CN105234927A - 一种三支链四自由度全对称并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三支链四自由度全对称并联机构，包括固定架、中央齿轮、动平台以及布置在所述固定架与动平台之间的三条结构相同的支链；所述支链包括转动叉、固定设置在转动叉上的支链齿轮、主动臂、两个平行且等长的从动臂以及四个T形轴，所述支链齿轮与中央齿轮啮合构成齿轮传动，所述转动叉转动连接于固定架上，所述主动臂转动连接于转动叉内，所述从动臂的一端通过两个T形轴与主动臂相连，另一端通过两个T形轴与动平台相连。该并联机构采用三条支链实现四个自由度的运动，有利于降低制造成本；采用单动平台结构可减少运动部件的质量，有利于实现高速度和高加速度的动态响应特性。

Description

一种三支链四自由度全对称并联机构

技术领域

本发明涉及一种并联机构，特别是一种具有空间三维平动一维转动的并联机构。

背景技术

三维平动一维转动四自由度并联机构因可满足空间物体的搬运等操作，已被广泛应用于食品医药、现代物流、电子信息等领域自动化生产线高速轻载搬运作业。

专利号为US20090019960A1的美国专利公开了一种带四个自由度的高速并联机器人，专利号为EP1084802B1欧洲专利公开了一种四自由度并联机器人，通过对这两件专利分析可知，现有的可实现三维平动一维转动的并联机构，包括四个主动支链和一个动平台，每条支链包括近架杆和远架杆两部分。其中近架杆一端相对于固定机架仅具有一个移动或转动自由度，另一端通过仅具有两个回转自由度的铰链与远架杆的一端连接；远架杆另一端通过仅具有两个回转自由度的铰链与动平台连接，从而保证机构的平动；动平台由四个部件组成，其中两个部件需相互平行，另外两个部件与前述两个相互平行的部件通过转动铰链连接，通过部件之间的相互转动可实现绕垂直于动平台的轴线的转动自由度，同时配以相应的放大机构可扩大转角范围。

但是上述机构的局限性在于：动平台结构复杂，且动平台的重量较大，不利于提高机构的动态响应特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用单动平台的具有三维平动一维转动的并联机构。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种三支链四自由度全对称并联机构，包括固定架、中央齿轮、中央驱动装置、动平台以及布置在所述固定架与动平台之间的第一支链、第二支链和第三支链；

所述中央齿轮转动连接于固定架的中央，且与固接于固定架上的中央驱动装置的驱动端固接；

所述第一支链、第二支链和第三支链结构相同，每条支链均包括支链齿轮、转动叉、固定设置在转动叉上的驱动装置、主动臂、第一从动臂和第二从动臂；所述转动叉转动连接于固定架上，所述转动叉上固定设置有支链齿轮，所述支链齿轮与所述中央齿轮啮合，构成齿轮传动，所述主动臂的一端转动连接于转动叉内，且与所述驱动装置的驱动端固接，所述主动臂的另一端的两侧分别与第一从动臂、第二从动臂的一端连接，所述第一从动臂、第二从动臂的另一端与动平台连接，所述第一从动臂与第二从动臂平行且等长；

连接所述转动叉和固定架的转动轴线与连接所述主动臂和转动叉的转动轴线垂直相交；

连接所述固定架与第一支链、第二支链以及第三支链中的转动叉的三条转动轴线相互平行，且与连接所述中央齿轮和固定架的转动轴线平行。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1）本发明的具有空间三维平动一维转动的并联机构结构简单紧凑，运动方式明确；由于动平台采用单平台的结构形式，大幅度的减少了动平台的质量，有利于提高机构的动态响应特性，有利于实现高速和高加速度；2）本发明的并联机构采用一个中央驱动装置同时带动三条支链同步旋转，达到三条支链实现四个自由度的运动的目的，有利于降低制造成本。

