CN105234929A - 一种三平一转四自由度并联机构 - Google Patents

一种三平一转四自由度并联机构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三平一转四自由度并联机构，包括固定架、动平台以及布置在所述固定架与动平台之间的四条结构相同的支链；所述支链包括转动叉、主动臂、两个平行且等长的从动臂以及四个T形轴，所述转动叉与固定架转动连接，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。该并联机构动平台采用单平台的结构，具有结构简洁、动平台质量轻等特点，有利于实现高速高加速的动态响应特性。

Description

一种三平一转四自由度并联机构
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是：一种三平一转四自由度并联机构，包括固定架、动平台以及布置在固定架与动平台之间的第一支链、第二支链、第三支链和第四支链，所述第一支链、第二支链、第三支链和第四支链结构相同；每条支链均包括转动叉、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，所述主动臂的一端转动连接于转动叉内，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；
所述驱动装置固连在转动叉上或固连在固定架上，且至少有三条支链中的驱动装置是与转动叉固连的，当驱动装置固连在转动叉上时，其驱动端与主动臂相固连；当驱动装置固连在固定架上时，其驱动端与转动叉相固连；
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、第三支链和第四支链中的转动叉的四条转动轴线相互平行。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明的三平一转四自由度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。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图。
图2为本发明实施例1中支链的结构示意图。
图3为本发明T形轴的结构示意图。
图4为本发明动平台的结构示意图。
图5为本发明实施例2的结构示意图。
图6为本发明实施例3的结构示意图。
图7为本发明实施例3中支链的结构示意图。
图8为本发明球接头的结构示意图。
图9为本发明实施例4的结构示意图。
图中编号所代表的含义为：1、固定架，2、动平台，3、支链与动平台连接的铰链中点，11、转动叉，12、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、第四T形轴，20、连接件，141、第一球接头，151、第二球接头，181、第三球接头，191、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，本发明的一种三平一转四自由度并联机构，包括固定架1、动平台2以及布置在固定架1与动平台2之间的第一支链、第二支链、第三支链和第四支链，所述第一支链、第二支链、第三支链和第四支链结构相同；每条支链均包括转动叉11、驱动装置12、主动臂13、第一从动臂16和第二从动臂17，所述转动叉11转动连接于固定架1上，所述主动臂13的一端转动连接于转动叉11内，所述主动臂13的另一端的两侧分别与第一从动臂16、第二从动臂17的一端连接，所述第一从动臂16、第二从动臂17的另一端与动平台2连接，所述第一从动臂16与第二从动臂17平行且等长；
所述驱动装置12固连在转动叉11上或固连在固定架1上，且至少有三条支链中的驱动装置12是与转动叉11固连的，当驱动装置12固连在转动叉11上时，其驱动端与主动臂13相固连；当驱动装置12固连在固定架1上时，其驱动端与转动叉11相固连；
连接所述转动叉11和固定架1的转动轴线与连接所述主动臂13和转动叉11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、第三支链和第四支链中的转动叉11的四条转动轴线相互平行。
当驱动装置12均固连在转动叉11上时，所述四条支链与动平台2连接的铰链中点3构成的四边形为非正方形。
所述主动臂13与第一从动臂16之间通过第一T形轴14连接，主动臂13与第二从动臂17之间通过第二T形轴15连接，第一从动臂16与动平台2之间通过第三T形轴18连接，第二从动臂17与动平台2之间通过第四T形轴19连接。
