一转动副1或者第二转动副2。
在动平台9的下表面，以动平台9的下表面中心为圆心的同一圆周上均匀布置有球副8。
在机座4的上表面，四个第一转动副1均匀地布置在以机座4的上表面中心为圆心的同一圆周上，相邻第一转动副1的间隔角度为90°。
一个第二转动副2位于两个相邻的第一转动副1连线的垂直平分线上，且第二转动副2与这两个相邻的第一转动副1的间隔角度分别为45°。
机座4通过第一转动副1或第二转动副2与第一下连杆5相连，第一下连杆5通过第一虎克铰6和第一上连杆7相连，第一上连杆7通过球副8和动平台9相连。第一虎克铰6的第一虎克铰转动副a的轴线方向和与其连接的第一转动副1或第二转动副2的轴线方向平行。
UPU型约束分支包括第二虎克铰10、第二上连杆11、第二下连杆12和第三虎克铰13。
第二虎克铰10设于动平台9的下表面中心，第三虎克铰13设于机座4的上表面中心。动平台9通过第二虎克铰10和第二上连杆11相连，第二上连杆11通过移动副和第二下连杆12相连，第二下连杆12通过第三虎克铰13和机座4相连。第三虎克铰13的第三虎克铰转动副c的轴线方向、第二转动副2的轴线方向及第二虎克铰10的第二虎克铰转动副b的轴线方向平行。
每个第一转动副1和第二转动副2分别与电动机14同轴联接，电动机14位于机座4上。
实施例2
图2所示的两维转动三维移动五自由度并联机器人机构，包括机座4和动平台9，动平台9与机座4通过五个结构完全相同的RUS型驱动分支以及一个URU型约束分支相连接。
五个RUS型驱动分支包括转动副、第一下连杆5、第一虎克铰6、第一上连杆7和球副8，所述转动副为第一转动副1或者第二转动副2。
在动平台9的下表面，以动平台9的下表面中心为圆心的同一圆周上均匀布置有球副8。
在机座4的上表面，四个第一转动副1均匀地布置在以机座4的上表面中心为圆心的同一圆周上，相邻第一转动副1的间隔角度为90°。
一个第二转动副2位于两个相邻的第一转动副1连线的垂直平分线上，且第二转动副2与这两个相邻的第一转动副1的间隔角度分别为45°。
机座4通过第一转动副1或第二转动副2与第一下连杆5相连，第一下连杆5通过第一虎克铰6和第一上连杆7相连，第一上连杆7通过球副8和动平台9相连。第一虎克铰6的第一虎克铰转动副a的轴线方向和与其连接的第一转动副1或第二转动副2的轴线方向平行。
URU型约束分支包括第二虎克铰10、第二上连杆11、第三转动副3、第二下连杆12和第三虎克铰13。
第二虎克铰10设于动平台9的下表面的中心，第三虎克铰13设于机座4的上表面的中心。动平台9通过第二虎克铰10和第二上连杆11相连，第二上连杆11通过第三转动副3和第二下连杆12相连，第二下连杆12通过第三虎克铰13和机座4相连。第三虎克铰13的第三虎克铰转动副c的轴线方向、第二转动副2的轴线方向及第二虎克铰10的第二虎克铰转动副b的轴线方向平行。
每个第一转动副1和第二转动副2分别与电动机14同轴联接，电动机14位于机座4上。

Claims (4)

1.一种两维转动三维移动五自由度并联机器人机构，包括机座(4)和动平台(9)，其特征在于：动平台(9)与机座(4)通过五个结构完全相同的RUS型驱动分支以及一个约束分支相连接；
所述五个RUS型驱动分支包括转动副、第一下连杆(5)、第一虎克铰(6)、第一上连杆(7)和球副(8)，所述转动副为第一转动副(1)或者第二转动副(2)；
在动平台(9)的下表面，以动平台(9)的下表面中心为圆心的同一圆周上均匀布置有球副(8)；
