CN107639629B - 一种四分支三自由度各向同性平面并联机器人机构 - Google Patents

Abstract

一种四分支三自由度各向同性平面并联机器人机构，包括静平台、中间平台、末端操作手以及四条分支运动链，每条分支运动链均与静平台直接相连接；第一分支运动链与静平台之间的转动轴线、第二分支运动链中与静平台之间的转动轴线、第三分支运动链与静平台之间的转动轴线两两垂直，并在空间中呈正交分布；第四分支运动链与静平台之间的转动轴线和第一分支运动链与静平台之间的转动轴线平行；第一分支运动链为恰约束运动链，第二分支运动链、第三分支运动链和第四分支运动链分别由对应的动力机构驱动，实现末端操作手在空间内的二维移动和一维转动。本发明提高了机构的运动精度，解决了普通并联机构存在的解耦性差、工作空间小、控制难度大等问题。

Description

一种四分支三自由度各向同性平面并联机器人机构

技术领域

本发明涉及到机器人空间机构领域，尤其是一种四分支三自由度各向同性平面并联机器人机构。

背景技术

随着科技的发展传统的串联机构已经不能满足人们的生活需求，并联机构因此应运而生。与传统的串联机构相比较，并联机构拥有更强的承载能力、更简单的结构形式、更高的精度等优点。因而，并联机构的研究已成为国际机构学的热点之一。现如今，并联机构已经被广泛应用于工业机器人、并联机床、航空航天等高精尖技术的领域。

早期的并联机构多为六自由度并联机构，近年来少自由度机构成为了研究的热点，尤其是三自由度机构。国内机构学学者已经设计出诸多此类型的机构，并申请了相关专利，如专利申请号为：2004100867060、2017101688794、2017102874690等专利。但是对于大多数并联机构仍然存在机构解耦性差、工作空间小、控制难度大等问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种四分支三自由度各向同性平面并联机器人机构，用以解决机构存在的解耦性差、工作空间小、控制难度大等问题。

为了解决上述问题，本发明的一种四分支三自由度各向同性平面并联机器人机构采用以下技术方案：一种四分支三自由度各向同性平面并联机器人机构，包括静平台、中间平台、末端操作手以及四条分支运动链，每条分支运动链均与静平台直接相连；

第一分支运动链为两根连杆转动连接组成，第一分支运动链两端分别与静平台和末端操作手转动连接，所述连杆之间的转动轴线、第一分支运动链两端的转动轴线相互平行且垂直于中间平台的平面；

第二分支运动链和第三分支运动链均包括伸缩杆，在同一分支运动链中，伸缩杆的两端分别与静平台以及中间平台转动连接，并且伸缩杆两端的转动轴线相互平行，均平行于中间平台的平面；

第四分支运动链一端与静平台转动连接，另一端与所述的末端操作手转动连接，并且两端的转动轴线相互平行；末端操作手与转动平台之间转动连接，其转动轴线和第一分支运动链与末端操作手之间的转动轴线相重合，并垂直于中间平台的平面；

所述第一分支运动链与静平台之间的转动轴线、第二分支运动链中伸缩杆与静平台之间的转动轴线、第三分支运动链中伸缩杆与静平台之间的转动轴线两两垂直，并在空间中呈正交分布；第四分支运动链与静平台之间的转动轴线平行于第一分支运动链与静平台之间的转动轴线；

第二分支运动链、第三分支运动链和第四分支运动链分别由对应的动力机构驱动，实现末端操作手在空间内的二维移动和一维转动。

优选的，所述的第一分支运动链中的两根连杆分别为第一连杆、第二连杆，第一连杆通过第一转动副Ⅰ与静平台连接，第二连杆通过第二转动副与第一连杆连接、通过第三转动副Ⅰ与末端操作手连接，第一转动副Ⅰ、第二转动副、第三转动副Ⅰ的轴线相互平行且垂直于中间平台的平面。