所述主动臂13与第一T形轴14之间转动连接，主动臂13与第二T形轴15之间转动连接，第一T形轴14与第一从动臂16之间转动连接，第二T形轴15与第二从动臂17之间转动连接；第一从动臂16与第三T形轴18之间转动连接，第三T形轴18与动平台2之间转动连接，第二从动臂17与第四T形轴19之间转动连接，第四T形轴19与动平台2之间转动连接；
连接所述第一T形轴14和主动臂13的转动轴线与连接所述第一T形轴14和第一从动臂16的转动轴线垂直相交；连接所述第二T形轴15和主动臂13的转动轴线与连接所述第二T形轴15和第二从动臂17的转动轴线垂直相交；
连接所述第三T形轴18和动平台2的转动轴线与连接所述第三T形轴18和第一从动臂16的转动轴线垂直相交；连接所述第四T形轴19和动平台2的转动轴线与连接所述第四T形轴19和第二从动臂17的转动轴线垂直相交；
连接所述第一T形轴14和主动臂13的转动轴线与连接所述第二T形轴15和主动臂13的转动轴线共线于第一轴线a，连接所述第三T形轴18和动平台2的转动轴线与连接所述第四T形轴19和动平台2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13和转动叉11的转动轴线相互平行；
连接第一T形轴14和第一从动臂16的转动轴线、连接第二T形轴15和第二从动臂17的转动轴线、连接第三T形轴18和第一从动臂16的转动轴线、连接第四T形轴19和第二从动臂17的转动轴线共四条轴线相互平行。
或者，所述主动臂13与第一从动臂16之间通过第一球接头141连接，主动臂13与第二从动臂17之间通过第二球接头151连接，第一从动臂16与动平台2之间通过第三球接头181连接，第二从动臂17与动平台2之间通过第四球接头191连接。
所述第一从动臂16和第二从动臂17之间设有连接杆20，所述连接杆20一端与第一从动臂16转动连接，另一端与第二从动臂17转动连接；过连接杆20与第一从动臂16的转动中心和连接杆20与第二从动臂17的转动中心的轴线，同连接主动臂13与转动叉11的转动轴线相互平行。
所述第一球接头141和第二球接头151均与主动臂13固接；所述第三球接头181和第四球接头191均与动平台2固接；所述第一从动臂16的一端与第一球接头141球铰接，另一端与第三球接头181球铰接；所述第二从动臂17的一端与第二球接头151球铰接，另一端与第四球接头191球铰接；
过所述第一球接头141球心和第二球接头151球心的轴线、过第三球接头181球心和第四球接头191球心的轴线、以及连接所述主动臂13与转动叉11的转动轴线相互平行。
下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述：
实施例1：
结合图1~4，一种三平一转四自由度并联机构，包括固定架1、动平台2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、第三支链和第四支链，所述第一支链、第二支链、第三支链和第四支链结构相同；每条支链均包括转动叉11、固定设置在转动叉11上的驱动装置12、主动臂13、第一T形轴14、第二T形轴15、第一从动臂16、第二从动臂17、第三T形轴18和第四T形轴19；所述转动叉11转动连接于固定架1上，所述主动臂13的一端转动连接于转动叉11内，且与所述驱动装置12的驱动端固接，所述主动臂13远离驱动装置12的那一端的两侧分别与第一T形轴14、第二T形轴15的一端转动连接，所述第一T形轴14的另一端与第一从动臂16的一端转动连接，所述第一从动臂16的另一端与第三T形轴18的一端转动连接，所述第三T形轴18的另一端转与动平台2转动连接，所述第二T形轴15的另一端与第二从动臂17的一端转动连接，所述第二从动臂17的另一端与第四T形轴19的一端转动连接，所述第四T形轴19的另一端与动平台2转动连接。所述第一从动臂16和第二从动臂17平行且等长。
连接所述转动叉11和固定架1的转动轴线与连接所述主动臂13和转动叉11的转动轴线垂直相交；连接所述第一T形轴14和主动臂13的转动轴线与连接所述第一T形轴14和第一从动臂16的转动轴线垂直相交；连接所述第二T形轴15和主动臂13的转动轴线与连接所述第二T形轴15和第二从动臂17的转动轴线垂直相交；连接所述第三T形轴18和动平台2的转动轴线与连接所述第三T形轴18和第一从动臂16的转动轴线垂直相交；连接所述第四T形轴19和动平台2的转动轴线与连接所述第四T形轴19和第二从动臂17的转动轴线垂直相交。
