CN105215979A - 一种三自由度并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三自由度并联机构，包括定平台、动平台、固定架与三个支链。每个支链均包括滑块滑轨组、四爪单动卡盘、调节垫片组、立柱、移动副、转动副、连杆和球面副。滑块滑轨组水平安装在定平台上，滑块上安装四爪单动卡盘，卡爪夹紧立柱，卡爪与立柱的下端之间安装调节垫片组，移动副与立柱连接，移动副与转动副连接，转动副的轴线与定平台的上平面平行，连杆的一端与转动副连接，连杆的另一端与球面副连接，球面副安装在动平台上，立柱上端安装在固定架上。本发明通过调节三个立柱安装的位置、误差及转过的角度，从而调节连杆的布置形式、结构尺寸与精度，调节方便，具有很好的经济效益与社会效益。

Description

一种三自由度并联机构

技术领域

本发明涉及一种三自由度并联机构，尤其是由一种由移动副、转动副和球面副构成的三自由度并联机构，属于机器人应用技术领域。

背景技术

并联机器人与串联机器人是机器人的两大分支，在哲学上呈对立统一的关系，二者各有优缺点。并联机器人也称并联机构，它弥补了串联机器人的很多缺点，具有无累积误差、精度高、动态响应好、结构紧凑、刚性高、承载力大、各向同性等优点。具有三个自由度的3-PRS(P为移动副，R为转动副，S为球面副)并联机构是最典型的代表之一，它代表了一类机构，包含三个相同、对称的分支，并且每个分支都具有一个移动副、转动副与球面副。3-PRS并联机构的一些特殊构型已在工业生产中得到了成功应用。

由于各个支链之间互相耦合，再加上运动学与动力学方程中包含了三角函数、非线性方程组，工作空间、精度等性能评价、设计与优化的过程非常复杂。在研究的过程中，通常运用线性化等方法将问题简化，进而进行理论分析；然后与实验相结合，修改完善理论模型，得到针对某一类并联机构普适的模型。为了全面分析，就需要在不同的机构类型(连杆的布置形式)、机构尺寸、不同的机构精度下进行研究。目前常用的3-PRS并联机构是针对不同结构类型、不同机构尺寸、不同的精度要求分别搭建的，或者机构尺寸方面部分可调。但是机械部分搭建之后，精度都是固定的，这就导致了在实验研究的过程中，无法任意调整并联机构的误差。因此，当研究不同的结构类型、不同尺寸、不同精度的3-PRS并联机构时，只能重新加工零部件来搭建新的3-PRS并联机构。

发明内容

本发明针对一类3-PRS并联机构在研究不同的结构类型、不同尺寸、不同精度的过程中，需要重新搭建新的机械部分的技术问题，提供了一种3-PRS并联机构，通过调节三个立柱安装的位置、误差及转过的角度，从而调节连杆的布置形式、结构尺寸与精度，有效地解决了上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种三自由度并联机构，所述并联机构包括定平台1、动平台2、固定架3、第一支链4、第二支链5和第三支链6；

第一支链4、第二支链5和第三支链6中的每一个支链均包括以下部件：

第一滑块滑轨组41，51，61、第一四爪单动卡盘42，52，62、第一调节垫片组43，53，63、第一立柱44，54，64、第一移动副45，55，65、第一转动副46，56，66、第一连杆47，57，67和第一球面副48，58，68；

上述每个支链中所包括的部件的连接结构为：

第一滑块滑轨组41，51，61的滑轨水平安装在定平台1上，第一滑块滑轨组41，51，61的滑块上安装第一四爪单动卡盘42，52，62，第一四爪单动卡盘42，52，62的卡爪夹紧第一立柱44，54，64的下端，第一四爪单动卡盘42，52，62的卡爪与第一立柱44，54，64的下端之间安装第一调节垫片组43，53，63，第一移动副45，55，65与第一立柱44，54，64连接，第一移动副45，55，65的轴线与定平台1上平面垂直，第一移动副45，55，65与第一转动副46，56，66连接，第一转动副46，56，66的轴线与定平台1的上平面平行，第一连杆47，57，67的一端与第一转动副46，56，66连接，第一连杆47，57，67的另一端与第一球面副48，58，68连接，第一球面副48，58，68安装在动平台2上，第一立柱44，54，64上端安装在固定架3上，通过螺钉采用顶紧的方法将第一立柱44，54，64上端安装在固定架3上；

