CN105598997A - 球面两自由度并联机器人关节 - Google Patents

Abstract

一种球面两自由度并联机器人关节，主要包括定平台、动平台，连接动、定平台的四条运动支链。每条运动支链均由下连杆、中连杆和上连杆组成，下连杆与定平台通过转动副或球面副连接，下、中连杆通过转动副或球面副连接，中、上连杆通过转动副或球面副连接，上连杆与动平台通过转动副或球面副连接；四条运动支链之间通过四条耦合连杆和一条中心连杆相互连接，耦合连杆一端与运动支链中的中连杆固连，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

球面两自由度并联机器人关节

技术领域

本发明涉及一种机器人关节，特别涉及一种球面两自由度并联机器人关节。

技术背景

并联机构相比传统的串联机构具有无累积误差、精度较高、结构紧凑、刚度高、承载能力大等优点，此外并联机构的驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，从而具有较好的动态响应，完全对称的并联机构还具有较好的各向同性。但并联机构的工作空间相比串联机构较小，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，美国专利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，美国专利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，美国专利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。但上述具有大转动工作空间的并联机构都属于非球面并联机构，机构的动平台转动中心不唯一，使得动平台在转动过程中会产生附加的移动，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，本发明提供一种球面两自由度并联机器人关节，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、定平台的四条运动支链，其有三种连接方式：

第一种连接方式：四条运动支链结构相同，每条运动支链均由下连杆、中连杆和上连杆组成，下连杆一端与定平台通过转动副连接，下连杆另一端与中连杆一端通过球面副连接，中连杆另一端与上连杆一端通过转动副连接，上连杆另一端与动平台通过球面副连接；

四条运动支链之间通过四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中的中连杆固连，耦合连杆另一端与中心连杆通过转动副连接，四条耦合连杆与中心连杆连接形成的四个转动副的轴线重合，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：四条运动支链结构相同，每条运动支链均由下连杆、中连杆和上连杆组成，下连杆一端与定平台通过球面副连接，下连杆另一端与中连杆一端通过转动副连接，中连杆另一端与上连杆一端通过球面副连接，上连杆另一端与动平台通过转动副连接；

四条运动支链之间通过四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中的中连杆固连，耦合连杆另一端与中心连杆通过转动副连接，四条耦合连杆与中心连杆连接形成的四个转动副的轴线重合，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、第四运动支链结构相同，两条运动支链均由下连杆、中连杆和上连杆组成，下连杆一端与定平台通过球面副连接，下连杆另一端与中连杆一端通过转动副连接，中连杆另一端与上连杆一端通过球面副连接，上连杆另一端与动平台通过转动副连接；第二、第三运动支链结构相同，两条运动支链均由下连杆、中连杆和上连杆组成，下连杆一端与定平台通过转动副连接，下连杆另一端与中连杆一端通过球面副连接，中连杆另一端与上连杆一端通过转动副连接，上连杆另一端与动平台通过球面副连接；

四条运动支链之间通过四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中的中连杆固连，耦合连杆另一端与中心连杆通过转动副连接，四条耦合连杆与中心连杆连接形成的四个转动副的轴线重合，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，且动平台运动解耦，转动中心唯一；(2)动平台相对定平台转动工作空间大，转动角度可达±90度；(3)关节体积小，刚度大；(4)关节的四条运动支链之间相互耦合，大大提高了关节的受力性能。

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2偏转状态立体结构示意简图.

图5是本发明实施例3立体结构示意简图.

图6是本发明实施例3偏转状态立体结构示意简图.

