CN108858141A - 一种空间两转动一平动的冗余约束并联机构及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空间两转动一平动的冗余约束并联机构及其工作方法，该并联机构是一种4支链3自由度的1UPS&2RPS&1PU型空间拓扑结构，该并联机构包括动平台、静平台、第一支链、第二支链、第三支链以及第四支链，所述动平台经第一支链、第二支链、第三支链以及第四支链与静平台连接在一起，所述第一支链为UPS型主动运动支链，所述第二支链为RPS型主动运动支链，所述第三支链为RPS型主动运动支链，所述第四支链为PU型被动运动支链，所述动平台作为机构的输出部件，在三条主动运动支链的共同驱动下，机构实现了所述动平台相对静平台的两转动一平动的动作。本发明不仅结构简单，而且具有良好的结构刚度。

Description

一种空间两转动一平动的冗余约束并联机构及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种空间两转动一平动的冗余约束并联机构及其工作方法。

背景技术

两转动一平动（2R1T）的三自由度并联机构凭借其具有提高结构的整体刚度、消除奇异点和提高结构灵巧度、良好的定位精度、加工性能以及动力学性能、结构简单、紧凑、易于实现控制以及制造成本相对较低等优点，已然成为机器人领域的一大研究热点，大量的五自由度混联机器人采用了这类机构串接具有两自由度转动头或两自由度x-y移动平台的设计方案。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明所要解决的技术问题是提供一种空间两转动一平动的冗余约束并联机构及其工作方法，不仅结构简单，而且具有良好的结构刚度。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：空间两转动一平动的冗余约束并联机构是一种4支链3自由度的1UPS&2RPS&1PU型空间拓扑结构，该并联机构包括动平台、静平台、第一支链、第二支链、第三支链以及第四支链，所述动平台经第一支链、第二支链、第三支链以及第四支链与静平台连接在一起，所述第一支链为UPS型主动运动支链，所述第二支链为RPS型主动运动支链，所述第三支链为RPS型主动运动支链，所述第四支链为PU型被动运动支链，所述动平台作为机构的输出部件，在三条主动运动支链的共同驱动下，机构实现了所述动平台相对静平台的两转动一平动的动作。

进一步地，所述第一支链包括第一虎克铰、第一移动副以及第一球副，所述第一虎克铰与静平台相连接，所述第一移动副作为机构的主动运动副，所述第一球副与动平台相连接。

进一步地，所述第二支链包括第一转动副、第二移动副以及第二球副，所述第一转动副与静平台相连接，所述第二移动副作为机构的主动运动副，所述第二球副与动平台相连接。

进一步地，所述第三支链包含第二转动副、第三移动副以及第三球副，所述第二转动副与静平台相连接，所述第三移动副作为机构的主动运动副，所述第三球副与动平台相连接。

进一步地，所述第四支链包含第四移动副以及第二虎克铰，所述第四移动副与静平台相连接，所述第四移动副作为机构的被动运动副，所述第二虎克铰与动平台相连接。

进一步地，所述第一转动副的中心、第二转动副的中心、第一虎克铰的中心以等腰三角形分布在静平台上，所述第二虎克铰的中心、第一球副、第二球副、第三球副的中心以等腰三角形分布在动平台上。

进一步地，所述第一球副包含转动轴线转动轴线以及转动轴线所述转动轴线转动轴线以及转动轴线相交于一点且不共面；所述第二 球副包含转动轴线转动轴线以及转动轴线所述转动轴线转动轴 线以及转动轴线相交于一点且不共面；所述第三球副包含转动轴线转 动轴线以及转动轴线所述转动轴线转动轴线以及转动轴线相 交于一点且不共面；所述第一虎克铰包含转动轴线与转动轴线所述转动 轴线与转动轴线垂直相交；所述第二虎克铰包含转动轴线与转动轴线 所述转动轴线与转动轴线垂直相交；所述第一转动副的转动轴线为所述第二转动副的转动轴线为所述转动轴线与转动轴线互相平行，所述转动轴线与转动轴线互相垂直，所述转动轴线与转动轴线互相垂 直；所述第一移动副的移动轴线为所述移动轴线垂直于转动轴线与转 动轴线所述第二移动副的移动轴线为所述移动轴线垂直于转动轴线 与转动轴线所述第三移动副的移动轴线为所述移动轴线垂直于转 动轴线与转动轴线所述第四移动副的移动轴线为所述移动轴线垂 直于转动轴线