连接所述第一T形轴14和主动臂13的转动轴线与连接所述第二T形轴15和主动臂13的转动轴线共线于第一轴线a，连接所述第三T形轴18和动平台2的转动轴线与连接所述第四T形轴19和动平台2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13和转动叉11的转动轴线相互平行。
连接第一T形轴14和第一从动臂16的转动轴线、连接第二T形轴15和第二从动臂17的转动轴线、连接第三T形轴18和第一从动臂16的转动轴线、连接第四T形轴19和第二从动臂17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、第三支链和第四支链中的转动叉11的四条转动轴线相互平行，所述四条支链与动平台2连接的铰链中点3构成的四边形为非正方形。
实施例2：
结合图5，在实施例1的基础上，将四条支链中的其中一条支链的驱动装置12改为与固定架1固接，并将其驱动端与转动叉11固接，从而使转动叉11和固定架1间的转动副为主动转动副。此时，对动平台2的形状没有限制，即所述四条支链与动平台2连接的铰链中点3构成的四边形可以为非正方形，也可以为正方形。
实施例3：
结合图6~8，一种三平一转四自由度并联机构，包括固定架1、动平台2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、第三支链和第四支链，所述第一支链、第二支链、第三支链和第四支链结构相同；每条支链均包括转动叉11、固定设置在转动叉上的驱动装置12、主动臂13、第一球接头141、第二球接头151、第一从动臂16、第二从动臂17、第三球接头181和第四球接头191。所述转动叉11转动连接于固定架2上，所述主动臂13的一端转动连接于转动叉11内，且与所述驱动装置12的驱动端固接，所述主动臂13远离驱动装置12的那一端的两侧分别与第一球接头141和第二球接头151固接；所述第一从动臂16的一端与第一球接头141球铰接，另一端与第三球接头181球铰接；所述第二从动臂17的一端与第二球接头151球铰接，另一端与第四球接头191球铰接；所述第三球接头181和第四球接头191均与动平台2固接。所述第一从动臂16和第二从动臂17平行且等长，所述第一从动臂16和第二从动臂17之间设有连接杆20，所述连接杆20一端与第一从动臂16转动连接，另一端与第二从动臂17转动连接，所述连接杆20的数量没有限制。
连接所述转动叉11与固定架1的转动轴线和连接所述主动臂13与转动叉11的转动轴线垂直相交。
过所述第一球接头141球心和第二球接头151球心的所在轴线、过所述第三球接头181球心和第四球接头191球心的所在轴线、过所述连接杆20与第一从动臂16的转动中心和连接杆20与第二从动臂17的转动中心的所在轴线、以及连接所述主动臂13与转动叉11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、第三支链和第四支链中的转动叉11的四条转动轴线相互平行，所述四条支链与动平台2连接的铰链中点3构成的四边形为非正方形。
实施例4：
结合图9，在实施例3的基础上，将四条支链中的其中一条支链的驱动装置12改为与固定架1固接，并将其驱动端与转动叉11固接，从而使转动叉11和固定架1间的转动副为主动转动副。此时，对动平台2的形状没有限制，即所述四条支链与动平台2连接的铰链中点3构成的四边形可以为非正方形，也可以为正方形。
由上可知，本发明的每条支链均采用一个转动叉与固定架转动连接，且四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，从而有利于提高生产效率。

Claims (7)

1.一种三平一转四自由度并联机构，包括固定架(1)、动平台(2)以及布置在固定架(1)与动平台(2)之间的第一支链、第二支链、第三支链和第四支链，其特征在于，所述第一支链、第二支链、第三支链和第四支链结构相同；每条支链均包括转动叉(11)、驱动装置(12)、主动臂(13)、第一从动臂(16)和第二从动臂(17)，所述转动叉(11)转动连接于固定架(1)上，所述主动臂(13)的一端转动连接于转动叉(11)内，所述主动臂(13)的另一端的两侧分别与第一从动臂(16)、第二从动臂(17)的一端连接，所述第一从动臂(16)、第二从动臂(17)的另一端与动平台(2)连接，所述第一从动臂(16)与第二从动臂(17)平行且等长；