三个滑块滑轨组41，51，61两两成120°夹角分布。

进一步，固定架3上设置三个相同的夹紧槽对31，32，33，每个夹紧槽对31，32，33均包含两个相同的夹紧槽，每个夹紧槽的两个侧板上都设置螺纹孔。

进一步，第一立柱44、第二立柱54和第三立柱64中的每一个立柱均包括以下部件：第一立柱凸缘441，541，641、第一立柱主体442，542，642、第一立柱圆柱体443，543，643、第一立柱钢球444，544，644和第一立柱托盘445，545，645。

更进一步，第一立柱凸缘441，541，641安装于第一立柱主体442，542，642的上部，第一立柱圆柱体443，543，643安装于第一立柱主体442，542，642的下部，第一立柱圆柱体443，543，643的下部设置了一个球窝，第一立柱钢球444，544，644的上半部分置于球窝之内，第一立柱钢球444，544，644的下部置于第一立柱托盘445，545，645之内；

第一立柱托盘445，545，645安装在第一滑块滑轨组41，51，61的滑块上，第一立柱托盘445，545，645位于第一四爪单动卡盘42，52，62的卡爪孔内；第一立柱44，54，64上端的第一立柱凸缘441，541，641安装在固定架3的第一夹紧槽对31，32，33内，通过螺钉用上下两面顶紧的方式将第一立柱44，54，64上端的第一立柱凸缘441，541，641安装在固定架3的第一夹紧槽对31，32，33内。

再进一步，固定架3设置三个加强杆34，三个加强杆34呈正三角形分布。

本发明具有的有益的效果是：

(1)本发明的并联机构充分采用了技术十分成熟的四爪单动卡盘。四爪单动卡盘是机械加工行业应用非常广泛的机构，技术非常成熟，性能非常稳定，3-PRS并联机构搭建的过程中，可以直接从市场上以很便宜的价格购买四爪单动卡盘，具有很好的经济效益，并且大大缩短了并联机构搭建的时间。

(2)本发明中并联机构充分采用了技术十分成熟的调整垫片组，包括普通的垫片与微调垫片。使用调整垫片，可以灵活地调整立柱安装时倾斜的角度以及位置，进而加入需要的误差，实现精度的调整；再加上垫片结构简单、技术成熟，可以直接从市场上以很便宜的价格购买，损坏之后非常容易替换，并且大大缩短了并联机构搭建时间与调整时间，具有很好的经济效益与社会效益。

(3)本发明中的立柱下端设置了球窝、钢柱及托盘，在机构调整时，使立柱在垂直方向进行自动定位、立柱在圆周方向轻松灵活地转动；立柱下端设置了圆柱体部分，使立柱可以在绕自己垂直轴线转动的任意角度实现夹紧，使本发明提供的机构可以调节出大量的构型。

(4)本发明的并联机构上端设置了固定架，每个夹紧槽对都由两个夹紧槽构成，采用上下双面螺钉顶紧的方式夹紧，使立柱下端装夹时加入误差后，上端圆形凸缘夹紧时有上下调整的空间，提高了机构的稳定性与精度；固定架上设置了加强杆，增加了整个机构的刚性。

(5)本发明提供的并联机构充分采用了成熟、标准化、价格便宜、性能稳定的机构产品，机构搭建过程与调节方便，解决了3-PRS并联机构在不同的结构类型、不同尺寸、不同精度的过程中需要重新搭建新的机械部分的技术问题，具有很好的经济效益与社会效益。

