CN107116539B - 一种转轴汇交的三转动二移动广义解耦并联机器人机构 - Google Patents

Abstract

一种转轴汇交的三转动二移动广义解耦并联机器人机构，其包括基座、动平台以及连接基座和动平台的五个分支，其中基座上设置五个连接支架，第一、第二、第四和第五支架均匀分布在基座四周，第三支架设置在基座中间，动平台底面上均匀布置三个连接支架；第一分支为PPRRR分支、第二分支为PRRRRR分支、第三分支为PRRRRR分支、第四分支为RRRRPR分支、第五分支为RRRPPP分支，五个分支通过运动副间的轴线约束关系实现完全解耦。本发明强度高、结构紧凑、稳定性好，实现了球面三自由度转动和平行于基座平面两自由度移动五自由度运动学上的完全解耦，克服了传统五自由度并联机构控制复杂、强耦合性、分析计算繁琐等缺点。

Description

一种转轴汇交的三转动二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器人机构。

背景技术

并联机构通常由动平台和定平台通过多条支链连接而成，与串联机构相比，其具有结构紧凑、刚度好、承载能力大、累积误差小等优点，使其在运动模拟器、并联机床、机器人、调姿调向装置等领域得到广泛的应用。但是并联机构为完成期望运动输出通常需要所有驱动构件相互协调运动，这给控制带来很大的麻烦。并联机构存在的耦合性，使得其在构型设计、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。特别是五自由度并联机构，大多数不具有解耦特征，控制较为复杂。

解耦并联机构可以实现运动解耦，并且机构解耦程度越高其运动学、动力学分析越简单易解，可极大简化机器人的控制与轨迹规划问题。经过对现有技术的检索发现，公开号为CN104942829A的中国专利公开了一种二移动三转动五自由度转动移动完全解耦并联机构，该机构包括由动平台、基座以及三条支链组成，支链的一端均与基座活动连接，另一端与动平台转动连接；三条支链均为双转动自由度支链，其中至少两条支链与基座二维活动连接。该机构仅含有三个分支，刚度较低，承重能力不高；动平台被支链包围，空间狭小，不利于放置大型目标运动物。克服现有机构的弊端，解决存在的转动耦合问题，提出结构功能各异的新型机构是机构学发展的基本要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种承载力大、易于控制、能够实现三个转动和两个移动五自由度完全解耦的转轴汇交的三转动二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五个分支，其中基座上设置五个连接支架，第一、第二、第四和第五支架均匀分布在基座四周，第三支架设置在基座中间，第一和第二支架呈对角布置，第四和第五支架呈对角布置，动平台底面上均匀布置三个连接支架；

第一分支为PPRRR分支，其中第一连杆的一端通过第一移动副与基座的第一支架连接，第一连杆另一端与第二、第三和第四连杆依次通过第二移动副、第一和第二转动副连接，第四连杆的另一端通过垂直于动平台的第三转动副与动平台的第一支架连接；

第二分支为PRRRRR分支，其中第一连杆的一端通过第一移动副与基座的第二支架连接，第一连杆的另一端与第二、第三、第四和第五连杆依次通过第一、第二、第三、第四转动副连接，第五连杆的另一端通过垂直于动平台的第五转动副与动平台的第一支架连接；

第三分支为PRRRRR分支，其中第一连杆的一端通过第一移动副与基座的第三支架连接，第一连杆的另一端与第二、第三、第四和第五连杆依次通过第一、第二、第三、第四转动副连接，第五连杆的另一端通过垂直于动平台的第五转动副与动平台的第一支架连接；

第四分支为RRRRPR分支，其中第一连杆的一端通过第一转动副与基座的第四支架连接，第一连杆的另一端与第二、第三、第四和第五连杆依次通过第二、第三、第四转动副和第一移动副连接，第五连杆的另一端通过垂直于动平台的第五转动副与动平台的第二支架连接；

