CN108481312A - 一种四自由度并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种四自由度并联机构，它包括成上下间隔设置的动平台和静平台，动平台和静平台之间连接有四条运动支链，相邻的两条运动支链构成第一组运动链，另两个构成第二组运动链，且第一组运动链和第二组运动链在任一截面上的四个点均能依次首尾相接围成四边形；第一组运动链中两条运动支链各包括一个移动副和两个万向节；第二组运动链中两条运动支链各包括一个移动副、一个万向节和一个转动副，且两个转动副的转动轴线位于同一直线上，另一端与通过转动副与静平台连接；四个移动副均为原动件。故本发明只具有四个自由度，省去了冗余的自由度，而且可以在较小的尺寸下获得较大的行程，整体结构简单对称。

Description

一种四自由度并联机构

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其是涉及一种四自由度并联机构。

背景技术

目前在机器人领域，六自由度工业机器人应用最为广泛，其灵活度高，工作范围大，关节上相对运动部件容易密封防尘，其中六自由度运动平台，可以模拟出各种空间运动姿态，故广泛地应用到各种模拟训练器，如飞行模拟器、舰艇模拟器、海军直升机起降模拟平台等等。

其中，在研究和分析太空环境下太阳光照对星载设备的影响作用时，需要在地面真空环境下测试星载设备受到不同方位和角度的光照时的变化和响应情况，需要借助模拟运动姿态的平台来实现，即位姿调整平台通过连续调节动平台运动，来实现星载设备姿态的变化，现有的位姿调整平台往往采用的是六自由度平台，但是它具有一定的局限性。

例如：中国发明专利(CN102528796A)它公开了一种可控机构式六自由度并联机器人平台，包括定平台、动平台以及六条支链构成，所述定平台上，分布有十二个铰孔，所述第一铰孔、第二铰孔、第三铰孔、第四铰孔、第五铰孔、第六铰孔均匀分布在一圆周上，所述第七铰孔、第八铰孔、第九铰孔、第十铰孔、第十一铰孔、第十二铰孔均匀分布在另一圆周上，且两圆周同心，所述机器人平台定平台、动平台通过六条支链连接，所述六条支链分别由安装在定平台上的六台伺服电机驱动。它的不足之处在于：需要占据较大的空间尺寸，而且具有冗余的自由度，结构复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种四自由度并联机构，以解决现有技术中的空间尺寸大且具有冗余的自由度的技术问题。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种四自由度并联机构，包括成上下间隔设置的动平台和静平台，所述动平台和所述静平台之间通过四条运动支链连接，其中，相邻的两条运动支链构成第一组运动链，另两个构成第二组运动链，且所述第一组运动链和所述第二组运动链在任一截面上的四个点均能依次首尾相接围成四边形；

所述第一组运动链中两条运动支链各包括一个移动副和两个万向节，所述移动副通过万向节分别与所述动平台和所述静平台连接；

所述第二组运动链中两条运动支链各包括一个移动副、一个万向节和一个转动副，所述移动副的一端通过万向节与所述动平台连接，另一端与通过转动副与所述静平台连接；

所述各个移动副均为原动件且能沿相应的运动支链设置方向做伸缩运动。

本发明通过四条运动支链连接在动平台和静平台之间，四条运动支链在任一截面上的四个点均能依次首尾相接围成四边形使四条运动支链具有联动性。再通过利用四条运动支链中的四个移动副作为原动件，利用四个移动副的协同运动，实现动平台的移动。其中移动副为低副，具有一个相对自由度。再将四条运动支链分为两组，分别为UPU分支和RPU分支，其中，第一组运动链均通过万向节与动平台和静平台连接，而第二组运动链与第一组运动链相比，其与静平台的连接是通过转动副是连接，而不是万向节。因为，转动副是低副，只具有一个相对自由度，万向节为高副，具有两个相对自由度，所以，通过设置两个转动轴线位于同一直线上的转动副，使得第二组运动链只可以绕着该转动轴线旋转，限制了其沿着该转动轴线方向的位移。故本发明只具有四个自由度，省去了冗余的自由度，而且可以在较小的尺寸下获得较大的行程，运动平台工作空间大，整体结构简单对称，容易安装与制造、承载力大、刚度高、灵活性好、适用范围大，动平台具有各向平动同性的优势，有着很强的实用价值。

