CN105729450A - 四自由度并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并联机构，包括定平台、动平台、第一支链和第二支链。该第一支链和第二支链分别与定平台和动平台连接从而形成一个空间并联闭环机构。第一支链和第二支链分别包括第一单元、第二单元和第一连接件，第一单元和第二单元通过第一连接件可转动地连接，其中，第一单元与第一连接件组成第一机构，第二单元与第一连接件组成第二机构，以及第一机构可活动地连接于定平台，第二机构可转动地连接于动平台，其中第一机构在第一平面内运动并具有两个平动自由度，第二机构在第二平面内运动并具有两个平动自由度，且第一平面与第二平面相互垂直。通过线性驱动第一机构运动，从而实现动平台的三个平动自由度和一个转动自由度。

Description

四自由度并联机构

技术领域

本发明涉及用于机器人领域的运动机构，具体涉及一种四自由度并联机构。

背景技术

串联式SCARA机器人具有四个运动自由度，包括X、Y、Z方向的平动自由度和绕Z轴的转动自由度，广泛应用于搬取、装配、焊接等工业领域，但是其承载能力和动态性能较差，惯性较大，刚度和精度不高。并联机构是由多个支链构成的闭环机构，其独特的结构使得该类机构具有更高的动态响应性能，更容易实现高速高加速度运动。有人提出一种Delta三自由度空间平移并联机构，其具有运动速度快、定位精确、成本低、效率高等特点，广泛应用于加工、装配等操作中。有人将Delta机构简化为平面机构Diamond，但只有两个自由度，功能比较单一；某团队相继发明了四支链的H4、I4、Heli4及Par4等机构，其中具有四支链、双动平台的可实现SCARA运动的H4型并联机构成功实现商业化，典型的代表产品如AdeptQuattro系列，但是该类并联机构结构复杂且运动学特性复杂；还有人提出一种可实现SCARA运动的四自由度单动平台并联机构，结构相对简化，但是工作空间有限，转角较小，并且存在多个球铰，加工难度大，精度难以保证。目前用于高速抓取作业的高速少自由度并联机构以两自由度、三自由度居多，往往难以满足生产线的要求；而用于高速抓取作业的四自由度并联机构工作空间受限，结构较为复杂，奇异位形较多。

发明内容

本发明的目的是提供一种四自由度并联机构，从而能够优化结构、改善工作空间、扩大转动范围、减少奇异位形和提高定位精度。

为了解决上述已有机构存在的问题，根据本发明的一个方面，提供了一种四自由度并联机构，包括定平台、动平台、第一支链和第二支链，所述第一支链和第二支链分别与所述定平台和所述动平台连接从而形成一个空间并联闭环机构，

所述第一支链和第二支链包括第一单元、第二单元和第一连接件，所述第一单元和所述第二单元通过所述第一连接件可转动地连接，其中，所述第一单元与所述第一连接件组成第一机构，所述第二单元与所述第一连接件组成第二机构，以及所述第一机构可活动地连接于所述定平台，所述第二机构可转动地连接于所述动平台，其中

所述第一机构在第一平面内运动并具有两个平动自由度，所述第二机构在第二平面内运动并具有两个平动自由度，且所述第一平面与所述第二平面相互垂直，以及

通过线性驱动所述第一机构在所述第一平面内运动，进而驱动所述第二机构在所述第二平面内运动，并进一步驱动所述动平台运动，从而实现所述动平台的三个平动自由度和一个转动自由度。

较佳地，所述定平台包括两条分离导轨。

较佳地，所述两条分离导轨相互平行。

较佳地，所述第二单元包括至少两根连杆和第二连接件，所述两根连杆可分别转动地连接于所述第一连接件和所述第二连接件，所述第一单元和所述第二单元通过所述第一连接件可转动地连接，所述第二连接件与所述动平台可转动地连接。

较佳地，所述第二机构包括两根连杆、第一连接件和第二连接件，且所述第一连接件、所述第二连接件和两根连杆形成平行四边形机构。

较佳地，所述平行四边形机构含有4个转动副。

较佳地，所述定平台包括两条分离导轨，所述第一单元包括连杆和滑块，所述滑块安装于所述两条分离导轨上并能够在所述两条分离导轨上进行线性运动，所述第一单元的连杆的一端连接于所述滑块并能够在所述第一平面内相对于所述滑块转动，所述第一单元的连杆的另一端连接于所述第一连接件并能够在所述第一平面内相对于所述第一连接件转动。