第五分支为RRRPPP分支，其中第一连杆的一端通过第一转动副与基座的第五支架连接，第一连杆的另一端与第二、第三、第四和第五连杆依次通过第二和第三转动副以及第一和第二移动副连接，第五连杆的另一端通过垂直于动平台的第三移动副与动平台的第三支架连接；

所述第一分支中的第二移动副的移动方向与第一移动副的移动方向相互垂直且平行于基座平面，第一转动副轴线垂直于第一移动副的移动方向且平行于第二移动副的移动方向，第一转动副、第二转动副和第三转动副轴线共同汇交于一点，该点即为转动中心，可实现球面转动，初始条件下此三者间相互垂直；其余四个不同分支以第一分支为依据，进行自由度规划并综合出分支构型；

所述第二分支中的第一移动副的移动方向与第一分支的第二移动副的移动方向平行，第一、第二和第三转动副轴线相互平行，并共同平行于第一分支中的第一转动副轴线，第四转动副轴线与第一分支中的第二转动副轴线重合，第五转动副轴线与第一分支中第三转动副轴线重合；

所述第三分支中的第一移动副移动方向与第一分支中的第二移动副移动方向平行，第一转动副和第二转动副轴线相互平行，并共同平行于第一分支中第一转动副轴线，第三和第四转动副轴线相互平行，并共同平行于第一分支中第二转动副轴线，第五转动副轴线与第一分支的第三转动副和第二分支的第五转动副轴线重合；

所述第四分支中的第一、第二和第三转动副轴线相互平行，并共同平行于第一分支中第一转动副轴线，第四转动副轴线与第一分支中第二转动副轴线平行，第一移动副移动方向与第一分支中的第一转动副转轴平行，第五转动副轴线与第一分支的第三转动副轴线平行；

所述第五分支中的第一转动副轴线和第一移动副移动方向相互平行，并共同平行于第一分支中第一转动副轴线，第二转动副的轴线和第二移动副的移动方向相互平行，并共同平行于第一分支中第二转动副的轴线，第三转动副的轴线和第三移动副的移动方向相互平行，并共同平行于第一分支中第三转动副的轴线；

所述第一和第二分支的第一移动副移动方向相互垂直并共同平行于基座，第四和第五分支的第一转动副轴线相互平行且共同平行于基座，第三分支的第一移动副移动方向与第二分支的第一移动副方向平行；与动平台三个支架连接的每个分支的转动副轴线和移动副移动方向均垂直于基座，初始状态下动平台与基座平行。

所述第一分支的第一移动副处设有驱动电机，其运动量表示该机构第一移动自由度的输出参数；第二分支的第一移动副处设有驱动电机，其运动量表示该机构第二移动自由度的输出参数；第三分支的第一转动副处设有驱动电机，其运动量表示该机构第一转动自由度的输出参数；第四分支的第四转动副处设有驱动电机，其运动量表示该机构第二转动自由度的输出参数；第五分支的第三转动副处设有驱动电机，其运动量表示该机构第三转动自由度的输出参数。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

在保留了并联机构强度高、结构紧凑、稳定性好等优点的基础上，实现了空间三转动方向和平行于基座的平面两移动方向五自由度运动学上的完全解耦，克服了传统五自由度并联机构控制复杂、强耦合性、分析计算繁琐等缺点。

附图说明

图1为本发明的立体示意简图。

图2为本发明第一分支结构示意简图。

图中：1-第一分支、1-1-第一连杆、1-2-第二连杆、1-3-第三连杆、1-4-第四连杆、2-第二分支、2-1-第一连杆、2-2-第二连杆、2-3-第三连杆、2-4-第四连杆、2-5-第五连杆、3-第三分支、3-1-第一连杆、3-2-第二连杆、3-3-第三连杆、3-4-第四连杆、3-5-第五连杆、4-第四分支、4-1-第一连杆、4-2-第二连杆、4-3-第三连杆、4-4-第四连杆、4-5-第五连杆、5-第五分支、5-1-第一连杆、5-2-第二连杆、5-3-第三连杆、5-4-第四连杆、5-5第五连杆、6-动平台、6-1-第一支架、6-2-第二支架、6-3-第三支架、7-基座、7-1-第一支架、7-2-第二支架、7-3-第三支架、7-4-第四支架、7-5-第五支架。

