CN106976070B - 一种可实现三维平动和一维转动的高速并联装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可实现三维平动和一维转动的高速并联装置，属于并联装置领域。该装置包括定平台、动平台以及连接所述定平台和动平台之间的四条支链；四条支链相对定平台呈圆周对称布置，四条支链均各包含一个丝杠滑块驱动装置、一个平行四边形部件，各支链通过丝杠滑块驱动装置与定平台底部螺钉紧固；动平台由上动平台、下动平台以及执行器组成，上动平台和下动平台通过转动副连接；控制四个丝杠滑块驱动装置的输出移动，可以实现上动平台的三个平动自由度和一个转动自由度，将上动平台的中心轴作为输出端连接执行器，可实现执行器的三维平动及一维转动运动。本发明具有结构紧凑、运动灵活、控制简单、刚度和稳定性较好等特点。
Description
技术领域
本发明属于并联装置领域，特别涉及一种可实现三维平动和一维转动的高速并联装置。该装置可应用于包装、装配等具有材料抓放操作的生产线上。
背景技术
用于快速抓放的高速并联装置具有四个运动自由度，包括沿X，Y，Z方向的平移和绕Z轴的旋转自由度，即空间的三维平动和一维转动，且转动轴线垂直于水平面，该类装置在水平面内具有良好的顺应性，同时，在垂直于水平面方向上具有良好的刚性。这种装置的主要职能是pick-and-place(拾取和放臵)，广泛应用于塑料工业、电子产品工业、药品工业和食品工业等领域，可以高效地完成包装、制造、装配以及搬运等操作。
最初的可实现三维平动和一维转动的机器人由串联机构实现，串联机构通过运动副依次连接而成，为开环结构，具有大的工作空间和高的灵活度，但其也具有明显的缺点：各运动副误差累积导致末端精度低、刚度底、惯性大，动力学性能不好。并联机构是一种闭环结构，其动平台通过至少两个独立的运动链与定平台相连接。与串联机构相比，并联机构具有刚度高、精度高、动力学性能好、结构紧凑等优点。
基于并联机构的优点，CLAVEL提出了由三条对称支链构成的可实现三维平动的Delta并联机构(US4976582)，具有高速运动特性，在此构型的基础上，ABB公司研发了“Flexpicker”并联机器人并应用于食品包装生产线中代替人工完成食品等的快速分拣操作；为进一步增加拾取动作的柔性和效率，PIERROT等提出了具有四条支链，双动平台特征的可实现三平动一转动运动的H4并联机构(US20090019960和EP1084802)；随后Adept公司成功将其商业化，典型代表有“Adept Quattrro”并联机器人。
对于以上部分设计的优缺点，有文献进行了点评，不足之处总结如下：专利CN202592386指出专利US4976582中Delta机构只具有空间平动的三个自由度，不能实现拾取角度的旋转；专利CN102161200指出专利US20090019960和EP1084802中H4机构动平台的多个部件处于同一平面内，使得动平台尺寸较大，不够紧凑，且相邻的两条支链驱动动平台的一个部件，传力效果不好，不利于提高机构效率；专利CN101863024、CN102161201指出专利US20090019960和EP1084802中动平台尺寸较大，其上设置的放大机构增加了动平台的重量；专利CN102152306指出专利US20090019960和EP1084802中动平台受驱动的部件是相当于平行四边形的一组对边，结构不紧凑，活动不灵活，受力不均匀，不利于提高机构效率；专利CN102229141指出专利US20090019960和EP1084802中动平台受驱动的部件只有两个，这两个部件相当于平行四边形的一组对边，这样的驱动方式不灵活，受力情况不均匀，不利于机构的顺畅运行。
综上，设计研发性能优异的三平动一转动并联机器人仍是机器人领域关注的热点问题，一款结构紧凑、运动灵活的高性能三平动一转动并联机器人必将具有广阔的科研及应用前景。
发明内容
本发明针对串联三平动一转动机器人的缺点和现有并联三平动一转动机器人存在的不足，提出了一种可实现三维平动和一维转动的高速并联装置，该并联装置包括定平台、安装执行器的动平台以及第一支链、第二支链、第三支链、第四支链，所述四条支链分别连接于定平台和动平台之间，并与该定平台和动平台构成空间闭环机构。控制四条支链的丝杠滑块驱动装置电机的转动，将运动传递至动平台末端的执行器，可以实现执行器的三维平动和一维转动。