附图说明

图1为本发明的实施例1的结构示意图之一。

图2为本发明的实施例1的结构示意图之二。

图3为本发明的实施例1中支链的结构示意图。

图4为本发明的实施例1中T行轴的结构示意图。

图5为本发明的实施例2的结构示意图之一。

图6为本发明的实施例2的结构示意图之二。

图7为本发明的实施例2中支链的结构示意图。

图8为本发明的实施例2中球接头的结构示意图。

图中编号所代表的含义为：1、固定架，2、中央齿轮，3、中央驱动装置，4、动平台，11、支链齿轮，12、转动叉，13、驱动装置，14、主动臂，15、第一T形轴，16、第二T形轴，17、第一从动臂，18、第二从动臂，19、第三T形轴，20、第四T形轴，21、连接件，151、第一球接头，161、第二球接头，191、第三球接头，201、第四球接头，a、第一轴线，b、第二轴线。

具体实施方式

结合附图，本发明的一种三支链四自由度全对称并联机构，包括固定架1、中央齿轮2、中央驱动装置3、动平台4以及布置在所述固定架1与动平台4之间的第一支链、第二支链和第三支链；

所述中央齿轮2转动连接于固定架1的中央，且与固接于固定架1上的中央驱动装置3的驱动端固接；

所述第一支链、第二支链和第三支链结构相同，每条支链均包括支链齿轮11、转动叉12、固定设置在转动叉12上的驱动装置13、主动臂14、第一从动臂17和第二从动臂18；所述转动叉12转动连接于固定架1上，所述转动叉12上固定设置有支链齿轮11，所述支链齿轮11与所述中央齿轮2啮合，构成齿轮传动，所述主动臂14的一端转动连接于转动叉12内，且与所述驱动装置13的驱动端固接，所述主动臂14的另一端的两侧分别与第一从动臂17、第二从动臂18的一端连接，所述第一从动臂17、第二从动臂18的另一端与动平台4连接，所述第一从动臂17与第二从动臂18平行且等长；

连接所述转动叉12和固定架1的转动轴线与连接所述主动臂14和转动叉12的转动轴线垂直相交；

连接所述固定架1与第一支链、第二支链以及第三支链中的转动叉12的三条转动轴线相互平行，且与连接所述中央齿轮2和固定架1的转动轴线平行。

所述主动臂14与第一从动臂17之间通过第一T形轴15连接，主动臂14与第二从动臂18之间通过第二T形轴16连接，第一从动臂17与动平台4之间通过第三T形轴19连接，第二从动臂18与动平台4之间通过第四T形轴20连接。

所述主动臂14与第一T形轴15之间转动连接，主动臂14与第二T形轴16之间转动连接，第一T形轴15与第一从动臂17之间转动连接，第二T形轴16与第二从动臂18之间转动连接；第一从动臂17与第三T形轴19之间转动连接，第三T形轴19与动平台4之间转动连接，第二从动臂18与第四T形轴20之间转动连接，第四T形轴20与动平台4之间转动连接；

连接所述第一T形轴15和主动臂14的转动轴线与连接所述第一T形轴15和第一从动臂17的转动轴线垂直相交；连接所述第二T形轴16和主动臂14的转动轴线与连接所述第二T形轴16和第二从动臂18的转动轴线垂直相交；

连接所述第三T形轴19和动平台4的转动轴线与连接所述第三T形轴19和第一从动臂17的转动轴线垂直相交；连接所述第四T形轴20和动平台4的转动轴线与连接所述第四T形轴20和第二从动臂18的转动轴线垂直相交；

连接所述第一T形轴15和主动臂14的转动轴线与连接所述第二T形轴16和主动臂14的转动轴线共线于第一轴线a，连接所述第三T形轴19和动平台4的转动轴线与连接所述第四T形轴20和动平台4的转动轴线共线于第二轴线b，所述第一轴线a、第二轴线b、以及连接所述主动臂14和转动叉12的转动轴线相互平行；

连接第一T形轴15和第一从动臂17的转动轴线、连接第二T形轴16和第二从动臂18的转动轴线、连接第三T形轴19和第一从动臂17的转动轴线、连接第四T形轴20和第二从动臂18的转动轴线共四条轴线相互平行。

