CN105563515A - 多支链耦合球面两自由度机器人关节 - Google Patents

多支链耦合球面两自由度机器人关节 Download PDF

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Abstract

一种多支链耦合球面两自由度机器人关节，主要包括定平台、动平台，连接动、定平台的三条运动支链。每条运动支链均由下连杆和上连杆组成，下连杆与定平台通过转动副或球面副连接，上、下连杆通过转动副连接，上连杆与动平台通过转动副或球面副连接；三条运动支链之间通过三条耦合连杆和一条中心连杆相互连接，每条运动支链与中心连杆之间均由一条耦合连杆连接，耦合连杆一端与运动支链通过转动副连接，另一端与中心连杆通过转动副连接。本发明可实现动平台相对定平台做球面两自由度转动，且具有体积小，刚度大，精度高，转动工作空间大等优点，可广泛应用于机器人特别是仿生机器人等领域。

Description

多支链耦合球面两自由度机器人关节
技术领域
本发明属于机器人、精密仪器和设备领域，特别涉及一种球面两自由度机器人关节。
技术背景
并联机构相对传统的串联机构具有运动精度高、刚度大、动态响应好等优点，在航空航天、包装机械、机器人等领域得到了一定的应用。由于并联机构受运动副工作空间和支链干涉等影响，使得并联机构的运动空间普遍较小，严重制约了并联机构在工业和机器人等领域的应用。因此研究具有大工作空间的并联机构，具有重要的理论意义和实际应用价值。
并联机构的自由度可分为移动自由度和转动自由度，其中移动自由度可通过增大机构尺寸的办法增大移动工作空间，然而转动空间却不随机构尺寸的增大而增加。国外对大工作空间转动类并联机构研究较早，发明专利US4651589提出了一种大工作空间三自由度并联机构，并成功应用于雷达追踪设备，发明专利US4686866公开了一种大工作空间两转动并联机构，并成功应用于工业喷涂机器人中，发明专利US6658962B1公开了一种四支链大工作空间两转动并联机构，并将其应用于仿生机器人中，取得了较好的效果。国内对具有大转动工作空间的并联机构研究成果较少，其中发明专利CN103217986A和发明专利CN103433916A对大工作空间两转动并联机构进行了研究，并取得了一些成果。但上述大转动工作空间的并联机构都属于非球面转动并联机构，机构的运动平台转动中心不唯一，这一性质严重限制了这类机构在机器人特别是仿生机器人领域的应用。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种多支链耦合球面两自由度机器人关节，可实现动平台相对定平台做球面两自由度转动，且该关节具有体积小，刚度大，转动工作空间大等优点，可广泛应用于机器人特别是仿生机器人等领域。
本发明的技术方案具体如下：
本发明主要包括定平台、动平台，连接动、定平台的三条运动支链，其有三种连接方式：
第一种连接方式：三条运动支链结构相同，每条运动支链均由下连杆和上连杆组成，下连杆一端与定平台通过下转动副连接，下连杆另一端与上连杆一端通过中间转动副连接，上连杆另一端与动平台通过上转动副连接；三条运动支链之间通过三条耦合连杆和一条中心连杆相互连接，每条运动支链与中心连杆之间均由一条耦合连杆连接，耦合连杆一端与运动支链之间通过转动副连接，且该转动副轴线与被连接运动支链中的中间转动副轴线重合，耦合连杆另一端与中心连杆通过转动副连接，三条耦合连杆与中心连杆连接形成的三个转动副的轴线重合；本关节中所有转动副的轴线汇交于一点，且该点即为关节的转动中心。
第二种连接方式：三条运动支链结构相同，每条运动支链均由下连杆和上连杆组成，下连杆一端与定平台通过球面副连接，下连杆另一端与上连杆一端通过中间转动副连接，上连杆另一端与动平台通过球面副连接；三条运动支链之间通过三条耦合连杆和一条中心连杆相互连接，每条运动支链与中心连杆之间均由一条耦合连杆连接，耦合连杆一端与运动支链之间通过转动副连接，且该转动副轴线与被连接运动支链中的中间转动副轴线重合，耦合连杆另一端与中心连杆通过转动副连接，三条耦合连杆与中心连杆连接形成的三个转动副的轴线重合；本关节中所有转动副的轴线汇交于一点，且该点即为关节的转动中心。
第三种连接方式：第一运动支链由下连杆和上连杆组成，下连杆一端与定平台通过球面副连接，下连杆另一端与上连杆一端通过中间转动副连接，上连杆另一端与动平台通过球面副连接；第二运动支链与第三运动支链结构相同，两条运动支链均由下连杆和上连杆组成，下连杆一端与定平台通过下转动副连接，下连杆另一端与上连杆一端通过中间转动副连接，上连杆另一端与动平台通过上转动副连接；三条运动支链之间通过三条耦合连杆和一条中心连杆相互连接，每条运动支链与中心连杆之间均由一条耦合连杆连接，耦合连杆一端与运动支链之间通过转动副连接，且该转动副轴线与被连接运动支链中的中间转动副轴线重合，耦合连杆另一端与中心连杆通过转动副连接，三条耦合连杆与中心连杆连接形成的三个转动副的轴线重合；本关节中所有转动副的轴线汇交于一点，且该点即为关节的转动中心。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)动平台相对定平台具有球面两转动自由度，转动中心唯一；(2)动平台相对定平台转动工作空间大；(3)关节体积小，刚度大；(4)机构三条运动支链之间相互耦合，进一步提高了机构的受力性能。
附图说明
图1是本发明实施例1立体结构示意简图。
图2是本发明实施例1偏转状态立体结构示意简图。
图3是本发明实施例2立体结构示意简图。
图4是本发明实施例3立体结构示意简图。
