CN106272359B - 一种四自由度并联机器人机构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种四自由度并联机器人机构，包括机架、动平台以及连接在机架和动平台之间的第一支脚、第二支脚、第三支脚和第四支脚，第一支脚的下部通过第一十字连接件转动安装在机架上，第一支脚的上部通过第三转轴转动安装在动平台上，第二支脚的下部通过第二十字连接件转动安装在机架上，第二支脚的上部通过第六转轴转动连接在动平台上，第三支脚的下部通过第三十字连接件转动安装在机架上，第三支脚的上部通过第九转轴转动安装在动平台上，第四支脚的下部通过第四十字连接件转动安装在机架上，第四支脚的上部通过第十二转轴转动安装在动平台上；本发明的机构各支脚结构相同，制造简单，机构刚度高，工作空间大，动态性能好，且易于控制，具有良好的应用前景。

Description

一种四自由度并联机器人机构
技术领域
本发明涉及机器人机构技术领域，尤其涉及一种四自由度并联机器人机构。
背景技术
并联机构相对于串联机构具有刚度大、承载能力强、累计误差小、精度高等优点，六自由度并联机构能够实现六个自由度的位置和姿势调整，但是一般情况下，由于自由度数目的增加，分支数目也会相应增加，控制过程的复杂程度也就相应增加。
近年来，少自由度并联机构中的四自由度并联机构不断受到研究者的重视和青睐，但是现有的四自由度并联机器人大多分支结构不同，各项同性不好；因此发明加工制造简单、性能优良且分支结构相同的并联机构很有必要。同时，将四自由度并联机构用作海洋运动模拟器的设计较少，而将其用作海洋钻井稳定调平平台的设计基本没有。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种工作空间大、刚度大且易于控制的四自由度并联机器人机构。
本发明提供一种四自由度并联机器人机构，包括机架、动平台以及连接在机架和动平台之间的第一支脚、第二支脚、第三支脚和第四支脚，所述第一支脚、所述第二支脚、所述第三支脚和所述第四支脚均可伸缩，所述第一支脚的下部通过一第一十字连接件转动安装在所述机架上，所述第一十字连接件包括相互垂直的第一转轴和第二转轴，所述第一支脚可分别绕所述第一转轴和第二转轴转动，所述第一支脚的上部通过第三转轴转动安装在所述动平台上，所述第二支脚的下部通过第二十字连接件转动安装在所述机架上，所述第二十字连接件包括相互垂直的第四转轴和第五转轴，所述第二支脚可分别绕所述第四转轴和第五转轴转动，所述第二支脚的上部通过第六转轴转动连接在所述动平台上，所述第三支脚的下部通过第三十字连接件转动安装在所述机架上，所述第三十字连接件包括相互垂直的第七转轴和第八转轴，所述第三支脚可分别绕所述第七转轴和所述第八转轴转动，所述第三支脚的上部通过第九转轴转动安装在所述动平台上，所述第四支脚的下部通过第四十字连接件转动安装在所述机架上，所述第四十字连接件包括相互垂直的第十转轴和第十一转轴，所述第四支脚可分别绕所述第十转轴和所述第十一转轴转动，所述第四支脚的上部通过第十二转轴转动安装在所述动平台上。
进一步地，所述机架上固定有第一基座、第二基座、第三基座和第四基座，该四个基座中两两相邻基座之间的连线组成一正方形，所述第一转轴转动连接所述第一基座，所述第四转轴转动连接所述第二基座，所述第七转轴转动连接所述第三基座，所述第十转轴转动连接所述第四基座。
进一步地，所述动平台上固定有第五基座、第六基座、第七基座和第八基座，该四个基座中两两相邻基座之间的连线组成一正方形，所述第三转轴转动连接所述第五基座，所述第六转轴转动连接所述第六基座，所述第九转轴转动连接所述第七基座，所述第十二转轴转动连接所述第八基座。
