CN106826775B - 一种各向同性空间二自由度转动并联机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种各向同性空间二自由度转动并联机器人，以解决现有技术中的并联机器人运动耦合性强的问题。各向同性空间二自由度转动并联机器人包括动平台、静平台以及布置在两者间的第一支链、第二支链，第一支链包括主动转杆，主动转杆一端通过转动轴线与主动转杆转动轴线同轴设置的第一支链第一转动副连接于静平台上，主动转杆另一端通过第一支链第二转动副与动平台相连，并通过第一支链第一转动副驱动动平台绕主动转杆转动轴线转动；第二支链包括主动摆臂结构，主动摆臂结构包括并行布置的两悬臂及通过第一球副或第一虎克铰与两悬臂连接的悬臂连杆，两悬臂分别通过第二支链第一转动副设置于静平台上。
Description
技术领域
本发明涉及一种各向同性空间二自由度转动并联机器人。
背景技术
并联机器人与串联机器人相比，具有刚度大，结构稳定、承载能力大、微动精度高、运动速度快等优点。基于自由度数目的不同，并联机器人又分为六自由度并联机器人和少自由度并联机器人。两者相比，少自由度并联机器人的结构更为简单，制造和控制成本相对较低。在满足与其工作要求的情况下，少自由度并联机器人有其独特优势。因而少自由度转动并联机器人在以用于雷达、医疗器械、导弹发射等需精细姿态调整的领域具有广泛的应用前景。特别是二自由度转动并联机器人在动平台的姿态调整方面有其独特优势，因此可用于肩关节和髋关节等部位作为一种康复医疗机器人。但对于大多数并联机器人，其运动耦合性较强，使得机构在运动学控制方面较为困难，在一定程度上阻碍了并联机器人的推广应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种各向同性空间二自由度转动并联机器人，以解决现有技术中的并联机器人运动耦合性强的问题。
为实现上述目的，本发明各向同性空间二自由度转动并联机器人的技术方案是：一种各向同性空间二自由度转动并联机器人，包括动平台、静平台以及布置在两者间的第一支链、第二支链，第一支链包括主动转杆，主动转杆一端通过转动轴线与主动转杆转动轴线同轴设置的第一支链第一转动副连接于静平台上，主动转杆另一端通过第一支链第二转动副与动平台相连，并通过第一支链第一转动副驱动动平台绕主动转杆转动轴线转动；第二支链包括主动摆臂结构，主动摆臂结构包括并行布置的两悬臂及通过第一球副或第一虎克铰与两悬臂连接的悬臂连杆，两悬臂分别通过第二支链第一转动副设置于静平台上，两悬臂、悬臂连杆及静平台形成平行四边形连杆结构，主动摆臂结构通过伸展-折叠机构驱动动平台绕第一支链第二转动副转动轴线摆动，伸展-折叠机构包括至少两个连杆，相邻两个连杆之间通过转动轴线与第一支链第一转动副轴线平行的第三转动副相连，伸展-折叠机构的所述连杆中包括摆臂连杆，摆臂连杆固定设置于所述悬臂连杆上。
伸展-折叠机构的所述连杆中还包括动平台连杆，动平台连杆通过连接结构与动平台转动连接，连接结构为下述其中一种方式：（1）连接结构为第二虎克铰；（2）连接结构为第二球副；（3）连接结构包括连架杆，连架杆一端通过连架杆第一转动副与动平台相连，另一端通过连架杆第二转动副与动平台连杆相连，连架杆第一转动副的转动轴线与第一支链第二转动副的转动轴线平行；连架杆第二转动副的转动轴线与第三转动副的转动轴线平行。
第二虎克铰或第二球副或连架杆第二转动副与第一支链第二转动副分设于动平台的两侧。
所述悬臂的端部通过第一球副或第一虎克铰与所述悬臂连杆相连，第一支链第二转动副的转动轴线位于两个第二支链第一转动副转动轴线连线的中垂面上，第二虎克铰或第二球副或连架杆第二转动副与第一支链第二转动副之间的距离与所述悬臂的长度相等。
所述静平台包括平面部分和垂直设置于平面部分的竖杆，所述第一支链设于平面部分上，所述第二支链设于所述竖杆上，所述第一支链第二转动副的轴线平行于所述平面部分且垂直于主动转杆的转动轴线。
伸展-折叠机构包括通过所述第三转动副相连的两个所述的连杆。
