CN109278026B - 一种四自由度并联机械手 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种四自由度并联机械手，包括定平台、动平台、三条支链，三条支链由复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ组成；所述定平台、动平台通过三条支链连接，三条支链的复合运动构成了动平台的输出运动。本发明基于方位特征集理论采用一条复杂支链和两条简单支链连接动平台和定平台来构建并联机械手，该结构简单，易于控制，能实现空间两维移动和两维转动，可用于工业复杂曲面的加工和焊接作业，是一种新型的并联机械手，可以为加工制造提供帮助。
Description
技术领域
本发明涉及一种四自由度并联机械手，属于并联机器人技术领域。
背景技术
目前对并联机构的综合方面，国内外学者均做出了巨大的贡献，然而绝大多数机构是瞬时机构，这导致了机构在运动过程中机构的自由度会缺失或者是增加，这导致了需要对机构自由度的瞬时特性进行判别，这严重阻碍了机构学方面的发展。
在现在的工业领域中，在一些特殊的场合并不一定要具备空间三维平移和三维转动的六自由度机构，因为此类机构的控制比较复杂，制造加工也不便。比如在空间某一高度的物资在一个平面内从一个地方移动到另外一个地方，这样的场合其实四个自由度的机械手就足够了。因此，为了满足特定场合对两平移两转动并联机械手的需求，也为了增加此类机构的构型库，以便供设计人员参考，有必要提出一种新型四自由度并联机械手。
发明内容
本发明提供了一种四自由度并联机械手，通过三条支链连接动、定平台构建并联机构，能够实现空间两维移动和两维转动。
本发明的技术方案是：一种四自由度并联机械手，包括定平台N、动平台M、三条支链，三条支链由复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ组成；
所述定平台N、动平台M通过三条支链连接，三条支链的复合运动构成了动平台M的输出运动；
所述复杂支链Ⅰ对动平台M产生两维移动和两维转动的作用；
所述简单支链Ⅱ为能实现空间6自由度运动的串联链，不对动平台M运动产生约束；
所述简单支链Ⅲ为能实现空间6自由度运动的串联链，不对动平台M运动产生约束；
所述简单支链Ⅱ采用的结构与简单支链Ⅲ相同。
所述动平台M采用任意三角形形式配置；定平台N采用任意形式配置。
所述复杂支链Ⅰ一端与动平台M一个角焊接连接，简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ一端的运动副分别与动平台M的另外两个角连接，复杂支链Ⅰ另一端三个分支、简单支链Ⅱ另一端、简单支链Ⅲ另一端的运动副分别与定平台N连接，复杂支链Ⅰ另一端三个分支的运动副连接的定平台N构成了一个直角三角形，简单支链Ⅱ另一端、简单支链Ⅲ另一端的运动副连接的定平台N任意位置，三条支链不相交。
与动平台M的三个角连接的三条支链一端分别为：复杂支链Ⅰ的一端为第八连接杆8，简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ一端为球副或虎克铰；作为驱动副的与定平台N连接的复杂支链Ⅰ另一端三个分支、简单支链Ⅱ另一端、简单支链Ⅲ另一端的运动副为：复杂支链Ⅰ另一端三个分支的运动副为转动副或移动副，简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ另一端的运动副为转动副或移动副。
所述复杂支链Ⅰ由子并联机构X、虎克铰U、第七连接杆7、第八连接杆8构成；其中，子并联机构X的一端与定平台N连接，子并联机构X另一端通过第七连接杆7与虎克铰U一端连接，虎克铰U另一端通过第八连接杆8与动平台M的一个角焊接连接。
所述子并联机构X由复杂支链E、简单支链F、简单支链G、子动平台P组成，子动平台P为直角三角形；其中复杂支链E、简单支链F、简单支链G一端的运动副与定平台N构成的直角三角形的三条边连接，复杂支链E、简单支链F、简单支链G另一端与子动平台P三条边连接，子动平台P与第七连接杆7连接，复杂支链E、简单支链F、简单支链G互不相交，复杂支链E与定平台N连接的运动副、简单支链G与定平台N连接的运动副轴线垂直且两个运动副连接的直角三角形的两条边为直角边。
所述复杂支链E由第一连接杆1、第二连接杆2、四个转动副构成的平行四边形机构ABCD、转动副R11、转动副R12、转动副R13组成；其中第一连接杆1一端通过转动副R11与定平台N连接，第一连接杆1另一端通过转动副R12与平行四边形机构ABCD一条边中点连接，平行四边形机构ABCD该条边的另一对边中点通过转动副R13与第二连接杆2一端连接，第二连接杆2另一端直接焊接在子动平台P的边上，该复杂支链E的末端输出运动为三维移动和一维转动；
