CN106313004B - 一种四自由度高速并联机器人机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种四自由度高速并联机器人机构，包括固定架、动平台、布置在所述固定架与动平台之间的第一、第二、第三和第四支链；所述第一和第二支链均包括转动叉、近架杆、两个平行且等长的远架杆、旋转轴，所述转动叉与固定架转动连接，所述近架杆的一端与转动叉转动连接，另一端与远架杆球铰接，所述远架杆与旋转轴球铰接，所述旋转轴与动平台转动连接，所述第三和第四支链均包括近架杆、两个平行且等长的远架杆，所述近架杆的一端与固定架转动连接，另一端与远架杆球铰接，所述远架杆与动平台球铰接。该机构设计巧妙，结构紧凑，可适应复杂的抓放环境。

Description

一种四自由度高速并联机器人机构
技术领域
本发明涉及一种机器人机构，特别是一种四自由度高速并联机器人机构。
背景技术
三维平动一维转动并联机构因可满足空间物体的搬运等操作，已被广泛应用于食品医药、现代物流、电子信息等领域自动化生产线高速轻载搬运作业。
专利号为US20090019960A1的美国专利公开了一种带四个自由度的高速并联机器人，专利号为EP1084802B1欧洲专利公开了一种四自由度并联机器人，通过对这两件专利分析可知，现有的可实现三维平动一维转动的并联机构，包括四个主动支链和一个动平台，每条支链包括近架杆和远架杆两部分。其中近架杆一端相对于固定机架仅具有一个移动或转动自由度，另一端通过仅具有两个回转自由度的铰链与远架杆的一端连接；远架杆另一端通过仅具有两个回转自由度的铰链与动平台连接，从而保证机构的平动；动平台由四个部件组成，其中两个部件需相互平行，另外两个部件与前述两个相互平行的部件通过转动铰链连接，通过部件之间的相互转动可实现绕垂直于动平台的轴线的转动自由度，同时配以相应的放大机构可扩大转角范围。但是上述机构的局限性在于：远架杆之间没有支撑连接件，容易产生振动，不利于提高机构的动态响应特性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种远架杆具有支撑杆的可实现三维平动一维转动的并联机构。
实现本发明目的的技术解决方案是：一种四自由度高速并联机器人机构，包括固定架、动平台以及布置在固定架与动平台之间的第一支链、第二支链、第三支链和第四支链，其中，
所述第一支链和第二支链结构完全相同，第三支链和第四支链结构完全相同；
所述第一支链包括第一转动叉、第一驱动装置、第一近架杆、第一上连接轴、两个平行且等长的第一远架杆、第一支撑杆、第一下连接轴以及第一旋转轴；第一转动叉与固定架转动连接，第一驱动装置与第一转动叉固接，第一近架杆的一端与第一转动叉转动连接，且与第一驱动装置的驱动端固接，第一近架杆的另一端与第一上连接轴固接；第一远架杆一端与第一上连接轴球铰接，另一端与固接在第一旋转轴上的第一下连接轴球铰接；两个平行且等长的第一远架杆之间固接有第一支撑杆；第一旋转轴与动平台转动连接。
所述第二支链包括第二转动叉、第二驱动装置、第二近架杆、第二上连接轴、两个平行且等长的第二远架杆、第二支撑杆、第二下连接轴以及第二旋转轴；第二转动叉与固定架转动连接，第二驱动装置与第二转动叉固接，第二近架杆的一端与第二转动叉转动连接，且与第二驱动装置的驱动端固接，第二近架杆的另一端与第二上连接轴固接；第二远架杆一端与第二上连接轴球铰接，另一端与固接在第二旋转轴上的第二下连接轴球铰接；两个平行且等长的第二远架杆之间固接有第二支撑杆；第二旋转轴与动平台转动连接。
连接第一转动叉和固定架的转动轴线与连接第二转动叉和固定架的转动轴线相互垂直；连接第一旋转轴和动平台的转动轴线与连接第二旋转轴和动平台的转动轴线相互垂直。
所述第三支链包括第三驱动装置、第三近架杆、第三上连接轴、两个平行且等长的第三远架杆和第三下连接轴；第三驱动装置与固定架固接，第三近架杆的一端与固定架转动连接，且与第三驱动装置的驱动端固接，第三近架杆的另一端与第三上连接轴固接；第三远架杆一端与第三上连接轴球铰接，另一端与固接在动平台上的第三下连接轴球铰接；