本发明的有益效果是：本发明所提供的并联机器人中，主动转杆可通过第一支链第二转动副驱动动平台绕第一支链第一转动副的转动轴线进行转动，另外，主动摆臂结构可通过伸展-折叠机构驱动动平台绕第一支链第二转动副进行转动，由于第一支链第一转动副的轴线平行于第三转动副轴线，当主动转杆带动动平台转动时，伸展-折叠机构中相邻连杆可绕第三转动副相对转动实现伸展或折叠以实现长度调整，进而可满足主动摆臂结构与动平台之间的距离变化，使主动摆臂结构不会对动平台绕第一支链第一转动副的转动轴线转动产生干涉。同样的，当主动摆臂结构带动动平台绕第一支链第二转动副轴线转动时，伸展-折叠机构也发生伸展或折叠，补偿第二支链第一转动副与动平台之间的距离变化，由于动平台与主动转杆之间设置的第一支链第二转动副，使得主动转杆不会对动平台绕第一支链第二转动副轴线的转动产生影响。同时，用平行四边形连杆结构驱动动平台摆动，使悬臂连杆的运动为平动，悬臂驱动动平台摆动的动作更加准确和平稳。
本发明的并联机器人，其雅克比矩阵恒为2×2的单位阵，因此其主动输入与动平台输出一一对应，解决了一般并联机器人解耦性差导致的运动学求解复杂、轨迹和控制设计困难等问题。且在整个运动空间内不存在奇异位形。且本发明的并联机器人运动链仅由两条简单的运动链组成，结构形式简单、紧凑，加工和装配工艺性好，良好的结构稳定性使得本发明在康复机器人结构或需要进行姿态精密调整的领域具有良好应用前景。
附图说明
图1为本发明各向同性空间二自由度转动并联机器人实施例的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
本发明的各向同性空间二自由度转动并联机器人的具体实施例，如图1所示，并联机器人包括静平台10和动平台20，静平台10包括平面部分11和与平面部分11相垂直的竖杆12，动平台20为平面状的结构。平面部分11和动平台20通过第一支链L1相连，竖杆12和动平台20通过第二支链L2相连。
第一支链L1包括主动转杆1-1，主动转杆1-1下端通过第一支链第一转动副R11与平面部分11相连，上端通过第一支链第二转动副R12与动平台20的下表面相连。第一支链第一转动副R11的轴线垂直于平面部分11，第一支链第二转动副R12的轴线平行于平面部分11且垂直于第一支链第一转动副R11的轴线。第一支链L1中的主动副为第一支链第一转动副R11，主动转杆1-1的转动轴线与第一支链第一转动副R11的转动轴线同轴。
第二支链L2中由竖杆12到动平台20顺序布置有悬臂2-1、悬臂连杆14、摆臂连杆15、动平台连杆2-2和连架杆2-3，其中悬臂2-1的数量为两个，在竖杆12的侧面上固定有固定边13，两个悬臂2-1均通过第二支链第一转动副R21与固定边13相连，两个悬臂2-1并行摆动。悬臂连杆14、悬臂2-1和固定边13构成了平行四边形连杆结构。悬臂连杆14的中间部分一体设置有摆臂连杆15，两者构成了T形结构。悬臂连杆14的两端通过第一球副S21与悬臂2-1的对应端相连。
第二支链第一转动副R21为主动副，通过两个悬臂2-1能够使悬臂连杆14在实际工作中相对于竖杆12发生平动，运动更加平稳。本实施例中，第二支链第一转动副R21的轴线垂直于第一支链第一转动副R11的轴线。摆臂连杆15通过第三转动副R22与动平台连杆2-2相连，动平台连杆2-2的另一端通过连架杆第一转动副R23与连架杆2-3相连，连架杆2-3的另一端通过连架杆第二转动副R24与动平台20相连。连架杆第二转动副R24与第一支链第二转动副R12分设于动平台的两侧。其中，第三转动副R22的转动轴线平行于连架杆第一转动副R23的转动轴线，连架杆第二转动副R24的转动轴线垂直于连架杆第一转动副R23的转动轴线且平行于第一支链第二转动副R12的转动轴线。连架杆第二转动副R24的转动轴线与第一支链第二转动副R12的转动轴线所在的平面平行于动平台20的下表面。第三转动副R22的转动轴线平行于第一支链第一转动副R11的转动轴线。
本实施例中，固定边13的中点、第一支链第二转动副R12位于同一平面内且该平面平行于平面部分11，悬臂2-1的长度等于第一支链第二转动副R12轴线与连架杆第二转动副R24轴线之间的距离。即第一支链第二转动副R12位于两个第二支链第一转动副R21的转动轴线连线的中垂面上。
