CN106826767A - 一种基于抓取并联结构的六自由度并联机构 - Google Patents

Abstract

一种基于抓取并联结构的六自由度并联机构，包括固定机架、抓取并联结构和两个三自由度平动结构，两个三自由度平动结构对称安装在固定机架的两侧，所述抓取并联结构包括：两个交叉设置且通过转轴转动连接的夹钳连杆，该两个夹钳连杆以转轴为转动中心进行开合运动，两个与三自由度平动结构固定连接的三自由度平动机构；一个三维平动连杆上设一个虎克铰，该虎克铰具有竖直杆轴和水平杆轴，该虎克铰通过竖直杆轴与三维平动连杆转动连接，该虎克铰的下端向下延伸使水平杆轴位于三维平动连杆下方；夹钳连杆上端与虎克铰的水平杆轴转动连接，夹钳连杆以水平杆轴为转动中心进行运动。本发明转动范围大，增加了抓取能力。

Description

一种基于抓取并联结构的六自由度并联机构

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体地说是一种基于抓取并联机构的六自由度并联机构。

背景技术

并联机构为动平台和静平台通过至少两个独立的运动链相连接，具有两个或两个以上的自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。和串联机器人相比，并联机器人具有以下优点：累积误差小、精度较高；驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，运动部分重量轻，速度高，动态响应好；结构紧凑，刚度高，承载能力大。

少自由度并联机构是指自由度少于6的并联机构，可应用于许多适于并联机构操作但不需要全部6个自由度的工作任务。与6自由度并联机构相比，少自由度并联机构具有驱动件少、构件少、控制简单方便、易于制造、价格低廉等优点。因此，少自由度并联机构也被广泛应用在某些场合。

由于受到奇异位形的限制，并联机构动平台的转动能力往往都比较小，即使是相对简单的平面并联机构，在理论上能达到的转动范围也不超过180°，实际上会更小。

部分并联机构通过增加冗余驱动支链来辅助平台跨越奇异位形从而得到更大的转动能力，但冗余驱动会导致过约束从而产生内力，使机构面临复杂的控制问题；还有一部分并联机构则选择在某些支链中增加冗余驱动，但这导致了混合结构的出现，从而改变原有并联机构的载荷传递特性。

在自动化生产线上，现有的并联机构方案主要是靠在并联机构的末端增加执行器(抓手或吸盘等)来实现抓取功能，这就要求在并联机构的动平台上增加辅助装置，甚至需要增设电机，直接增加了并联机构运动部件的重量，严重影响并联机构的动态特性。

中国专利文献号CN103538062A，公布日2014.1.29，公开了一种四自由度三手指操作并联机构，包括一个机座、一个动平台以及联接机座和动平台的SP型直线驱动分支和三个结构完全相同的UPUR型手指驱动分支，所述SP型直线驱动分支的一端通过移动副与动平台固连，其另一端通过球铰链与机座联接；三个结构相同的手指驱动分支在机座与动平台之间呈圆周均布，每个手指驱动分支中的直线驱动杆的一端通过万向副与机座联接，其另一端通过万向副与手指连杆的一端联接，该手指连杆中部通过转动副与动平台联接，该手指连杆的另一端为自由端。但该技术在手指间需另外设置动平台，增加了机构的复杂性，不利于手指运动范围的扩张；而且，该技术手指的抓取运动取决于动平台的位姿，是伴随运动，很难独立控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于抓取并联结构的六自由度并联机构，转动范围大，增加抓取能力，工作空间内全局无奇异，整个机构没有驱动电机安置于运动部件上，实现指向半个球面的转动。