进一步地，所述第一移动副采用丝杠滑台，第四移动副采用滑块导轨；所述第一移动副包含第一滑块、第一丝杠、与第一滑块相配合的第一直线导轨、第一连杆以及驱动第一丝杠的第一伺服电机，所述第一滑块作为第一移动副的承导件，所述第一滑块固定连接在第一虎克铰上，所述第一直线导轨作为第一移动副的运动件，固定连接在所述第一连杆；第二移动副采用丝杠滑台，所述第二移动副包含第二滑块、第二丝杠、与第二滑块相配合的第二直线导轨、第二连杆以及驱动第二丝杠的第二伺服电机，所述第二滑块作为第二移动副的承导件，所述第二滑块固定连接在第一转动副上，所述第二直线导轨作为第二移动副的运动件，固定连接在所述第二连杆；第三移动副采用丝杠滑台，所述第三移动副包含第三滑块、第三丝杠、与第三滑块相配合的第三直线导轨、第三连杆以及驱动第三丝杠的第三伺服电机，所述第三滑块作为第三移动副的承导件，所述第三滑块固定连接在第二转动副上，所述第三直线导轨作为第三移动副的运动件，固定连接在所述第三连杆。

进一步地，所述第四移动副包含第四滑块、第四滑块相配合的第四直线导轨，所述第四滑块作为第四移动副的承导件，所述第四滑块固定连接在固定架上。

两转动一平动的冗余约束并联机构的工作方法如下，通过驱动第一支链的第一移动副、第二支链的第二移动副、第三支链的第三移动副，唯一确定动平台一个位姿，从而实现动平台相对静平台两转动与一平动的动作。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明实现动平台相对静平台2R1T三自由度的运动输出；结构紧凑，具有三台条运动支链和一条被动运动支链，这种驱动的方式有利于机构整体刚度的提高；承载能力大、刚度大、精度高模块化程度高，既可以作为独立运动模块实现2R1T动作，亦可通过动平台串接不同形式的末端执行器实现多种作业，在高速、精密以及高刚度加工领域都有着广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构示意图。

图2为本发明实施例的去除动平台后的结构示意图。

图3为本发明实施例中第一支链的结构示意图。

图4为本发明实施例中第二支链的结构示意图。

图5为本发明实施例中第三支链的结构示意图。

图6为本发明实施例中第四支链的结构示意图。

图中：1-动平台，2-静平台，3-第一支链，301-第一组滑块，302-第一丝杠，303-第一直线导轨，304-第一连杆，305-第一伺服电机，4-第二支链，401-第二组滑块，402-第二丝杠，403-第二直线导轨，404-第二连杆，405-第二伺服电机，5-第三支链，501-第三组滑块，502-第三丝杠，503-第三直线导轨，504-第三连杆，505-第三伺服电机；6-第四支链，601-第四组滑块，602-第四直线导轨，603-第四连杆，604-固定架；U1-第一虎克铰，P1-第一移动副，S1-第一球副；R1-第一转动副，P2-第二移动副，S2-第二球副；R2-第二转动副，P3-第三移动副，S3-第三球副；P4-第四移动副，U2-第二虎克铰。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

空间两转动一平动的冗余约束并联机构，包括动平台1、静平台2、第一支链3、第二支链4、第三支链5以及第四支链6，所述动平台经第一支链、第二支链、第三支链以及第四支链与静平台连接在一起，所述第一支链为UPS型主动运动支链，所述第二支链为RPS型主动运动支链，所述第三支链为RPS型主动运动支链，所述第四支链为PU型被动支链；所述动平台1作为机构的输出部件，在三条主动运动链的共同驱动下，机构实现了所述动平台1相对静平台2两转动与一平动的动作，也就是动平台1相对静平台2的2R1T动作。

