CN105215976B - 完全解耦三自由度并联机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及工业机器人机构领域，特别是涉及到了一种完全解耦三自由度并联机构。在本发明的完全解耦三自由度并联机构中，安装于静平台上的第一移动副、第三转动副和第八移动副被选为主动副。其中第一移动副与第三转动副轴线相互垂直，第一移动副和第八移动副轴线垂直。第七转动副和第十二转动副与动平台相连，且它们的轴线相互平行。因此，本发明的并联机构动平台可实现两维转动一维移动输出运动，机构的雅可比矩阵为3×3对角阵，故动平台的输出运动与主动副输入运动之间存在一对一的映射关系，大大减少了各运动链之间的影响，解决了一般并联机器人解耦性差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及工业机器人机构领域，特别是涉及到了一种完全解耦三自由度并联机构。
背景技术
并联机构又称并联机器人，是近年来机构学和机器人领域研究的热点之一。由于具有刚度大、承载能力强、误差累计小、动态性能好、结构紧凑等优点，并联机构近年来被广泛应用于众多技术领域。并联机器人分为六自由度机器人和少自由度并联机器人。少自由度并联机器人具有结构简单、控制较为容易、制造成本低等特点。
目前，已有不少学者在三自由度一维移动二维转动并联机器人的研究领域中取得了相应的成就，例如申请公布号为CN102909569A、公布日为2013.02.06的中国专利公开的一种1T2R三自由度空间并联机构，申请公布号为CN102360160A、公布日为2012.02.22的中国专利所公开的一种2R1T三自由度空间柔性精密定位平台，申请公布号为CN102626919A、公布日为2012.08.08的中国专利所公开的无交汇轴线的对称两转动一移动并联机构以及申请公布号为CN104029195A、公布日为2014.09.10的中国专利申请所公开的一种两转动一移动过约束并联机构均是属于少自由度并联机构的范畴。但这些机构都有强运动耦合性，对于一般的并联机构，因其运动耦合性都强，导致运动学解有多组，从而使得在轨迹规划和控制设计方面困难。若想适用于工业机器人、医疗机器人和微操作器等领域，具有完全解耦的三自由度并联机构有着广阔的前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种完全解耦三自由度并联机构，以解决现有并联机构的各运动链之间互相影响、解耦性差的问题。
为了解决上述问题，本发明的完全解耦三自由度并联机构采用以下技术方案：完全解耦三自由度并联机构，包括静平台、动平台和连接在动平台与静平台之间的两条分支运动链，两条分支运动链中的一支为混合链，另一支为单开链；所述混合链包括第一子分支、第二子分支和第七转动副，第一子分支包括与静平台连接的第一移动副和与第一移动副串联的第二转动副，第一移动副的轴线垂直于第二转动副的转动轴线，第一移动副为主动副，第二子分支包括与静平台连接的第三转动副和依次从第三转动副串联的第四转动副、第五虎克铰、第六虎克铰，第三转动副的转动轴线与第四转动副的轴线垂直，第五虎克铰与第六虎克铰的相邻部分的转动轴线互相平行、另一部分的转动轴线均与第四转动副的转动轴线平行，第三转动副为主动副，第一子分支与第二子分支并联构成空间闭合回路结构并通过第七转动副与动平台连接，第二转动副的转动轴线与第七转动副的轴线互相垂直；单开链包括自静平台向动平台依次串联的第八移动副、第九转动副、第十转动副、第十一转动副和第十二转动副，第八移动副、第九转动副、第十转动副和第十一转动副的轴线互相平行并且均垂直于第十二转动副的转动轴线，第八移动副为主动副。
所述第八移动副的位置高于第三转动副和第一移动副。
所述第八移动副通过一个立架设于静平台上。
所述混合链和单开链分别在动平台的相对的两侧处与动平台连接。
所述动平台为矩形平台。
在本发明的完全解耦三自由度并联机构中，安装于静平台上的第一移动副、第三转动副和第八移动副被选为主动副。其中第一移动副与第三转动副轴线相互垂直，第一移动副和第八移动副轴线垂直。第七转动副和第十二转动副与动平台相连，且它们的轴线相互平行。因此，本发明的并联机构动平台可实现两维转动一维移动输出运动，机构的雅可比矩阵为3×3对角阵，故动平台的输出运动与主动副输入运动之间存在一对一的映射关系，大大减少了各运动链之间的影响，解决了一般并联机器人解耦性差的问题。
附图说明
图1是完全解耦三自由度并联机构的实施例的原理图；