或者所述主动臂14与第一从动臂17之间通过第一球接头151连接，主动臂14与第二从动臂18之间通过第二球接头161连接，第一从动臂17与动平台4之间通过第三球接头191连接，第二从动臂18与动平台4之间通过第四球接头201连接。

所述第一从动臂17和第二从动臂18之间设有连接杆21，所述连接杆21一端与第一从动臂17转动连接，另一端与第二从动臂18转动连接；过连接杆21与第一从动臂17的转动中心和连接杆21与第二从动臂18的转动中心的轴线，同连接主动臂14与转动叉12的转动轴线相互平行。

所述第一球接头151和第二球接头161均与主动臂14固接；所述第三球接头191和第四球接头201均与动平台4固接；所述第一从动臂17的一端与第一球接头151球铰接，另一端与第三球接头191球铰接；所述第二从动臂18的一端与第二球接头161球铰接，另一端与第四球接头201球铰接；

过所述第一球接头151球心和第二球接头161球心的轴线、过第三球接头191球心和第四球接头201球心的轴线、以及连接所述主动臂14与转动叉12的转动轴线相互平行。

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

实施例1：

结合图1~4，一种三支链四自由度全对称并联机构，包括固定架1、中央齿轮2、中央驱动装置3、动平台4以及布置在所述固定架1与动平台4之间的第一支链、第二支链和第三支链；所述中央齿轮2转动连接于固定架1的中央，且与固接于固定架1上的中央驱动装置3的驱动端固接；所述第一支链、第二支链和第三支链结构相同，每条支链均包括支链齿轮11、转动叉12、固定设置在转动叉12上的驱动装置13、主动臂14、第一T形轴15、第二T形轴16、第一从动臂17、第二从动臂18、第三T形轴19和第四T形轴20；所述转动叉12转动连接于固定架1上，所述转动叉上固定设置有支链齿轮11，所述支链齿轮11与所述中央齿轮2啮合，构成齿轮传动，所述主动臂14的一端转动连接于转动叉12内，且与所述驱动装置13的驱动端固接，所述主动臂14远离驱动装置13的另一端的两侧分别与第一T形轴15、第二T形轴16的一端转动连接，所述第一T形轴15的另一端与第一从动臂17的一端转动连接，所述第一从动臂17的另一端与第三T形轴19的一端转动连接，所述第三T形轴19的另一端转与动平台4转动连接，所述第二T形轴16的另一端与第二从动臂18的一端转动连接，所述第二从动臂18的另一端与第四T形轴20的一端转动连接，所述第四T形轴20的另一端与动平台4转动连接。所述第一从动臂17和第二从动臂18平行且等长。

连接所述转动叉12和固定架1的转动轴线与连接所述主动臂14和转动叉12的转动轴线垂直相交；连接所述第一T形轴15和主动臂14的转动轴线与连接所述第一T形轴15和第一从动臂17的转动轴线垂直相交；连接所述第二T形轴16和主动臂14的转动轴线与连接所述第二T形轴16和第二从动臂18的转动轴线垂直相交；连接所述第三T形轴19和动平台4的转动轴线与连接所述第三T形轴19和第一从动臂17的转动轴线垂直相交；连接所述第四T形轴20和动平台4的转动轴线与连接所述第四T形轴20和第二从动臂18的转动轴线垂直相交。

连接所述第一T形轴15和主动臂14的转动轴线与连接所述第二T形轴16和主动臂14的转动轴线共线于第一轴线a，连接所述第三T形轴19和动平台4的转动轴线与连接所述第四T形轴20和动平台4的转动轴线共线于第二轴线b，所述第一轴线a、第二轴线b、以及连接所述主动臂14和转动叉12的转动轴线相互平行。

连接第一T形轴15和第一从动臂17的转动轴线、连接第二T形轴16和第二从动臂18的转动轴线、连接第三T形轴19和第一从动臂17的转动轴线、连接第四T形轴20和第二从动臂18的转动轴线共四条轴线相互平行。