所述第一支链为UPS型主动运动支链，即自静平台到动平台相继分布有虎克铰U、移动副P和球副S；所述第二支链为RPS型主动运动支链即自静平台到动平台相继分布有转动副R、移动副P和球副S型，所述第三支链为RPS型主动运动支链即自静平台到动平台相继分布有转动副R、移动副P和球副S型，所述第四支链为PU型被动运动支链即自静平台到动平台相继分布有移动副P和虎克铰U。

在本发明实施例中，所述第一支链3包含第一虎克铰U1、第一移动副P1以及第一球副S1，所述第一虎克铰U1与静平台2相连接，所述第一移动副P1作为机构的主动运动副，所述第一球副S1与动平台1相连接。

在本发明实施例中，所述第二支链4包含第一转动副R1、第二移动副P2以及第二球副S2，所述第一转动副R1与静平台2相连接，所述第二移动副P2作为机构的主动运动副，所述第二球副S2与动平台1相连接。

在本发明实施例中，所述第三支链5包含第二转动副R2、第三移动副P3以及第三球副S3，所述第二转动副R2与静平台2相连接，所述第三移动副P3作为机构的主动运动副，所述第三球副S3与动平台1相连接。

在本发明实施例中，所述第四支链6包含第四移动副P4以及第二虎克铰U2，所述第二虎克铰U2与动平台1相连接，所述第四移动副P4作为机构的被动运动副。

在本发明实施例中，所述第一球副S1包含转动轴线转动轴线以及转 动轴线所述转动轴线转动轴线以及转动轴线相交于一点且不共面； 所述第二球副S2包含转动轴线转动轴线以及转动轴线所述转动轴 线转动轴线以及转动轴线相交于一点且不共面；所述第三球副S3包 含转动轴线转动轴线以及转动轴线所述转动轴线转动轴线以 及转动轴线相交于一点且不共面；所述第一虎克铰U1包含转动轴线与转 动轴线所述转动轴线与转动轴线垂直相交；所述第二虎克铰U2包含 转动轴线与转动轴线所述转动轴线与转动轴线垂直相交；所述第一 转动副R1的转动轴线为所述第二转动副R2的转动轴线为所述转动轴 线与转动轴线互相平行，所述转动轴线与转动轴线互相垂直，所述转 动轴线与转动轴线互相垂直；所述第一移动副P1的移动轴线为所述 移动轴线垂直于转动轴线与转动轴线所述第二移动副P2的移动轴线 为所述移动轴线垂直于转动轴线与转动轴线所述第三移动副P3 的移动轴线为所述移动轴线垂直于转动轴线与转动轴线所述第四 移动副P4的移动轴线为所述移动轴线垂直于转动轴线

在本发明实施例中，所述第一移动副、第二移动副、第三移动副及第四移动副可以采用伺服电机驱动的丝杠滑台，也可以采用由直线电机、液压、气压推杆等驱动的直线运动机构，所述第一转动副以及第二转动副均可以采用销轴与轴承进行铰接，所述第一球副、第二球副及第三球副可采用关节轴承或是三轴复合式转动关节，但不局限于此。

在本发明实施例中，所述第一移动副、第二移动副、第三移动副以及第四移动副均采用丝杠滑台，所述第一移动副包含第一滑块301、第一丝杠302、与第一滑块相配合的第一直线导轨303、第一连杆304以及驱动第一丝杠的第一伺服电机305，所述第一滑块作为第一移动副的承导件，所述第一滑块固定连接在第一虎克铰上，所述第一直线导轨作为第一移动副的运动件，固定连接在所述第一连杆；当第一伺服电机工作，由于所述第一虎克铰与静平台相连接，所述第一滑块不能相对静平台发生移动，所述第一丝杠带动第一连杆相对第一滑块发生移动，从而所述第一支链相对静平台发生移动。