进一步地，所述第一支脚包括第一驱动杆和第二驱动杆，所述第二驱动杆通过第一移动副在所述第一驱动杆内做伸缩运动，所述第二支脚包括第三驱动杆和第四驱动杆，所述第四驱动杆通过第二移动副在所述第三驱动杆内做伸缩运动，所述第三支脚包括第五驱动杆和第六驱动杆，所述第六驱动杆通过第三移动副在所述第五驱动杆内做伸缩运动，所述第四支脚包括第七驱动杆和第八驱动杆，所述第八驱动杆通过第四移动副在所述第七驱动杆内做伸缩运动。
进一步地，所述第一转轴的轴线与所述第七转轴的轴线平行，所述第四转轴的轴线与所述第十转轴的轴线重合且均平行于所述第一转轴的轴线，所述第三转轴的轴线、所述第六转轴的轴线、所述第九转轴的轴线以及所述第十二转轴的轴线相互平行，所述第三转轴的轴线和所述第九转轴的轴线重合。
进一步地，所述第一移动副、所述第二移动副、所述第三移动副和所述第四移动副分别被驱动，所述第一支脚、所述第二支脚、所述第三支脚和所述第四支脚共同控制所述动平台的姿态和位置，实现两个转动自由度，一个转动自由度的转轴是所述第四转轴的轴线方向，另一个转动自由度的转轴与所述第四转轴的轴线相交且平行于第五转轴的轴线，还实现两个移动自由度，一个移动自由度的方向是所述第四转轴的轴线方向，另一个移动自由度的方向是所述第四转轴和所述第五转轴形成平面的法向量方向。
进一步地，所述第一移动副、所述第二移动副、所述第三移动副和所述第四移动副均作为主动驱动运动副，驱动方式为电机驱动或液压缸驱动。
进一步地，所述四自由度并联机器人机构可以应用于海洋装备领域，包括海洋运动模拟器和海洋钻井稳定调平平台。
本发明的技术方案带来的有益效果是：本发明的四自由度并联机器人机构各支脚结构相同，制造简单，机构刚度高，工作空间大，动态性能好，且易于控制，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明四自由度并联机器人机构的结构示意图。
图2是本发明四自由度并联机器人机构的另一结构示意图。
图中：1-机架，11-第一基座，12-第二基座，13-第三基座，14-第四基座，2-动平台，21-第五基座，22-第六基座，23-第七基座，24-第八基座，3-第一支脚，31-第一十字连接件，311-第一转轴，312-第二转轴，32-第一驱动杆，33-第一移动副，34-第二驱动杆，35-第三转轴，4-第二支脚， 41-第二十字连接件，411-第四转轴，412-第五转轴，42-第三驱动杆，43-第二移动副，44-第四驱动杆，45-第六转轴，5-第三支脚，51-第三十字连接件，511-第七转轴，512-第八转轴，52-第五驱动杆，53-第三移动副，54-第六驱动杆，55-第九转轴，6-第四支脚，61-第四十字连接件，611-第十转轴，612-第十一转轴，62-第七驱动杆，63-第四移动副，64-第八驱动杆，65-第十二转轴。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明的实施例提供了一种四自由度并联机器人机构，包括机架1、动平台2以及机架1和动平台2之间并联的第一支脚3、第二支脚4、第三支脚5和第四支脚6，机架1上固定有第一基座11、第二基座12、第三基座13和第四基座14，这四个基座中两两相邻基座之间的连线组成一正方形；动平台2下侧固定有呈正方形分布的第五基座21、第六基座22、第七基座23和第八基座24，这四个基座中两两相邻基座之间的连线组成一正方形。
第一支脚3包括第一十字连接件31、第一驱动杆32和第二驱动杆34。第一驱动杆32的下端通过第一十字连接件31转动连接第一基座11，第一十字连接件31包括相互垂直的第一转轴311和第二转轴312，因此，第一驱动杆32可以分别绕第一转轴311和第二转轴312转动。第一驱动杆32 通过第一移动副33连接第二驱动杆34，第一驱动杆32(缸筒)为中空，第二驱动杆34(活塞杆) 通过第一移动副33在第一驱动杆32内做伸缩运动，从而调节第一支脚3的高度。第二驱动杆34的上端通过第三转轴35转动连接第五基座21。其中，第二转轴312的轴线与第三转轴35的轴线平行，且与第一移动副33的轴线垂直。