较佳地，所述第一单元包括至少三根连杆、第一滑块和第二滑块，所述三根连杆的其中两根的一端可转动地连接于所述第一滑块，所述三根连杆的其中两根的另一端可转动地连接于所述第一连接件，所述三根连杆的另外一根的一端可转动地连接于所述第二滑块，以及所述三根连杆的另外两根的另一端可转动地连接于所述第一连接件。

较佳地，连接到所述第一滑块的两根连杆的转动副轴线不重合并垂直于所述第一平面，以及连接到所述第二滑块的连杆与连接到所述第一滑块的连杆中的一根通过共同的转动副连接于所述第一连接件。

较佳地，所述三根连杆的每一根的两端均具有不同的转动副。

较佳地，所述第一单元包括四根连杆、第一滑块和第二滑块，所述四根连杆的其中两根的一端可转动地连接于所述第一滑块，所述四根连杆的其中两根的另一端可转动地连接于所述第一连接件，所述四根连杆的另外两根的一端可转动地连接于所述第二滑块，以及所述四根连杆的另外两根的另一端可转动地连接于所述第一连接件。

较佳地，连接到相同滑块的连杆具有不同的转动副轴线，连接到所述第一滑块的其中一根连杆与连接到所述第二滑块的其中一根连杆通过共同的转动副连接于所述第一连接件，以及连接到所述第一滑块的另一根连杆与连接到所述第二滑块的另一根连杆通过共同的转动副连接于所述第一连接件。

较佳地，连接到所述第一滑块的两根连杆的转动副轴线重合并垂直于所述第一平面，以及连接到所述第二滑块的两根连杆的转动副轴线不重合并垂直于所述第一平面。

较佳地，所述四根连杆的每一根的两端均具有不同的转动副。

较佳地，所述第一单元与所述第一连接件组成两个平行四边形机构，且该两个平行四边形机构只能在所述第一平面内进行平面运动。

较佳地，所述第一单元与所述第一连接件组成两个平行四边形机构，且其中一个平行四边形机构只能在所述第一平面内进行平面运动，以及另一个平行四边形机构只能在与第一平面垂直的平面内进行平面运动。

较佳地，所述第一支链和第二支链分别含有13个运动副，所述13个运动副包括2个移动副和11个转动副。

较佳地，所述第一支链的第一单元包括三根连杆和两块滑块，以及所述第二支链的第一单元包括四根连杆和两块滑块。

较佳地，所述第二单元包括两根连杆和第二连接件，所述第二单元的所述两根连杆可分别转动地连接于所述第一连接件和所述第二连接件，并可相对于所述第一连接件和所述第二连接件在所述第二平面内运动；所述第一单元包括四根连杆、第一滑块和第二滑块，其中，所述四根连杆的其中两根的一端可转动地连接于所述第一滑块上，所述四根连杆的其中两根的另一端可转动地连接于所述第一连接件上，以及所述四根连杆的另外两根的一端可转动地连接于所述第二滑块上，所述四根连杆的另外两根的另一端可转动地连接于所述第一连接件上。

较佳地，所述定平台包括两条分离的第一导轨，所述第一单元包括纵向件，所述纵向件上设有第二导轨，以及所述纵向件安装于所述第一导轨上并能够在所述第一导轨上进行线性运动且仅仅具有一个平动自由度，所述第一连接件安装于所述第二导轨上并能够在所述第二导轨上进行线性运动且仅仅具有一个平动自由度，其中，所述第二导轨垂直于所述第一导轨。

较佳地，所述两条分离导轨相互平行。

本发明与现有技术相比具有如下突出优点：

(1)该并联机构可采用线性驱动方式，如利用直线电机驱动、齿轮齿条传动驱动、十字滑台驱动、旋转伺服电机加滚珠丝杆驱动等；

(2)该并联机构若采用直线电机驱动时，每条支链上的两台直线电机可共用一个定子，有利于降低成本和实现轻量化；

(3)该并联机构结构简单，可实现沿导轨方向和垂直于导轨所在平面方向的快速响应，沿导轨方向的工作空间仅受导轨长度的限制，且机构转动角度大，因而有利于增大整个并联机构的工作空间；

(4)该并联机构运动简单、奇异位形少、定位精度高、动态响应好，可广泛应用于自动化装配、物料拾取、分拣、包装等工业领域。

(5)该四自由度并联机构采用“4-2-1”布置方案，不同于传统的“4-1”布置方案，且该并联机构含有平行四边形机构，可充分发挥其平面运动的特点，运动简单且有利于提高支撑刚度。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的并联机构的立体示意图；