连接所述固定架1与第一支链、第二支链以及第三支链中的转动叉12的三条转动轴线相互平行，且与连接所述中央齿轮2和固定架1的转动轴线平行。

实施例2：

结合图5~8，一种三支链四自由度全对称并联机构，包括固定架1、中央齿轮2、中央驱动装置3、动平台4以及布置在所述固定架1与动平台4之间的第一支链、第二支链和第三支链；所述中央齿轮2转动连接于固定架1的中央，且与固接于固定架1上的中央驱动装置3的驱动端固接；所述第一支链、第二支链和第三支链结构相同，每条支链均包括支链齿轮11、转动叉12、固定设置在转动叉12上的驱动装置13、主动臂14、第一球接头151、第二球接头161、第一从动臂17、第二从动臂18、第三球接头191和第四球接头201；所述转动叉12转动连接于固定架1上，所述转动叉12上固定设置有支链齿轮11，所述支链齿轮11与所述中央齿轮2啮合，构成齿轮传动，所述主动臂14的一端转动连接于转动叉12内，且与所述驱动装置13的驱动端固接，所述主动臂14远离驱动装置13的另一端的两侧分别与第一球接头151和第二球接头161固接；所述第一从动臂17的一端与第一球接头151球铰接，另一端与第三球接头191球铰接；所述第二从动臂18的一端与第二球接头161球铰接，另一端与第四球接头201球铰接；所述第三球接头191和第四球接头201均与动平台4固接。所述第一从动臂17和第二从动臂18平行且等长，所述第一从动臂17和第二从动臂18之间设有连接杆21，所述连接杆21一端与第一从动臂17转动连接，另一端与第二从动臂18转动连接。

连接所述转动叉12与固定架1的转动轴线和连接所述主动臂14与转动叉12的转动轴线垂直相交。

过所述第一球接头151的球心和第二球接头161的球心两个球心的所在轴线、过所述第三球接头191的球心和第四球接头201的球心两个球心的所在轴线、过所述连接杆21与第一从动臂17的转动中心和连接杆21与第二从动臂18的转动中心两个中心的所在轴线、以及连接所述主动臂14与转动叉12的转动轴线相互平行。

连接所述固定架1与第一支链、第二支链以及第三支链中的转动叉12的三条转动轴线相互平行，且与连接所述中央齿轮2和固定架1的转动轴线平行。

由上可知，本发明的三支链四自由度全对称并联机构中，每条支链均采用一个转动叉与固定架转动连接，且三个转动轴线相互平行，进而可实现末端动平台的转动，避免在动平台上使用运动转化机构，大幅度地减少了动平台的质量，有利于提高机构的速度和加速度。此外，采用一个中央驱动装置同时带动三条支链同步旋转，达到三条支链实现四个自由度的运动的目的，有利于降低制造成本。

Claims (6)

1.一种三支链四自由度全对称并联机构，其特征在于，包括固定架（1）、中央齿轮（2）、中央驱动装置（3）、动平台（4）以及布置在所述固定架（1）与动平台（4）之间的第一支链、第二支链和第三支链；

所述中央齿轮（2）转动连接于固定架（1）的中央，且与固接于固定架（1）上的中央驱动装置（3）的驱动端固接；

所述第一支链、第二支链和第三支链结构相同，每条支链均包括支链齿轮（11）、转动叉（12）、固定设置在转动叉（12）上的驱动装置（13）、主动臂（14）、第一从动臂（17）和第二从动臂（18）；所述转动叉（12）转动连接于固定架（1）上，所述转动叉（12）上固定设置有支链齿轮（11），所述支链齿轮（11）与所述中央齿轮（2）啮合，构成齿轮传动，所述主动臂（14）的一端转动连接于转动叉（12）内，且与所述驱动装置（13）的驱动端固接，所述主动臂（14）的另一端的两侧分别与第一从动臂（17）、第二从动臂（18）的一端连接，所述第一从动臂（17）、第二从动臂（18）的另一端与动平台（4）连接，所述第一从动臂（17）与第二从动臂（18）平行且等长；