所述第四支链包括第四驱动装置、第四近架杆、第四上连接轴、两个平行且等长的第四远架杆和第四下连接轴；第四驱动装置与固定架固接，第四近架杆的一端与固定架转动连接，且与第四驱动装置的驱动端固接，第四近架杆的另一端与第四上连接轴固接；第四远架杆一端与第四上连接轴球铰接，另一端与固接在动平台上的第四下连接轴球铰接；
所述动平台包括主平台和副平台，第一支链和第二支链均与主平台连接，第三支链和第四支链均与副平台连接；主平台和副平台通过单自由度运动副连接；
所述主平台和副平台通过三个平行且等长的连杆连接，且任意每两个平行连杆与主平台和副平台均构成平行四边形，主平台上固接有齿扇，三个平行且等长的三个连杆中的一个连杆上转动连接有小齿轮，齿扇和小齿轮啮合，小齿轮下端固接有末端执行器。
或者，所述主平台与副平台通过导轨滑块连接，主平台上固接有滑块，副平台上固接有导轨，导轨和滑块构成导轨滑块副；主平台上转动连接有小齿轮，副平台上固接有齿条，小齿轮和齿条啮合；小齿轮下端固接有末端执行器。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明的三平一转四自由度并联机构结构简单紧凑，运动方式明确；由于第一和第二支链的远架杆之间采用了支撑杆，有利于提高机构的刚度和动态响应特性，有利于实现高速和高加速度。该机构设计巧妙，结构紧凑，可适应复杂的抓放环境。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图。
图2为本发明实施例1中动平台的结构示意图。
图3为本发明实施例2的结构示意图。
图4为本发明实施例2中动平台的结构示意图。
图中编号所代表的含义为：
1、固定架，2、主平台，3、副平台，4/5/6、连杆，7、齿扇，8、小齿轮，9、末端执行器，10、齿条，101、导轨，102、滑块，11、第一转动叉，12、第一驱动装置，13、第一近架杆，14、第一上连接轴，15、第一远架杆，16、第一支撑杆，17、第一下连接轴，18、第一旋转轴，21、第二转动叉，22、第二驱动装置，23、第二近架杆，24、第二上连接轴，25、第二远架杆，26、第二支撑杆，27、第二下连接轴，28、第二旋转轴，31、第三驱动装置，32、第三近架杆，33、第三上连接轴，34、第三远架杆，35、第三下连接轴，41、第四驱动装置，42、第四近架杆，43、第四上连接轴，44、第四远架杆，45、第四下连接轴。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述：
实施例1
结合附图1-2，一种四自由度高速并联机器人机构，包括固定架1、动平台以及布置在固定架1与动平台之间的第一支链、第二支链、第三支链和第四支链，所述第一支链和第二支链结构完全相同，所述第三支链和第四支链结构完全相同；
所述第一支链包括第一转动叉11、第一驱动装置12、第一近架杆13、第一上连接轴14、两个平行且等长的第一远架杆15、第一支撑杆16、第一下连接轴17以及第一旋转轴18；所述第一转动叉11与固定架1转动连接，所述第一驱动装置12与第一转动叉11固接，所述第一近架杆13的一端与第一转动叉11转动连接，且与第一驱动装置12的驱动端固接，第一近架杆13的另一端与第一上连接轴14固接；所述第一远架杆15一端与所述第一上连接轴14球铰接，另一端与固接在所述第一旋转轴18上的第一下连接轴17球铰接；所述两个平行且等长的第一远架杆15之间固接有第一支撑杆16；所述第一旋转轴18与动平台转动连接。
所述第二支链包括第二转动叉21、第二驱动装置22、第二近架杆23、第二上连接轴24、两个平行且等长的第二远架杆25、第二支撑杆26、第二下连接轴27以及第二旋转轴28；所述第二转动叉21与固定架1转动连接，所述第二驱动装置22与第二转动叉21固接，所述第二近架杆23的一端与第二转动叉21转动连接，且与第二驱动装置22的驱动端固接，第二近架杆23的另一端与第二上连接轴24固接；所述第二远架杆25一端与所述第二上连接轴24球铰接，另一端与固接在所述第二旋转轴28上的第二下连接轴27球铰接；所述两个平行且等长的第二远架杆25之间固接有第二支撑杆26；所述第二旋转轴28与动平台转动连接。
连接所述第一转动叉11和固定架1的转动轴线与连接所述第二转动叉21和固定架1的转动轴线相互垂直；连接所述第一旋转轴18和动平台的转动轴线与连接所述第二旋转轴28和动平台的转动轴线相互垂直。