在机座(4)的上表面，四个第一转动副(1)均匀地布置在以机座(4)的上表面中心为圆心的同一圆周上，相邻第一转动副(1)的间隔角度为90°；
一个第二转动副(2)位于两个相邻的第一转动副(1)连线的垂直平分线上，且第二转动副(2)与这两个相邻的第一转动副(1)的间隔角度分别为45°；
机座(4)通过第一转动副(1)或第二转动副(2)和第一下连杆(5)相连，第一下连杆(5)通过第一虎克铰(6)和第一上连杆(7)相连，第一上连杆(7)通过球副(8)和动平台(9)相连，第一虎克铰(6)的第一虎克铰转动副(a)的轴线方向和与其连接的第一转动副(1)或第二转动副(2)的轴线方向平行；
所述约束分支包括第二虎克铰(10)、第二上连杆(11)、第二下连杆(12)和第三虎克铰(13)；
第二虎克铰(10)设于动平台(9)的下表面中心，第三虎克铰(13)设于机座(4)的上表面中心；动平台(9)通过第二虎克铰(10)和第二上连杆(11)相连，第二上连杆(11)通过移动副和第二下连杆(12)相连，第二下连杆(12)通过第三虎克铰(13)和机座(4)相连；第三虎克铰(13)的第三虎克铰转动副(c)的轴线方向、第二转动副(2)的轴线方向及第二虎克铰(10)的第二虎克铰转动副(b)的轴线方向平行。
2.如权利要求1所述的两维转动三维移动五自由度并联机器人机构，其特征在于：
每个第一转动副(1)和第二转动副(2)分别与电动机(14)同轴联接，电动机(14)位于机座(4)上。
3.一种两维转动三维移动五自由度并联机器人机构，包括机座(4)和动平台(9)，其特征在于：动平台(9)与机座(4)通过五个结构完全相同的RUS型驱动分支以及一个约束分支相连接；
所述五个RUS型驱动分支包括转动副、第一下连杆(5)、第一虎克铰(6)、第一上连杆(7)和球副(8)，所述转动副为第一转动副(1)或者第二转动副(2)；
在动平台(9)的下表面，以动平台(9)的下表面中心为圆心的同一圆周上均匀布置有球副(8)；
在机座(4)的上表面，四个第一转动副(1)均匀地布置在以机座(4)的上表面中心为圆心的同一圆周上，相邻第一转动副(1)的间隔角度为90°；
一个第二转动副(2)位于两个相邻的第一转动副(1)连线的垂直平分线上，且第二转动副(2)与这两个相邻的第一转动副(1)的间隔角度分别为45°；
机座(4)通过第一转动副(1)或第二转动副(2)和第一下连杆(5)相连，第一下连杆(5)通过第一虎克铰(6)和第一上连杆(7)相连，第一上连杆(7)通过球副(8)和动平台(9)相连，第一虎克铰(6)的第一虎克铰转动副(a)的轴线方向和与其连接的第一转动副(1)或第二转动副(2)的轴线方向平行；
所述约束分支包括第二虎克铰(10)、第二上连杆(11)、第三转动副(3)、第二下连杆(12)和第三虎克铰(13)；
第二虎克铰(10)设于动平台(9)的下表面中心，第三虎克铰(13)设于机座(4)的上表面中心；动平台(9)通过第二虎克铰(10)和第二上连杆(11)相连，第二上连杆(11)通过第三转动副(3)和第二下连杆(12)相连，第二下连杆(12)通过第三虎克铰(13)和机座(4)相连；第三虎克铰(13)的第三虎克铰转动副(c)的轴线方向、第二转动副(2)的轴线方向及第二虎克铰(10)的第二虎克铰转动副(b)的轴线方向平行。
4.如权利要求3所述的两维转动三维移动五自由度并联机器人机构，其特征在于：
每个第一转动副(1)和第二转动副(2)分别与电动机(14)同轴联接，电动机(14)位于机座(4)上。
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