为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：

一种基于抓取并联结构的六自由度并联机构，包括固定机架、抓取并联结构和两个三自由度平动结构，两个三自由度平动结构对称安装在固定机架的两侧，所述抓取并联结构包括：

夹钳，该夹钳由两个夹钳连杆构成，该两个夹钳连杆交叉设置且通过转轴转动连接，该两个夹钳连杆以转轴为转动中心进行开合运动，

两个三维平动连杆，该三维平动连杆与三自由度平动结构固定连接，该三自由度平动结构带动三维平动连杆在X轴、Y轴和Z轴三个方向的平移运动；

两个虎克铰，该虎克铰具有相互垂直的竖直杆轴和水平杆轴，每个三维平动连杆上设一个虎克铰，该虎克铰的竖直杆轴插装入三维平动连杆中与该三维平动连杆转动连接，该虎克铰的下端向下延伸使水平杆轴位于三维平动连杆下方，该虎克铰以竖直杆轴的轴线为转动中心线相对于三维平动连杆进行转动；

夹钳连杆上端与虎克铰下端的水平杆轴转动连接，夹钳连杆以水平杆轴为转动中心进行转动。

所述两个虎克铰平行设置，两个虎克铰下端的水平杆轴及转轴相互平行。

所述两个三维平动连杆与两个三自由度平动结构连接后，该两个三维平动连杆之间形成间隙区间，夹钳连杆设在该两个三维平动连杆之间的间隙区间内。

所述三维平动连杆上设有水平连接件和两个竖直连接件，该三维平动连杆通过水平连接件和两个竖直连接件与三自由度平动结构连接。

所述两个竖直连接件对称设置在三维平动连杆上。

本发明通过两个三维平动控制一个抓取并联结构的两个转动运动和一个抓取运动，使得抓取并联结构具有指向半个球面的转动能力，增加了抓取能力；而且工作空间内全局无奇异，整个机构没有驱动电机安置于运动部件上。

附图说明

附图1为本发明装配后的立体结构示意图；

附图2为本发明抓取并联结构的立体示意图；

附图3为本发明工作时的状态示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如附图1和2所示，本发明揭示了一种基于抓取并联结构的六自由度并联机构，包括固定机架1、抓取并联结构和两个三自由度平动结构2，两个三自由度平动结构2对称安装在固定机架1的两侧，所述抓取并联结构包括：夹钳、两个三维平动连杆3和两个虎克铰4。夹钳由两个夹钳连杆4构成，两个夹钳连杆4交叉设置且通过转轴6转动连接，该两个夹钳连杆4以转轴6为转动中心进行开合运动，可以打开或者夹紧，形成一个开合自由度。两个三自由度平动结构2分别与两个三维平动连杆3固定连接，该三自由度平动结构2带动三维平动连杆3在X轴、Y轴和Z轴三个方向的平移运动，形成X轴、Y轴和Z轴三个方向的三个平动自由度。每个三维平动连杆3上设一个虎克铰4，该虎克铰4具有竖直杆轴和水平杆轴7，虎克铰4的竖直杆轴插入三维平动连杆中与该三维平动连杆转动连接，该虎克铰4的下端向下延伸使水平杆轴位于三维平动连杆3下方，该虎克铰4以竖直杆轴的轴线为转动中心线相对于三维平动连杆3转动，形成一个转动自由度。两个虎克铰5的下端均向下延伸使得各自的水平杆轴位于三维平动连杆的下方。夹钳连杆5上端与虎克铰4下端的水平杆轴7转动连接，该水平杆轴7与虎克铰4的竖直杆轴垂直设置，夹钳连杆5以水平杆轴7为转动中心进行运动，形成一个转动自由度。其中，虎克铰绕以竖直杆轴的轴线为转动中心线的转动自由度的转动运动，与夹钳连杆以水平杆轴的轴线为转动中心线的转动自由度的转动运动呈相互垂直方向。通过以上结构设置，从而形成三自由度平动结构的三个平动自由度，以及抓取并联结构中，夹钳连杆的一个开合自由度，和两个夹钳连杆与两个虎克铰下端连接的两个转动自由度，从而形成六个自由度的运动。水平杆轴固定安装在竖直杆轴上。

所述两个虎克铰平行设置，两个虎克铰的水平杆轴7及转轴6相互平行。也就是说，两个虎克铰的竖直杆轴的轴线相互平行，两个水平杆轴的轴线和转轴的轴线这三个轴线相互平行，保证各个自由度的正常运动。

