CN107116538A - 一种三转动一移动广义解耦并联机器人机构 - Google Patents

Abstract

一种三转动一移动广义解耦并联机器人机构，它包括基座、动平台以及连接基座和动平台的四个分支，四个分支的一端均布在基座四周，其另一端呈正三角形均布在动平台上，第一和第二分支为同一个连接点，其中第一和第二分支的一端通过移动副与基座连接，其另一端通过转动副与动平台连接，且第一和第二分支与动平台相连的转动副轴线重合，第三和第四分支的一端通过转动副与基座连接，其另一端通过转动副与动平台连接；第一分支中的三个连杆、第二分支中的四个连杆、第三和第四方式中的五个连杆均通过转动副连接。本发明的四个分支的组成各不相同，不同分支间完全解耦，且结构简单、易于控制，能够实现三个转动和一个方向移动的完全解耦。

Description

一种三转动一移动广义解耦并联机器人机构

技术领域

本发明属于机器人领域,特别涉及一种并联机构。

背景技术

传统并联机构具有结构刚度好，承载能力大，累积误差小等特点，使其在机器人、虚拟轴机床、微型机械手领域得到广泛的应用。但由于强耦合性的存在使得并联机构在构型设计、分析计算以及机构控制方面存在诸多困难，一定程度上限制了并联机构的应用。

解耦最初是控制系统中所使用的一个概念，即采用某种结构或寻找合适的控制规律来消除系统中各控制回路之间的相互耦合关系，进而使得输入与输出之间保持一一对应关系，即每一个输入仅控制一个输出，而每一个输出也仅受到唯一一个输入信号的影响。虽然研究者已经发现并应用具有解耦性质的并联机构，但是针对并联机构解耦性的研究非常少，并联机构的解耦研究还未形成系统的理论。经过对现有技术的搜索发现，公开号为CN105108734A的中国专利，公开了一种三转一移完全各向同性并联机器人机构，目的是提供一种一维移动和三维转动四自由度运动输入与输出完全一一对应的并联机构，机构包括结构不同的三个支链，且三个支链中四个驱动运动副分别为移动副(P11)、转动副(Rz)、(R21)、(R32)，具有成本低、运动学和力传递性能良好等优点，可应用于并联机器人、并联机床、微动机器人等场合，但该机构仅含有三个分支，刚度较低，承载能力弱。总体来说，三转动一移动并联机器人机构以相互耦合的居多，而结构简单、控制方便的三转动一移动广义解耦并联机器人机构则仍不多见。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构组成简单、控制方便、能够实现三个转动及一个移动的完全解耦的三转动一移动广义解耦并联机器人机构。

本发明包括基座、动平台以及连接基座和动平台的四个分支，四个分支的一端均布在基座四周，其另一端呈正三角形均布在动平台上，第一和第二分支为同一个连接点，初始状态下三个转动副轴线均垂直于基座，动平台与基座平行；其中第一分支的一端通过移动副与基座连接，第一连杆的一端与第一移动副连接，第一连杆的另一端通过第一转动副与第二连杆的一端连接，第二连杆的另一端通过第二转动副与第三连杆的一端连接，第三连杆的另一端通过第三转动副与动平台连接，其中第一移动副与第一转动副轴线相垂直，第一转动副、第二转动副、第三转动副的转动轴线汇交于一点；

第二分支的一端通过第二移动副与基座连接，第四连杆的一端与第二移动副连接，第四连杆的另一端通过第四转动副与第五连杆的一端连接，第五连杆的另一端通过第五转动副与第六连杆的一端连接，第六连杆的另一端通过第六转动副与第七连杆的一端连接，第七连杆的另一端通过第七转动副与第八连杆的一端连接，第八连杆的另一端通过第八转动副与动平台连接，其中第八转动副与第一分支中的第三转动副轴线重合，其中第二移动副与第四、第八转动副轴线垂直，且与第五、第六、第七转动副的轴线相垂直；

第三分支的一端通过第九转动副与基座连接，第九连杆的一端与第九转动副连接，第九连杆的另一端以及第十、第十一、第十二、第十三连杆依次通过第十、第十一、第十二、第十三转动副连接，第十三连杆的另一端通过第十四转动副与动平台连接，其中第九、第十转动副轴线平行,第十一转动副与第十转动副的轴线垂直，第十二、第十三、第十四转动副轴线平行；