附图说明

图1是本发明提供的并联机构装配简图；

图2是本发明提供的并联机构中固定架的简图；

图3是本发明提供的并联机构中固定架的夹紧槽对的局部剖视图；

图4是本发明提供的并联机构中立柱的简图。

图中：1、定平台2、动平台3、固定架

4、第一支链5、第二支链6、第三支链

31、第一夹紧槽对32、第二夹紧槽对33、第三夹紧槽对

34、加强杆

41、第一调滑块滑轨组51、第二滑块滑轨组61、第三滑块滑轨组

42、第一四爪单动卡盘52、第二四爪单动卡盘62、第三四爪单动卡盘

43、第一调节垫片组53、第二调节垫片组63、第三调节垫片组

44、第一立柱54、第二立柱64、第三立柱

45、第一移动副55、第二移动副65、第三移动副

46、第一转动副56、第二转动副66、第三转动副

47、第一连杆57、第二连杆67、第三连杆

48、第一球面副58、第二球面副68、第三球面副

441、第一立柱凸缘541、第二立柱凸缘641、第三立柱凸缘

442、第一立柱主体542、第二立柱主体642、第三立柱主体

443、第一立柱圆柱体543、第二立柱圆柱体643、第三立柱圆柱体

444、第一立柱钢球544、第二立柱钢球644、第三立柱钢球

445、第一立柱托盘545、第二立柱托盘645、第三立柱托盘。

具体实施方式

以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

如图1所示，本发明提供的一种三自由度并联机构，包括定平台1、动平台2、固定架3、第一支链4、第二支链5和第三支链6。三个支链包括的部件以及连接结构如下。

第一支链4：包括第一滑块滑轨组41、第一四爪单动卡盘42、第一调节垫片组43、第一立柱44、第一移动副45、第一转动副46、第一连杆47和第一球面副48；各个部件的连接结构为：第一滑块滑轨组41的滑轨水平安装在定平台1上，第一滑块滑轨组41的滑块上安装第一四爪单动卡盘42，第一四爪单动卡盘42的卡爪夹紧第一立柱44的下端，第一四爪单动卡盘42的卡爪与第一立柱44的下端之间安装第一调节垫片组43，第一移动副45与第一立柱44连接，第一移动副45的轴线与定平台1上平面垂直，第一移动副45与第一转动副46连接，第一转动副46的轴线与定平台1的上平面平行，第一连杆47的一端与第一转动副46连接，第一连杆47的另一端与第一球面副48连接，第一球面副48安装在动平台2上，第一立柱44上端安装在固定架3上，通过螺钉采用顶紧的方法将第一立柱44上端安装在固定架3上。

第二支链5：包括第二滑块滑轨组51、第二四爪单动卡盘52、第二调节垫片组53、第二立柱54、第二移动副55、第二转动副56、第二连杆57和第二球面副58；各个部件的连接结构为：第二滑块滑轨组51的滑轨水平安装在定平台1上，第二滑块滑轨组51的滑块上安装第二四爪单动卡盘52，第二四爪单动卡盘52的卡爪夹紧第二立柱54的下端，第二四爪单动卡盘52的卡爪与第二立柱54的下端之间安装第二调节垫片组53，第二移动副55与第二立柱54连接，第二移动副55的轴线与定平台1上平面垂直，第二移动副55与第二转动副56连接，第二转动副56的轴线与定平台1的上平面平行，第二连杆57的一端与第二转动副56连接，第二连杆57的另一端与第二球面副58连接，第二球面副58安装在动平台2上，第二立柱54上端安装在固定架3上，通过螺钉采用顶紧的方法将第二立柱54上端安装在固定架3上。

第三支链6：包括第三滑块滑轨组61、第三四爪单动卡盘62、第三调节垫片组63、第三立柱64、第三移动副65、第三转动副66、第三连杆67和第三球面副68；各个部件的连接结构为：第三滑块滑轨组61的滑轨水平安装在定平台1上，第三滑块滑轨组61的滑块上安装第三四爪单动卡盘62，第三四爪单动卡盘62的卡爪夹紧第三立柱64的下端，第三四爪单动卡盘62的卡爪与第三立柱64的下端之间安装第三调节垫片组63，第三移动副65与第三立柱64连接，第三移动副65的轴线与定平台1上平面垂直，第三移动副65与第三转动副66连接，第三转动副66的轴线与定平台1的上平面平行，第三连杆67的一端与第三转动副66连接，第三连杆67的另一端与第三球面副68连接，第三球面副68安装在动平台2上，第三立柱64上端安装在固定架3上，通过螺钉采用顶紧的方法将第三立柱64上端安装在固定架3上。

如图1所示，三个支链4、5、6中的三个滑块滑轨组41、51、61两两成120°夹角分布，三个滑块滑轨组41、51、61滑动的方向都沿着定平台1的径向方向。也就是说，三个滑块滑轨组41、51、61的滑动方向相交于一点，三个滑动方向两两成120°夹角。