在本发明实施例中，所述第二移动副包含第二滑块401、第二丝杠402、与第二滑块相配合的第二直线导轨403、第二连杆404以及驱动第二丝杠的第二伺服电机405，所述第二滑块作为第二移动副的承导件，所述第二滑块固定连接在第一转动副上，所述第二直线导轨作为第二移动副的运动件，固定连接在所述第二连杆；当第二伺服电机工作，由于所述第一转动副与静平台相连接，所述第二滑块不能相对静平台发生移动，所述第二丝杠带动第二连杆相对第二滑块发生移动，从而所述第二支链相对静平台发生移动。

在本发明实施例中，所述第三移动副包含第三滑块501、第三丝杠502、与第三滑块相配合的第三直线导轨503、第三连杆504以及驱动第三丝杠的第三伺服电机505，所述第三滑块作为第三移动副的承导件，所述第三滑块固定连接在第二转动副上，所述第三直线导轨作为第三移动副的运动件，固定连接在所述第三连杆；当第三伺服电机工作，由于所述第二转动副与静平台相连接，所述第三滑块不能相对静平台发生移动，所述第三丝杠带动第三连杆相对第三滑块发生移动，从而所述第三支链相对静平台发生移动。

在本发明实施例中，所述第四移动副包含第四滑块601、第四滑块相配合的第四直线导轨602，所述第四滑块作为第四移动副的承导件，所述第四滑块固定连接在固定架上，由于所述固定架与静平台相连接，故所述第四滑块不能相对静平台发生移动，所述动平台带动第四支链相对第四滑块发生移动，从而所述第四支链相对静平台被动地发生移动。

在本发明实施例中，本发明以所述静平台2作为机构机架、动平台1作为输出部件，所述第一移动副P1、所述第二移动副P2以及所述第三移动副P3主动运动副，实现动平台1相对静平台2在进动角y、章动角q及高度z方向的两转动一平动运动输出。

在本发明实施例中，所述第一转动副R1的中心、第二转动副R2的中心、第一虎克铰U1的中心所形成的平面形状不受限制；所述第二虎克铰U2的中心、第一球副S1,第二球副S2以及第三球副S3的中心所形成的平面形状不受限制；优选的，所述第一转动副R1的中心、第二转动副R2的中心、第一虎克铰U1的中心以等腰三角形分布在静平台2上，所述第二虎克铰U2的中心、第一球副S1,第二球副S2以及第三球副S3的中心以等腰三角形分布在动平台1上。

一种空间两转动一平动的冗余约束并联机构的工作方法，按以下步骤进行：根据并联机构运动机理，在第一移动副、第二移动副以及第三移动副的共同驱动下，唯一确定动平台一个位姿，从而实现动平台相对静平台两转动与一平动的动作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种空间两转动一平动的冗余约束并联机构，其特征在于：该并联机构是一种4支链3自由度的1UPS&2RPS&1PU型空间拓扑结构，该并联机构包括动平台、静平台、第一支链、第二支链、第三支链以及第四支链，所述动平台经第一支链、第二支链、第三支链以及第四支链与静平台连接在一起，所述第一支链为UPS型主动运动支链，所述第二支链为RPS型主动运动支链，所述第三支链为RPS型主动运动支链，所述第四支链为PU型被动运动支链，所述动平台作为机构的输出部件，在三条主动运动支链的共同驱动下，机构实现了所述动平台相对静平台的两转动一平动的动作。

2.根据权利要求1所述的空间两转动一平动的冗余约束并联机构，其特征在于：所述第一支链包括第一虎克铰、第一移动副以及第一球副，所述第一虎克铰与静平台相连接，所述第一移动副作为机构的主动运动副，所述第一球副与动平台相连接。

3.根据权利要求2所述的空间两转动一平动的冗余约束并联机构，其特征在于：所述第二支链包括第一转动副、第二移动副以及第二球副，所述第一转动副与静平台相连接，所述第二移动副作为机构的主动运动副，所述第二球副与动平台相连接。