所述驱动装置(12)固连在转动叉(11)上或固连在固定架(1)上，且至少有三条支链中的驱动装置(12)是与转动叉(11)固连的，当驱动装置(12)固连在转动叉(11)上时，其驱动端与主动臂(13)相固连；当驱动装置(12)固连在固定架(1)上时，其驱动端与转动叉(11)相固连；
连接所述转动叉(11)和固定架(1)的转动轴线与连接所述主动臂(13)和转动叉(11)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、第三支链和第四支链中的转动叉(11)的四条转动轴线相互平行。
2.根据权利要求1所述的三平一转四自由度并联机构，其特征在于，当驱动装置(12)均固连在转动叉(11)上时，所述四条支链与动平台(2)连接的铰链中点(3)构成的四边形为非正方形。
3.根据权利要求1或2所述的三平一转四自由度并联机构，其特征在于，所述主动臂(13)与第一从动臂(16)之间通过第一T形轴(14)连接，主动臂(13)与第二从动臂(17)之间通过第二T形轴(15)连接，第一从动臂(16)与动平台(2)之间通过第三T形轴(18)连接，第二从动臂(17)与动平台(2)之间通过第四T形轴(19)连接。
4.根据权利要求1或2所述的三平一转四自由度并联机构，其特征在于，所述主动臂(13)与第一从动臂(16)之间通过第一球接头(141)连接，主动臂(13)与第二从动臂(17)之间通过第二球接头(151)连接，第一从动臂(16)与动平台(2)之间通过第三球接头(181)连接，第二从动臂(17)与动平台(2)之间通过第四球接头(191)连接。
5.根据权利要求4所述的三平一转四自由度并联机构，其特征在于，所述第一从动臂(16)和第二从动臂(17)之间设有连接杆(20)，所述连接杆(20)一端与第一从动臂(16)转动连接，另一端与第二从动臂(17)转动连接；过连接杆(20)与第一从动臂(16)的转动中心和连接杆(20)与第二从动臂(17)的转动中心的轴线，同连接主动臂(13)与转动叉(11)的转动轴线相互平行。
6.根据权利要求3所述的三平一转四自由度并联机构，其特征在于，所述主动臂(13)与第一T形轴(14)之间转动连接，主动臂(13)与第二T形轴(15)之间转动连接，第一T形轴(14)与第一从动臂(16)之间转动连接，第二T形轴(15)与第二从动臂(17)之间转动连接；第一从动臂(16)与第三T形轴(18)之间转动连接，第三T形轴(18)与动平台(2)之间转动连接，第二从动臂(17)与第四T形轴(19)之间转动连接，第四T形轴(19)与动平台(2)之间转动连接；
连接所述第一T形轴(14)和主动臂(13)的转动轴线与连接所述第一T形轴(14)和第一从动臂(16)的转动轴线垂直相交；连接所述第二T形轴(15)和主动臂(13)的转动轴线与连接所述第二T形轴(15)和第二从动臂(17)的转动轴线垂直相交；
连接所述第三T形轴(18)和动平台(2)的转动轴线与连接所述第三T形轴(18)和第一从动臂(16)的转动轴线垂直相交；连接所述第四T形轴(19)和动平台(2)的转动轴线与连接所述第四T形轴(19)和第二从动臂(17)的转动轴线垂直相交；
连接所述第一T形轴(14)和主动臂(13)的转动轴线与连接所述第二T形轴(15)和主动臂(13)的转动轴线共线于第一轴线(a)，连接所述第三T形轴(18)和动平台(2)的转动轴线与连接所述第四T形轴(19)和动平台(2)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(13)和转动叉(11)的转动轴线相互平行；
连接第一T形轴(14)和第一从动臂(16)的转动轴线、连接第二T形轴(15)和第二从动臂(17)的转动轴线、连接第三T形轴(18)和第一从动臂(16)的转动轴线、连接第四T形轴(19)和第二从动臂(17)的转动轴线共四条轴线相互平行。
7.根据权利要求4所述的三平一转四自由度并联机构，其特征在于，所述第一球接头(141)和第二球接头(151)均与主动臂(13)固接；所述第三球接头(181)和第四球接头(191)均与动平台(2)固接；所述第一从动臂(16)的一端与第一球接头(141)球铰接，另一端与第三球接头(181)球铰接；所述第二从动臂(17)的一端与第二球接头(151)球铰接，另一端与第四球接头(191)球铰接；
过所述第一球接头(141)球心和第二球接头(151)球心的轴线、过第三球接头(181)球心和第四球接头(191)球心的轴线、以及连接所述主动臂(13)与转动叉(11)的转动轴线相互平行。
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