作为优选，所述两个转动副的转动轴线位于同一直线上，且所述转动副的转动轴线与所述第一组运动链中两条运动支链所形成的平面成平行设置。

两个转动副的转动轴线位于同一直线上，且与第一组运动链所形成的平面成平行设置，可以限定第二组运动链的转动方向，不可以沿转动轴线方向移动。即以转动副的转动轴线方向作为Y方向建立坐标系，则可以说本发明中的动平台具有沿X方向移动、绕X方向的转动、绕Y方向的转动、沿Z方向的移动的四个自由度。

作为优选，所述两个转动副的转动轴线成平行设置，且所述转动副的转动轴线与所述第一组运动链中两条运动支链所形成的平面成相交设置。

两个转动副的转动轴线成平行设置，形成的平面成相交设置，可以限定第二组运动链的转动方向，不可以沿转动轴线方向移动。即以第二组运动链中两个转动副的连线方向作为Y方向建立坐标系，则可以说本发明中的动平台具有绕X方向的转动、绕Y方向的转动、沿Y方向移动、沿Z方向的移动的四个自由度。

作为优选，所述各个移动副的底面位于同一平面上且相对于静平台的顶面成平行设置。

由于静平台是固定不动的，则各个移动副的底面位于同一平面上且相对于静平台的顶面成平行设置，即四条运动支链中的四个移动副位于同一高度，则当需要调整动平台的位姿时，可以很容易的换算出各个移动副所需要实现的伸缩量，减少本发明的机械误差、控制算法误差以提升本发明的精度。

作为优选，所述的且各个万向节的旋转轴线成平行设置且垂直于所述静平台。

各个左万向节和各个右万向节的旋转轴线与静平台成垂直设置，则四条运动支链中的各个万向节的旋转轴线成平行设置，使得各条运动支链中的移动副均是围绕垂直于动平台的旋转轴线相对于动平台旋转的，且可以方便简化本发明中运动学和动力学求解。

作为优选，所述各个转动副的转动轴线与静平台的顶面成平行设置。

各个转动副的转动轴线与静平台的顶面成平行设置，即在第二组运动链绕着该转动轴线旋转时，可以避免第二组运动链中两条运动支链形成交叉干扰，从而保证动平台的运动平稳性，也可以扩大其运动范围。

作为优选，所述第一组运动链和所述第二组运动链在任一截面上的四个点均能依次首尾相接围成长方形。

即四条运动支链能作为同一四棱台的侧棱边，其中，动平台和静平台可为长方体，动平台、静平台与四条运动支链构成四棱台。则本发明中的空间结构可以是底面与顶面为长方形或者正方形，侧面都是等腰梯形的一种台体，其结构对称，容易安装与制造，且灵活性好。动平台截面为长边形，四条电动缸位于动平台和静平台的四个角上，可以使得电动缸对动平台产生的推力方向位于动平台的四个角上，使得动平台的位姿调整时的运动学和动力学求解更简单，便于换算，而且具有更好的准确度，提升其位姿精度。静平台的截面为长边形，四条电动缸位于静平台的四个角上，可以使静平台的截面与动平台的截面构成相似图形，从而使得本发明结构更为简洁，便于制造，也方便调整动平台的位姿。其中，动平台的重量小于静平台的重量则可以使得本发面的重心下移，提升本发明的稳定性。所述的动平台的面积小于静平台的面积，动平台、静平台与四条运动支链构成四棱台，则本发明中的空间结构可以是底面与顶面为长方形或者正方形，侧面都是等腰梯形的一种台体，其结构对称，容易安装与制造，且灵活性好。

作为优选，所述的各个移动副上均设有沿各自轴线方向延伸的支杆，所述的各个支杆的长度成相同设置。

支杆的设置可以增加四条运动支链的长度，从而增加动平台与静平台之间的距离，提升本发明的适用范围。各个支杆的长度成相同设置，互换性好，容易安装与制造，同时使得本发明结构对称。

作为优选，所述移动副为伸缩杆且采用气缸或液压缸驱动。

气缸作为引导活塞在缸内进行直线往复运动的圆筒形金属机件，利用空气在发动机气缸中通过膨胀将热能转化为机械能，它结构简单、工作可靠；液压缸是将液压能转变为机械能的、做直线往复运动的液压执行元件，它结构简单、工作可靠，用它来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，承载力大。故本发明中的四个移动副既可以采用气缸驱动也可以采用液压缸驱动，性能先进,使用可靠,寿命长久耐用。