第二支脚4包括第二十字连接件41、第三十字连接件51、第三驱动杆42和第四驱动杆44。第三驱动杆42的下端通过第二十字连接件41转动连接第二基座12，第二十字连接件41包括相互垂直的第四转轴411和第五转轴412，因此，第三驱动杆42可以分别绕第四转轴411和第五转轴412转动。第三驱动杆42通过第二移动副43连接第四驱动杆44，第三驱动杆42(缸筒)为中空，第四驱动杆44(活塞杆)通过第二移动副43在第三驱动杆42内做伸缩运动，从而调节第二支脚4的高度。第四驱动杆44的上端通过第六转轴45转动连接第六基座22。其中，第五转轴412的轴线与第六转轴45的轴线平行，且与第二移动副43的轴线垂直。
第三支脚5包括第三十字连接件51、第五驱动杆52和第六驱动杆54。第五驱动杆52的下端通过第三十字连接件51转动连接第三基座13，第四十字连接件61包括相互垂直的第七转轴511和第八转轴512，因此，第五驱动杆52可以分别绕第七转轴511和第八转轴512转动。第五驱动杆52 通过第三移动副53连接第六驱动杆54，第五驱动杆52(缸筒)为中空，第六驱动杆54(活塞杆) 通过第三移动副53在第五驱动杆52内做伸缩运动，从而调节第三支脚5的高度。第六驱动杆54的上端通过第九转轴55转动连接第七基座23。其中，第八转轴512的轴线与第九转轴55的轴线平行，且与第三移动副53的轴线垂直。
第四支脚6包括第四十字连接件61、第七驱动杆62和第八驱动杆64。第七驱动杆62的下端通过第四十字连接件61转动连接第四基座14，第四十字连接件61包括相互垂直的第十转轴611和第十一转轴612，因此，第七驱动杆62可以分别绕第十转轴611和第十一转轴612转动。第七驱动杆 62通过第四移动副63连接第八驱动杆64，第七驱动杆62(缸筒)为中空，第八驱动杆64(活塞杆) 通过第四移动副63在第七驱动杆62内做伸缩运动，从而调节第四支脚6的高度。第八驱动杆64的上端通过第十二转轴65转动连接第八基座24。其中，第十一转轴612的轴线与第十二转轴65的轴线平行，且与第四移动副63的轴线垂直。
其中，第一转轴311的轴线与第七转轴511的轴线平行，第四转轴411的轴线与第十转轴611 的轴线重合且均平行于第一转轴311的轴线，第三转轴35的轴线、第六转轴45的轴线、第九转轴 55的轴线以及第十二转轴65的轴线相互平行，第三转轴35的轴线和第九转轴55的轴线重合。
参考图2，图2是图1中的机构在运动后的结构图。线a是第四转轴411和第十转轴611共同的轴线，线b与线a相交且平行于第五转轴412的轴线，线c是第四转轴411和第五转轴412形成平面的法向量。第一移动副33、第二移动副43、第三移动副53和第四移动副63分别被驱动，其中第一支脚3、第二支脚4、第三支脚5和第四支脚6共同控制动平台2的姿态和位置，实现两个转动自由度，一个转动自由度的转轴是线a方向，另一个转动自由度的转轴是线b方向，还实现两个移动自由度，一个移动自由度的方向是线a方向，另一个移动自由度的方向是线c方向。
本发明实施例中，第一移动副33、第二移动副43、第三移动副53和第四移动副63均作为主动驱动运动副，驱动方式可为电机驱动或液压缸驱动。
