CN106903673B - 一种具有弧形移动副的三支链六自由度并联机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有弧形移动副的三支链六自由度并联机构，其包括基座、动平台和三条相同的运动支链，运动支链呈放射状平均分布安装于基座和动平台之间，运动支链包括第一弧形连杆组件、第一电机和支撑连杆，支撑连杆的一端铰接至动平台，第一弧形连杆组件的一端铰接至支撑连杆，第一电机设置于基座上用于驱动第一弧形连杆组件转动，在第一弧形连杆组件转动的过程中第一弧形连杆组件的弧长亦随之变化。

Description

一种具有弧形移动副的三支链六自由度并联机构
技术领域
本发明涉及机器人设计制造技术领域，具体涉及一种具有弧形移动副的三支链六自由度并联机构。
背景技术
并联机构通常由动平台和固定平台通过多条支链联结而成，自1938年首次提出并联机器人以来，因其具较大刚度、较强的承载能力、误差小、精度高、自重负荷比小、动力性能好、控制容易等特点,广泛应用于社会的各个领域。目前，常见的有2自由度、3自由度、4自由度、6自由度并联机构；其中，6自由度并联机构的一个本质特征是每个分支具有六个独立的自由度，或者说每个分支都必须能生成一个六维的位移群。因此，在Stewart六自由度并联机构的基础上，改变分支中运动副的种类、排列顺序以及方向等，同时保持分支的六个独立自由度，即可得到新的六自由度并联机构机型。
较为代表的有：1997年，Byun等人提出了3-PPSP六自由度并联机构；德国的斯图加特大学提出的Linpaod构型，上海交通大学高峰等人提出的新型三支链六自由度机器人(CN201310502815.5)。天津理工大学李彬等人提出的一种含绳驱动关节的三支链六自由度并联机构(CN201410700723.2)。河北工业大学张建军等人提出一种六自由度三支链并联机器人机构，(CN201210227966.X)。河北工业大学王永奉等人提出一种三支链六自由度机器人驱动机构(CN201410388991.5)。
这些机构支链大多对称分布排列，且所需驱动较多，控制方法复杂，(如3-PPSP并联机构，9个驱动)，或者产生的运动形式相对较少(多个驱动实现少于6个自由度的运动)。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种驱动较少、控制简单的具有弧形移动副的三支链六自由度并联机构。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种具有弧形移动副的三支链六自由度并联机构，其包括基座、动平台和三条相同的运动支链，运动支链呈放射状平均分布安装于基座和动平台之间，运动支链包括第一弧形连杆组件、第一电机和支撑连杆，支撑连杆的一端铰接至动平台，第一弧形连杆组件的一端铰接至支撑连杆，第一电机设置于基座上用于驱动第一弧形连杆组件转动，在第一弧形连杆组件转动的过程中第一弧形连杆组件的弧长亦随之变化。
其中，运动支链进一步包括第二弧形连杆组件和第二电机，第一弧形连杆组件的一端和第二弧形连杆组件的一端沿支撑连杆的长度方向间隔铰接至支撑连杆的不同位置，第二电机设置于基座上用于驱动第二弧形连杆组件转动，在第二弧形连杆组件转动的过程中第二弧形连杆组件的弧长亦随之变化。
其中，第一弧形连杆组件和第二弧形连杆组件均包括上弧形连杆、下弧形连杆和万向铰链，万向铰链连接上弧形连杆的上端和支撑连杆，上弧形连杆的下端与下弧形连杆的上端嵌套连接，下弧形连杆的下端连接至与其对应的第一电机或第二电机的输出轴。
其中，下弧形连杆包括相互连接的弧形部分和直线部分，直线部分的下端连接至与其对应的第一电机或第二电机的输出轴，弧形部分具有空管状特征，上弧形连杆嵌套至下弧形连杆中。