作为优选，所述移动副为电动缸。

电动缸作为将伺服电机与丝杠一体化设计的模块化产品，可以将伺服电机的旋转运动转换成直线运动，同时将伺服电机最佳优点-精确转速控制，精确转数控制，精确扭矩控制转变成-精确速度控制，精确位置控制，精确推力控制。本发明中的四个移动副采用电动缸，则精度高。

作为优选，所述万向节为虎克铰。

万向节可以采用虎克铰，由于虎克铰的结构的刚度好，旋转精度高，可以使得本发明的定位精度因虎克铰的精度提高而得到大大提高。

基于此，本发明较之原有技术，具有在较小的尺寸下可获得较大的行程，同时省去冗余的自由度，有着很强的实用价值且结构简单的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

附图1为本发明的一种结构示意图；

附图2为本发明的第一运动链的结构示意图；

附图3为本发明的第二运动链的结构示意图；

附图4为本发明的支杆的结构示意图。

附图标记：

1-动平台； 2-静平台； 3-第一运动支链；

4-第二运动支链； 5-第三运动支链； 6-第四运动支链；

31-第一移动副； 32-第一上万向节； 33-第一下万向节；

41-第二移动副； 42-第二上万向节； 43-第二下万向节；

51-第三移动副； 52-第三上万向节； 53-第三转动副；

61-第四移动副； 62-第四上万向节； 63-第四转动副；

34-第一上支杆； 35-第一下支杆； 44-第二上支杆；

45-第二下支杆； 54-第三上支杆； 55-第三下支杆；

64-第四上支杆； 65-第四下支杆。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“液平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一：

见图1、图2、图3、图4，一种四自由度并联机构，包括成上下间隔设置的动平台1和静平台2，动平台1和静平台2之间连接有四条运动支链，四条运动支链包括第一运动支链3，第二运动支链4、第三运动支链5和第四运动支链6，第一运动支链3和第二运动支链4相邻构成第一组运动链，第三运动支链5和第四运动支链6相邻构成第二组运动链。且第一组运动链和第二组运动链在任一截面上的四个点均能依次首尾相接围成四边形。

第一组运动链中两条运动支链各包括一个移动副和两个万向节，移动副分别通过一个万向节与动平台1和静平台2连接；

第二组运动链中两条运动支链各包括一个移动副、一个万向节和一个转动副53，移动副的一端通过万向节与动平台1连接，另一端与通过转动副53与静平台2连接；

各个移动副和各个移动副均为原动件且均可向动平台1成伸缩设置。

见图4，各个移动副和各个移动副上均设有沿各自轴线方向延伸的支杆。各个支杆的长度成相同设置。

移动副包括设于第一运动支链3上的第一移动副31和设于第二运动支链4上的第二移动副41；移动副包括设于第三运动支链5上的第三移动副51和设于第四运动支链6上的第四移动副61；转动副53包括设于第三运动支链5上的第三转动副53和设于第四运动支链6上的第四转动副63；万向节包括第一上万向节32、第一下万向节33、第二上万向节42、第二下万向节43；万向节包括第三上万向节52、第四上万向节62。

第一移动副31的两端分别设有与其成同轴设置的第一上支杆34和第一下支杆35，第一上支杆34通过第一上万向节32与动平台1铰链连接，第一下支杆35通过第一下万向节33与静平台2铰链连接；

第二移动副41的两端分别设有与其成同轴设置的第二上支杆44和第二下支杆45，第二上支杆44通过第二上万向节42与动平台1铰链连接，第二下支杆45通过第二下万向节43与静平台2铰链连接；

第三移动副51的两端分别设有与其成同轴设置的第三上支杆54和第三下支杆55，第三上支杆54通过第三上万向节52与动平台1铰链连接，第三下支杆55通过第三转动副53与静平台2铰链连接；

第四移动副61的两端分别设有与其成同轴设置的第四上支杆64和第四下支杆65，第四上支杆64通过第四上万向节62与动平台1铰链连接，第四下支杆65通过第四转动副63与静平台2铰链连接。

本发明通过四条运动支链连接在动平台和静平台之间，四条运动支链在任一截面上的四个点均能依次首尾相接围成四边形使四条运动支链具有联动性。再通过利用四条运动支链中的四个移动副作为原动件，利用四个移动副的协同运动，实现动平台的移动。其中移动副为低副，具有一个相对自由度。再将四条运动支链分为两组，分别为UPU分支和RPU分支，其中，第一组运动链均通过万向节与动平台和静平台连接，而第二组运动链与第一组运动链相比，其与静平台的连接是通过转动副是连接，而不是万向节。因为，转动副是低副，只具有一个相对自由度，万向节为高副，具有两个相对自由度，所以，通过设置两个转动轴线位于同一直线上的转动副，使得第二组运动链只可以绕着该转动轴线旋转，限制了其沿着该转动轴线方向的位移。故本发明只具有四个自由度，省去了冗余的自由度，而且可以在较小的尺寸下获得较大的行程，运动平台工作空间大，整体结构简单对称，容易安装与制造、承载力大、刚度高、灵活性好、适用范围大，动平台具有各向平动同性的优势，有着很强的实用价值。