具体实施方式

在图1和图2所示的转轴汇交的三转动二移动广义解耦并联机器人机构示意图中，基座7上设置五个连接支架，第一支架7-1、第二支架7-2、第四支架7-4和第五支架7-5均匀分布在基座四周，第三支架7-3设置在基座中间，第一和第二支架呈对角布置，第四和第五支架呈对角布置，动平台6底面上均匀布置第一支架6-1、第二支架6-2和第三支架6-3；

第一分支1为PPRRR分支，其中第一连杆1-1的一端通过第一移动副P1与基座的第一支架连接，第一连杆另一端通过第二移动副P2与第二连杆1-2的一端连接，第二连杆的另一端通过第一转动副R1与第三连杆1-3的一端连接，第三连杆的另一端通过第二转动副R2与第四连杆1-4的一端连接，第四连杆的另一端通过垂直于动平台的第三转动副R3与动平台的第一支架连接；

所述第一分支中的第二移动副P2的移动方向与第一移动副R1的移动方向相互垂直且平行于基座平面，第一转动副R1转轴垂直于第一移动副P1的移动方向且平行于第二移动副P2的移动方向，第一转动副R1、第二转动副R2和第三转动副R3轴线共同汇交于一点，该点即为转动中心O'，可实现球面转动，初始条件下此三者间相互垂直；其余四个不同分支以基分支为依据，进行自由度规划并综合出分支构型；

第二分支2为PRRRRR分支，其中第一连杆2-1的一端通过第一移动副P3与基座的第二支架连接，第一连杆的另一端通过第一转动副R4与第二连杆2-2的一端连接，第二连杆的另一端通过第二转动副R5与第三连杆2-3的一端连接，第三连杆的另一端通过第三转动副R6与第四连杆2-4的一端连接，第四连杆的另一端通过第四转动副R7和第五连杆2-5的一端连接，第五连杆的另一端通过垂直于动平台的第五转动副R8与动平台的第一支架连接；

所述第二分支中的第一移动副P3的移动方向与第一分支的第二移动副P2的移动方向平行，第一转动副R4、第二转动副R5和第三转动副R6轴线相互平行，并共同平行于第一分支中的第一转动副R1轴线，第四转动副R7轴线与第一分支中的第二转动副R2轴线重合，第五转动副R8轴线与第一分支中第三转动副R3轴线重合；

第三分支3为PRRRRR分支，其中第一连杆3-1的一端通过第一移动副P4与基座的第三支架连接，第一连杆的另一端通过第一转动副R9与第二连杆3-2的一端连接，第二连杆的另一端通过第二转动副R10与第三连杆3-3的一端连接，第三连杆的另一端通过第三转动副R11与第四连杆3-4的一端连接，第四连杆的另一端通过第四转动副R12和第五连杆3-5连接，第五连杆的另一端通过垂直于动平台的第五转动副R13与动平台的第一支架连接；

所述第三分支中的第一移动副P4移动方向与第一分支中的第二移动副P2移动方向平行，第一转动副R9和第二转动副R10轴线相互平行，并共同平行于第一分支中第一转动副R1轴线，第三转动副R11和第四转动副R12轴线相互平行，并共同平行于第一分支中第二转动副R2轴线，第五转动副R13轴线与第一分支的第三转动副R3和第二分支的第五转动副R8轴线重合；