图中：1.定平台，2.动平台，(A3，B3，C3，D3).下连杆，(A4，B4，C4，D4).中连杆，(A5，B5，C5，D5).上连杆，(A6，B6，C6，D6).耦合连杆，7.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、图2所示是本发明公开的第1个实施例，一种球面两自由度并联机器人关节，主要包括定平台1、动平台2，连接动、定平台的四条运动支链。四条运动支链结构相同，其中第一运动支链由下连杆A3、中连杆A4和上连杆A5组成，下连杆A3与定平台1之间通过转动副R11连接，下连杆A3与中连杆A4通过球面副S12连接，中连杆A4与上连杆A5通过转动副R13连接，上连杆A5与动平台2之间通过球面副S15连接；第二运动支链由下连杆B3、中连杆B4和上连杆B5组成，下连杆B3与定平台1之间通过转动副R21连接，下连杆B3与中连杆B4通过球面副S22连接，中连杆B4与上连杆B5通过转动副R23连接，上连杆B5与动平台2之间通过球面副S25连接；第三运动支链由下连杆C3、中连杆C4和上连杆C5组成，下连杆C3与定平台1之间通过转动副R31连接，下连杆C3与中连杆C4通过球面副S32连接，中连杆C4与上连杆C5通过转动副R33连接，上连杆C5与动平台2之间通过球面副S35连接；第四运动支链由下连杆D3、中连杆D4和上连杆D5组成，下连杆D3与定平台1之间通过转动副R41连接，下连杆D3与中连杆D4通过球面副S42连接，中连杆D4与上连杆D5通过转动副R43连接，上连杆D5与动平台2之间通过球面副S45连接。

四条运动支链之间通过四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7之间均由一条耦合连杆连接。其中第一耦合连杆A6一端与第一运动支链中的中连杆A4固定连接，耦合连杆A6另一端与中心连杆7通过转动副R14连接；第二耦合连杆B6一端与第二运动支链中的中连杆B4固定连接，耦合连杆B6另一端与中心连杆7通过转动副R24连接；第三耦合连杆C6一端与第三运动支链中的中连杆C4固定连接，耦合连杆C6另一端与中心连杆7通过转动副R34连接；第四耦合连杆D6一端与第四运动支链中的中连杆D4固定连接，耦合连杆D6另一端与中心连杆7通过转动副R44连接；所述转动副R14、转动副R24、转动副R34、转动副R44轴线相互重合。

所述转动副R11、转动副R13、转动副R14、转动副R21、转动副R23、转动副R24、转动副R31、转动副R33、转动副R34、转动副R41、转动副R43、转动副R44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、图4所示是本发明公开的第2个实施例，一种球面两自由度并联机器人关节，主要包括定平台1、动平台2，连接动、定平台的四条运动支链。四条运动支链结构相同，其中第一运动支链由下连杆A3、中连杆A4和上连杆A5组成，下连杆A3与定平台1之间通过球面副S11连接，下连杆A3与中连杆A4通过转动副R12连接，中连杆A4与上连杆A5通过球面副S13连接，上连杆A5与动平台2之间通过转动副R15连接；第二运动支链由下连杆B3、中连杆B4和上连杆B5组成，下连杆B3与定平台1之间通过球面副S21连接，下连杆B3与中连杆B4通过转动副R22连接，中连杆B4与上连杆B5通过球面副S23连接，上连杆B5与动平台2之间通过转动副R25连接；第三运动支链由下连杆C3、中连杆C4和上连杆C5组成，下连杆C3与定平台1之间通过球面副S31连接，下连杆C3与中连杆C4通过转动副R32连接，中连杆C4与上连杆C5通过球面副S33连接，上连杆C5与动平台2之间通过转动副R35连接；第四运动支链由下连杆D3、中连杆D4和上连杆D5组成，下连杆D3与定平台1之间通过球面副S41连接，下连杆D3与中连杆D4通过转动副R42连接，中连杆D4与上连杆D5通过球面副S43连接，上连杆D5与动平台2之间通过转动副R45连接。