本发明提出的一种可实现三维平动和一维转动的高速并联装置，其特征在于，包括：定平台(1)、安装执行器的动平台(7)以及第一支链(I)、第二支链(II)、第三支链(III)、第四支链(IV)，四条所述支链相对定平台呈圆周对称布置，该四条支链分别连接于定平台和动平台之间，并与定平台和动平台构成空间闭环机构；所述定平台(1)由呈十字型排布的四个相同的L型支臂构成，定平台各个支臂底部与相应支链连接处均设置成斜截面；其中，四条所述支链的上端分别与定平台(1)中相应的L型支臂底部的斜截面紧固，四条所述支链的下端分别与动平台(7)通过转动副配合。
四条所述支链结构相同，均包括：丝杠滑块驱动装置(2)、连接块(3)、两个小臂短杆、两个小臂横杆、两个小臂长杆、以及运动副；其中，所述丝杠滑块驱动装置与连接块紧固，该连接块和第一小臂短杆(4a)紧固，所述两个小臂横杆均为弹性结构，安装状态为预紧拉伸状态；所述运动副有8个：第一小臂短杆(4a)两端分别与第一小臂长杆(6a)、第二小臂长杆(6b)之间的球副S，第一小臂横杆(5a)两端分别与第一小臂长杆、第二小臂长杆之间的转动副R，第二小臂横杆(5b)两端分别与第一小臂长杆、第二小臂长杆之间的转动副R，第二小臂短杆(4b)两端分别与第一小臂长杆、第二小臂长杆之间的球副S。
所述丝杠滑块驱动装置(2)包括：电机(2-1)、电机座(2-2)、联轴器架(2-3)、丝杠基座(2-4)、输出滑块(2-5)、丝杠(2-6)以及运动副；其中，所述电机座与联轴器架紧固、该联轴器架与丝杠基座紧固，所述电机与电机座紧固，所述输出滑块与连接块(3)紧固；所述运动副有2个，一个是位于丝杠基座和丝杠之间通过轴承配合形成的转动副，一个是位于丝杠和输出滑块之间通过螺纹配合形成的移动副；位于丝杠基座和丝杠之间的转动副是被电机驱动的；所述丝杠基座(2-4)与定平台(1)中相应的L型支臂底部的斜截面紧固。
所述动平台(7)包括：上动平台(7-1)和下动平台(7-2)，执行器(7-3)，以及两个固定转动件(7-4、7-7)和两个连接转动件(7-5、7-6)；所述上动平台包括两个支臂，在上动平台两支臂的汇交点设有中心轴；所述下动平台包括两个支臂，在下动平台两支臂的汇交点设有中心孔；其中，第一固定转动件(7-4)、第二固定转动件(7-7)分别与下动平台的第一、第二支臂末端紧固，上动平台的中心轴和下动平台的中心孔通过转动副配合，上动平台中心轴末端与执行器紧固，第一连接转动件(7-5)、第二连接转动件(7-6)分别与上动平台的第一、第二支臂末端通过转动副配合；所述第一固定转动件(7-4)、第一连接转动件(7-5)、第二连接转动件(7-6)和第二固定转动件(7-7)分别与四条支链的另一端通过转动副配合。
所述动平台(7)还包括增速器模块(7-8)，该增速器模块由密封外壳和位于外壳内的行星轮系结构组成；其中，密封外壳顶部与下动平台(7-2)紧固，行星轮系结构的输入轴与上动平台(7-1)紧固，行星轮系结构的输出轴与执行器(7-3)紧固。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明动平台部件中的上动平台相对下动平台具有一维转动自由度，上动平台和下动平台共同具有的三维移动自由度。动平台部件具有结构简单、紧凑和运动灵活等特点。动平台部件和平行四边形部件作为单独部件，可以整体替换，模块化程度高。本发明整体为并联机构，具有刚度高、精度高、动力学性能好等优点。
本发明上动平台和下动平台之间可以加入增速器模块，实现角度放大功能，因此，上动平台相对下动平台只需要转动较小的角度即可实现大角度输出，使得结构更加紧凑。另外，增速器模块可实现密封润滑，具有传动精度和效率高等特点。
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的丝杠滑块驱动装置结构示意图；
图3为本发明实施例1的动平台结构示意图；
图4为本发明实施例2的结构示意图；
图5为本发明实施例2的动平台结构示意图。
具体实施方式
本发明提出的一种可实现三维平动和一维转动的高速并联装置结合附图及实施例详细说明如下：
实施例1：
本实施例的一种可实现三维平动和一维转动的高速并联装置的结构如图1所示，包括定平台1、安装执行器的动平台7以及第一支链I、第二支链II、第三支链III、第四支链IV，所述四条支链相对定平台1呈圆周对称布置，该四条支链分别连接于定平台1和动平台7之间，并与该定平台1和动平台7构成空间闭环机构。