图2-4是图1所示的并联机构在不同状态的立体示意图；

图5是根据本发明另一实施例的并联机构的立体示意图；

图6是根据本发明又一实施例的并联机构的立体示意图；

图7是根据本发明再一实施例的并联机构的立体示意图；以及

图8-10是图7所示的并联机构在不同状态的立体示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚地理解本发明的目的、特点和优势。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

术语说明：

第一平面：指的是与本文附图坐标系中YOZ平面平行的平面；

第二平面：指的是与本文附图坐标系中XOZ平面平行的平面。

本发明的并联机构通常包括定平台、动平台、第一支链和第二支链，第一支链和第二支链分别与定平台和动平台连接从而形成一个空间并联闭环机构，第一支链和第二支链分别包括第一单元、第二单元和第一连接件，第一单元和第二单元通过第一连接件可转动地连接，其中，第一单元与第一连接件组成第一机构，第二单元与第一连接件组成第二机构，以及第一机构可活动地连接于定平台，第二机构可转动地连接于动平台，其中第一机构在第一平面内运动并具有两个平动自由度，第二机构在第二平面内运动并具有两个平动自由度，且第一平面与第二平面相互垂直，以及通过线性驱动第一机构在第一平面内运动，进而驱动第二机构在第二平面内运动，并进一步驱动动平台运动，从而实现动平台的三个平动自由度和一个转动自由度。

下面参照图1-4描述本发明的一实施例。其中，图1是该实施例的并联机构的立体示意图，图2-4是图1所示的并联机构在不同状态的立体示意图。

如图1-4所示，并联机构包括动平台50、两条分离导轨10、20以及第一支链I和第二支链II。第一支链I包括第一单元200、第二单元400和第一连接件31，其中，第一单元200与第一连接件31组成第一机构，第二单元400与第一连接件31组成第二机构，即在本发明中，第一连接件31既属于第一结构，也属于第二机构。

第一单元200包括第一滑块11、第二滑块12，连杆21、连杆22、连杆23以及连杆24，连杆21、22的上端连接于第一滑块11上，连杆23、24连接于第二滑块12上，第一滑块11和第二滑块12安装于导轨10上，并可在导轨10上移动。

第二单元400包括连杆41、连杆42以及第二连接件32。其中，连杆41和连杆42可转动地连接于第一连接件31和第二连接件32上，从而连杆41、连杆42、第一连接件31和第二连接件32组成一个平行四边形机构(即第二机构)。该平行四边形机构具有两个平面自由度，且只能在平行于XOZ的平面(即第二平面)内运动。虽然在本实施例中，第二单元只包括连杆41和连杆42，然而，本领域的技术人员可以理解，在第一连接件31和第二连接件32之间也可以设置多根连杆，例如3根、4根、5根等。也就是说，第二单元400并不局限于包括两根连杆41、42的方式。当然，仅仅包括两根连杆41、42的本实施方案是比较优选的，因为其结构简单且有利于降低成本。

第一连接件31与第一单元200的连杆21、22、23和24的下端可转动地连接，以及第二单元400的第二连接件32可转动地连接到动平台50。其中，连杆21、连杆22、第一滑块11与第一连接件31形成一个平行四边形机构以及连杆23、连杆24、第二滑块12与第一连接件31形成另一个平行四边形机构。这两个平行四边机构都只能在平行于YOZ的平面(即第一平面)内运动。

在本实施例中，第一单元200的属于不同平行四边形机构的连杆21和连杆23共用一个转动副与第一连接件31连接，连杆22和连杆24共用一个转动副与第一连接件31连接。通过这种设置，连杆21、22、23、24与第一滑块11、第二滑块12以及第一连接件31组成的两个平行四边形机构共有6个转动副，结构简单且有利于降低成本和实现轻量化。然而，本领域的技术人员可以理解，连杆21、22、23、24与第一连接件31之间的连接也可以采用其它方式，详细情况参见下文其它实施例的描述。

与第一支链I类似，第二支链II包括第一单元600、第二单元800和第一连接件33，其中，第一单元600与第一连接件33组成第一机构，第二单元800与第一连接件33组成第二机构，即在本发明中，第一连接件33既属于第一机构，也属于第二机构。

第一单元600包括第一滑块13、第二滑块14，以及连杆25、26、27、28，其中，连杆25、26的上端连接于第一滑块13上，连杆27、28的上端连接于第二滑块14上，第一滑块13和第二滑块14安装于导轨20上，并可在导轨20上移动。