第四分支4为RRRRPR分支，其中第一连杆4-1的一端通过第一转动副R14与基座的第四支架连接，第一连杆的另一端通过第二转动副R15与第二连杆4-2的一端连接，第二连杆的另一端通过第三转动副R16与第三连杆4-3的一端连接，第三连杆的另一端通过第四转动副R17与第四连杆4-4的一端连接，第四连杆的另一端通过第一移动副P5与第五连杆4-5连接，第五连杆的另一端通过垂直于动平台的第五转动副R18与动平台的第二支架连接；

所述第四分支中的第一转动副R14、第二转动副R15和第三转动副R16轴线相互平行，并共同平行于第一分支中第一转动副R1轴线，第四转动副R17轴线与第一分支中第二转动副R2轴线平行，第一移动副P5移动方向与第一分支中的第一转动副R1轴线平行，第五转动副R18轴线与第一分支的第三转动副R3轴线平行；

第五分支5为RRRPPP分支，其中第一连杆5-1的一端通过第一转动副R19与基座的第五支架连接，第一连杆的另一端通过第二转动副R20与第二连杆5-2的一端连接，第二连杆的另一端通过第三转动副R21与第三连杆5-3的一端连接，第三连杆的另一端通过第一移动副P6与第四连杆5-4的一端连接，第四连杆的另一端通过第二移动副P7与第五连杆5-5的一端连接，第五连杆的另一端通过垂直于动平台的第三移动副P8与动平台的第三支架连接；

所述第五分支中的第一转动副R19轴线和第一移动副P6移动方向相互平行，并共同平行于第一分支中第一转动副R1轴线，第二转动副R20的轴线和第二移动副P7的移动方向相互平行，并共同平行于第一分支中第二转动副R2的轴线，第三转动副R21的轴线和第三移动副P8的移动方向相互平行，并共同平行于第一分支中第三转动副R3的轴线。

所述第一和第二分支的第一移动副P1、P3移动方向相互垂直并共同平行于基座，第四和第五分支的第一转动副R14、R19轴线相互平行且共同平行于基座，第三分支的第一移动副P4移动方向与第二分支的第一移动副P3方向平行；与动平台三个支架连接的每个分支的转动副轴线R3、R8、R13、R18和移动副P8移动方向均垂直于基座，初始状态下动平台与基座平行。

所述第一分支的第一移动副P1处设有驱动电机，其运动量表示该机构第一移动自由度的输出参数；第二分支的第一移动副P3处设有驱动电机，其运动量表示该机构第二移动自由度的输出参数；第三分支的第一转动副R9处设有驱动电机，其运动量表示该机构第一转动自由度的输出参数；第四分支的第四转动副R17处设有驱动电机，其运动量表示该机构第二转动自由度的输出参数；第五分支的第三转动副R21处设有驱动电机，其运动量表示该机构第三转动自由度的输出参数；

空间直角坐标系O_XYZ固定于基座，其中Z轴垂直于基座平面，X轴和Y轴共同平行于基座平面。通过控制这五个驱动电机，可实现动平台以点O'为中心绕X轴、Y轴和Z轴轴线的球面三自由度转动和沿X轴和Y轴方向的平面两自由度移动，且此五自由度运动是完全解耦的，即动平台的三维转动特征仅与转动副有关并一一对应，动平台的二维移动特征仅与移动副有关并一一对应。

Claims (3)

1.一种转轴汇交的三转动二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五个分支，其特征在于：所述基座上设置五个支架，第一、第二、第四和第五支架均匀分布在基座四周，第三支架设置在基座中间，第一和第二支架呈对角布置，第四和第五支架呈对角布置，动平台底面上均匀布置三个支架；

第一分支为PPRRR分支，其中第一连杆的一端通过第一移动副与基座的第一支架连接，第一连杆另一端与第二、第三和第四连杆依次通过第二移动副、第一和第二转动副连接，第四连杆的另一端通过垂直于动平台的第三转动副与动平台的第一支架连接；

第二分支为PRRRRR分支，其中第一连杆的一端通过第一移动副与基座的第二支架连接，第一连杆的另一端与第二、第三、第四和第五连杆依次通过第一、第二、第三、第四转动副连接，第五连杆的另一端通过垂直于动平台的第五转动副与动平台的第一支架连接；