第四分支的一端通过第十五转动副与基座连接，第十四连杆的一端与第十五转动副连接，第十四连杆的另一端以及第十五、第十六、第十七、第十八连杆依次通过第十六、第十七、第十八、第十九转动副连接，第十八连杆的另一端通过第二十转动副与动平台连接，其中第十五、第十六、第十七转动副的轴线相互平行，第十八、第十九转动副的轴线相互平行；

所述第一分支的第一移动副与第二分支的第二移动副的轴线相互平行，第三分支的第九转动副与第四分支的第十五转动副的轴线相互平行，且与上述第一、第二移动副轴线相互垂直；所述第一分支的第三转动副与第二分支的第八转动副的轴线重合。

上述四个分支的组成各不相同，不同分支间完全解耦。

在第一分支的第一移动副处设丝杠及驱动电机，电机固连在基座上，且其移动轴线与第一移动副轴线共线；在第二分支的第四转动副处设驱动电机，电机固连在第四连杆上，且其移动轴线与第二移动副轴线共线；在第三分支的第十一转动副处设驱动电机，电机固连在第三分支的第十一连杆上，且其转动轴线与第三分支的第十一转动副轴线共线；在第四分支的第二十转动副处设驱动电机，电机固连在十八连杆上，且其转动轴线与第四分支的第二十转动副轴线共线。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

刚度大、精度高、结构简单、轻便，解耦运动通过转动副或移动副来实现，即克服了传统三转动一移动并联机构控制复杂、强耦合性、分析计算繁琐的缺点，又保留了并联机构强度高、稳定性好的优点。

附图说明

图1为本发明的立体示意简图。

图中：1-第一连杆、2-第二连杆、3-第三连杆、4-第四连杆、5-第五连杆、6-第六连杆、7-第七连杆、8-第八连杆、9-第九连杆、10-第十连杆、11-第十一连杆、12-第十二连杆、13-第十三连杆、14-第十四连杆、15-第十五连杆、16-第十六连杆、17-第十七连杆、18-第十八连杆、19-动平台、20-基座。

具体实施方式

在图1所示的三转动一移动广义解耦并联机器人机构示意图中，四个分支的一端均布在基座20四周，其另一端呈正三角形均布在动平台19上，第一和第二分支为同一个连接点，初始状态下三个转动副轴线均垂直于基座，动平台与基座平行；其中第一分支的一端通过移动副P1与基座连接，第一连杆1的一端与第一移动副P1连接，第一连杆的另一端通过第一转动副R1与第二连杆2的一端连接，第二连杆的另一端通过第二转动副R2与第三连杆3的一端连接，第三连杆的另一端通过第三转动副R3与动平台连接，其中第一移动副与第一转动副轴线相垂直，第一转动副、第二转动副、第三转动副的转动轴线汇交于一点；

第二分支的一端通过第二移动副P2与基座连接，第四连杆4的一端与第二移动副P2连接，第四连杆的另一端通过第四转动副R4与第五连杆5的一端连接，第五连杆的另一端通过第五转动副R5与第六连杆6的一端连接，第六连杆的另一端通过第六转动副R6与第七连杆7的一端连接，第七连杆的另一端通过第七转动副R7与第八连杆8的一端连接，第八连杆的另一端通过第八转动副R8与动平台连接，第八转动副R8与第一分支中的第三转动副R3轴线重合，其中第二移动副P2与第四转动副R4、第八转动副R8轴线垂直，且与第五转动副R5、第六转动副R6、第七转动副R7的轴线相垂直；

第三分支的一端通过第九转动副R9与基座连接，第九连杆9的一端与第九转动副R9连接，第九连杆的另一端以及第十连杆10、第十一连杆11、第十二连杆12、第十三连杆13依次通过第十转动副R10、第十一转动副R11、第十二转动副R12、第十三转动副R13连接，第十三连杆的另一端通过第十四转动副R14与动平台连接，其中第九转动副R9、第十转动副轴R10线平行,第十一转动R11副与第十转动副R10的轴线垂直，第十二转动副R12、第十三转动副R13、第十四转动副R14轴线平行；

第四分支的一端通过第十五转动副R15与基座连接，第十四连杆14的一端与第十五转动副R15连接，第十四连杆的另一端以及第十五连杆15、第十六连杆16、第十七连杆17、第十八连杆18依次通过第十六转动副R16、第十七转动副R17、第十八转动副R18、第十九转动副R19连接，第十八连杆的另一端通过第二十转动副R20与动平台连接，其中第十五转动副R15、第十六转动副R16、第十七转动副R17的轴线相互平行，第十八转动副R18、第十九转动副R19的轴线相互平行；