图2是完全解耦三自由度并联机构的实施例的结构示意图。
具体实施方式
完全解耦三自由度并联机构的实施例，如图1-2所示，该机构包括静平台11、动平台10以及连接静平台11和动平台10的混合链和单开链。动平台10采用矩形台面板，混合链和单开链分别连接在动平台的相对的两侧处。
混合链包括一个空间闭合回路结构和第七转动副R7，所述空间闭合回路结构包括第一子分支和第二子分支。
第一子分支包括静平台11上的第一移动副P1和第二转动副R2，它们通过第五连杆5连接。第一子分支中P1⊥R2，即第一移动副P1与第二转动副R2轴线相互垂直。
第二子分支包括第三转动副R3，第四转动副R4和第五虎克铰U5和第六虎克铰U6。第三转动副R3和第四转动副R4通过第一连杆1连接，第四转动副R4和第五虎克铰U5通过第二连杆2连接，第五虎克铰U5和第六虎克铰U6通过第三连杆3连接。第二子分支中第三转动副R3与第四转动副R4轴线相互垂直，而第五虎克铰U5和第六虎克铰U6中相邻的两个转动副轴线相互平行，其它两个转动副与第四转动副R4轴线平行。第一移动副P1和第三转动副R3分别为两子分支的主动副。
所述第一子分支、第二子分支通过第四连杆4和第七转动副R7与动平台相连，且第二转动副R2和第七转动副R7轴线相互垂直。
单开链由静平台11到动平台10依次设置的第八移动副P8、第九转动副R9、第十转动副R10、第十一转动副R11和第十二转动副R12构成，其中第八移动副通过一个立架设于静平台上，第八移动副P8和第九转动副R9通过第六连杆6连接，第九转动副R9和第十转动副R10通过第七连杆7连接，第十转动副R10和第十一转动副R11通过第八连杆8连接，第十一转动副R11和第十二转动副R12通过第九连杆9连接。第八移动副P8、第九转动副R9、第十转动副R10和第十一转动副R11的轴线相互平行，且垂直于第十二转动副R12轴线。
安装于静平台11上的第一移动副P1、第三转动副R3和第八移动副P8被选为主动副。其中第一移动副P1与第三转动副R3轴线相互垂直，且与第八移动副P8轴线垂直。第七转动副R7和第十二转动副R12与动平台相连，且它们的轴线相互平行。
本发明提出的一种完全解耦三自由度并联机构在工作过程中，当驱动第一移动副P1、第八移动副P8 和第三转动副R3时，所述动平台可以实现空间两维转动一维移动输出。机构的雅可比矩阵为3×3对角阵，故动平台的输出与主动输入呈一一对应关系。动平台的一个运动输出只需一个驱动器输入控制，解决了并联机器人解耦性差控制设计困难的问题。该并联机构可用于工业机器人、医疗机器人和微操作机器人等。
Claims (5)
1.完全解耦三自由度并联机构，包括静平台、动平台和连接在动平台与静平台之间的两条分支运动链，其特征在于，两条分支运动链中的一支为混合链，另一支为单开链；所述混合链包括第一子分支、第二子分支和第七转动副，第一子分支包括与静平台连接的第一移动副和与第一移动副串联的第二转动副，第一移动副的轴线垂直于第二转动副的转动轴线，第一移动副为主动副，第二子分支包括与静平台连接的第三转动副和依次从第三转动副串联的第四转动副、第五虎克铰、第六虎克铰，第三转动副的转动轴线与第四转动副的轴线垂直，第五虎克铰与第六虎克铰的相邻部分的转动轴线互相平行、另一部分的转动轴线均与第四转动副的转动轴线平行，第三转动副为主动副，第一子分支与第二子分支并联构成空间闭合回路结构并通过第七转动副与动平台连接，第二转动副的转动轴线与第七转动副的轴线互相垂直；单开链包括自静平台向动平台依次串联的第八移动副、第九转动副、第十转动副、第十一转动副和第十二转动副，第八移动副、第九转动副、第十转动副和第十一转动副的轴线互相平行并且均垂直于第十二转动副的转动轴线，第八移动副为主动副，第七转动副和第十二转动副的轴线相互平行，第一移动副与第三转动副轴线相互垂直，第一移动副和第八移动副轴线相互垂直。
2.根据权利要求1所述的完全解耦三自由度并联机构，其特征在于，所述第八移动副的位置高于第三转动副和第一移动副。
3.根据权利要求2所述的完全解耦三自由度并联机构，其特征在于，所述第八移动副通过一个立架设于静平台上。
4.根据权利要求1-3任一项所述的完全解耦三自由度并联机构，其特征在于，所述混合链和单开链分别在动平台的相对的两侧处与动平台连接。
5.根据权利要求4所述的完全解耦三自由度并联机构，其特征在于，所述动平台为矩形平台。
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