其中，运动支链进一步包括设置于基座上的第一电机支架和第二电机支架，第一电机和第二电机分别设置于第一电机支架和第二电机支架上。
其中，第二弧形连杆组件铰接至支撑连杆的另一端。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明具有弧形移动副的三支链六自由度并联机构包括三条相同的运动支链，运动支链呈放射状平均分布安装于基座和动平台之间，运动支链的支撑连杆铰接至动平台，第一弧形连杆组件的一端铰接至支撑连杆，第一电机设置于基座上用于驱动第一弧形连杆组件转动，且在第一弧形连杆组件转动的过程中第一弧形连杆组件的弧长亦随之变化，采用较少的驱动即可实现六自由度调节，结构简单、控制容易，运动平稳。
附图说明
图1是本发明具有弧形移动副的三支链六自由度并联机构的立体结构图；
图2是图1所示三支链六自由度并联机构的运动支链的结构示意图；
图3是图2所示运动支链的上弧形连杆的结构示意图；
图4是图2所示运动支链的下弧形连杆的结构示意图。
具体实施方式
请参照图1和图2，本发明具有弧形移动副的三支链六自由度并联机构包括基座1、动平台2和三条相同的运动支链。
运动支链呈放射状平均分布安装于基座1和动平台2之间。平均分布的含义是：三条运动支链于基座上1上的设置位置(固定点)位于同一圆(基座定位圆)上，任意两运动支链的固定点与基座固定圆的圆心的连线的夹角为120°，三条运动支链于动平台2上的设置位置(铰接点)位于同一圆(动平台定位圆)上，任意两运动支链的铰接点与动平台定位圆的圆心的连线的夹角为120度。
运动支链包括第一弧形连杆组件、第一电机6和支撑连杆9。支撑连杆9的一端通过球铰连接至动平台2(铰接位置即前述铰接点)，第一弧形连杆组件的一端铰接至支撑连杆9，第一电机6设置于基座1上(第一电机设置位置即前述固定点)用于驱动第一弧形连杆组件转动，在第一弧形连杆组件转动的过程中第一弧形连杆组件的弧长亦随之变化。第一弧形连杆组件具有与圆形的圆周的一部分相同的形状，即圆弧形，圆弧形的长度简称弧长，弧长可以随着第一电机的驱动时第一弧形连杆组件转动的过程中发生变化，即变长或变短。采用上述并行的运动支链即可实现六自由度调节，结构简单、控制容易、运动平稳。
为了兼顾调整的速度和定位的准确性，运动支链进一步包括第二弧形连杆组件和第二电机5。第一弧形连杆组件的一端和第二弧形连杆组件的一端沿支撑连杆9的长度方向间隔铰接至支撑连杆9的不同位置，第二电机5设置于基座1上用于驱动第二弧形连杆组件转动，在第二弧形连杆组件转动的过程中第二弧形连杆组件的弧长亦随之变化。
支撑连杆9呈直线状的长条形。优选地，第二弧形连杆组件铰接至支撑连杆9的另一端，第一弧形连杆组件铰接至支撑连杆9的中段，中段的含义包括去除两端各1/4长度的位置，优选地，第一弧形连杆铰接至支撑连杆9的中点。
通过控制每条运动支链上的第一电机6、第二电机5，使得对应的第一弧形连杆组件和第二弧形连杆组件绕着第一电机6和第二电机5的输出轴转动，进而使得第一弧形连杆组件和第二弧形连杆组件的弧长发生变化，经由支撑连杆9的作用，来驱动动平台2实现六个自由度的空间运动。
针对不同的应用领域，可将第一电机6作为主要驱动源，来实现动平台的快速定位，第二电机5作为协助驱动源，以帮助动平台2实现位置精度调节。
具体地，第一弧形连杆组件和第二弧形连杆组件均包括上弧形连杆8、下弧形连杆7和万向铰链10或11。万向铰链10或11连接上弧形连杆8的上端12和支撑连杆9，上弧形连杆8的下端与下弧形连杆7的上端嵌套连接且二者共圆心，下弧形连杆7的下端连接至与其对应的第一电机6或第二电机5的输出轴。
