CN107618023A - 一种轻型三自由度平移运动并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轻型三自由度平移运动并联机构，包括与机架固连的固定件、驱动件、若干连杆以及末端执行器，若干连杆组成的机构与驱动件的控制共同作用消除了末端执行器绕x,y,z轴的旋转运动，使其只能沿x,y,z方向进行平移运动。该机械机构仅有三处与机架固定的固定件并安装在同一水平面上，而且整个机构可以通过驱动件的伸长和缩短来调整整个机构所占用的空间体积，相比丝杆滑块机构具有轻型的特点。该机构用在环境检测无人艇上能够满足海水采样瓶所要求的一直保持水平的采样动作。

Description

一种轻型三自由度平移运动并联机构

技术领域

本发明涉及一种轻型三自由度平移运动并联机构。

背景技术

在无人艇的水质采样应用中需要将采样瓶置入海水中，采样后将采样瓶回收并将采样瓶移动到保存水样的冰箱，在整个采样过程中需要采样瓶保持水平，这就需要用到三自由度的平移运动机构。要完成三个自由度的平移运动，一般使用的是三个方向布置的丝杆滑块机构。但是这样的布置所占用的空间体积相当于三个方向上运动的幅度的乘积，这样的占用体积较大，不利于无人艇的小型化。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提出了一种轻型三自由度平移运动并联机构。这种并联机构只需在三处与机架进行固定，极大简化了安装问题，并且在使用完毕后可以通过收缩连杆的长度来最小化整个机构所占用的空间。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种轻型三自由度平移运动并联机构，包括与机架固连的固定件、驱动件、若干连杆以及末端执行器，若干连杆组成的机构与驱动件的控制共同作用消除了末端执行器绕x,y,z轴的旋转运动，使其只能沿x,y,z方向进行平移运动。

所述固定件包括第一球铰、第二球铰和铰链，三者的安装高度处于同一水平高度上，所述铰链位于第一球铰和第二球铰连线的垂直平分线上。

所述驱动件包括四个驱动件，分别为第一直线驱动副、第二直线驱动副、第三直线驱动副、第四直线驱动副，其中，第一直线驱动副的固定端与第一球铰之间，以及第二直线驱动副的固定端与第二球铰之间均设置有球铰副，而第三直线驱动副和第四直线驱动副两者中可任意选择一个作为主动驱动副另一个作为被动驱动副。

所述若干连杆为多个完成三自由度平移运动所需的连杆，包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆，其中第一连杆与铰链、第三直线驱动副的固定端和第四直线驱动副的固定端之间均设置有转动副，第二连杆与第三直线驱动副的伸缩端和第四直线驱动副的伸缩端之间均设置有转动副，第三连杆与第三直线驱动副的伸缩端和第四直线驱动副的伸缩端之间均设置有转动副，第四连杆与第一直线驱动副的伸缩端和第二直线驱动副的伸缩端之间均设置有转动副。

所述末端执行器与第三连杆之间设置有转动副，与第四连杆之间既设置有转动副又设置有移动副；不加任何约束的末端执行器在空间中有六个自由度，包括三个自由度的平移运动和三个自由度的旋转运动，通过上述部件组成的机构能消除末端执行器的三个自由度的旋转运动。

与现有技术相比，本发明具有如下的优点：

本发明的并联机构仅有三处与机架固定的固定件并安装在同一水平面上，而且整个机构可以通过驱动件的伸长和缩短来调整整个机构所占用的空间体积，相比丝杆滑块机构具有轻型的特点。消除了末端执行器三个自由度的旋转运动，从而实现了三自由度平移运动，该机构用在环境检测无人艇上能够满足海水采样瓶所要求的一直保持水平的采样动作。

附图说明

图1是本发明的轻型三自由度平移运动的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施例做进一步的说明。

如图1所示，为叙述方便，在图中建立坐标系，将连杆301的长度方向视为x轴方向，将球铰101和球铰102的连线方向视为z轴方向，然后根据笛卡尔坐标系确定y轴方向。

一种轻型三自由度平移运动并联机构，包括与机架固连的固定件101-103、驱动件201-204、若干连杆301-304以及末端执行器4，若干连杆组成的机构与驱动件的控制共同作用消除了末端执行器4绕x,y,z轴的旋转运动，使其只能沿x,y,z方向进行平移运动。

所述固定件包括第一球铰101、第二球铰102和铰链103，三者的安装高度处于同一水平高度上，所述铰链103位于第一球铰101和第二球铰102连线的垂直平分线上。

所述驱动件包括四个驱动件，分别为第一直线驱动副201、第二直线驱动副202、第三直线驱动副203、第四直线驱动副204，其中，第一直线驱动副201的固定端与第一球铰101之间，以及第二直线驱动副202的固定端与第二球铰102之间均设置有球铰副，而第三直线驱动副203和第四直线驱动副204两者中可任意选择一个作为主动驱动副另一个作为被动驱动副。