如图2和图3所示，固定架3上设置三个相同的夹紧槽对31、32、33，每个夹紧槽对31、32、33均包含两个相同的夹紧槽，这两个夹紧槽的开口正对，每个夹紧槽的两个侧板上都设置螺纹孔，这里的两个侧板指的是组成夹紧槽的三个平板中平行的那两个。

如图4所示，第一立柱44、第二立柱54和第三立柱64中的每一个立柱均包括相同的部件。第一立柱44包括：第一立柱凸缘441、第一立柱主体442、第一立柱圆柱体443、第一立柱钢球444和第一立柱托盘445；第二立柱54包括：第二立柱凸缘541、第二立柱主体542、第二立柱圆柱体543、第二立柱钢球544和第二立柱托盘545；第三立柱64包括：第三立柱凸缘641、第三立柱主体642、第三立柱圆柱体643、第三立柱钢球644和第三立柱托盘645。

其中，第一立柱凸缘441、第二立柱凸缘541、第三立柱凸缘641都是圆形的；第一立柱托盘445、第二立柱托盘545、第三立柱托盘645都是圆形的，三个托盘内侧的底部是平的，也就是说，每个托盘的内外都是平底结构。

如图1所示，第一立柱凸缘441安装于第一立柱主体442的上部，第一立柱圆柱体443安装于第一立柱主体442的下部，第一立柱圆柱体443的下部设置了一个球窝，第一立柱钢球444的上半部分置于球窝之内，第一立柱钢球444的下部置于第一立柱托盘445之内；第一立柱托盘445安装在第一滑块滑轨组41的滑块上，第一立柱托盘445位于第一四爪单动卡盘42的卡爪孔内；第一立柱44上端的第一立柱凸缘441安装在固定架3的第一夹紧槽对31内，通过螺钉用上下两面顶紧的方式将第一立柱44上端的第一立柱凸缘441安装在固定架3的第一夹紧槽对31内。第二立柱54和第三立柱64中各个部件之间以及与定平台1、固定架3的连接结构与第一立柱44完全相同。

如图2所示，固定架3上设置了三个加强杆34，三个加强杆34呈正三角形分布。固定架3包含了三个完全相同的部分，这三部分以120°夹角均布，分别对应于3-PRS并联机构的三个分支。

固定架3可以不是一个整体，由三个完全相同的部件组合而成，有如下两种结构：

(1)分成的这三个部件分别对应于3-PRS并联机构的三个分支，也就是说，第一夹紧槽对31、第二夹紧槽对32、第三夹紧槽对33分别在三个不同的部件上；(2)分成的这三个部件，每个部件对应于3-PRS并联机构的两个分支，即按照图2中的三个中心线进行分割，也就是说，每个部件包含两个夹紧槽，这两个夹紧槽连接着同一个加强杆34。

如果3-PRS并联机构的负载很重，需要很强的承重能力，则通过立柱将固定架3连接在定平台1上。

如图3与图4所示，第三夹紧槽对33中的两个加紧槽远离固定架3的中心的那一端的开口处是分离的；而在固定架中心的那一端，两个加筋槽的开口的下部是分离的，上部是平板连接的，以提高固定架的强度。第一夹紧槽对31、第二夹紧槽对32的结构都与第三夹紧槽对33相同。

第一调节垫片组43、第二调节垫片组53、第三调节垫片组63都包含了普通垫片与微调垫片，微调垫片可以实现微小的距离调整，与四爪单动卡盘夹紧时每个卡爪的进给距离相配合，实现无级调节。通过调整上下垫片的厚度，可以调整第一立柱44、第二立柱54、第三立柱64倾斜的角度。

第一滑块滑轨组41、第二滑块滑轨组51、第三滑块滑轨组61中的滑块可以沿着各自的滑轨滑动，到达要求的位置时通过锁紧机构锁紧。第一立柱44、第二立柱54、第三立柱64与定平台1的中心的距离通过第一滑块滑轨组41、第二滑块滑轨组51、第三滑块滑轨组61进行调节。

第一立柱圆柱体443、第二立柱圆柱体543、第三立柱圆柱体643下部的球窝，第一立柱钢球444、第二立柱钢球544、第三立柱钢球644，第一立柱托盘445、第二立柱托盘545、第三立柱托盘645，在第一立柱44、第二立柱54、第三立柱64调整时，上述的这些球窝、钢球、托盘在垂直方向上起定位作用。这种结构，使第一立柱44、第二立柱54、第三立柱64在各自的托盘限定的范围内在水平面上任意移动。

