CN105479444A - 一种基于拓扑机构的3r混联机器人机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于拓扑机构的3R混联机器人机构。该机构以机构拓扑图为基础，主要构成元素为路径，再经支链自由度进行分配组合而成。该机构由一个四条路径的混联机构构成，其中包括定平台、动平台以及连接两平台间的四条路径组成，而不同路径可能公用同一运动副。路径一是由一个虎克铰、一个转动副以及连接它们的两个连杆和一个过渡平台构成；路径二由一个虎克铰、三个转动副和连接它们的四个连杆和两个过渡平台组成；路径三由一个虎克铰、三个转动副以及连接它们的三个连杆和两个过渡平台组成；路径四是由一个虎克铰、五个转动副以及连接它们的五个连杆和一个过渡平台组成。路径一中与定平台连接的虎克铰为主动副，连杆机构末端与动平台间的转动副为主动副，该设计结构精度高，可达空间较大，能实现三维空间中的三个正交的转动运动，具有良好的刚性和动态性能。

Description

一种基于拓扑机构的3R混联机器人机构

所属技术领域

本发明属于机器人领域，特别涉及一种基于拓扑机构的三转动三自由度混联机器人机构。

背景技术

空间机构学的发展经历了从串联机构到并联机构再到混联机构的发展过程。混联机器人机构作为串联与并联组合的新型结构类型，其形式主要将串联与并联机构进行有效的复合，作为机器人机构的一个分支，混联机构充分发挥并联机构的高精度、高承载能力与串联机构工作空间大、控制灵活等优点，同时避免了各自结构的缺点。

在混联机器人机构研究中，三自由度混联机器人得到广泛关注，学者们发明了许多新构型，如国家发明专利文献CN104708616A实现某些场合下分拣任务需要的三个自由度提出了采用线性传动机构组成三自由度混联机器人机构的方法，公开号为CN204366950U的末端执行器的输出运动为二维平动和绕所述基座的一维转动。但是检索发现对3R三自由度混联机构研究目前尚属空白，此外设计结构简单、结构紧凑、运动灵活、制造成本低、力传递性能好的混联机构具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单且紧凑、刚性好、易于控制的基于拓扑机构的3R三自由度混联机器人机构。该机构由一个四条路径的混联机构构成，其中包括定平台、动平台以及连接两平台间的四条路径组成，所述定平台为长方形，动平台为正方形。

路径一是由一个虎克铰、一个转动副以及连接它们的一个连杆和一个过渡平台构成；路径二由一个虎克铰、三个转动副和连接它们的四个连杆和两个过渡平台组成；路径三由一个虎克铰、三个转动副以及连接它们的两个连杆和两个过渡平台组成；路径四是由一个虎克铰、五个转动副以及连接它们的五个连杆和一个过渡平台组成。

路径一中，第一个连杆的一端通过虎克铰与定平台连接，该连杆的另一端与过渡平台固连，过渡平台的另一端通过转动副与第二个连杆连接，该连杆的另一端与动平台固连，其中各个运动副的轴线成正交关系。

路径二中，第一个连杆的一端通过虎克铰与定平台连接，该连杆的另一端与过渡平台固连，过渡平台的另一端通过转动副与第二个连杆连接，该连杆的另一端通过转动副与第三个连杆连接，该连杆的另一端通过转动副与第四个连杆连接，连杆四的另一端与动平台固连，其中第二、三、四连杆两端的运动副轴线平行且垂直于虎克铰轴线。

路径三中，第一个连杆通过虎克铰与定平台连接，该连杆的另一端通过转动副与第二个连杆连接，该连杆的另一端通过转动副与过渡平台连接，过渡平台通过转动副与第三个连杆连接，该连杆的另一端与动平台固连，其中第一、二个连杆的两端运动副轴线相互平行且平行与虎克铰中一转动轴线，虎克铰中另一转动轴线与路径一、二中的虎克铰一转动轴线平行。

路径四中，第一个连杆通过虎克铰与定平台连接，该连杆的另一端通过转动副与第二个连杆连接，该连杆的另一端通过转动副与过渡平台连接，过渡平台通过转动副与第三个连杆连接，该连杆的另一端通过转动副与第四个连杆连接，该连杆的另一端通过转动副与第五个连杆连接，连杆五的另一端与动平台固连，其中第二、三连杆的两端的运动副轴线垂直，第三、四、五连杆两端的运动副轴线平行且垂直于虎克铰轴线。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、混联机构末端可实现三维转动三自由度运动输出，以多环闭式机构拓扑图为基础，由一个四条路径的混联机构构成，结构简单稳定，采用混联拓扑结构，其结构紧凑，工作空间大，运动精度高；

2、本机构较为简单，易于加工制造和装配，可应用于低承载、高精度、高速度领域具有较高的实用价值和广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明的立体示意简图。

