CN106272354A - 一种大行程高精度的平面两移动自由度柔顺并联机构 - Google Patents

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陈巧红
叶伟
柴馨雪
李秦川
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    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
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Abstract

本发明涉及一种大行程高精度的平面两移动自由度柔顺并联机构。目的是提供的机构应具有运动范围大、精度高、刚度好、结构紧凑得优点。技术方案是：一种大行程高精度的平面两移动自由度柔顺并联机构，包括机架、动平台以及两个柔性分支；每个柔性分支包括依次连接的移动副、安装块、第一柔性转动副、连杆与第二柔性转动副，并且至少有一个柔性分支还包括依次连接在安装块与动平台之间的第三柔性转动副、副连杆与第四柔性转动副；所述安装块、连杆、动平台与副连杆组成平行四边形机构；两个柔性分支中：两个移动副轴线互相平行或同轴布置，各柔性转动副轴线互相平行并且垂直于两个移动副轴线，所有连杆与副连杆的轴线位于同一平面。

Description

一种大行程高精度的平面两移动自由度柔顺并联机构
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体是一种大行程高精度的平面两移动自由度柔顺并联机构。
背景技术
并联机构的动平台通过两条以上的运动链连接到固定基座上，机构中的驱动都可以安排在基座上。这样特殊的布置方式使得并联机构具有刚度好、承载能力高、动力学特性好等优点。但是，并联机构中的关节数目通常大于机构的自由度数，这导致机构中存在许多被动关节，增加了制造、装配成本，并会影响到机构的操作精度。而采用柔性铰链代替传统的刚性铰链可以很好地解决这些问题。此外，可整体化加工的特点使得机构具有操作精度高、重量轻、摩擦小、装配少等优点。因此，柔顺并联机构得以研发，其中，具有平面内两移动自由度的柔顺并联机构是重要的一类，被广泛应用于微操作、定位等领域。
现有的两移动自由度柔顺机构(如CN102623070A、CN1644329A)大多采用压电陶瓷驱动，具有快速响应、高精定位等优点。但是压电陶瓷驱动位移改变量最大仅为微米数量级，导致动平台运动范围很小，不能满足工作需要，需要在机构中增加一些位移放大机构如杠杆机构来放大其行程。这样增加了结构的复杂程度，且放大效果有限。因此，提出一种运动范围大、精度高、结构紧凑的平面两移动自由度柔顺并联机构很有必要。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术中的不足，提供一种大行程高精度的平面两移动自由度柔顺并联机构，该机构应具有运动范围大、精度高、刚度好、结构紧凑得优点。
本发明的技术方案是：
一种大行程高精度的平面两移动自由度柔顺并联机构，包括机架、动平台以及并联连接在机架与动平台之间的两个柔性分支；其特征在于：
每个柔性分支包括依次连接在机架与动平台之间的移动副、安装块、第一柔性转动副、连杆与第二柔性转动副，并且至少有一个柔性分支还包括依次连接在安装块与动平台之间的第三柔性转动副、副连杆与第四柔性转动副；所述安装块、连杆、动平台与副连杆组成平行四边形机构；所述两个柔性分支中：两个移动副轴线互相平行或同轴布置，各柔性转动副轴线互相平行并且垂直于两个移动副轴线，所有连杆与副连杆的轴线位于同一平面。
所述移动副为通过伺服电机带动且作为各分支驱动副的滚珠丝杠机构。
所述安装块固定在滚珠丝杠机构中的滑台上。
本发明的有益效果是：
本发明提出的柔顺并联机构可以实现平面内的两个移动运动，具有运动范围大、精度高、制造成本低、刚度好等优点，可用于微操作、定位等领域。
附图说明
图1为本发明实施例一的立体结构示意图。
图2为本发明实施例二的立体结构示意图。
图3为本发明实施例三的立体结构示意图。
图4为本发明实施例四的立体结构示意图。
图5为本发明实施例五的立体结构示意图。
图6为本发明实施例四、五、六中柔性分支的部分结构示意图。
图7为本发明实施例中的平行四边形机构示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
实施例一
如图1所示，一种大行程高精度的平面两移动自由度柔顺并联机构，包括机架1、动平台2以及并联连接在机架与动平台之间的两个柔性分支。
每个柔性分支包括依次连接在机架与动平台之间的移动副10、安装块14、第一柔性转动副12、连杆11与第二柔性转动副13，每个柔性分支还包括依次连接在安装块与动平台之间的第三柔性转动副17、副连杆16与第四柔性转动副18，并且每个柔性分支中安装块、连杆、动平台与副连杆组成平行四边形机构；两个移动副轴线互相平行，第一柔性转动副、第二柔性转动副、第三柔性转动副与第四柔性转动副的轴线互相平行并且垂直于连杆与副连杆的轴线，各柔性转动副轴线垂直于两个移动副轴线，所有连杆与副连杆的轴线位于同一平面(该平面平行于两个移动副轴线形成的平面)。