图中：1.定平台，2.动平台，(3，3′，3＂).下连杆，(4，4′，4＂).上连杆，(5，5′，5＂).耦合连杆，6.中心连杆。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，在所有实施例中，所述Rij表示一个转动副，Sij表示一个球面副，其中i，j为自然数。
实施例1
如图1，2所示是本发明公开的第1个实施例，一种多支链耦合球面两自由度机器人关节，主要包括定平台1、动平台2，连接动、定平台的三条运动支链。三条运动支链结构相同，其中第一运动支链由下连杆3和上连杆4组成，下连杆3与定平台1之间通过转动副R11耦合连接，下连杆3与上连杆4通过转动副R12耦合连接，上连杆4与动平台2之间通过转动副R13耦合连接；第二运动支链由下连杆3＇和上连杆4＇组成，下连杆3＇与定平台1之间通过转动副R21耦合连接，下连杆3＇与上连杆4＇通过转动副R22耦合连接，上连杆4＇与动平台2之间通过转动副R23耦合连接；第三运动支链由下连杆3＂和上连杆4＂组成，下连杆3＂与定平台1之间通过转动副R31耦合连接，下连杆3＂与上连杆4＂通过转动副R32耦合连接，上连杆4＂与动平台2之间通过转动副R33耦合连接。
三条运动支链之间通过三条耦合连杆和一条中心连杆相互连接，每条运动支链与中心连杆之间均由一条耦合连杆连接。第一耦合连杆5一端与第一运动支链通过转动副R14耦合连接，另一端与中心连杆6通过转动副R15耦合连接，且转动副R14轴线与转动副R12轴线重合；第二耦合连杆5＇一端与第二运动支链通过转动副R24耦合连接，另一端与中心连杆6通过转动副R25耦合连接，且转动副R24轴线与转动副R22轴线重合；第三耦合连杆5＂一端与第三运动支链通过转动副R34耦合连接，另一端与中心连杆6通过转动副R35耦合连接，且转动副R34轴线与转动副R32轴线重合。所述转动副R15、转动副R25、转动副R35轴线相互重合，所述转动副R11、转动副R12、转动副R13、转动副R14、转动副R15、转动副R21、转动副R22、转动副R23、转动副R24、转动副R25、转动副R31、转动副R32、转动副R33、转动副R34、转动副R35轴线相交于一点，且该点即为关节的转动中心。
实施例2
如图3所示是本发明公开的第2个实施例，一种多支链耦合球面两自由度机器人关节，主要包括定平台1、动平台2，连接动、定平台的三条运动支链。三条运动支链结构相同，其中第一运动支链由下连杆3和上连杆4组成，下连杆3与定平台1之间通过球面副S11耦合连接，下连杆3与上连杆4通过转动副R12耦合连接，上连杆4与动平台2之间通过球面副S13耦合连接；第二运动支链由下连杆3＇和上连杆4＇组成，下连杆3＇与定平台1之间通过球面副S21耦合连接，下连杆3＇与上连杆4＇通过转动副R22耦合连接，上连杆4＇与动平台2之间通过球面副S23耦合连接；第三运动支链由下连杆3＂和上连杆4＂组成，下连杆3＂与定平台1之间通过球面副S31耦合连接，下连杆3＂与上连杆4＂通过转动副R32耦合连接，上连杆4＂与动平台2之间通过球面副S33耦合连接。
三条运动支链之间通过三条耦合连杆和一条中心连杆相互连接，每条运动支链与中心连杆之间均由一条耦合连杆连接。第一耦合连杆5一端与第一运动支链通过转动副R14耦合连接，另一端与中心连杆6通过转动副R15耦合连接，且转动副R14轴线与转动副R12轴线重合；第二耦合连杆5＇一端与第二运动支链通过转动副R24耦合连接，另一端与中心连杆6通过转动副R25耦合连接，且转动副R24轴线与转动副R22轴线重合；第三耦合连杆5＂一端与第三运动支链通过转动副R34耦合连接，另一端与中心连杆6通过转动副R35耦合连接，且转动副R34轴线与转动副R32轴线重合。所述转动副R15、转动副R25、转动副R35轴线相互重合，所述转动副R12、转动副R14、转动副R15、转动副R22、转动副R24、转动副R25、转动副R32、转动副R34、转动副R35轴线相交于一点，且该点即为关节的转动中心。
实施例3
如图4所示是本发明公开的第3个实施例，一种多支链耦合球面两自由度机器人关节，主要包括定平台1、动平台2，连接动、定平台的三条运动支链。其中第一运动支链由下连杆3和上连杆4组成，下连杆3与定平台1之间通过球面副S11耦合连接，下连杆3与上连杆4通过转动副R12耦合连接，上连杆4与动平台2之间通过球面副S13耦合连接；第二运动支链由下连杆3＇和上连杆4＇组成，下连杆3＇与定平台1之间通过转动副R21耦合连接，下连杆3＇与上连杆4＇通过转动副R22耦合连接，上连杆4＇与动平台2之间通过转动副R23耦合连接；第三运动支链由下连杆3＂和上连杆4＂组成，下连杆3＂与定平台1之间通过转动副R31耦合连接，下连杆3＂与上连杆4＂通过转动副R32耦合连接，上连杆4＂与动平台2之间通过转动副R33耦合连接。
三条运动支链之间通过三条耦合连杆和一条中心连杆相互连接，每条运动支链与中心连杆之间均由一条耦合连杆连接。第一耦合连杆5一端与第一运动支链通过转动副R14耦合连接，另一端与中心连杆6通过转动副R15耦合连接，且转动副R14轴线与转动副R12轴线重合；第二耦合连杆5＇一端与第二运动支链通过转动副R24耦合连接，另一端与中心连杆6通过转动副R25耦合连接，且转动副R24轴线与转动副R22轴线重合；第三耦合连杆5＂一端与第三运动支链通过转动副R34耦合连接，另一端与中心连杆6通过转动副R35耦合连接，且转动副R34轴线与转动副R32轴线重合。所述转动副R15、转动副R25、转动副R35轴线相互重合，所述转动副R12、转动副R14、转动副R15、转动副R21、转动副R22、转动副R23、转动副R24、转动副R25、转动副R31、转动副R32、转动副R33、转动副R34、转动副R35轴线相交于一点，且该点即为关节的转动中心。