第二单元800包括连杆43、连杆44以及第二连接件34。其中，连杆43和连杆44可分别转动地连接于第一连接件33和第二连接件34上，从而连杆43、连杆44、第一连接件33和第二连接件34组成一个平行四边形机构(即第二机构)。该平行四边形机具有两个平面自由度，且只能在平行于XOZ的平面(即第二平面)内运动。虽然在本实施例中，第二单元只包括连杆43和连杆44，然而，本领域的技术人员可以理解，在第一连接件33和第二连接件34之间也可以设置多根连杆，例如3根、4根、5根等。也就是说，第二单元800并不局限与于包括两根连杆43、44的方式。当然，仅仅包括两根连杆43、44的本实施的方案是比较优选的，因为其结构简单且有利于降低成本。

第一连接件33与第一单元600的连杆25、26、27和28的下端可转动地连接，以及第二连接件34可转动地连接到动平台50。其中，连杆25、连杆26、第一滑块13与第一连接件33形成一个平行四边形机构，以及连杆27、连杆28、第二滑块14与第一连接件33形成另一个平行四边形机构。这两个平行四边机构都只能在平行于YOZ的平面(即第一平面)内运动。

在本实施例中，第一单元600的属于不同平行四边形机构的连杆25和连杆27共用一个转动副与第一连接件33连接，连杆26和连杆28共用一个转动副与第一连接件33连接。通过这种设置，连杆25、26、27、28与第一滑块13、第二滑块14以及第一连接件33组成的两个平行四边形机构共有6个转动副，结构简单且有利于降低成本和实现轻量化。然而，本领域的技术人员可以理解，连杆25、26、27、28与第一连接件33之间的连接也可以采用其它方式，详细情况参见下文其它实施例的描述。

在第一支链I中，滑块11、12安装在导轨10上并可在导轨10上移动。连杆21、22的一端通过转动副与滑块11连接，连杆21、22的另一端通过转动副与第一连接件31连接，连杆23、24的一端通过转动副与滑块12连接，连杆23、24的另一端通过转动副与第一连接件31连接，从而连杆21、连杆22、第一滑块11与第一连接件31形成一个平行四边形机构，连杆23、连杆24、第二滑块12与第一连接件31形成另一个平行四边形机构。连杆41、42的一端通过转动副连接于第一连接件31，连杆41、42的另一端通过转动副连接于第二连接件32，从而连杆41、连杆42、第一连接件31、第二连接件32形成平行四边形机构。第二连接件32通过转动副连接于动平台50。

与第一支链I类似，在第二支链II中，滑块13、14安装在导轨20上并可在导轨20上移动。连杆25、26的一端通过转动副与滑块13连接，连杆25、26的另一端通过转动副与第一连接件33连接，连杆27、28的一端通过转动副与滑块14连接，连杆27、28的另一端通过转动副与第一连接件33连接，从而连杆25、连杆26、第一滑块13与第一连接件33形成一个平行四边形机构，连杆27、连杆28、第二滑块14与第一连接件33形成另一个平行四边形机构。连杆43、44的一端通过转动副连接于第一连接件33，连杆43、43的另一端通过转动副连接于第二连接件34，从而连杆43、连杆44、第一连接件33、第二连接件34形成平行四边形机构。第二连接件34通过转动副连接于动平台50。

对于第一支链Ⅰ，滑块11和滑块12通过移动副与导轨10相连，通过转动副与连杆21、连杆22、连杆23和连杆24相连，其中连杆21和连杆23共用一个转动副与第一连接件31相连，连杆22和连杆24共用一个转动副与第一连接件31相连，连杆41和连杆42通过四个转动副与第一连接件31和第二连接件32相连，动平台50和第二连接件32之间通过转动副相连。

连接连杆21、连杆22、连杆23和连杆24的六个转动副轴线均平行于X轴。连接连杆41、连杆42与第一连接件31、第二连接件32之间的四个转动副轴线均平行于Y轴。动平台50和第二连接件32之间的转动副轴线平行于Z轴。

在运动时，连杆21、连杆22、连杆23和连杆24始终做平行于YOZ平面(即第一平面)的平面运动，连杆41、连杆42和第一连接件31、第二连接件32始终做平行于XOZ平面(即第二平面)的平面运动，动平台50在运动过程中始终平行于XOY平面。

第二支链Ⅱ的情形与第一支链Ⅰ的情形类似。连杆25、连杆26、连杆27和连杆28始终做平行于YOZ平面(即第一平面)的平面运动，连杆43、连杆44和第一连接件33、第二连接件34始终做平行于XOZ平面(即第二平面)的平面运动。