所述第三支链包括第三驱动装置31、第三近架杆32、第三上连接轴33、两个平行且等长的第三远架杆34和第三下连接轴35；所述第三驱动装置31与固定架1固接，所述第三近架杆32的一端与固定架1转动连接，且与第三驱动装置31的驱动端固接，第三近架杆32的另一端与第三上连接轴33固接；所述第三远架杆34一端与所述第三上连接轴33球铰接，另一端与固接在所述动平台上的第三下连接轴35球铰接；
所述第四支链包括第四驱动装置41、第四近架杆42第四上连接轴43、两个平行且等长的第四远架杆44和第四下连接轴45；所述第四驱动装置41与固定架1固接，所述第四近架杆42的一端与固定架1转动连接，且与第四驱动装置41的驱动端固接，第四近架杆42的另一端与第四上连接轴43固接；所述第四远架杆44一端与所述第四上连接轴43球铰接，另一端与固接在所述动平台上的第四下连接轴球45铰接；
所述动平台包括主平台2和副平台3，所述第一支链和第二支链均与主平台2连接，所述第三支链和第四支链均与副平台3连接；所述主平台2和副平台3通过单自由度运动副连接；
所述主平台2和所述副平台3通过三个平行且等长的连杆[4、5、6]连接，且任意每两个平行连杆与主平台2和副平台3均构成平行四边形，所述主平台2上固接有齿扇7，所述三个平行且等长的三个连杆[4、5、6]中的一个连杆上转动连接有小齿轮8，所述齿扇7和小齿轮8啮合，所述小齿轮8下端固接有末端执行器9。
实施例2
结合附图3-4，本实施例与实施例1类似，区别点仅在于，所述主平台2与副平台3通过导轨滑块连接，所述主平台2上固接有滑块102，所述副平台3上固接有导轨101，所述导轨101和滑块102构成导轨滑块副；所述主平台2上转动连接有小齿轮8-1，所述副平台3上固接有齿条10，所述小齿轮8-1和齿条10啮合；所述小齿轮8-1下端固接有末端执行器9。
实施例3
结合附图1-2，本实施例与实施例1类似，所述第三近架杆32与固定架1的转动轴线、第四近架杆42与固定架1的转动轴线相互垂直。第三下连接轴35与第四下连接轴45相互垂直。第二连杆5上设置小齿轮8。
实施例4
结合附图1-2，本实施例与实施例1类似，所述第三近架杆32与固定架1的转动轴线、第四近架杆42与固定架1的转动轴线相互垂直。第三下连接轴35与第四下连接轴45相互垂直。第三连杆6上设置小齿轮8。
实施例5
结合附图1-2，本实施例与实施例1类似，所述第三近架杆32与固定架1的转动轴线、第四近架杆42与固定架1的转动轴线相互垂直。第三下连接轴35与第四下连接轴45相互垂直。第一连杆4上设置小齿轮8。
实施例6
结合附图3-4，本实施例与实施例2类似，所述第三近架杆32与固定架1的转动轴线、第四近架杆42与固定架1的转动轴线相互垂直。第三下连接轴35与第四下连接轴45相互垂直。
由上可知，本发明的三平一转四自由度并联机构结构简单紧凑，运动方式明确；由于第一和第二支链的远架杆之间采用了支撑杆，有利于提高机构的刚度和动态响应特性，有利于实现高速和高加速度。该机构设计巧妙，结构紧凑，可适应复杂的抓放环境。

Claims (8)

1.一种四自由度高速并联机器人机构，包括固定架(1)、动平台以及布置在固定架(1)与动平台之间的第一支链、第二支链、第三支链和第四支链，其特征在于，
所述第一支链和第二支链结构完全相同，所述第三支链和第四支链结构完全相同；
所述第一支链包括第一转动叉(11)、第一驱动装置(12)、第一近架杆(13)、第一上连接轴(14)、两个平行且等长的第一远架杆(15)、第一支撑杆(16)、第一下连接轴(17)以及第一旋转轴(18)；所述第一转动叉(11)与固定架(1)转动连接，所述第一驱动装置(12)与第一转动叉(11)固接，所述第一近架杆(13)的一端与第一转动叉(11)转动连接，且与第一驱动装置(12)的驱动端固接，第一近架杆(13)的另一端与第一上连接轴(14)固接；所述第一远架杆(15)一端与所述第一上连接轴(14)球铰接，另一端与固接在所述第一旋转轴(18)上的第一下连接轴(17)球铰接；所述两个平行且等长的第一远架杆(15)之间固接有第一支撑杆(16)；所述第一旋转轴(18)与动平台转动连接；