其中，万向节可以采用虎克铰，由于虎克铰的结构的刚度好，旋转精度高，可以使得本发明的定位精度因虎克铰的精度提高而得到大大提高。支杆的设置可以增加四条运动支链的长度，从而增加动平台与静平台之间的距离，提升本发明的适用范围。各个支杆的长度成相同设置，互换性好，容易安装与制造，同时使得本发明结构对称。

故本发明将静平台固定在一个平面上，静平台通过两个万向节以及两个转动副与四个移动副相连，四个驱动分支通过四个万向节与动平台相连；采用移动副作原动件，从而驱动动平台的运动；通过万向节、转动副等约束，动平台能够实现两转动、两平动的四自由度运动。故本发明提供了一种新的四自由度并联机构构型设计，相比于已存在的四自由度平台结构简单，且作为少自由度平台作为一种可以在较小的尺寸下获得较大的行程，同时省去冗余的自由度，在一些特殊的工程项目中，有着很强的实用价值，其在工业中的应用更广泛；本发明普遍适用于需求自由度少于六的位姿调节，避免了冗余自由度导致的结构复杂，针对性强，提高了并联平台的可靠性和稳定性。

见图1、图2，两个转动副的转动轴线位于同一直线上，且转动副的转动轴线与第一组运动链中两条运动支链所形成的平面成平行设置。

两个转动副的转动轴线位于同一直线上，且与第一组运动链所形成的平面成平行设置，可以限定第二组运动链的转动方向，不可以沿转动轴线方向移动。即以转动副的转动轴线方向作为Y方向建立坐标系，则可以说本发明中的动平台具有沿X方向移动、绕X方向的转动、绕Y方向的转动、沿Z方向的移动的四个自由度。

见图1、图2，两个转动副的转动轴线成平行设置，且转动副的转动轴线与第一组运动链中两条运动支链所形成的平面成相交设置。

两个转动副的转动轴线成平行设置，形成的平面成相交设置，可以限定第二组运动链的转动方向，不可以沿转动轴线方向移动。即以第二组运动链中两个转动副的连线方向作为Y方向建立坐标系，则可以说本发明中的动平台具有绕X方向的转动、绕Y方向的转动、沿Y方向移动、沿Z方向的移动的四个自由度。

见图1、图2，各个移动副的底面位于同一平面上且相对于静平台2的顶面成平行设置。

由于静平台是固定不动的，则各个移动副的底面位于同一平面上且相对于静平台的顶面成平行设置，即四条运动支链中的四个移动副位于同一高度，则当需要调整动平台的位姿时，可以很容易的换算出各个移动副所需要实现的伸缩量，减少本发明的机械误差、控制算法误差以提升本发明的精度。

见图1、图2、图3，动平台1与静平台2成平行设置，且各个万向节的旋转轴线与动平台1成垂直设置。

动平台与静平台成平行设置，且各个万向节的旋转轴线与动平台成垂直设置，则四条运动支链中的各个万向节的旋转轴线成平行设置，使得各条运动支链中的移动副均是围绕垂直于动平台的旋转轴线相对于动平台旋转的，且可以方便简化本发明中运动学和动力学求解。

见图1、图3，各个转动副53的转动轴线与静平台2的顶面成平行设置。

各个转动副的转动轴线与静平台的顶面成平行设置，即在第二组运动链绕着该转动轴线旋转时，可以避免第二组运动链中两条运动支链形成交叉干扰，从而保证动平台的运动平稳性，也可以扩大其运动范围。

见图1、图2、图3、图4，第一组运动链和第二组运动链在任一截面上的四个点均能依次首尾相接围成长方形。动平台1的面积小于静平台2的面积，且动平台1的重量小于静平台2的重量，动平台1、静平台2与四条运动支链构成四棱台。