下弧形连杆7包括相互连接的弧形部分和直线部分，直线部分的下端13连接至与其对应的第一电机6或第二电机5的输出轴，弧形部分具有空管状特征14，上弧形连杆8嵌套至下弧形连杆7中。实际应用中，亦可以在上弧形连杆2上设置空管状特征，将下弧形连杆7的弧形部分嵌套至上弧形连杆2中。或者，上弧形连杆2和下弧形连杆7二者之一上设置弧形滑槽，另一上设置弧形滑轨等等。无论是全包覆式的空管状特征还是部分覆盖式的弧形滑槽与滑轨设置均包含在本发明上弧形连杆2与下弧形连杆7嵌套连接的范围内。
进一步地，运动支链包括设置于基座上的第一电机支架4和第二电机支架3。第一电机6和第二电机5分别设置于第一电机支架4和第二电机支架3上。
区别于现有技术，本发明具有弧形移动副的三支链六自由度并联机构包括三条相同的运动支链，运动支链呈放射状平均分布安装于基座1和动平台2之间，运动支链的支撑连杆9铰接至动平台2，第一弧形连杆组件的一端铰接至支撑连杆9，第一电机6设置于基座1上用于驱动第一弧形连杆组件转动，且在第一弧形连杆组件转动的过程中第一弧形连杆组件的弧长亦随之变化，采用较少的驱动即可实现六自由度调节，结构简单、控制容易，运动平稳。进一步地，运动支链上设置第二弧形连杆组件和驱动第二连杆组件转动的第二电机，第二弧形连杆组件和第一弧形连杆组件沿支撑连杆的长度方向间隔铰接至支撑连杆的不同位置，将一个电机作为主要驱动源实现动平台的快速定位，另一电机作为协助驱动源实现动平台的位置精度调节，可以兼顾调节速度和调节精度。以及，本发明三支链六自由度并联机构驱动能力、鲁棒性及承载能力均能满足多种应用，例如机床、机器人检测等领域的应用需求。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种具有弧形移动副的三支链六自由度并联机构，其特征在于，所述三支链六自由度并联机构包括基座、动平台和三条相同的运动支链，所述运动支链呈放射状平均分布安装于所述基座和动平台之间，所述运动支链包括第一弧形连杆组件、第一电机和支撑连杆，所述支撑连杆的一端铰接至所述动平台，所述第一弧形连杆组件的一端铰接至所述支撑连杆，所述第一电机设置于所述基座上用于驱动所述第一弧形连杆组件转动，在所述第一弧形连杆组件转动的过程中所述第一弧形连杆组件的弧长亦随之变化；所述运动支链进一步包括第二弧形连杆组件和第二电机，所述第一弧形连杆组件的一端和所述第二弧形连杆组件的一端沿所述支撑连杆的长度方向间隔铰接至所述支撑连杆的不同位置，所述第二电机设置于所述基座上用于驱动所述第二弧形连杆组件转动，在所述第二弧形连杆组件转动的过程中所述第二弧形连杆组件的弧长亦随之变化。
2.根据权利要求1所述的三支链六自由度并联机构，其特征在于，所述第一弧形连杆组件和所述第二弧形连杆组件均包括上弧形连杆、下弧形连杆和万向铰链，所述万向铰链连接所述上弧形连杆的上端和所述支撑连杆，所述上弧形连杆的下端与所述下弧形连杆的上端嵌套连接，所述下弧形连杆的下端连接至与其对应的所述第一电机或第二电机的输出轴。
3.根据权利要求2所述的三支链六自由度并联机构，其特征在于，所述下弧形连杆包括相互连接的弧形部分和直线部分，所述直线部分的下端连接至与其对应的所述第一电机或第二电机的输出轴，所述弧形部分具有空管状特征，所述上弧形连杆嵌套至所述下弧形连杆中。
4.根据权利要求1所述的三支链六自由度并联机构，其特征在于，所述运动支链进一步包括设置于所述基座上的第一电机支架和第二电机支架，所述第一电机和第二电机分别设置于所述第一电机支架和所述第二电机支架上。
5.根据权利要求1所述的三支链六自由度并联机构，其特征在于，所述第二弧形连杆组件铰接至所述支撑连杆的另一端。
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