所述第二支链包括第二转动叉(21)、第二驱动装置(22)、第二近架杆(23)、第二上连接轴(24)、两个平行且等长的第二远架杆(25)、第二支撑杆(26)、第二下连接轴(27)以及第二旋转轴(28)；所述第二转动叉(21)与固定架(1)转动连接，所述第二驱动装置(22)与第二转动叉(21)固接，所述第二近架杆(23)的一端与第二转动叉(21)转动连接，且与第二驱动装置(22)的驱动端固接，第二近架杆(23)的另一端与第二上连接轴(24)固接；所述第二远架杆(25)一端与所述第二上连接轴(24)球铰接，另一端与固接在所述第二旋转轴(28)上的第二下连接轴(27)球铰接；所述两个平行且等长的第二远架杆(25)之间固接有第二支撑杆(26)；所述第二旋转轴(28)与动平台转动连接；
所述第一转动叉(11)和固定架(1)的转动轴线与所述第二转动叉(21)和固定架(1)的转动轴线相互垂直；所述第一旋转轴(18)和动平台的转动轴线与所述第二旋转轴(28)和动平台的转动轴线相互垂直；
所述第三支链包括第三驱动装置(31)、第三近架杆(32)、第三上连接轴(33)、两个平行且等长的第三远架杆(34)和第三下连接轴(35)；所述第三驱动装置(31)与固定架(1)固接，所述第三近架杆(32)的一端与固定架(1)转动连接，且与第三驱动装置(31)的驱动端固接，第三近架杆(32)的另一端与第三上连接轴(33)固接；所述第三远架杆(34)一端与所述第三上连接轴(33)球铰接，另一端与固接在所述动平台上的第三下连接轴(35)球铰接；
所述第四支链包括第四驱动装置(41)、第四近架杆(42)、 第四上连接轴(43)、两个平行且等长的第四远架杆(44)和第四下连接轴(45)；所述第四驱动装置(41)与固定架(1)固接，所述第四近架杆(42)的一端与固定架(1)转动连接，且与第四驱动装置(41)的驱动端固接，第四近架杆(42)的另一端与第四上连接轴(43)固接；所述第四远架杆(44)一端与所述第四上连接轴(43)球铰接，另一端与固接在所述动平台上的第四下连接轴(45)球铰接；
所述动平台包括主平台(2)和副平台(3)，所述第一支链和第二支链均与主平台(2)连接，所述第三支链和第四支链均与副平台(3)连接；所述主平台(2)和副平台(3)通过单自由度运动副连接。
2.根据权利要求1所述的一种四自由度高速并联机器人机构，其特征在于，所述主平台(2)和所述副平台(3)通过三个平行且等长的连杆连接，上述连杆分别为第一连杆(4)、第二连杆(5)和第三连杆(6)，上述任意两个平行连杆与主平台(2)和副平台(3)均构成平行四边形，所述主平台(2)上固接有齿扇(7)，所述三个平行且等长的三个连杆中的一个连杆上转动连接有小齿轮(8)，所述齿扇(7)和小齿轮(8)啮合，所述小齿轮(8)下端固接有末端执行器(9)。
3.根据权利要求1所述的一种四自由度高速并联机器人机构，其特征在于，所述主平台(2)与副平台(3)通过导轨滑块连接，所述主平台(2)上固接有滑块(102)，所述副平台(3)上固接有导轨(101)，所述导轨(101)和滑块(102)构成导轨滑块副；所述主平台(2)上转动连接有小齿轮(8-1)，所述副平台(3)上固接有齿条(10)，所述小齿轮(8-1)和齿条(10)啮合；所述小齿轮(8-1)下端固接有末端执行器(9)。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种四自由度高速并联机器人机构，其特征在于，所述第三近架杆(32)与固定架(1)的转动轴线、第四近架杆(42)与固定架(1)的转动轴线相互垂直。
5.根据权利要求4所述的一种四自由度高速并联机器人机构，其特征在于，第三下连接轴(35)与第四下连接轴(45)相互垂直。
6.根据权利要求2所述的一种四自由度高速并联机器人机构，其特征在于，第一连杆(4)上设置小齿轮(8)。
7.根据权利要求2所述的一种四自由度高速并联机器人机构，其特征在于，第二连杆(5)上设置小齿轮(8)。
8.根据权利要求2所述的一种四自由度高速并联机器人机构，其特征在于，第三连杆(6)上设置小齿轮(8)。
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