本发明的使用过程为：当需要动平台20水平转动时，第一支链第一转动副R11为主动副，其余的运动副均为从动副。第一支链第一转动副R11转动，带动主动转杆1-1和动平台20在水平方向上转动，第三转动副R22发生随动即可。当需要动平台20绕第一支链第二转动副R12轴线转动时，第二支链第一转动副R21为主动副，其余的运动副为从动副。第二支链第一转动副R21带动悬臂连杆14发生平动，进而带动动平台2摆动，而为了补偿动平台20摆动后第二支链第一转动副R21与连架杆第二转动副R24之间的距离，第三转动副R22和连架杆第一转动副R23作适应性的伸展和折叠动作。
本实施例中的并联机器人，雅可比矩阵恒为2×2的单位阵，其主动输入和输出为一一对应的关系，解决了一般并联机器人耦合性强、解耦性差的运动学求解复杂、轨迹和控制设计困难等问题，且在整个运动空间内不存在奇异位形。
本实施例中，两个并行的悬臂构成了主动摆臂结构，摆臂连杆15、动平台连杆2-2和第三转动副R22构成了伸展-折叠机构。本实施例中，摆臂连杆15和悬臂连杆14一体设置，在其他实施例中，可以采用螺纹连接等可拆连接方式。
在其他实施例中，伸展-折叠机构中连杆的数量可以根据实际情况进行增加，对应的，第三转动副的数量也随之增加。
在其他实施例中，悬臂连杆14与悬臂13可以通过第一虎克铰相连。在其他实施例中，动平台连杆可以通过第二球副或第二虎克铰与动平台相连。第二球副的球心、第二虎克铰与第一支链第二转动副的距离与悬臂的长度相等。
本实施例中，固定边13、悬臂2-1、悬臂连杆14构成了平行四边形连杆结构。固定边13、竖杆12和平面部分11构成了静平台。
在其他实施例中，静平台和动平台的形状及支链设于静平台和动平台上的位置可以根据实际情况进行改变。
Claims (6)
1.一种各向同性空间二自由度转动并联机器人，其特征在于：包括动平台、静平台以及布置在两者间的第一支链、第二支链，第一支链包括主动转杆，主动转杆一端通过转动轴线与主动转杆转动轴线同轴设置的第一支链第一转动副连接于静平台上，主动转杆另一端通过第一支链第二转动副与动平台相连，并通过第一支链第一转动副驱动动平台绕主动转杆转动轴线转动；第二支链包括主动摆臂结构，主动摆臂结构包括并行布置的两悬臂及通过第一球副或第一虎克铰与两悬臂连接的悬臂连杆，两悬臂分别通过第二支链第一转动副设置于静平台上，两悬臂、悬臂连杆及静平台形成平行四边形连杆结构，主动摆臂结构通过伸展-折叠机构驱动动平台绕第一支链第二转动副转动轴线摆动，伸展-折叠机构包括至少两个连杆，相邻两个连杆之间通过转动轴线与第一支链第一转动副轴线平行的第三转动副相连，伸展-折叠机构的所述连杆中包括摆臂连杆，摆臂连杆固定设置于所述悬臂连杆上。
2.根据权利要求1所述的各向同性空间二自由度转动并联机器人，其特征在于：伸展-折叠机构的所述连杆中还包括动平台连杆，动平台连杆通过连接结构与动平台转动连接，连接结构为下述其中一种方式：（1）连接结构为第二虎克铰；（2）连接结构为第二球副；（3）连接结构包括连架杆，连架杆一端通过连架杆第一转动副与动平台相连，另一端通过连架杆第二转动副与动平台连杆相连，连架杆第一转动副的转动轴线与第一支链第二转动副的转动轴线平行；连架杆第二转动副的转动轴线与第三转动副的转动轴线平行。
3.根据权利要求2所述的各向同性空间二自由度转动并联机器人，其特征在于：第二虎克铰或第二球副或连架杆第二转动副与第一支链第二转动副分设于动平台的两侧。
4.根据权利要求2所述的各向同性空间二自由度转动并联机器人，其特征在于：所述悬臂的端部通过第一球副或第一虎克铰与所述悬臂连杆相连，第一支链第二转动副的转动轴线位于两个第二支链第一转动副转动轴线连线的中垂面上，第二虎克铰或第二球副或连架杆第二转动副与第一支链第二转动副之间的距离与所述悬臂的长度相等。
5.根据权利要求4所述的各向同性空间二自由度转动并联机器人，其特征在于：所述静平台包括平面部分和垂直设置于平面部分的竖杆，所述第一支链设于平面部分上，所述第二支链设于所述竖杆上，所述第一支链第二转动副的轴线平行于所述平面部分且垂直于主动转杆的转动轴线。
6.根据权利要求1~5任意一项所述的各向同性空间二自由度转动并联机器人，其特征在于：伸展-折叠机构包括通过所述第三转动副相连的两个所述的连杆。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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