本发明在应用的时候，与第一立柱钢球444、第二立柱钢球544、第三立柱钢球644相接触的球窝与第一立柱托盘445、第二立柱托盘545、第三立柱托盘645都要做好充分润滑，以减小磨损、保持机构的精度、提高调整时的灵活度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述提示的技术内容做出的简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种三自由度并联机构，其特征在于，所述并联机构包括定平台(1)、动平台(2)、固定架(3)、第一支链(4)、第二支链(5)和第三支链(6)；

第一支链(4)、第二支链(5)和第三支链(6)中的每一个支链均包括以下部件：

第一滑块滑轨组(41，51，61)、第一四爪单动卡盘(42，52，62)、第一调节垫片组(43，53，63)、第一立柱(44，54，64)、第一移动副(45，55，65)、第一转动副(46，56，66)、第一连杆(47，57，67)和第一球面副(48，58，68)；

上述每个支链中所包括的部件的连接结构为：

第一滑块滑轨组(41，51，61)的滑轨水平安装在定平台(1)上，第一滑块滑轨组(41，51，61)的滑块上安装第一四爪单动卡盘(42，52，62)，第一四爪单动卡盘(42，52，62)的卡爪夹紧第一立柱(44，54，64)的下端，第一四爪单动卡盘(42，52，62)的卡爪与第一立柱(44，54，64)的下端之间安装第一调节垫片组(43，53，63)，第一移动副(45，55，65)与第一立柱(44，54，64)连接，第一移动副(45，55，65)的轴线与定平台(1)上平面垂直，第一移动副(45，55，65)与第一转动副(46，56，66)连接，第一转动副(46，56，66)的轴线与定平台(1)的上平面平行，第一连杆(47，57，67)的一端与第一转动副(46，56，66)连接，第一连杆(47，57，67)的另一端与第一球面副(48，58，68)连接，第一球面副(48，58，68)安装在动平台(2)上，第一立柱(44，54，64)上端安装在固定架(3)上，通过螺钉采用顶紧的方法将第一立柱(44，54，64)上端安装在固定架(3)上；

三个滑块滑轨组(41，51，61)两两成120°夹角分布。

2.根据权利要求1所述的一种三自由度并联机构，其特征在于，固定架(3)上设置三个相同的夹紧槽对(31，32，33)，每个夹紧槽对(31，32，33)均包含两个相同的夹紧槽，每个夹紧槽的两个侧板上都设置螺纹孔。

3.根据权利要求2所述的一种三自由度并联机构，其特征在于，第一立柱(44)、第二立柱(54)和第三立柱(64)中的每一个立柱均包括以下部件：第一立柱凸缘(441，541，641)、第一立柱主体(442，542，642)、第一立柱圆柱体(443，543，643)、第一立柱钢球(444，544，644)和第一立柱托盘(445，545，645)。

4.根据权利要求3所述的一种三自由度并联机构，其特征在于，第一立柱凸缘(441，541，641)安装于第一立柱主体(442，542，642)的上部，第一立柱圆柱体(443，543，643)安装于第一立柱主体(442，542，642)的下部，第一立柱圆柱体(443，543，643)的下部设置了一个球窝，第一立柱钢球(444，544，644)的上半部分置于球窝之内，第一立柱钢球(444，544，644)的下部置于第一立柱托盘(445，545，645)之内；

第一立柱托盘(445，545，645)安装在第一滑块滑轨组(41，51，61)的滑块上，第一立柱托盘(445，545，645)位于第一四爪单动卡盘(42，52，62)的卡爪孔内；第一立柱(44，54，64)上端的第一立柱凸缘(441，541，641)安装在固定架(3)的第一夹紧槽对(31，32，33)内，通过螺钉用上下两面顶紧的方式将第一立柱(44，54，64)上端的第一立柱凸缘(441，541，641)安装在固定架(3)的第一夹紧槽对(31，32，33)内。

5.根据权利要求4所述的一种三自由度并联机构，其特征在于，固定架(3)设置三个加强杆(34)，三个加强杆(34)呈正三角形分布。