第三分支为PRRRRR分支，其中第一连杆的一端通过第一移动副与基座的第三支架连接，第一连杆的另一端与第二、第三、第四和第五连杆依次通过第一、第二、第三、第四转动副连接，第五连杆的另一端通过垂直于动平台的第五转动副与动平台的第一支架连接；

第四分支为RRRRPR分支，其中第一连杆的一端通过第一转动副与基座的第四支架连接，第一连杆的另一端与第二、第三、第四和第五连杆依次通过第二、第三、第四转动副和第一移动副连接，第五连杆的另一端通过垂直于动平台的第五转动副与动平台的第二支架连接；

第五分支为RRRPPP分支，其中第一连杆的一端通过第一转动副与基座的第五支架连接，第一连杆的另一端与第二、第三、第四和第五连杆依次通过第二和第三转动副以及第一和第二移动副连接，第五连杆的另一端通过垂直于动平台的第三移动副与动平台的第三支架连接。

2.根据权利要求1所述的转轴汇交的三转动二移动广义解耦并联机器人机构，其特征在于：所述第一分支中的第二移动副的移动方向与第一移动副的移动方向相互垂直且平行于基座平面，第一转动副轴线垂直于第一移动副的移动方向且平行于第二移动副的移动方向，第一转动副、第二转动副和第三转动副轴线共同汇交于一点，该点即为转动中心，可实现球面转动，初始条件下此三者间相互垂直；其余四个不同分支以第一分支为依据，进行自由度规划并综合出分支构型；

所述第二分支中的第一移动副的移动方向与第一分支的第二移动副的移动方向平行，第一、第二和第三转动副轴线相互平行，并共同平行于第一分支中的第一转动副轴线，第四转动副轴线与第一分支中的第二转动副轴线重合，第五转动副轴线与第一分支中第三转动副轴线重合；

所述第三分支中的第一移动副移动方向与第一分支中的第二移动副移动方向平行，第一转动副和第二转动副轴线相互平行，并共同平行于第一分支中第一转动副轴线，第三和第四转动副轴线相互平行，并共同平行于第一分支中第二转动副轴线，第五转动副轴线与第一分支的第三转动副和第二分支的第五转动副轴线重合；

所述第四分支中的第一、第二和第三转动副轴线相互平行，并共同平行于第一分支中第一转动副轴线，第四转动副轴线与第一分支中第二转动副轴线平行，第一移动副移动方向与第一分支中的第一转动副转轴平行，第五转动副轴线与第一分支的第三转动副轴线平行；

所述第五分支中的第一转动副轴线和第一移动副移动方向相互平行，并共同平行于第一分支中第一转动副轴线，第二转动副的轴线和第二移动副的移动方向相互平行，并共同平行于第一分支中第二转动副的轴线，第三转动副的轴线和第三移动副的移动方向相互平行，并共同平行于第一分支中第三转动副的轴线；

所述第一和第二分支的第一移动副移动方向相互垂直并共同平行于基座，第四和第五分支的第一转动副轴线相互平行且共同平行于基座，第三分支的第一移动副移动方向与第二分支的第一移动副方向平行；与动平台三个支架连接的每个分支的转动副轴线和移动副移动方向均垂直于基座，初始状态下动平台与基座平行。

3.根据权利要求1所述的转轴汇交的三转动二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处设有驱动电机，其运动量表示该机构第一移动自由度的输出参数；第二分支的第一移动副处设有驱动电机，其运动量表示该机构第二移动自由度的输出参数；第三分支的第一转动副处设有驱动电机，其运动量表示该机构第一转动自由度的输出参数；第四分支的第四转动副处设有驱动电机，其运动量表示该机构第二转动自由度的输出参数；第五分支的第三转动副处设有驱动电机，其运动量表示该机构第三转动自由度的输出参数。