所述移动副为与机架固定的滚珠丝杠机构(包括丝杠、滑台15、伺服电机)，滚珠丝杠机构的滑台与安装块固定；所述连杆与副连杆的两端分别通过柔性转动副与安装块及动平台连接。
在未变形的情况下，两个柔性分支关于动平台轴对称，对称轴为动平台的中轴线，每个柔性分支中连杆轴线的水平投影与滚珠丝杠机构的丝杠轴线的水平投影形成的夹角为锐角(连杆轴线不垂直于丝杠轴线)。
实施例二
如图2所示，一种大行程高精度的平面两移动自由度柔顺并联机构，包括机架1、动平台2以及并联连接在机架与动平台之间的两个柔性分支。
每个柔性分支包括依次连接在机架与动平台之间的移动副10、安装块14、第一柔性转动副12、连杆11与第二柔性转动副13，每个柔性分支还包括依次连接在安装块与动平台之间的第三柔性转动副17、副连杆16与第四柔性转动副18，并且每个柔性分支中安装块、连杆、动平台与副连杆组成平行四边形机构；两个移动副轴线互相平行，第一柔性转动副、第二柔性转动副、第三柔性转动副与第四柔性转动副的轴线互相平行并且垂直于连杆与副连杆的轴线，各柔性转动副轴线垂直于两个移动副轴线，所有连杆与副连杆的轴线位于同一平面(该平面平行于两个移动副轴线形成的平面)。
所述移动副为与机架固定的滚珠丝杠机构(包括丝杠、滑台15、伺服电机)，滚珠丝杠机构的滑台与安装块固定；所述连杆与副连杆的两端分别通过柔性转动副与安装块及动平台连接。
在未变形的情况下，两个柔性分支关于动平台中心对称，对称中心为动平台的中点，每个柔性分支中连杆轴线的水平投影与滚珠丝杠机构的丝杠轴线的水平投影形成的夹角为锐角(连杆轴线不垂直于丝杠轴线)。
实施例三
如图3所示，一种大行程高精度的平面两移动自由度柔顺并联机构，包括机架1、动平台2以及并联连接在机架与动平台之间的两个柔性分支。
每个柔性分支包括依次连接在机架与动平台之间的移动副10、安装块14、第一柔性转动副12、连杆11与第二柔性转动副13，每个柔性分支还包括依次连接在安装块与动平台之间的第三柔性转动副17、副连杆16与第四柔性转动副18，并且每个柔性分支中安装块、连杆、动平台与副连杆组成平行四边形机构；两个移动副轴线同轴布置，第一柔性转动副、第二柔性转动副、第三柔性转动副与第四柔性转动副的轴线互相平行并且垂直于连杆与副连杆的轴线，各柔性转动副轴线垂直于两个移动副轴线，所有连杆与副连杆的轴线位于同一平面(该平面平行于两个移动副轴线形成的平面)。
所述移动副为与机架固定的滚珠丝杠机构(包括丝杠、滑台15、伺服电机)，滚珠丝杠机构的滑台与安装块固定；所述连杆与副连杆的两端分别通过柔性转动副与安装块及动平台连接。
在未变形的情况下，两个柔性分支关于动平台轴对称，对称轴为动平台的中轴线，每个柔性分支中连杆轴线的水平投影与滚珠丝杠机构的丝杠轴线的水平投影形成的夹角为锐角(连杆轴线不垂直于丝杠轴线)。
实施例四
如图4所示，一种大行程高精度的平面两移动自由度柔顺并联机构，包括机架1、动平台2以及并联连接在机架与动平台之间的两个柔性分支。实施例四的结构与实施例一的结构类似，不同之处在于：实施例四中只有一个柔性分支存在平行四边形机构，另一个柔性分支省去了连接在安装块与动平台之间的第三柔性转动副17、副连杆16与第四柔性转动副18。
实施例五
如图5所示，一种大行程高精度的平面两移动自由度柔顺并联机构，包括机架1、动平台2以及并联连接在机架与动平台之间的两个柔性分支。实施例五的结构与实施例三的结构类似，不同之处在于：实施例五中只有一个柔性分支存在平行四边形机构，另一个柔性分支省去了连接在安装块与动平台之间的第三柔性转动副17、副连杆16与第四柔性转动副18。
实施例六(视图省略)
一种大行程高精度的平面两移动自由度柔顺并联机构，包括机架1、动平台2以及并联连接在机架与动平台之间的两个柔性分支。本实施例的结构与实施例二的结构类似，不同之处在于：本实施例中只有一个柔性分支存在平行四边形机构，另一个柔性分支省去了连接在安装块与动平台之间的第三柔性转动副17、副连杆16与第四柔性转动副18。
上述实施例中：
各柔性转动副为柔性材料制成，所述柔性材料优选铍青铜、钛合金、聚丙烯、弹簧钢等；所述滚珠丝杠机构为各分支的驱动副，动平台在伺服电机带动下作两移动自由度运动。

Claims (3)

1.一种大行程高精度的平面两移动自由度柔顺并联机构，包括机架(1)、动平台(2)以及并联连接在机架与动平台之间的两个柔性分支；其特征在于：
每个柔性分支包括依次连接在机架与动平台之间的移动副(10)、安装块(14)、第一柔性转动副(12)、连杆(11)与第二柔性转动副(13)，并且至少有一个柔性分支还包括依次连接在安装块与动平台之间的第三柔性转动副(17)、副连杆(16)与第四柔性转动副(18)；所述安装块、连杆、动平台与副连杆组成平行四边形机构；所述两个柔性分支中：两个移动副轴线互相平行或同轴布置，各柔性转动副轴线互相平行并且垂直于两个移动副的轴线，所有连杆与副连杆的轴线位于同一平面。
2.根据权利1所述的一种大行程高精度的平面两移动自由度柔顺并联机构，其特征在于：所述移动副为通过伺服电机带动且作为各分支驱动副的滚珠丝杠机构。
3.根据权利2所述的一种大行程高精度的平面两移动自由度柔顺并联机构，其特征在于：所述安装块固定在滚珠丝杠机构中的滑台上。
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