所述若干连杆为多个完成三自由度平移运动所需的连杆，包括第一连杆301、第二连杆302、第三连杆303、第四连杆304，其中第一连杆301与铰链103、第三直线驱动副203的固定端和第四直线驱动副204的固定端之间均设置有转动副，第二连杆302与第三直线驱动副203的伸缩端和第四直线驱动副204的伸缩端之间均设置有转动副，第三连杆303与第三直线驱动副203的伸缩端和第四直线驱动副204的伸缩端之间均设置有转动副，第四连杆304与第一直线驱动副201的伸缩端和第二直线驱动副202的伸缩端之间均设置有转动副。

所述末端执行器4与第三连杆303之间设置有转动副，与第四连杆304之间既设置有转动副又设置有移动副；不加任何约束的末端执行器4在空间中有六个自由度，包括三个自由度的平移运动和三个自由度的旋转运动，通过上述部件组成的机构能消除末端执行器4的三个自由度的旋转运动。

本发明的工作原理和过程如下：

消除绕y轴和z轴的旋转运动，参见图1，其中第一连杆301、第二连杆302和第三连杆303三个连杆具有相同的长度，这就保证第三直线驱动副203和第四直线驱动副204之中的被动驱动副的伸缩端能够随着主动驱动副的伸缩端的伸缩而同步伸缩，第一连杆301、第二连杆302、第三连杆303、第二直线驱动副202以及第三直线驱动副203的固定端和伸缩端共同构成了一个平行四边形机构，第三连杆303的轴线与第一连杆301轴线永远保持平行，而第一连杆301只能绕x轴旋转，故第三连杆303也只能绕x轴运动，从而消除了末端执行器4绕y轴和绕z轴旋转的自由度。

消除绕x轴的旋转运动，参见图1，第一球铰101和第二球铰102的连线、第一直线驱动副201、第二直线驱动副202以及第四连杆304共同组成了梯形形状，第一直线驱动副201和第二直线驱动副202都能主动改变自身长度，末端执行器4在z轴方向上的每一个坐标都唯一对应第一直线驱动副201长度和第二直线驱动副202长度之间的关系，这样通过控制长度就能保持第四连杆304的轴线一直和z轴平行，从而消除了末端执行器4绕x轴旋转的自由度。

通过上述说明，本发明的并联机构即可消除末端执行器4三个自由度的旋转运动，从而实现了三自由度平移运动。

Claims (5)

1.一种轻型三自由度平移运动并联机构，包括与机架固连的固定件（101-103）、驱动件（201-204）、若干连杆（301-304）以及末端执行器（4），其特征在于，若干连杆组成的机构与驱动件的控制共同作用消除了末端执行器（4）绕x,y,z轴的旋转运动，使其只能沿x,y,z方向进行平移运动。

2.根据权利要求1所述的轻型三自由度平移运动并联机构，其特征在于，所述固定件包括第一球铰（101）、第二球铰（102）和铰链（103），三者的安装高度处于同一水平高度上，所述铰链（103）位于第一球铰（101）和第二球铰（102）连线的垂直平分线上。

3.根据权利要求1所述的轻型三自由度平移运动并联机构，其特征在于，所述驱动件包括四个驱动件，分别为第一直线驱动副（201）、第二直线驱动副（202）、第三直线驱动副（203）、第四直线驱动副（204），其中，第一直线驱动副（201）的固定端与第一球铰（101）之间，以及第二直线驱动副（202）的固定端与第二球铰（102）之间均设置有球铰副，而第三直线驱动副（203）和第四直线驱动副（204）两者中可任意选择一个作为主动驱动副另一个作为被动驱动副。

4.根据权利要求1所述的轻型三自由度平移运动并联机构，其特征在于，所述若干连杆为多个完成三自由度平移运动所需的连杆，包括第一连杆（301）、第二连杆（302）、第三连杆（303）、第四连杆（304），其中第一连杆（301）与铰链（103）、第三直线驱动副（203）的固定端和第四直线驱动副（204）的固定端之间均设置有转动副，第二连杆（302）与第三直线驱动副（203）的伸缩端和第四直线驱动副（204）的伸缩端之间均设置有转动副，第三连杆（303）与第三直线驱动副（203）的伸缩端和第四直线驱动副（204）的伸缩端之间均设置有转动副，第四连杆（304）与第一直线驱动副（201）的伸缩端和第二直线驱动副（202）的伸缩端之间均设置有转动副。

5.根据权利要求1所述的轻型三自由度平移运动并联机构，其特征在于，所述末端执行器（4）与第三连杆（303）之间设置有转动副，与第四连杆（304）之间既设置有转动副又设置有移动副；不加任何约束的末端执行器（4）在空间中有六个自由度，包括三个自由度的平移运动和三个自由度的旋转运动，通过上述部件组成的机构能消除末端执行器（4）的三个自由度的旋转运动。