所述两个三维平动连杆与两个三自由度平动结构连接后，该两个三维平动连杆之间形成间隙区间，夹钳连杆设在该两个三维平动连杆之间的间隙区间内。

所述三维平动连杆上设有水平连接件和两个竖直连接件，该三维平动连杆通过水平连接件和两个竖直连接件与三自由度平动结构连接。其中两个竖直连接件对称设置在三维平动连杆上。

此外，上述的三自由度平动结构并无具体限定为哪一类型的结构，只要能够实现X轴、Y轴和Z轴三个方向的平移运动的三自由度运动的结构均可，在此并无特别限定。

此外，对于夹钳，还可以是其他结构形式，只要能够利用转动来实现夹取工件的目的即可，以上所述夹钳结构只是其中一种较佳的实施方式，并非是限定。并且该夹钳动作仍然是由两个三维平动连杆来控制。

本发明中，三自由度平动结构带动三维平动连杆进行X轴、Y轴和Z轴三方向的平移运动，从而带动夹钳连杆的三个方向的平动自由度运动。两个夹钳连杆以转轴为转动中心进行开合自由度的运动。虎克铰以其自向轴线为转动中心线相对于三维平动连杆转动，形成一个转动自由度，带动夹钳连杆以虎克铰的竖直杆轴为转动中心进行转动。两个夹钳连杆以两个虎克铰的水平杆轴为转动中心进行两个转动自由度的转动。

三个自由度由三维平动连杆的X轴、Y轴和Z轴三个方向的平移运动耦合控制，并由两个三自由度平动结构同步位移差动控制；具有开合自由度的夹钳连杆提供主动抓取功能，无冗余驱动和复杂内力，控制简单。如附图3所示，夹钳具有指向半个球面的转动能力，全局无运动学奇异。

需要说明的是，以上所述并非是对本发明的限定，在不脱离本发明的创造构思的前提下，任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于抓取并联结构的六自由度并联机构，包括固定机架、抓取并联结构和两个三自由度平动结构，两个三自由度平动结构对称安装在固定机架的两侧，其特征在于，所述抓取并联结构包括：

夹钳，该夹钳由两个夹钳连杆构成，该两个夹钳连杆交叉设置且通过转轴转动连接，该两个夹钳连杆以转轴为转动中心进行开合运动；

两个三维平动连杆，该三维平动连杆与三自由度平动结构固定连接，三自由度平动结构带动三维平动连杆在X轴、Y轴和Z轴三个方向的平移运动；

两个虎克铰，该虎克铰具有垂直设置的竖直杆轴和水平杆轴，每个三维平动连杆上设一个虎克铰，该虎克铰的竖直杆轴插装入三维平动连杆中与该三维平动连杆转动连接，该虎克铰的下端向下延伸使水平杆轴位于三维平动连杆下方，该虎克铰以竖直杆轴的轴线为转动中心线相对于三维平动连杆进行转动；

夹钳连杆上端与虎克铰下端的水平杆轴转动连接，夹钳连杆以水平杆轴为转动中心进行转动。

2.根据权利要求1所述的基于抓取并联结构的六自由度并联机构，其特征在于，所述两个虎克铰平行设置，两个虎克铰下端的水平杆轴及转轴相互平行。

3.根据权利要求2所述的基于抓取并联结构的六自由度并联机构，其特征在于，所述两个三维平动连杆与两个三自由度平动结构连接后，该两个三维平动连杆之间形成间隙区间，夹钳连杆设在该两个三维平动连杆之间的间隙区间内。

4.根据权利要求3所述的基于抓取并联结构的六自由度并联机构，其特征在于，所述三维平动连杆上设有水平连接件和两个竖直连接件，该三维平动连杆通过水平连接件和两个竖直连接件与三自由度平动结构连接。

5.根据权利要求4所述的基于抓取并联结构的六自由度并联机构，其特征在于，所述两个竖直连接件对称设置在三维平动连杆上。