CN105215983A - 具有两转一移三自由度的非对称并联机器人机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业机器人机构领域，特别是涉及到了一种具有两转一移三自由度的非对称并联机器人机构。本发明的具有两转一移三自由度的非对称并联机器人机构采用一个单开链和一个混合链将动、静平台连接，在工作过程中，当驱动第一移动副、第八移动副和第三转动副时，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，大大减少了各运动链之间的影响，解决了并联机器人解耦性差控制设计困难的问题。

Description

具有两转一移三自由度的非对称并联机器人机构

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具有两转一移三自由度的非对称并联机器人机构。

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相对于传统的串联式机构而言并联机构具有结构简单、控制较为容易、制造成本低等特点。目前，已有不少学者设计出多种三自由度一维移动二维转动并联机器人，例如公布号为CN102909569A、公布日为2013年2月6日的中国专利中公开的一种1T2R三自由度空间并联机构，公布号为CN102360160A、公布日为2012年2月22日的中国专利公开的一种2R1T三自由度空间柔性精密定位平台，公布号为CN102626919A、公布日为2012年8月8日的中国专利公开的无汇交轴线的对称两转动以移动并联机构以及公布号为CN104029195A、公布号日为2014年9月10日的中国专利公开的一种两转动一移动过约束并联机构等都记载了于少自由度并联机构有关的内容，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。而具有完全解耦的三自由度并联机构是少自由度并联机器人中非常重要的一类，可适用于工业机器人、医疗机器人和微操作器等领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有两转一移三自由度的非对称并联机器人机构，以解决现有少自由度并联机构的解耦性差的问题。

为了解决上述问题，本发明的具有两转一移三自由度的非对称并联机器人机构采用以下技术方案：具有两转一移三自由度的非对称并联机器人机构，包括静平台、动平台和连接在动、静平台之间的两条分支运动链，两条分支运动链中的一条为单开链，另一条为混合链；混合链包括一个空间闭合回路和与之至串联的第七转动副，空间闭合回路包括第一子分支和第二子分支，第一子分支包括自静平台开始依次连接的第三转动副、第四万向铰、第五移动副和第六万向铰，第四万向铰中与第三转动副相邻部分的转动轴线与第三转动副的转动轴线相互垂直，另一转动轴线与第六万向铰中第五移动副相连的转动轴线相互平行，第四万向铰和第六万向铰中的其他两个轴线相互平行，第二子分支包括从静平台开始依次串联的第一移动副和第二转动副，第一移动副的轴线与第二转动副的轴线相互垂直，第一移动副和第三转动副分别为主动副，所述第一子分支、第二子分支通过第七转动副与动平台相连，且第二转动副与第七转动副轴线相互垂直；单开链包括从静平台到动平台依次串联的第八移动副、第九万向铰、第十移动副及第十一万向铰，其中第八移动副，第九万向铰中与第十移动副相连的轴线和第十一万向铰中与第十移动副相连的轴线相互平行且垂直于第十移动副，第九万向铰中与第八移动副相连的轴线与第十一万向铰的靠近动平台的部分的轴线在同一平面内且延长线交叉且相互垂直，同时垂直于第八移动副的轴线，第十一万向铰中与动平台连接的轴线平行于同与动平台相连的第七转动副的转动轴线，第八移动副为主动副。

所述第八移动副的空间位置高于第三转动副和第一移动副。

本发明的具有两转一移三自由度的非对称并联机器人机构采用一个单开链和一个混合链将动、静平台连接，在工作过程中，当驱动第一移动副、第八移动副和第三转动副时，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，大大减少了各运动链之间的影响，解决了并联机器人解耦性差控制设计困难的问题。

附图说明

图1是具有两转一移三自由度的非对称并联机器人机构的实施例的原理图；

图2是具有两转一移三自由度的非对称并联机器人机构的实施例的结构示意图。

具体实施方式

具有两转一移三自由度的非对称并联机器人机构的实施例，如图1所示，该机构包括静平台9、动平台10以及连接静平台9和动平台10的混合链和单开链。动平台10采用台面板。