该并联机构可采用的其中一种驱动方式为直线电机驱动。直线电机的定子和直线导轨固定在基座上，可视为该并联机构的定平台，直线电机的动子可视为该并联机构的滑块。每台直线电机均可单独控制，4个相互独立的直线电机的动子沿平行于Y轴方向的正向或反向运动，带动该并联机构的第一机构和第二机构运动，从而驱动动平台50运动。

当两条导轨10、20上的四个滑块11、12、13、14沿平行于Y轴方向的正向同速运动时，该并联机构可实现沿平行于Y轴方向的正向移动；当两条导轨10、20上的四个滑块11、12、13、14沿平行于Y轴方向的反向同速运动时，该并联机构可实现沿平行于Y轴方向的反向移动。

如图1所示，当导轨10上的两个滑块11、12和导轨20上的两个滑块13、14沿平行于Y轴方向同速相互远离时，该并联机构可实现沿平行于Z轴方向的正向移动。

如图2所示，当导轨10上的两个滑块11、12和导轨20上的两个滑块13、14沿平行于Y轴方向同速相互靠近时，该并联机构可实现沿平行于Z轴方向的反向移动。

如图3所示，当导轨10上的两个滑块11、12沿平行于Y轴的方向相互远离而导轨20上的两个滑块13、14沿平行于Y轴的方向相互靠近时，该并联机构可实现沿平行于X轴方向的正向移动，以及当导轨10上的两个滑块11、12沿平行于Y轴的方向相互靠近而导轨20上的两个滑块13、14沿平行于Y轴的方向相互远离时，该并联机构可实现沿平行于X轴方向的反向移动。

如图4所示，在运动过程中，当支链Ⅰ上的连杆41、连杆42、第一连接件31和第二连接件32所在的平面与支链Ⅱ上的连杆43、连杆44、第一连接件33和第二连接件34所在的平面之间的距离发生变化时，该并联机构可实现绕平行于Z轴方向的转动。即当第一支链I的第一滑块11和第二滑块12沿平行于Y轴的方向正向同速运动，而第二支链II的第一滑块13和第二滑块14沿平行于Y轴的方向反向同速运动时，该并联机构可实现绕平行于Z轴方向的逆时针转动(从Z轴正向看)。当第一支链I的第一滑块11和第二滑块12沿平行于Y轴的方向反向同速运动，而第二支链II的第一滑块13和第二滑块14沿平行于Y轴的方向正向同速运动时，该并联机构可实现绕平行于Z轴方向的顺时针转动(从Z轴正向看)。

因此，本实施例的并联机构通过对四个主动副的独立控制，可实现该并联机构的三维移动和一维转动。

下面参照图5来描述本发明的另一实施例，图5是根据本发明另一实施例的并联机构的立体示意图。如图5所示，本实施例与前一实施例的主要区别在于，第一支链Ⅰ的第一单元200A和第二支链II的第一单元600A的连杆的布置方式。具体地，在本实施例中，在第一支链Ⅰ中，连杆21、22布置在与连杆23、24所在的平面(即第一平面)相垂直的平面内。其中，连杆21、22的上端连接于第一滑块11，并可绕第一滑块11同轴转动，转轴垂直于连杆23、24所在的平面(即第一平面)，以及连杆21、22的下端连接到第一连接件31A，并可绕第一连接件31A同轴转动，转轴垂直于连杆23、24所在的平面(即第一平面)。其中，连杆21、22的下端与连杆23或连杆24可以具有相同的转动副，也可以具有不同的转动副，以及连杆21、22可以通过同一个转动副与第一滑块11连接，或通过不同的转动副与第一滑块11连接。

第二支链Ⅱ的第一单元600A与第一支链Ⅰ的第一单元200A情形类似。在第二支链Ⅱ中，连杆25、26布置在与连杆27、28所在的平面(即第一平面)相垂直的平面内。其中，连杆25、26的上端连接到第一滑块13，并可绕第一滑块13同轴转动，转轴垂直于连杆27、28所在的平面(即第一平面)，以及连杆25、26的下端连接到第一连接件33A，并可绕第一连接件33A同轴转动，转轴垂直于连杆27、28所在的平面(即第一平面)。其中，连杆25、26的下端与连杆27或连杆28可以具有相同的转动副，也可以具有不同的转动副，以及连杆25、26可以通过同一个转动副与第一滑块13连接，或通过不同的转动副与第一滑块13连接。本实施例的其余部分与前一实施例相同，请参照上文的相关表述，在此不再详述。

下面参照图6来描述本发明的又一实施例，图6是根据本发明又一实施例的并联机构的立体示意图。如图6所示，本实施例与前述实施例的主要区别在于，第一支链I的第一单元200B和第二支链II的第一单元600B包括的连杆的数目，在本实施例中，第一支链I的第一单元200B和第二支链II的第一单元600B都只包括三根连杆。