即四条运动支链能作为同一四棱台的侧棱边，其中，动平台和静平台可为长方体，动平台、静平台与四条运动支链构成四棱台。则本发明中的空间结构可以是底面与顶面为长方形或者正方形，侧面都是等腰梯形的一种台体，其结构对称，容易安装与制造，且灵活性好。动平台截面为长边形，四条电动缸位于动平台和静平台的四个角上，可以使得电动缸对动平台产生的推力方向位于动平台的四个角上，使得动平台的位姿调整时的运动学和动力学求解更简单，便于换算，而且具有更好的准确度，提升其位姿精度。静平台的截面为长边形，四条电动缸位于静平台的四个角上，可以使静平台的截面与动平台的截面构成相似图形，从而使得本发明结构更为简洁，便于制造，也方便调整动平台的位姿。

其中，动平台的重量小于静平台的重量则可以使得本发面的重心下移，提升本发明的稳定性。所述的动平台的面积小于静平台的面积，动平台、静平台与四条运动支链构成四棱台，则本发明中的空间结构可以是底面与顶面为长方形或者正方形，侧面都是等腰梯形的一种台体，其结构对称，容易安装与制造，且灵活性好。动平台的重量小于静平台的重量则可以使得本发面的重心下移，提升本发明的稳定性。所述的动平台的面积小于静平台的面积，动平台、静平台与四条运动支链构成四棱台，则本发明中的空间结构可以是底面与顶面为长方形或者正方形，侧面都是等腰梯形的一种台体，其结构对称，容易安装与制造，且灵活性好。

见图1，移动副和移动副为伸缩杆且采用气缸或液压缸驱动。再或者移动副和移动副为电动缸。

气缸作为引导活塞在缸内进行直线往复运动的圆筒形金属机件，利用空气在发动机气缸中通过膨胀将热能转化为机械能，它结构简单、工作可靠；液压缸是将液压能转变为机械能的、做直线往复运动的液压执行元件，它结构简单、工作可靠，用它来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，承载力大。故本发明中的四个移动副既可以采用气缸驱动也可以采用液压缸驱动，性能先进,使用可靠,寿命长久耐用。电动缸作为将伺服电机与丝杠一体化设计的模块化产品，可以将伺服电机的旋转运动转换成直线运动，同时将伺服电机最佳优点-精确转速控制，精确转数控制，精确扭矩控制转变成-精确速度控制，精确位置控制，精确推力控制。本发明中的四个移动副采用电动缸，则精度高。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种四自由度并联机构，包括成上下间隔设置的动平台和静平台，其特征在于：所述动平台和所述静平台之间通过四条运动支链连接，其中，相邻的两条运动支链构成第一组运动链，另两个构成第二组运动链，且所述第一组运动链和所述第二组运动链在任一截面上的四个点均能依次首尾相接围成四边形；

所述第一组运动链中两条运动支链各包括一个移动副和两个万向节，所述移动副通过万向节分别与所述动平台和所述静平台连接；

所述第二组运动链中两条运动支链各包括一个移动副、一个万向节和一个转动副，所述移动副的一端通过万向节与所述动平台连接，另一端与通过转动副与所述静平台连接；

所述各个移动副均为原动件且能沿相应的运动支链设置方向做伸缩运动。

2.根据权利要求1所述的四自由度并联机构，其特征在于：所述两个转动副的转动轴线位于同一直线上，且所述转动副的转动轴线与所述第一组运动链中两条运动支链所形成的平面成平行设置。

3.根据权利要求1所述的四自由度并联机构，其特征在于：所述两个转动副的转动轴线成平行设置，且所述转动副的转动轴线与所述第一组运动链中两条运动支链所形成的平面成相交设置。

4.根据权利要求1至3任一项所述的四自由度并联机构，其特征在于：所述各个移动副的底面位于同一平面上且相对于所述静平台成平行设置。

5.根据权利要求4所述的四自由度并联机构，其特征在于：所述各个万向节的旋转轴线成平行设置且垂直于所述静平台。

6.根据权利要求4所述的四自由度并联机构，其特征在于：所述各个转动副的转动轴线与所述静平台成平行设置。

7.根据权利要求1至3任一项所述的四自由度并联机构，其特征在于：所述第一组运动链和所述第二组运动链在任一截面上的四个点均能依次首尾相接围成长方形。

8.根据权利要求1至3任一项所述的四自由度并联机构，其特征在于：所述移动副为伸缩杆且采用气缸或液压缸驱动。

9.根据权利要求1至3任一项所述的四自由度并联机构，其特征在于：所述移动副为电动缸。

10.根据权利要求1至3任一项所述的四自由度并联机构，其特征在于：所述万向节为虎克铰。