混合链由一个空间闭合回路结构和第七转动副R7串联构成，所述空间闭合回路结构有第一子分支和第二子分支组成。

第一子分支包括第三转动副R3、第四万向铰U4、第五移动副P5和第六万向铰U6。第三转动副R3和第四万向铰U4通过连杆1连接，第四万向铰U4和第五移动副P5通过连杆2连接，第五移动副P5和第六万向铰U6通过连杆3连接。第三转动副R3的转动轴线与第四万向铰U4中与连杆1相连的轴线相互垂直，第四万向铰U4和连杆2相连的转动轴线与第六万向铰U6和连杆3相连接的轴线相互平行，第四万向铰U4与第六万向铰U6中的其他两个轴线也相互平行。第二子分支由第一移动副P1和第二转动副R2组成，它们通过连杆5连接。第二子分支中第一移动副P1的轴线与第二转动副R2的轴线相互垂直。此支链中的第一移动副P1和第三转动副R3分别为此并联机构的主动副。所述第一子分支、第二子分支通过连杆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。

单开链为单开链，它由静平台9到动平台10依次设置的第八移动副P8、第九万向铰U9、第十移动副P10及第十一万向铰U11依次串联而成，其中第八移动副P8的位置高于第三转动副R3和第一移动副P1，其与第九万向铰U9通过连杆8连接，第九万向铰U9和第十移动副P10通过连杆7连接，第十移动副P10和第十一万向铰U11通过连杆6连接。第九万向铰U9和第十一万向铰U11中分别连接杆6和连接杆7相连的轴线与第八移动副P8的轴线相互平行且垂直于第十移动副P10，第九万向铰U9和第十一万向铰U11中的另两个轴线在同一平面内但互垂直（延长线交叉），且垂直于第八移动副P8的轴线。第十一万向铰U11中与动平台10连接的轴线平行于同与动平台10相连的第七转动副R7轴线。与静平台9相连的第八移动副P8为主动副。

如图2第一移动副P1的导轨7、第三转动副R3的底座1及第八移动副P8的导轨11与静平台相连。移动副P1的轴线与转动副R3的轴线相互垂直，移动副P1的轴线与移动副P8的轴线相互垂直。

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，大大减少了各运动链之间的影响，解决了并联机器人解耦性差控制设计困难的问题。主动移动副的驱动机构是电机带动的丝杠机构，或者是伺服电机，主动转动副的驱动机构是电机带动的减速机，这些都是机器人的常规设计。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 (2)

1.具有两转一移三自由度的非对称并联机器人机构，包括静平台、动平台和连接在动、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条为单开链，另一条为混合链；混合链包括一个空间闭合回路和与之串联的第七转动副，空间闭合回路包括第一子分支和第二子分支，第一子分支包括自静平台开始依次连接的第三转动副、第四万向铰、第五移动副和第六万向铰，第四万向铰中与第三转动副相邻部分的转动轴线与第三转动副的转动轴线相互垂直，另一转动轴线与第六万向铰中第五移动副相连的转动轴线相互平行，第四万向铰和第六万向铰中的其他两个轴线相互平行，第二子分支包括从静平台开始依次串联的第一移动副和第二转动副，第一移动副的轴线与第二转动副的轴线相互垂直，第一移动副和第三转动副分别为主动副，所述第一子分支、第二子分支通过第七转动副与动平台相连，且第二转动副与第七转动副轴线相互垂直；单开链包括从静平台到动平台依次串联的第八移动副、第九万向铰、第十移动副及第十一万向铰，其中第八移动副，第九万向铰中与第十移动副相连的轴线和第十一万向铰中与第十移动副相连的轴线相互平行且垂直于第十移动副，第九万向铰中与第八移动副相连的轴线与第十一万向铰的靠近动平台的部分的轴线在同一平面内且延长线交叉且相互垂直，同时垂直于第八移动副的轴线，第十一万向铰中与动平台连接的轴线平行于同与动平台相连的第七转动副的转动轴线，第八移动副为主动副。

2.根据权利要求1所述的具有两转一移三自由度的非对称并联机器人机构，其特征在于，所述第八移动副的空间位置高于第三转动副和第一移动副，主动移动副的驱动机构是伺服电机带动丝杠机构配合导轨实现线性位移为主动输入，主动转动副的驱动机构是电机带动减速机。