优选的，所述的第二分支运动链中还包括第一圆柱副Ⅰ和第三转动副Ⅱ，所述伸缩杆由第三连杆Ⅰ和第四连杆Ⅰ连接而成，第三连杆Ⅰ通过第一圆柱副Ⅰ与静平台连接、通过第二移动副与第四连杆Ⅰ连接，第四连杆Ⅰ通过第三转动副Ⅱ与中间平台连接，第一圆柱副Ⅰ和第三转动副Ⅱ的轴线与中间平台的平面平行。

优选的，所述的第三分支运动链中还包括第一圆柱副Ⅱ和第三转动副Ⅲ，所述伸缩杆由第三连杆Ⅱ和第四连杆Ⅱ连接而成，第三连杆Ⅱ通过第一圆柱副Ⅱ与静平台连接、通过通过第二移动副与第四连杆Ⅱ连接，第四连杆Ⅱ通过第三转动副Ⅲ与中间平台连接，第一圆柱副Ⅱ和第三转动副Ⅲ的轴线与中间平台的平面平行。

优选的，所述的第四分支运动链包括第一转动副Ⅱ、第二万向铰、第三移动副、第四万向铰、第五连杆、第六连杆和第七连杆，第五连杆通过第一转动副Ⅱ和静平台连接、通过第二万向铰和第六连杆连接，第七连杆通过第三移动副和第六连杆连接、通过第四万向铰和所述的末端操作手连接，并且第一转动副Ⅱ的轴线垂直于中间平台的平面；末端操作手通过独立转动副与中间平台连接，独立转动副的轴线与所述第一分支运动链中第三转动副Ⅰ的轴线相重合。

优选的，所述的动力机构为伺服电机。

优选的，所述的中间平台整体外形为长方体，第二分支运动链和第三分支运动链分别连接在中间平台两个相邻的侧面上。

优选的，所述独立转动副安装在中间平台的中心，其轴线垂直于中间平台。

本发明的有益效果是：本发明可实现二维移动和一维转动，其速度雅可比矩阵为单位阵，故所述的机构平台的输入与机构的输出存在一一对应控制关系，大大减少了个分支运动链之间的相互影响。本发明在空间内不存在奇异位置，提高了机构的运动精度，同时解决了普通并联机构存在的解耦性差、工作空间小、控制难度大等问题。在工业机器人、并联机床、航空航天等领域有着良好的发展前景。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图中标记：10、静平台，20、中间平台，30、末端操作手；

L1、第一分支运动链，R11、第一转动副Ⅰ，R12、第二转动副，R13、第三转动副Ⅰ，1-1、第一连杆，1-2、第二连杆；

L2、第二分支运动链，C21、第一圆柱副Ⅰ，R23、第三转动副Ⅱ，2-1、第三连杆Ⅰ，2-2、第四连杆Ⅰ；

L3、第三分支运动链，C31、第一圆柱副Ⅱ，R33、第三转动副Ⅲ，3-1、第三连杆Ⅱ，第四连杆Ⅱ；

L4、第四分支运动链，R41、第一转动副Ⅱ，U42、第二万向铰，U44、第四万向铰，4-1、第五连杆，4-2、第六连杆、4-3、第七连杆；

R50、独立转动副。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体的实施方式，对本发明的技术方案作进一步说明。

一种四分支三自由度各向同性平面并联机器人机构，如图1所示，其中10为静平台、20为中间平台、30为末端操作手，L1、L2、L3、L4分别代表四条分支运动链，每条分支运动链均与静平台10相连，所述的静平台10可以为同一机构的同一部位或者是同一机构的不同部位，也可以是不同的机构，其形状并不唯一，所述的中间平台20为长方体形。

第一分支运动链L1包括第一转动副ⅠR11、第二转动副R12、第三转动副ⅠR13和第一连杆1-1及第二连杆1-2，第一连杆1-1通过第一转动副ⅠR11与静平台10连接，第二连杆1-2通过第二转动副R12与第一连杆1-1连接、通过第三转动副ⅠR13与末端操作手30连接，第一转动副ⅠR11和第二转动副R12的轴线相互平行且垂直于中间平台20的平面；

第二分支运动链L2包括第一圆柱副ⅠC21、由第二移动副连接而成的伸缩杆Ⅰ2-1和第三转动副ⅡR23，伸缩杆Ⅰ2-1的两端通过第一圆柱副ⅠC21与静平台10连接、通过第三转动副ⅡR23与中间平台20连接，第一圆柱副ⅠC21和第三转动副ⅡR23的轴线与中间平台20的平面平行；