所述简单支链F由转动副R31、球副S32、球副S33、第三连接杆3、第四连接杆4组成；其中第三连接杆3的一端通过转动副R31与定平台N连接，第三连接杆3另一端通过球副S32与第四连接杆4一端连接，第四连接杆4的另一端通过球副S33与子动平台P边连接，该简单支链F为无约束运动链，末端输出的自由度为6；
所述简单支链G由转动副R21、转动副R22、转动副R23、第五连接杆5、第六连接杆6组成；其中第五连接杆5的一端通过转动副R21与定平台N连接，第五连接杆5另一端通过转动副R22与第六连接杆6一端连接，第六连接杆6的另一端通过转动副R23与子动平台P边连接，该简单支链G末端输出的运动为两维移动和一维转动；
作为驱动副的转动副R11、转动副R21、转动副R31能由移动副代替；转动副R11、转动副R12、转动副R13的轴线平行，转动副R21、转动副R22、转动副R23的轴线平行。
所述简单支链Ⅱ由转动副R51、球副S52、球副S53、第十一连接杆11、第十二连接杆12组成；其中，第十一连接杆11一端通过转动副R51与定平台N连接，第十一连接杆11另一端通过球副S52与第十二连接杆12一端连接，第十二连接杆12另一端通过球副S53与动平台M的角连接；
作为驱动副的转动副R51能使用移动副代替，使得该支链为PSS结构，该机构的作用效果与RSS支链作用效果等价；球副S53能由虎克铰代替。
所述简单支链Ⅲ由转动副R41、球副S42、球副S43、第九连接杆9、第十连接杆10组成；其中，第九连接杆9一端通过转动副R41与定平台N连接，第九连接杆9另一端通过球副S42与第十连接杆10一端连接，第十连接杆10的另一端通过球副S43与动平台M的角连接；
作为驱动副的转动副R41能使用移动副代替，使得该支链为PSS结构，该机构的作用效果与RSS支链作用效果等价；球副S43能由虎克铰代替。
本发明的有益效果是：本发明基于方位特征集理论采用一条复杂支链和两条简单支链连接动平台和定平台来构建并联机械手，该结构简单，易于控制，能实现空间两维移动和两维转动，可用于工业复杂曲面的加工和焊接作业，是一种新型的并联机械手，可以为加工制造提供帮助。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图中各标号为：N-定平台、M-动平台、P-子动平台、X-子并联机构、U-虎克铰、1-第一连接杆、2-第二连接杆、3-第三连接杆、4-第四连接杆、5-第五连接杆、6-第六连接杆、7-第七连接杆、8-第八连接杆、9-第九连接杆、10-第十连接杆、11-第十一连接杆、12-第十二连接杆、Rij-转动副、Sij-球副、ij表示下标。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明，但本发明的内容并不限于所述范围。
实施例1：如图1所示，一种四自由度并联机械手，包括定平台N、动平台M、三条支链，三条支链由复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ组成；所述定平台N、动平台M通过三条支链连接，三条支链的复合运动构成了动平台M的输出运动；所述复杂支链Ⅰ对动平台M产生两维移动和两维转动的作用；所述简单支链Ⅱ为能实现空间6自由度运动的串联链，不对动平台M运动产生约束；所述简单支链Ⅲ为能实现空间6自由度运动的串联链，不对动平台M运动产生约束；所述简单支链Ⅱ采用的结构与简单支链Ⅲ相同。
进一步地，可以设置所述动平台M采用任意三角形形式配置（如锐角三角形、钝角三角形、直角三角形等等）；定平台N采用任意形式配置。
进一步地，可以设置所述复杂支链Ⅰ一端与动平台M一个角焊接连接，简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ一端的运动副分别与动平台M的另外两个角连接，复杂支链Ⅰ另一端三个分支、简单支链Ⅱ另一端、简单支链Ⅲ另一端的运动副分别与定平台N连接，复杂支链Ⅰ另一端三个分支的运动副连接的定平台N构成了一个直角三角形，简单支链Ⅱ另一端、简单支链Ⅲ另一端的运动副连接的定平台N任意位置，三条支链不相交。
进一步地，可以设置与动平台M的三个角连接的三条支链一端分别为：复杂支链Ⅰ的一端为第八连接杆8，简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ一端为球副或虎克铰；作为驱动副的与定平台N连接的复杂支链Ⅰ另一端三个分支、简单支链Ⅱ另一端、简单支链Ⅲ另一端的运动副为：复杂支链Ⅰ另一端三个分支的运动副为转动副或移动副，简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ另一端的运动副为转动副或移动副。