连接所述转动叉（12）和固定架（1）的转动轴线与连接所述主动臂（14）和转动叉（12）的转动轴线垂直相交；

连接所述固定架（1）与第一支链、第二支链以及第三支链中的转动叉（12）的三条转动轴线相互平行，且与连接所述中央齿轮（2）和固定架（1）的转动轴线平行。

2.根据权利要求1所述的三支链四自由度全对称并联机构，其特征在于，所述主动臂（14）与第一从动臂（17）之间通过第一T形轴（15）连接，主动臂（14）与第二从动臂（18）之间通过第二T形轴（16）连接，第一从动臂（17）与动平台（4）之间通过第三T形轴（19）连接，第二从动臂（18）与动平台（4）之间通过第四T形轴（20）连接。

3.根据权利要求1所述的三支链四自由度全对称并联机构，其特征在于，所述主动臂（14）与第一从动臂（17）之间通过第一球接头（151）连接，主动臂（14）与第二从动臂（18）之间通过第二球接头（161）连接，第一从动臂（17）与动平台（4）之间通过第三球接头（191）连接，第二从动臂（18）与动平台（4）之间通过第四球接头（201）连接。

4.根据权利要求3所述的三支链四自由度全对称并联机构，其特征在于，所述第一从动臂（17）和第二从动臂（18）之间设有连接杆（21），所述连接杆（21）一端与第一从动臂（17）转动连接，另一端与第二从动臂（18）转动连接；过连接杆（21）与第一从动臂（17）的转动中心和连接杆（21）与第二从动臂（18）的转动中心的轴线，同连接主动臂（14）与转动叉（12）的转动轴线相互平行。

5.根据权利要求2所述的三支链四自由度全对称并联机构，其特征在于，所述主动臂（14）与第一T形轴（15）之间转动连接，主动臂（14）与第二T形轴（16）之间转动连接，第一T形轴（15）与第一从动臂（17）之间转动连接，第二T形轴（16）与第二从动臂（18）之间转动连接；第一从动臂（17）与第三T形轴（19）之间转动连接，第三T形轴（19）与动平台（4）之间转动连接，第二从动臂（18）与第四T形轴（20）之间转动连接，第四T形轴（20）与动平台（4）之间转动连接；

连接所述第一T形轴（15）和主动臂（14）的转动轴线与连接所述第一T形轴（15）和第一从动臂（17）的转动轴线垂直相交；连接所述第二T形轴（16）和主动臂（14）的转动轴线与连接所述第二T形轴（16）和第二从动臂（18）的转动轴线垂直相交；

连接所述第三T形轴（19）和动平台（4）的转动轴线与连接所述第三T形轴（19）和第一从动臂（17）的转动轴线垂直相交；连接所述第四T形轴（20）和动平台（4）的转动轴线与连接所述第四T形轴（20）和第二从动臂（18）的转动轴线垂直相交；

连接所述第一T形轴（15）和主动臂（14）的转动轴线与连接所述第二T形轴（16）和主动臂（14）的转动轴线共线于第一轴线（a），连接所述第三T形轴（19）和动平台（4）的转动轴线与连接所述第四T形轴（20）和动平台（4）的转动轴线共线于第二轴线（b），所述第一轴线（a）、第二轴线（b）、以及连接所述主动臂（14）和转动叉（12）的转动轴线相互平行；

连接第一T形轴（15）和第一从动臂（17）的转动轴线、连接第二T形轴（16）和第二从动臂（18）的转动轴线、连接第三T形轴（19）和第一从动臂（17）的转动轴线、连接第四T形轴（20）和第二从动臂（18）的转动轴线共四条轴线相互平行。

6.根据权利要求3或4所述的三支链四自由度全对称并联机构，其特征在于，所述第一球接头（151）和第二球接头（161）均与主动臂（14）固接；所述第三球接头（191）和第四球接头（201）均与动平台（4）固接；所述第一从动臂（17）的一端与第一球接头（151）球铰接，另一端与第三球接头（191）球铰接；所述第二从动臂（18）的一端与第二球接头（161）球铰接，另一端与第四球接头（201）球铰接；

过所述第一球接头（151）球心和第二球接头（161）球心的轴线、过第三球接头（191）球心和第四球接头（201）球心的轴线、以及连接所述主动臂（14）与转动叉（12）的转动轴线相互平行。