本发明四自由度并联机器人机构可以应用于海洋装备领域，包括海洋运动模拟器和海洋钻井稳定调平平台。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种四自由度并联机器人机构，包括机架和动平台，其特征在于：所述四自由度并联机器人机构还包括连接在机架和动平台之间的第一支脚、第二支脚、第三支脚和第四支脚，所述第一支脚、所述第二支脚、所述第三支脚和所述第四支脚均可伸缩，所述第一支脚的下部通过一第一十字连接件转动安装在所述机架上，所述第一十字连接件包括相互垂直的第一转轴和第二转轴，所述第一支脚可分别绕所述第一转轴和第二转轴转动，所述第一支脚的上部通过第三转轴转动安装在所述动平台上，所述第二支脚的下部通过第二十字连接件转动安装在所述机架上，所述第二十字连接件包括相互垂直的第四转轴和第五转轴，所述第二支脚可分别绕所述第四转轴和第五转轴转动，所述第二支脚的上部通过第六转轴转动连接在所述动平台上，所述第三支脚的下部通过第三十字连接件转动安装在所述机架上，所述第三十字连接件包括相互垂直的第七转轴和第八转轴，所述第三支脚可分别绕所述第七转轴和所述第八转轴转动，所述第三支脚的上部通过第九转轴转动安装在所述动平台上，所述第四支脚的下部通过第四十字连接件转动安装在所述机架上，所述第四十字连接件包括相互垂直的第十转轴和第十一转轴，所述第四支脚可分别绕所述第十转轴和所述第十一转轴转动，所述第四支脚的上部通过第十二转轴转动安装在所述动平台上；所述机架上固定有第一基座、第二基座、第三基座和第四基座，该四个基座中两两相邻基座之间的连线组成一正方形，所述第一转轴转动连接所述第一基座，所述第四转轴转动连接所述第二基座，所述第七转轴转动连接所述第三基座，所述第十转轴转动连接所述第四基座；所述动平台上固定有第五基座、第六基座、第七基座和第八基座，该四个基座中两两相邻基座之间的连线组成一正方形，所述第三转轴转动连接所述第五基座，所述第六转轴转动连接所述第六基座，所述第九转轴转动连接所述第七基座，所述第十二转轴转动连接所述第八基座；所述第一支脚、所述第二支脚、所述第三支脚和所述第四支脚共同控制所述动平台的姿态和位置，实现两个转动自由度，一个转动自由度的转轴是所述第四转轴的轴线方向，另一个转动自由度的转轴与所述第四转轴的轴线相交且平行于第五转轴的轴线，还实现两个移动自由度，一个移动自由度的方向是所述第四转轴的轴线方向，另一个移动自由度的方向是所述第四转轴和所述第五转轴形成平面的法向量方向。
2.如权利要求1所述的四自由度并联机器人机构，其特征在于：所述第一支脚包括第一驱动杆和第二驱动杆，所述第二驱动杆通过第一移动副在所述第一驱动杆内做伸缩运动，所述第二支脚包括第三驱动杆和第四驱动杆，所述第四驱动杆通过第二移动副在所述第三驱动杆内做伸缩运动，所述第三支脚包括第五驱动杆和第六驱动杆，所述第六驱动杆通过第三移动副在所述第五驱动杆内做伸缩运动，所述第四支脚包括第七驱动杆和第八驱动杆，所述第八驱动杆通过第四移动副在所述第七驱动杆内做伸缩运动。
3.如权利要求1所述的四自由度并联机器人机构，其特征在于：所述第一转轴的轴线与所述第七转轴的轴线平行，所述第四转轴的轴线与所述第十转轴的轴线重合且均平行于所述第一转轴的轴线，所述第三转轴的轴线、所述第六转轴的轴线、所述第九转轴的轴线以及所述第十二转轴的轴线相互平行，所述第三转轴的轴线和所述第九转轴的轴线重合。
4.如权利要求2所述的四自由度并联机器人机构，其特征在于：所述第一移动副、所述第二移动副、所述第三移动副和所述第四移动副分别被驱动。
5.如权利要求2所述的四自由度并联机器人机构，其特征在于：所述第一移动副、所述第二移动副、所述第三移动副和所述第四移动副均作为主动驱动运动副，驱动方式为电机驱动或液压缸驱动。
6.如权利要求1所述的四自由度并联机器人机构，其特征在于：所述四自由度并联机器人机构可以应用于海洋装备领域，包括海洋运动模拟器和海洋钻井稳定调平平台。
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