四条运动支链之间通过四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7之间均由一条耦合连杆连接。其中第一耦合连杆A6一端与第一运动支链中的中连杆A4固定连接，耦合连杆A6另一端与中心连杆7通过转动副R14连接；第二耦合连杆B6一端与第二运动支链中的中连杆B4固定连接，耦合连杆B6另一端与中心连杆7通过转动副R24连接；第三耦合连杆C6一端与第三运动支链中的中连杆C4固定连接，耦合连杆C6另一端与中心连杆7通过转动副R34连接；第四耦合连杆D6一端与第四运动支链中的中连杆D4固定连接，耦合连杆D6另一端与中心连杆7通过转动副R44连接；所述转动副R14、转动副R24、转动副R34、转动副R44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、转动副R42、转动副R44、转动副R45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5、图6所示是本发明公开的第3个实施例，一种球面两自由度并联机器人关节，主要包括定平台1、动平台2，连接动、定平台的四条运动支链。第一、第四运动支链结构相同，其中第一运动支链由下连杆A3、中连杆A4和上连杆A5组成，下连杆A3与定平台1之间通过球面副S11连接，下连杆A3与中连杆A4通过转动副R12连接，中连杆A4与上连杆A5通过球面副S13连接，上连杆A5与动平台2之间通过转动副R15连接；第四运动支链由下连杆D3、中连杆D4和上连杆D5组成，下连杆D3与定平台1之间通过球面副S41连接，下连杆D3与中连杆D4通过转动副R42连接，中连杆D4与上连杆D5通过球面副S43连接，上连杆D5与动平台2之间通过转动副R45连接；第二、第三运动支链结构相同，其中第二运动支链由下连杆B3、中连杆B4和上连杆B5组成，下连杆B3与定平台1之间通过转动副R21连接，下连杆B3与中连杆B4通过球面副S22连接，中连杆B4与上连杆B5通过转动副R23连接，上连杆B5与动平台2之间通过球面副S25连接；第三运动支链由下连杆C3、中连杆C4和上连杆C5组成，下连杆C3与定平台1之间通过转动副R31连接，下连杆C3与中连杆C4通过球面副S32连接，中连杆C4与上连杆C5通过转动副R33连接，上连杆C5与动平台2之间通过球面副S35连接。

四条运动支链之间通过四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7之间均由一条耦合连杆连接。其中第一耦合连杆A6一端与第一运动支链中的中连杆A4固定连接，耦合连杆A6另一端与中心连杆7通过转动副R14连接；第二耦合连杆B6一端与第二运动支链中的中连杆B4固定连接，耦合连杆B6另一端与中心连杆7通过转动副R24连接；第三耦合连杆C6一端与第三运动支链中的中连杆C4固定连接，耦合连杆C6另一端与中心连杆7通过转动副R34连接；第四耦合连杆D6一端与第四运动支链中的中连杆D4固定连接，耦合连杆D6另一端与中心连杆7通过转动副R44连接；所述转动副R14、转动副R24、转动副R34、转动副R44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R23、转动副R24、转动副R31、转动副R33、转动副R34、转动副R42、转动副R44、转动副R45轴线相交于一点，且该点即为关节的转动中心。

Claims (3)

1.一种球面两自由度并联机器人关节，其有定平台、动平台，连接动、定平台的四条运动支链，其特征在于：四条运动支链结构相同，每条运动支链均由下连杆、中连杆和上连杆组成，下连杆一端与定平台通过转动副连接，下连杆另一端与中连杆一端通过球面副连接，中连杆另一端与上连杆一端通过转动副连接，上连杆另一端与动平台通过球面副连接；

四条运动支链之间通过四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中的中连杆固连，耦合连杆另一端与中心连杆通过转动副连接，四条耦合连杆与中心连杆连接形成的四个转动副的轴线重合，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。

2.一种球面两自由度并联机器人关节，其有定平台、动平台，连接动、定平台的四条运动支链，其特征在于：四条运动支链结构相同，每条运动支链均由下连杆、中连杆和上连杆组成，下连杆一端与定平台通过球面副连接，下连杆另一端与中连杆一端通过转动副连接，中连杆另一端与上连杆一端通过球面副连接，上连杆另一端与动平台通过转动副连接；

四条运动支链之间通过四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中的中连杆固连，耦合连杆另一端与中心连杆通过转动副连接，四条耦合连杆与中心连杆连接形成的四个转动副的轴线重合，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。

3.一种球面两自由度并联机器人关节，其有定平台、动平台，连接动、定平台的四条运动支链，其特征在于：第一、第四运动支链结构相同，两条运动支链均由下连杆、中连杆和上连杆组成，下连杆一端与定平台通过球面副连接，下连杆另一端与中连杆一端通过转动副连接，中连杆另一端与上连杆一端通过球面副连接，上连杆另一端与动平台通过转动副连接；第二、第三运动支链结构相同，两条运动支链均由下连杆、中连杆和上连杆组成，下连杆一端与定平台通过转动副连接，下连杆另一端与中连杆一端通过球面副连接，中连杆另一端与上连杆一端通过转动副连接，上连杆另一端与动平台通过球面副连接；

四条运动支链之间通过四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中的中连杆固连，耦合连杆另一端与中心连杆通过转动副连接，四条耦合连杆与中心连杆连接形成的四个转动副的轴线重合，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。