在本实施例中，第一支链I的第一单元200B包括连杆21、23、24。第二支链II的第一单元600B包括连杆25、27、28。在第一支链I中，连杆21的上端连接于第一滑块11，连杆21的下端连接于第一连接件31B。连杆23、24的上端连接于第二滑块12，连杆23、24的下端连接于第一连接件31B。连杆23、连杆24、滑块12和第一连接件31B组成平行四边形机构(即第一机构)。与第一支链I类似，在第二支链II中，连杆25的上端连接于第一滑块13，连杆25的下端连接于第一连接件33B。连杆27、28的上端连接于第二滑块14，连杆27、28的下端连接于第一连接件33B。连杆27、连杆28、滑块14和第一连接件33B组成平行四边形机构(即第一机构)。

与第一实施例相比，在本实施例中，由于第一单元杆件数目减少，从而有利于简化结构、降低成本和实现轻量化。

虽然在上述各实施例中，第一单元包括三根连杆或四根连杆，然而，本领域的技术人员可以理解，第一单元还可以包括五根、六根连杆等。只要第一单元能够在第一平面(即平行于平面YOZ的平面)内运动并仅仅具有两个平面自由度即可。因此，第一单元的杆件的数目不应理解为对本发明范围的限制，以及当第一支链和/或第二支链的第一单元由四根连杆组成时，该四根连杆与第一连接件也可通过两个、三个或四个转动副连接。

下面参照图7-10来描述本发明的再一实施例。其中，图7是该实施例的并联机构的立体示意图，图8-10是图7所示的并联机构的不同状态的立体示意图。本实施例与前面的实施例的区别在于第一单元的结构，由于第一单元的结构不同，因此，由第一单元与第一连接件组成的第一机构的结构也不同。

如图7-10所示，并联机构包括动平台50、由第一导轨60、80组成的定平台以及第一支链I和第二支链II。第一支链I包括第一单元200C、第二单元400C和第一连接件31C，第二支链II包括第一单元600C、第二单元800C和第一连接件33C。第一支链I的第一单元200C与第一连接件31C组成的第一机构和第二支链II的第一单元600C与第一连接件33C组成的第一机构在平行于YOZ的平面(即第一平面)内运动并各具有两个平动自由度，第一支链I的第二单元400C与第一连接件31C组成的第二机构和第二支链II的第二单元800C与第一连接件33C组成的第二机构在平行于XOZ的平面(即第二平面)内运动并各具有两个平动自由度。

其中，第一支链I的第一单元200C包括纵向件71，纵向件71上设有第二导轨70，其中，纵向件71安装于第一导轨60上并能够在第一导轨60上移动且仅仅具有一个平动自由度。第二支链II的第一单元600C包括纵向件91，纵向件91上设有第二导轨90，其中，纵向件91安装于第一导轨80上并能够在第一导轨80上移动且仅仅具有一个平动自由度。

本实施例中的第一支链I的第二单元400C以及第二支链II的第二单元800C与前面描述的三个实施例基本相同，在此不再赘述。安装时，第一支链I的第一连接件31C安装在第二导轨70上并能够在第二导轨70上沿平行于Z轴的方向移动，且仅仅具有一个平动自由度。第二支链II的第一连接件33C安装在第二导轨90上并能够在第二导轨上沿平行于Z轴的方向移动，且仅仅具有一个平动自由度。

对于第一支链Ⅰ，纵向件71与第一导轨60通过移动副相连，第二导轨70和第一连接件31C通过移动副相连，连杆41和连杆42通过两个转动副与第一连接件31C连接，连杆41和连杆42通过两个转动副与第二连接件32连接，动平台50和第二连接件32之间通过转动副连接。其中，连杆41和连杆42与第一连接件31C和第二连接件32之间的转动副轴线均平行于Y轴，动平台50和第二连接件32之间的转动副轴线平行于Z轴，连杆41、连杆42、第一连接件31C与第二连接件32构成的平行四边形机构始终在平行于平面XOZ的平面(即第二平面)内运动，而纵向件71与第一连接件31C组成的第一机构始终在平行于平面YOZ的平面(即第一平面)内运动。