图2是整体示意结构简图。

图3是机构拓扑简图。

具体实施方式

一种基于拓扑机构的3R混联机器人机构，如图1、2、3所示，该机构由一个四条路径的混联机构，其中组成构件为定平台1、动平台8以及连接两平台间的四条路径。路径一中，第一个连杆3的一端通过虎克铰2与定平台1连接，连杆3的另一端与过渡平台5固连，过渡平台5的另一端通过转动副6与第二个连杆7连接，连杆7的另一端与动平台8固连，其中各个运动副的轴线成正交关系；

路径二中，第一个连杆3的一端通过虎克铰2与定平台1连接，连杆3的另一端与过渡平台5固连，过渡平台5的另一端通过连杆4与过渡平台19连接，过渡平台19的另一端通过转动副20与第二个连杆21连接，连杆21的另一端通过转动副12与第三个连杆11连接，连杆11的另一端通过转动副10与第四个连杆9连接，连杆9的另一端与动平台固连，其中第二、三连杆两端的运动副10、12、20轴线平行且垂直于虎克铰2轴线；

路径三中，第一个连杆15通过虎克铰16与定平台1连接，连杆15的另一端通过转动副14与第二个连杆17连接，连杆17的另一端通过转动副18与过渡平台19连接，过渡平台19通过连杆4与过渡平台5连接，过渡平台5通过转动副6与第三个连杆7连接，连杆7的另一端与动平台8固连，其中第二个连杆17的两端运动副14、18轴线相互平行且平行与虎克铰16中一转动轴线，虎克铰16中另一转动轴线与路径一、二中的虎克铰2的一转动轴线平行；

路径四中，第一个连杆15通过虎克铰16与定平台1连接，连杆15的另一端通过转动副14与第二个连杆17连接，连杆17的另一端通过转动副18与过渡平台19连接，过渡平台19通过转动副20与第三个连杆21连接，连杆21的另一端通过转动副12与第四个连杆11连接，连杆11的另一端通过转动副10与第五个连杆9连接，连杆9的另一端与动平台8固连，其中第二、三连杆的两端的运动副18、20轴线垂直，第三、四连杆两端的运动副10、12、20轴线平行且垂直于虎克铰16轴线。

上述的路径一中，虎克铰16为主动运动副，控制动平台绕虎克铰16轴线方向的转动，可通过伺服电机驱动；转动副6为主动运动副，控制动平台绕6轴线方向的转动，其驱动机构可通过电机带动丝杆机构。最终实现该机构三转一对一的输入与输出运动关系。

Claims (4)

1.一种基于拓扑机构的3R混联机器人机构，其特征在于：该机构以机构拓扑图为基础，主要构成元素为路径，再经支链自由度进行分配组合而成。混联机构由定平台、动平台以及连接两平台间的四条路径组成，其中第一个路径具有三个运动副，第二个路径具有五个运动副，第三个路径具有五个运动副，第四个路径具有七个运动副。

2.按照权利要求1所述的基于拓扑机构的3R混联机器人机构，其特征在于：路径一中，第一个连杆的一端通过虎克铰与定平台连接，该连杆的另一端与过渡平台固连，过渡平台的另一端通过转动副与第二个连杆连接，该连杆的另一端与动平台固连，其中各个运动副的轴线成正交关系；路径二中，第一个连杆的一端通过虎克铰与定平台连接，该连杆的另一端与过渡平台固连，过渡平台的另一端通过转动副与第二个连杆连接，该连杆的另一端通过转动副与第三个连杆连接，该连杆的另一端通过转动副与第四个连杆连接，连杆四的另一端与动平台固连，其中第二、三、四连杆两端的运动副轴线平行且垂直于虎克铰轴线；路径三中，第一个连杆通过虎克铰与定平台连接，该连杆的另一端通过转动副与第二个连杆连接，该连杆的另一端通过转动副与过渡平台连接，过渡平台通过转动副与第三个连杆连接，该连杆的另一端与动平台固连，其中第一、二个连杆的两端运动副轴线相互平行且平行于虎克铰中一转动轴线，虎克铰中另一转动轴线与路径一、二中的虎克铰一转动轴线平行；路径四中，第一个连杆通过虎克铰与定平台连接，该连杆的另一端通过转动副与第二个连杆连接，该连杆的另一端通过转动副与过渡平台连接，过渡平台通过转动副与第三个连杆连接，该连杆的另一端通过转动副与第四个连杆连接，该连杆的另一端通过转动副与第五个连杆连接，连杆五的另一端与动平台固连，其中第二、三连杆的两端的运动副轴线垂直，第三、四、五连杆两端的运动副轴线平行且垂直于虎克铰轴线。

3.按照权利要求1所述的基于拓扑机构的3R混联机器人机构，其特征在于：上述路径中虎克铰可用转动副代替，路径二中二、三、四连杆两端的三个平行的转动副可用一个平面副代替，路径四中第三、四、五连杆两端的三个平行的转动副可用一个平面副代替。

4.按照权利要求1所述的基于拓扑机构的3R混联机器人机构，其特征在于：上述四个路径中可选择路径一中与定平台连接的虎克铰为主动副，连杆机构末端与动平台间的转动副为主动副。