4.根据权利要求3所述的空间两转动一平动的冗余约束并联机构，其特征在于：所述第三支链包含第二转动副、第三移动副以及第三球副，所述第二转动副与静平台相连接，所述第三移动副作为机构的主动运动副，所述第三球副与动平台相连接。

5.根据权利要求4所述的空间两转动一平动的冗余约束并联机构，其特征在于：所述第四支链包含第四移动副以及第二虎克铰，所述第四移动副与静平台相连接，所述第四移动副作为机构的被动运动副，所述第二虎克铰与动平台相连接。

6.根据权利要求5所述的空间两转动一平动的冗余约束并联机构，其特征在于：所述第一转动副的中心、第二转动副的中心、第一虎克铰的中心以等腰三角形分布在静平台上，所述第二虎克铰的中心、第一球副、第二球副、第三球副的中心以等腰三角形分布在动平台上。

7.根据权利要求5或6所述的空间两转动一平动的冗余约束并联机构，其特征在于：所述第一球副包含转动轴线转动轴线以及转动轴线所述转动轴线转动轴线以及转动轴线相交于一点且不共面；所述第二球副包含转动轴线转动轴线以及转动轴线所述转动轴线转动轴线以及转动轴线相交于一点且不共面；所述第三球副包含转动轴线转动轴线以及转动轴线所述转动轴线转动轴线以及转动轴线相交于一点且不共面；所述第一虎克铰包含转动轴线与转动轴线所述转动轴线与转动轴线垂直相交；所述第二虎克铰包含转动轴线与转动轴线所述转动轴线与转动轴线垂直相交；所述第一转动副的转动轴线为所述第二转动副的转动轴线为所述转动轴线与转动轴线互相平行，所述转动轴线与转动轴线互相垂直，所述转动轴线与转动轴线互相垂直；所述第一移动副的移动轴线为所述移动轴线垂直于转动轴线与转动轴线所述第二移动副的移动轴线为所述移动轴线垂直于转动轴线与转动轴线所述第三移动副的移动轴线为所述移动轴线垂直于转动轴线与转动轴线所述第四移动副的移动轴线为所述移动轴线垂直于转动轴线

8.根据权利要求5或6所述的空间两转动一平动的冗余约束并联机构，其特征在于：所述第一移动副采用丝杠滑台，第四移动副采用滑块导轨；所述第一移动副包含第一滑块、第一丝杠、与第一滑块相配合的第一直线导轨、第一连杆以及驱动第一丝杠的第一伺服电机，所述第一滑块作为第一移动副的承导件，所述第一滑块固定连接在第一虎克铰上，所述第一直线导轨作为第一移动副的运动件，固定连接在所述第一连杆；第二移动副采用丝杠滑台，所述第二移动副包含第二滑块、第二丝杠、与第二滑块相配合的第二直线导轨、第二连杆以及驱动第二丝杠的第二伺服电机，所述第二滑块作为第二移动副的承导件，所述第二滑块固定连接在第一转动副上，所述第二直线导轨作为第二移动副的运动件，固定连接在所述第二连杆；第三移动副采用丝杠滑台，所述第三移动副包含第三滑块、第三丝杠、与第三滑块相配合的第三直线导轨、第三连杆以及驱动第三丝杠的第三伺服电机，所述第三滑块作为第三移动副的承导件，所述第三滑块固定连接在第二转动副上，所述第三直线导轨作为第三移动副的运动件，固定连接在所述第三连杆。

9.根据权利要求8所述的空间两转动一平动的冗余约束并联机构，其特征在于：所述第四移动副包含第四滑块、第四滑块相配合的第四直线导轨，所述第四滑块作为第四移动副的承导件，所述第四滑块固定连接在固定架上。

10.一种如权利要求1-9之一所述的两转动一平动的冗余约束并联机构的工作方法，其特征在于：通过驱动第一支链的第一移动副、第二支链的第二移动副、第三支链的第三移动副，唯一确定动平台一个位姿，从而实现动平台相对静平台两转动与一平动的动作。