第二支链Ⅱ的情形与第一支链Ⅰ的情形类似。在第二支链II中，纵向件91和第一导轨80通过移动副相连，第二导轨90和第一连接件33C通过移动副连接，连杆43和连杆44通过两个转动副与第一连接件33C连接，连杆43和连杆44通过两个转动副与第二连接件34连接，动平台50和第二连接件34之间通过转动副连接。其中，连杆43和连杆44与第一连接件33C和第二连接件34之间的转动副轴线均平行于Y轴，动平台50和第二连接件34之间的转动副轴线平行于Z轴，连杆43、连杆44、第一连接件33C与第二连接件34构成的平行四边形机构始终在平行于平面XOZ的平面(即第二平面)内运动，而纵向件91与第一连接件33C组成的第一机构始终在平行于平面YOZ的平面(即第一平面)内运动。

第一支链I的纵向件71与第一连接件31C和第二支链II的纵向件91与第一连接件33C均可实现独立控制，并通过四个独立输入运动来驱动动平台50运动。

如图7所示，当第一支链I的纵向件71和第二支链II的纵向件91分别在第一导轨60和80上沿平行于Y轴的方向正向同速运动时，该并联机构可实现沿平行于Y轴方向的正向移动，以及当第一支链I的纵向件71和第二支链II的纵向件91分别在第一导轨60和80上沿平行于Y轴方向的反向同速运动时，该并联机构可实现沿平行于Y轴方向的反向移动。

如图8所示，在运动过程中，当支链Ⅰ上的连杆41、连杆42、第一连接件31C和第二连接件32所在的平面与支链Ⅱ上的连杆43、连杆44、第一连接件33C和第二连接件34所在的平面之间的距离变化时，该并联机构可实现绕平行于Z轴方向的转动。也就是说，当两纵向件71、91沿平行于Y轴的方向同速反向运动时，该并联机构可实现绕平行于Z轴方向的转动。即当第一支链I的纵向件71沿平行于Y轴的方向正向同速移动，而第二支链II的纵向件91沿平行于Y轴的方向反向同速移动，该并联机构可实现绕平行于Z轴方向的逆时针转动(从Z轴正向看)。当第一支链I的纵向件71沿平行于Y轴的方向反向同速移动而第二支链II的纵向件91沿平行于Y轴的方向正向同速移动时，该并联机构可实现绕平行于Z轴方向的顺时针转动(从Z轴正向看)。

如图9所示，当第一支链I的第一连接件31C和第二支链II的第一连接件33C分别在第一导轨70和90上沿平行于Z轴方向的正向同向同速移动时，并联机构可实现沿平行于Z轴方向的正向移动，以及当第一支链I的第一连接件31C和第二支链II的第一连接件33C分别在第一导轨70和90上沿平行于Z轴方向的反向同向同速运动时，并联机构可实现沿平行于Z轴方向的反向移动。

如图10所示，当第一支链I的第一连接件31C沿平行于Z轴方向的正向移动而第二支链II的第一连接件33C沿平行于Z轴方向的反向移动时,并联机构可实现沿平行于X轴方向的正向移动，以及当

第一支链I的第一连接件31C沿平行于Z轴方向的反向移动而第二支链II的第一连接件33C沿平行于Z轴方向的正向移动时，并联机构可实现沿平行于X轴方向的反向移动。

因此，通过对第一支链I的纵向件71和第一连接件31C与第二支链II的纵向件91和第一连接件33C四个主动副的独立控制，可实现该并联机构的三维移动和一维转动。

虽然在上面各实施例中，并联机构的第一支链I和第二支链II的结构相同，但是，本领域的技术人员可以理解，第一支链I和第二支链II的结构可以不同，即可以将第一实施例的第一支链I(或第二支链II)与第二实施例的第二支链II(或第一支链I)组成新的并联机构，或将第二实施例的第一支链I(或第二支链II)与第三实施例的第二支链II(或第一支链I)组成新的并联机构，或将第一实施例的第一支链I(或第二支链II)与第三实施例的第二支链II(或第一支链I)组成新的并联机构。

以上已详细描述了本发明优选的各实施例。在以上各实施例中，第一机构包括第一单元和第一连接件，第二机构包括第二单元和第一连接件，即，在以上各实施例中，第一连接件同时属于第一机构和第二机构。

本发明的四自由度并联机构采用“4-2-1”布置方式，不同于传统的“4-1”布置方案，首先，该并联机构可采用线性驱动方式，如利用直线电机驱动、齿轮齿条传动驱动、十字滑台驱动、旋转伺服电机加滚珠丝杆驱动等，当采用直线电机驱动时，每条支链上的两台直线电机可共用一个定子，有利于降低成本和实现轻量化。其次，该并联机构结构简单，可实现沿导轨方向和垂直于导轨所在平面方向的快速响应，沿导轨方向的工作空间仅受导轨长度的限制，且机构转动角度大，因而有利于增大整个并联机构的工作空间。再次，该并联机构运动简单、奇异位形少、定位精度高、动态响应好，可广泛应用于自动化装配、物料拾取、分拣、包装等工业领域。最后，该并联机构含有平行四边形机构，可充分发挥其平面运动的特点，运动简单且有利于提高支撑刚度。