Claims (3)

1.一种多支链耦合球面两自由度机器人关节，其有定平台、动平台，连接动、定平台的三条运动支链，其特征在于：三条运动支链结构相同，每条运动支链均由下连杆和上连杆组成，下连杆一端与定平台通过下转动副连接，下连杆另一端与上连杆一端通过中间转动副连接，上连杆另一端与动平台通过上转动副连接；三条运动支链之间通过三条耦合连杆和一条中心连杆相互连接，每条运动支链与中心连杆之间均由一条耦合连杆连接，耦合连杆一端与运动支链之间通过转动副连接，且该转动副轴线与被连接运动支链中的中间转动副轴线重合，耦合连杆另一端与中心连杆通过转动副连接，三条耦合连杆与中心连杆连接形成的三个转动副的轴线重合；本关节中所有转动副的轴线汇交于一点，且该点即为关节的转动中心。
2.一种多支链耦合球面两自由度机器人关节，其有定平台、动平台，连接动、定平台的三条运动支链，其特征在于：三条运动支链结构相同，每条运动支链均由下连杆和上连杆组成，下连杆一端与定平台通过球面副连接，下连杆另一端与上连杆一端通过中间转动副连接，上连杆另一端与动平台通过球面副连接；三条运动支链之间通过三条耦合连杆和一条中心连杆相互连接，每条运动支链与中心连杆之间均由一条耦合连杆连接，耦合连杆一端与运动支链之间通过转动副连接，且该转动副轴线与被连接运动支链中的中间转动副轴线重合，耦合连杆另一端与中心连杆通过转动副连接，三条耦合连杆与中心连杆连接形成的三个转动副的轴线重合；本关节中所有转动副的轴线汇交于一点，且该点即为关节的转动中心。
3.一种多支链耦合球面两自由度机器人关节，其有定平台、动平台，连接动、定平台的三条运动支链，其特征在于：第一运动支链由下连杆和上连杆组成，下连杆一端与定平台通过球面副连接，下连杆另一端与上连杆一端通过中间转动副连接，上连杆另一端与动平台通过球面副连接；第二运动支链与第三运动支链结构相同，两条运动支链均由下连杆和上连杆组成，下连杆一端与定平台通过下转动副连接，下连杆另一端与上连杆一端通过中间转动副连接，上连杆另一端与动平台通过上转动副连接；三条运动支链之间通过三条耦合连杆和一条中心连杆相互连接，每条运动支链与中心连杆之间均由一条耦合连杆连接，耦合连杆一端与运动支链之间通过转动副连接，且该转动副轴线与被连接运动支链中的中间转动副轴线重合，耦合连杆另一端与中心连杆通过转动副连接，三条耦合连杆与中心连杆连接形成的三个转动副的轴线重合；本关节中所有转动副的轴线汇交于一点，且该点即为关节的转动中心。
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