所述定平台1由呈十字型排布的四个相同的L型支臂构成，定平台各个支臂底部与相应支链连接处均设置成斜截面；
所述第一支链I、第二支链II、第三支链III和第四支链IV结构相同，如图1所示，以第一支链I为例，包括：丝杠滑块驱动装置2、连接块3、第一小臂短杆4a、第二小臂短杆4b、第一小臂横杆5a、第二小臂横杆5b、第一小臂长杆6a、第二小臂长杆6b以及运动副；各零部件的装配关系为：丝杠滑块驱动装置2与连接块3紧固，连接块3和第一小臂短杆4a紧固，第一小臂短杆4a两端分别与第一小臂长杆6a、第二小臂长杆6b的上端通过球面配合，第一小臂长杆6a、第二小臂长杆6b的下端分别与第二小臂短杆4b两端通过球面配合，第一小臂横杆5a两端分别与第一小臂长杆6a、第二小臂长杆6b的中上端通过转动副配合，第一小臂长杆6a、第二小臂长杆6b的中下端与第二小臂横杆5b的两端通过转动副配合。通过以上装配关系，保证第一小臂短杆4a、第二小臂短杆4b、第一小臂长杆6a、第二小臂长杆6b组成平行四边形。第一小臂横杆5a、第二小臂横杆5b为弹性结构，安装状态为预紧拉伸状态。所述运动副有8个，一个是第一小臂短杆4a一端与第一小臂长杆6a之间的球副S，一个是第一小臂短杆4a另一端与第二小臂长杆6b之间的球副S，一个是第一小臂横杆5a一端与第一小臂长杆6a之间的转动副R，一个是第一小臂横杆5a另一端与第二小臂长杆6b之间的转动副R，一个是第二小臂横杆5b一端与第一小臂长杆6a之间的转动副R，一个是第二小臂横杆5b另一端与第二小臂长杆6b之间的转动副R，一个是第二小臂短杆4b一端与第一小臂长杆6a之间的球副S，一个是第二小臂短杆4b另一端与第二小臂长杆6b之间的球副S。
所述丝杠滑块驱动装置2如图2所示，包括：电机2-1、电机座2-2、联轴器架2-3、丝杠基座2-4、输出滑块2-5、丝杠2-6以及运动副；所述各部件的装配关系为(详见图2，局部见图1)：电机座2-2与联轴器架2-3通过螺钉连接、联轴器架2-3与丝杠基座2-4通过螺钉连接，电机2-1通过螺栓紧固在电机座2-2上，丝杠2-6与丝杠基座2-4通过轴承配合形成转动副，输出滑块2-5与丝杠2-6通过螺纹配合形成移动副，输出滑块2-5与连接块3通过螺钉紧固；所述运动副有2个，一个是位于丝杠基座2-4和丝杠2-6之间的转动副，一个是位于丝杠2-6和输出滑块2-5之间的移动副；所述2个运动副中，位于丝杠基座2-4和丝杠2-6之间的转动副是被电机2-1驱动的。
所述动平台7的结构如图3所示，包括上动平台7-1和下动平台7-2，执行器7-3，以及两个固定转动件(7-4、7-7)和两个连接转动件(7-5、7-6)；上动平台7-1两个支臂末端分别设置一个连接转动件(7-5、7-6)、上动平台7-1两支臂汇交点设有中心轴，下动平台7-2两个支臂末端分别设置一个固定连接件(7-4、7-7)、下动平台7-2两支臂汇交点设有中心孔；各零件的装配关系为：第一固定转动件7-4与下动平台7-2的第一支臂末端紧固，第二固定转动件7-7与下动平台7-2的第二支臂末端紧固，上动平台7-1的中心轴和下动平台7-2的中心孔通过转动副配合，上动平台7-1中心轴末端与执行器7-3紧固，第一连接转动件7-5与上动平台7-1的第一支臂末端通过转动副配合，第二连接转动件7-6与上动平台7-1的第二支臂末端通过转动副配合。
定平台1、动平台7、四个丝杠滑块驱动装置2以及第一支链I、第二支链II、第三支链III、第四支链IV的总体装配关系为：第一支链I、第二支链II、第三支链III、第四支链IV上端分别通过丝杠滑块驱动装置中的丝杠基座2-4与定平台1中相应的L型支臂底部的斜截面通过螺钉紧固，第一支链I、第二支链II、第三支链III、第四支链IV下端的第二小臂短杆4b分别和动平台7中的第一固定转动件7-4、第一转动件连接件7-5、第二转动件连接件7-6和第二固定转动件7-7通过转动副配合。
综上，本发明通过控制四个丝杠滑块驱动装置的输出移动，可以实现上动平台的三个平动自由度和一个转动自由度，将上动平台的中心轴作为输出端连接执行器，可实现执行器的三维平动及一维转动运动。
实施例2：
本实施例的一种可实现三维平动和一维转动的高速并联装置的结构如图4所示，该结构与实施例1不同之处在于动平台7，本实施例的动平台在实施例1所述的动平台基础上增设了增速器模块7-8，如图5所示，该增速器模块由密封外壳和位于外壳内的行星轮系结构组成；其中，密封外壳顶部与下动平台7-2紧固，行星轮系结构的输入轴与上动平台7-1紧固，行星轮系结构的输出轴与执行器7-3紧固。