所述第一分支的第一移动副P1与第二分支的第二移动副P2的轴线相互平行，第三分支的第九转动副R9与第四分支的第十五转动副R15的轴线相互平行，且与上述第一移动副P1、第二移动副P2轴线相互垂直；所述第一分支的第三转动副R3与第二分支的第八转动副R8的轴线重合。

上述四个分支的组成各不相同，不同分支间完全解耦。

在第一分支的第一移动副P1处设丝杠及驱动电机，电机固连在基座上，且其移动轴线与第一移动副P1轴线共线；在第二分支的第四转动副R4处设驱动电机，电机固连在第四连杆上，且其移动轴线与第二移动副P2轴线共线；在第三分支的第十一转动副R11处设驱动电机，电机固连在第三分支的第十一连杆上，且其转动轴线与第三分支的第十一转动副R11轴线共线；在第四分支的第二十转动副R12处设驱动电机，电机固连在十八连杆上，且其转动轴线与第四分支的第二十转动副R20轴线共线。通过控制与第一移动副P1、第四转动副R4、第十一转动副R11、第二十转动副R20的轴线分别共线的四个驱动电机，动平台就可实现三个转动及一个移动，且三个转动和一个移动四个自由度完全解耦。

Claims (3)

1.一种三转动一移动广义解耦并联机器人机构，它包括基座、动平台以及连接基座和动平台的四个分支，其特征在于：所述四个分支的一端均布在基座四周，其另一端呈正三角形均布在动平台上，第一和第二分支为同一个连接点，初始状态下三个转动副轴线均垂直于基座，动平台与基座平行；其中第一分支的一端通过移动副与基座连接，第一连杆的一端与第一移动副连接，第一连杆的另一端通过第一转动副与第二连杆的一端连接，第二连杆的另一端通过第二转动副与第三连杆的一端连接，第三连杆的另一端通过第三转动副与动平台连接，其中第一移动副与第一转动副轴线相垂直，第一转动副、第二转动副、第三转动副的转动轴线汇交于一点；

第二分支的一端通过第二移动副与基座连接，第四连杆的一端与第二移动副连接，第四连杆的另一端通过第四转动副与第五连杆的一端连接，第五连杆的另一端通过第五转动副与第六连杆的一端连接，第六连杆的另一端通过第六转动副与第七连杆的一端连接，第七连杆的另一端通过第七转动副与第八连杆的一端连接，第八连杆的另一端通过第八转动副与动平台连接，第八转动副与第一分支中的第三转动副轴线重合，其中第二移动副与第四、第八转动副轴线垂直，且与第五、第六、第七转动副的轴线相垂直；

第三分支的一端通过第九转动副与基座连接，第九连杆的一端与第九转动副连接，第九连杆的另一端以及第十、第十一、第十二、第十三连杆依次通过第十、第十一、第十二、第十三转动副连接，第十三连杆的另一端通过第十四转动副与动平台连接，其中第九、第十转动副轴线平行,第十一转动副与第十转动副的轴线垂直，第十二、第十三、第十四转动副轴线平行且与第十一和第十转动副轴向垂直；

第四分支的一端通过第十五转动副与基座连接，第十四连杆的一端与第十五转动副连接，第十四连杆的另一端以及第十五、第十六、第十七、第十八连杆依次通过第十六、第十七、第十八、第十九转动副连接，第十八连杆的另一端通过第二十转动副与动平台连接，其中第十五、第十六、第十七转动副的轴线相互平行，第十八、第十九转动副的轴线相互平行。

2.根据权利要求1所述的三转动一移动广义解耦并联机器人机构，其特征在于：所述第一分支的第一移动副与第二分支的第二移动副的轴线相互平行，第三分支的第九转动副与第四分支的第十五转动副的轴线相互平行，且与上述第一、第二移动副轴线相互垂直；所述第一分支的第三转动副与第二分支的第八转动副的轴线重合。

3.根据权利要求1所述的三转动一移动广义解耦并联机器人机构，其特征在于：在第一分支的第一移动副处设丝杠及驱动电机，电机固连在基座上，且其移动轴线与第一移动副轴线共线；在第二分支的第四转动副处设驱动电机，电机固连在第四连杆上，且其移动轴线与第二移动副轴线垂直；在第三分支的第十一转动副处设驱动电机，电机固连在第三分支的第十一连杆上，且其转动轴线与第三分支的第十一转动副轴线共线；在第四分支的第二十转动副处设驱动电机，电机固连在十八连杆上，且其转动轴线与第四分支的第二十转动副轴线共线。