第三分支运动链L3包括第一圆柱副ⅡC31、第二移动副连接而成的伸缩杆Ⅱ3-1和第三转动副ⅢR33，所述伸缩杆Ⅱ3-1的两端通过第一圆柱副ⅡC31与静平台10连接、通过第三转动副ⅢR33与中间平台20连接，第一圆柱副ⅡC31和第三转动副ⅢR33的轴线相互平行，且都与中间平台20的平面平行；

第四分支运动链L4包括第一转动副ⅡR41、第二万向铰U42、第三移动副和第四万向铰U44，第一连接杆4-2和第二连接杆4-3通过第三移动副连接成可伸缩运动的连杆机构，设置在第二万向铰U42和第四万向铰U44之间，该连杆机构第一连接杆4-2一端通过第二万向铰U42与一段连杆4-1连接，该段连杆4-1再通过第一转动副ⅡR41和对应的静平台10连接，并且第一转动副ⅡR41的轴线垂直于中间平台20的平面，连杆机构第二连接杆4-3的一端通过第四万向铰U44末端操作手30连接，末端操作手30通过独立转动副R50与中间平台20的中心连接，独立转动副R50的轴线与所述第一分支运动链L1中第三转动副ⅠR13的轴线相重合。

优选的，所述的第二分支运动链L2和第三分支运动链L3分别连接在中间平台2两个相邻的侧面上。

所述的第一分支运动链L1的第一转动副ⅠR11的轴线、第二分支运动链L2的第一圆柱副ⅠC21的轴线和第三分支运动链L3的第一圆柱副ⅡC31的轴线两两垂直，在空间内呈正交分布，第四条分支运动链L4的第一转动副ⅡR41的轴线平行于第一条分支运动链L1的第一转动副ⅠR11的轴线。

所述的第一分支运动链L1为恰约束运动链，不包含主动副，第二分支运动链L2的主动副为其第一圆柱副ⅠC21，第三分支运动链L3的主动副为其第一圆柱副ⅡC31，第四分支运动链L4的主动副为第一转动副ⅡR41。

采用伺服电机驱动每条分支运动链中的主动副，并通过分支运动链对末端操作手30提供动力。由于第一分支运动链L1不含有主动副，因而只起到在水平面内为机构提供一个约束作用，伺服电机通过第二分支运动链L2和第三分支运动链L3给予中间平台20在水平方向上以动力，从而带动末端操作手30在水平方向上进行移动，通过第四分支运动链L4带动末端操作手30在竖直方向内进行转动，从而实现该并联机构在空间内的二维移动和一维转动。

Claims (8)

1.一种四分支三自由度各向同性平面并联机器人机构，包括静平台（10）、中间平台（20）、末端操作手（30）以及四条分支运动链，每条分支运动链均与静平台（10）直接相连，其特征在于：第一分支运动链（L1）为两根连杆转动连接组成，第一分支运动链（L1）两端分别与静平台（10）和末端操作手（30）转动连接，所述连杆之间的转动轴线、第一分支运动链（L1）两端的转动轴线相互平行且垂直于中间平台（20）的平面；

第二分支运动链（L2）和第三分支运动链（L3）均包括伸缩杆，在同一分支运动链中，伸缩杆的两端分别与静平台（10）以及中间平台（20）转动连接，并且伸缩杆两端的转动轴线相互平行，均平行于中间平台（20）的平面；

第四分支运动链（L4）一端与静平台（10）转动连接，另一端与所述的末端操作手（30）转动连接，并且两端的转动轴线相互平行；末端操作手（30）与中间平台（20）之间转动连接，其转动轴线和第一分支运动链（L1）与末端操作手（30）之间的转动轴线相重合，并垂直于中间平台（20）的平面；

所述第一分支运动链（L1）与静平台（10）之间的转动轴线、第二分支运动链（L2）中伸缩杆与静平台（10）之间的转动轴线、第三分支运动链（L3）中伸缩杆与静平台（10）之间的转动轴线两两垂直，并在空间中呈正交分布；第四分支运动链（L4）与静平台（10）之间的转动轴线平行于第一分支运动链（L1）和静平台（10）之间的转动轴线；