本发明以典型实施例进行了说明，本领域的技术人员在不超出本发明范围的情况下，可对尺寸和形状做显而易见的变化和修改，以用来适应不同的应用对象和工况条件。
Claims (4)
1.一种可实现三维平动和一维转动的高速并联装置，其特征在于，包括：定平台(1)、安装执行器的动平台(7)以及第一支链(I)、第二支链(II)、第三支链(III)、第四支链(IV)，四条所述支链相对定平台(1)呈圆周对称布置，该四条支链分别连接于定平台(1)和动平台(7)之间，并与定平台(1)和动平台(7)构成空间闭环机构；所述定平台(1)由呈十字型排布的四个相同的L型支臂构成，定平台(1)各个支臂底部与相应支链连接处均设置成斜截面；其中，四条所述支链的上端分别与定平台(1)中相应的L型支臂底部的斜截面紧固，四条所述支链的下端分别与动平台(7)通过转动副配合；
所述动平台(7)包括：上动平台(7-1)和下动平台(7-2)，执行器(7-3)，以及两个固定转动件(7-4、7-7)和两个连接转动件(7-5、7-6)；所述上动平台(7-1)包括两个支臂，在上动平台(7-1)两支臂的汇交点设有中心轴；所述下动平台(7-2)包括两个支臂，在下动平台(7-2)两支臂的汇交点设有中心孔；其中，第一固定转动件(7-4)、第二固定转动件(7-7)分别与下动平台(7-2)的第一、第二支臂末端紧固，上动平台(7-1)的中心轴和下动平台(7-2)的中心孔通过转动副配合，上动平台(7-1)中心轴末端与执行器(7-3)紧固，第一连接转动件(7-5)、第二连接转动件(7-6)分别与上动平台(7-1)的第一、第二支臂末端通过转动副配合；所述第一固定转动件(7-4)、第一连接转动件(7-5)、第二连接转动件(7-6)和第二固定转动件(7-7)分别与四条支链的另一端通过转动副配合。
2.根据权利要求1所述的高速并联装置，其特征在于，所述动平台(7)还包括增速器模块(7-8)，该增速器模块由密封外壳和位于外壳内的行星轮系结构组成；其中，密封外壳顶部与下动平台(7-2)紧固，行星轮系结构的输入轴与上动平台(7-1)紧固，行星轮系结构的输出轴与执行器(7-3)紧固。
3.根据权利要求1所述的高速并联装置，其特征在于，四条所述支链结构相同，均包括：丝杠滑块驱动装置(2)、连接块(3)、两个小臂短杆、两个小臂横杆、两个小臂长杆、以及运动副；其中，所述丝杠滑块驱动装置(2)与连接块(3)紧固，该连接块(3)和第一小臂短杆(4a)紧固，所述两个小臂横杆均为弹性结构，安装状态为预紧拉伸状态；所述运动副有8个：第一小臂短杆(4a)两端分别与第一小臂长杆(6a)、第二小臂长杆(6b)之间的球副S，第一小臂横杆(5a)两端分别与第一小臂长杆(6a)、第二小臂长杆(6b)之间的转动副R，第二小臂横杆(5b)两端分别与第一小臂长杆(6a)、第二小臂长杆(6b)之间的转动副R，第二小臂短杆(4b)两端分别与第一小臂长杆(6a)、第二小臂长杆(6b)之间的球副S。
4.根据权利要求3所述的高速并联装置，其特征在于，所述丝杠滑块驱动装置(2)包括：电机(2-1)、电机座(2-2)、联轴器架(2-3)、丝杠基座(2-4)、输出滑块(2-5)、丝杠(2-6)以及运动副；其中，所述电机座(2-2)与联轴器架(2-3)紧固、该联轴器架(2-3)与丝杠基座(2-4)紧固，所述电机(2-1)与电机座(2-2)紧固，所述输出滑块(2-5)与连接块(3)紧固；所述运动副有2个，一个是位于丝杠基座(2-4)和丝杠(2-6)之间通过轴承配合形成的转动副，一个是位于丝杠(2-6)和输出滑块(2-5)之间通过螺纹配合形成的移动副；位于丝杠基座(2-4)和丝杠(2-6)之间的转动副是被电机(2-1)驱动的；所述丝杠基座(2-4)与定平台(1)中相应的L型支臂底部的斜截面紧固。
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2017
- 2017-05-25 CN CN201710388877.6A patent/CN106976070B/zh active Active
Patent Citations (5)
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