以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，在阅读本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改。这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种四自由度并联机构，其特征在于，包括定平台、动平台、第一支链和第二支链，所述第一支链和第二支链分别与所述定平台和所述动平台连接，从而形成一个空间并联闭环机构，

所述第一支链和第二支链分别包括第一单元、第二单元和第一连接件，所述第一单元和所述第二单元通过所述第一连接件可转动地连接，其中，所述第一单元与所述第一连接件组成第一机构，所述第二单元与所述第一连接件组成第二机构，以及所述第一机构可活动地连接于所述定平台，所述第二机构可转动地连接于所述动平台，其中

所述第一机构在第一平面内运动并具有两个平动自由度，所述第二机构在第二平面内运动并具有两个平动自由度，且所述第一平面与所述第二平面相互垂直，以及

通过线性驱动所述第一机构在所述第一平面内运动，进而驱动所述第二机构在所述第二平面内运动，并进一步驱动所述动平台运动，从而实现所述动平台的三个平动自由度和一个转动自由度。

2.根据权利要求1所述的四自由度并联机构，其特征在于，所述第二单元包括至少两根连杆和第二连接件，所述两根连杆可分别转动地连接于所述第一连接件和所述第二连接件，以及所述第二连接件与所述动平台可转动地连接。

3.根据权利要求1-2任一项所述的四自由度并联机构，其特征在于，所述定平台包括两条分离导轨，所述第一单元包括连杆和滑块，所述滑块安装于所述两条分离导轨上并能够在所述两条分离导轨上进行线性运动，所述第一单元的连杆的一端连接于所述滑块并能够在所述第一平面内相对于所述滑块转动，所述第一单元的连杆的另一端连接于所述第一连接件并能够在所述第一平面内相对于所述第一连接件转动。

4.根据权利要求3所述的四自由度并联机构，其特征在于，所述第一单元包括至少三根连杆、第一滑块和第二滑块，所述三根连杆其中一根的一端可转动地连接于所述第一滑块，所述三根连杆其中一根的另一端可转动地连接于所述第一连接件，所述三根连杆的另外两根的一端可转动地连接于所述第二滑块，以及所述三根连杆的另外两根的另一端可转动地连接于所述第一连接件。

5.根据权利要求3任一项所述的四自由度并联机构，其特征在于，所述第一单元包括四根连杆、第一滑块和第二滑块，所述四根连杆的其中两根的一端可转动地连接于所述第一滑块，所述四根连杆的其中两根的另一端可转动地连接于所述第一连接件，所述四根连杆的另外两根的一端可转动地连接于所述第二滑块，以及所述四根连杆的另外两根的另一端可转动地连接于所述第一连接件。

6.根据权利要求5所述的四自由度并联机构，其特征在于，连接到所述第一滑块的两根连杆的转动副轴线不重合并垂直于所述第一平面，连接到所述第二滑块的两根连杆的转动副轴线不重合并垂直于所述第一平面，连接到所述第一滑块的其中一根连杆与连接到所述第二滑块的其中一根连杆通过共同的转动副连接到所述第一连接件，以及连接到所述第一滑块的另一根连杆与连接到所述第二滑块的另一根连杆通过共同的转动副连接到所述第一连接件。

7.根据权利要求5所述的四自由度并联机构，其特征在于，连接到所述第一滑块的两根连杆的转动副轴线重合并垂直于所述第一平面，以及连接到所述第二滑块的两根连杆的转动副轴线不重合并垂直于所述第一平面。

8.根据权利要求1-2任一项所述的四自由度并联机构，其特征在于，所述第一支链的第一单元包括三根连杆和两块滑块，以及所述第二支链的第一单元包括四根连杆和两块滑块。

9.根据权利要求1-2任一项所述的四自由度并联机构，其特征在于，所述定平台包括两条分离的第一导轨，所述第一单元包括纵向件，所述纵向件上设有第二导轨，以及所述纵向件安装于所述第一导轨上并能够在所述第一导轨上进行线性运动且仅仅具有一个平动自由度，所述第一连接件安装于所述第二导轨上并能够在所述第二导轨上进行线性运动且仅仅具有一个平动自由度，其中，所述第二导轨垂直于所述第一导轨。

10.根据权利要求9所述的四自由度并联机构，其特征在于，所述两条分离导轨相互平行。