第二分支运动链（L2）、第三分支运动链（L3）和第四分支运动链（L4）分别由对应的动力机构驱动，实现末端操作手（30）在空间内的二维移动和一维转动。

2.根据权利要求1所述的一种四分支三自由度各向同性平面并联机器人机构，其特征在于：所述的第一分支运动链（L1）中的两根连杆分别为第一连杆（1-1）、第二连杆（1-2），第一连杆（1-1）通过第一转动副Ⅰ（R11）与静平台（10）连接，第二连杆（1-2）通过第二转动副（R12）与第一连杆（1-1）连接、通过第三转动副Ⅰ（R13）与末端操作手（30）连接，第一转动副Ⅰ（R11）、第二转动副（R12）、第三转动副Ⅰ（R13）的轴线相互平行且垂直于中间平台（20）的平面。

3.根据权利要求1所述的一种四分支三自由度各向同性平面并联机器人机构，其特征在于：所述的第二分支运动链（L2）中还包括第一圆柱副Ⅰ（C21）和第三转动副Ⅱ（R23），所述伸缩杆由第三连杆Ⅰ（2-1）和第四连杆Ⅰ（2-2）连接而成，第三连杆Ⅰ（2-1）通过第一圆柱副Ⅰ（C21）与静平台（10）连接、通过第二移动副与第四连杆Ⅰ（2-2）连接，第四连杆Ⅰ（2-2）通过第三转动副Ⅱ（R23）与中间平台（20）连接，第一圆柱副Ⅰ（C21）和第三转动副Ⅱ（R23）的轴线均与中间平台（20）的平面平行。

4.根据权利要求1所述的一种四分支三自由度各向同性平面并联机器人机构，其特征在于：所述的第三分支运动链（L3）中还包括第一圆柱副Ⅱ（C31）和第三转动副Ⅲ（R33），所述伸缩杆由第三连杆Ⅱ（3-1）和第四连杆Ⅱ（3-2）连接而成，第三连杆Ⅱ（3-1）通过第一圆柱副Ⅱ（C31）与静平台（10）连接、通过第二移动副与第四连杆Ⅱ（3-2）连接，第四连杆Ⅱ（3-2）通过第三转动副Ⅲ（R33）与中间平台（20）连接，第一圆柱副Ⅱ（C31）和第三转动副Ⅲ（R33）的轴线均与中间平台（20）的平面平行。

5.根据权利要求1所述的一种四分支三自由度各向同性平面并联机器人机构，其特征在于：所述的第四分支运动链（L4）包括第一转动副Ⅱ（R41）、第二万向铰（U42）、第三移动副、第四万向铰（U44）、第五连杆（4-1）、第六连杆（4-2）和第七连杆（4-3），第五连杆（4-1）通过第一转动副Ⅱ（R41）和静平台（10）连接、通过第二万向铰（U42）和第六连杆（4-2）连接，第七连杆（4-3）通过第三移动副和第六连杆（4-2）连接、通过第四万向铰（U44）和所述的末端操作手（30）连接，并且第一转动副Ⅱ（R41）的轴线垂直于中间平台（20）的平面；末端操作手（30）通过独立转动副（R50）与中间平台（20）连接，独立转动副（R50）的轴线与所述第一分支运动链（L1）中第三转动副Ⅰ（R13）的轴线相重合。

6.根据权利要求1所述的一种四分支三自由度各向同性平面并联机器人机构，其特征在于：所述的动力机构为伺服电机。

7.根据权利要求1所述的一种四分支三自由度各向同性平面并联机器人机构，其特征在于：所述的中间平台（20）整体外形为长方体，第二分支运动链（L2）和第三分支运动链（L3）分别连接在中间平台（20）两个相邻的侧面上。

8.根据权利要求5所述的一种四分支三自由度各向同性平面并联机器人机构，其特征在于：所述独立转动副（R50）安装在中间平台（20）的中心，其轴线垂直于中间平台（20）。

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