进一步地，可以设置所述复杂支链Ⅰ由子并联机构X、虎克铰U、第七连接杆7、第八连接杆8构成；其中，子并联机构X的一端与定平台N连接，子并联机构X另一端通过第七连接杆7与虎克铰U一端连接，虎克铰U另一端通过第八连接杆8与动平台M的一个角焊接连接。
进一步地，可以设置所述子并联机构X由复杂支链E、简单支链F、简单支链G、子动平台P组成，子动平台P为直角三角形；其中复杂支链E、简单支链F、简单支链G一端的运动副与定平台N构成的直角三角形的三条边连接，复杂支链E、简单支链F、简单支链G另一端与子动平台P三条边连接，子动平台P与第七连接杆7连接，复杂支链E、简单支链F、简单支链G互不相交，复杂支链E与定平台N连接的运动副、简单支链G与定平台N连接的运动副轴线垂直且两个运动副连接的直角三角形的两条边为直角边（即R11、R12轴线垂直）。
进一步地，可以设置所述复杂支链E由第一连接杆1、第二连接杆2、四个转动副构成的平行四边形机构ABCD、转动副R11、转动副R12、转动副R13组成；其中第一连接杆1一端通过转动副R11与定平台N连接，第一连接杆1另一端通过转动副R12与平行四边形机构ABCD一条边CD中点连接，平行四边形机构ABCD该条边的另一对边AB中点通过转动副R13与第二连接杆2一端连接，第二连接杆2另一端直接焊接在子动平台P的边上，该复杂支链E的末端输出运动为三维移动和一维转动；所述简单支链F由转动副R31、球副S32、球副S33、第三连接杆3、第四连接杆4组成；其中第三连接杆3的一端通过转动副R31与定平台N连接，第三连接杆3另一端通过球副S32与第四连接杆4一端连接，第四连接杆4的另一端通过球副S33与子动平台P边连接，该简单支链F为无约束运动链，末端输出的自由度为6；所述简单支链G由转动副R21、转动副R22、转动副R23、第五连接杆5、第六连接杆6组成；其中第五连接杆5的一端通过转动副R21与定平台N连接，第五连接杆5另一端通过转动副R22与第六连接杆6一端连接，第六连接杆6的另一端通过转动副R23与子动平台P边连接，该简单支链G末端输出的运动为两维移动和一维转动；作为驱动副的转动副R11、转动副R21、转动副R31能由移动副代替（当转动副R11、转动副R21更换为移动副时，同样需要保证其轴线垂直）；转动副R11、转动副R12、转动副R13的轴线平行，转动副R21、转动副R22、转动副R23的轴线平行。
进一步地，可以设置所述简单支链Ⅱ由转动副R51、球副S52、球副S53、第十一连接杆11、第十二连接杆12组成；其中，第十一连接杆11一端通过转动副R51与定平台N连接，第十一连接杆11另一端通过球副S52与第十二连接杆12一端连接，第十二连接杆12另一端通过球副S53与动平台M的角连接；作为驱动副的转动副R51能使用移动副代替，使得该支链为PSS结构，该机构的作用效果与RSS支链作用效果等价；球副S53能由虎克铰代替。
进一步地，可以设置所述简单支链Ⅲ由转动副R41、球副S42、球副S43、第九连接杆9、第十连接杆10组成；其中，第九连接杆9一端通过转动副R41与定平台N连接，第九连接杆9另一端通过球副S42与第十连接杆10一端连接，第十连接杆10的另一端通过球副S43与动平台M的角连接；作为驱动副的转动副R41能使用移动副代替，使得该支链为PSS结构，该机构的作用效果与RSS支链作用效果等价；球副S43能由虎克铰代替。
本发明的工作原理是：
该机构因为复杂支链Ⅰ中的子并联机构X的子动平台P的输出运动为两维移动，在此基础上串联了二维转动的虎克铰U，因此该复杂Ⅰ能输出空间两维移动和两维转动（2T2R）。当简单支链Ⅳ与简单支链Ⅴ结构一样，则效果一样，他们的作用是提高并联机构的强度和刚度，并且使得定平台底部的转动副作为驱动输入。复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ和简单支链Ⅲ求交集，仍为两维移动和两维转动机构。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (6)
1.一种四自由度并联机械手，其特征在于：包括定平台（N）、动平台（M）、三条支链，三条支链由复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ组成；
所述定平台（N）、动平台（M）通过三条支链连接，三条支链的复合运动构成了动平台（M）的输出运动；
所述复杂支链Ⅰ对动平台（M）产生两维移动和两维转动的作用；
所述简单支链Ⅱ为能实现空间六自由度运动的串联链，不对动平台（M）运动产生约束；
所述简单支链Ⅲ为能实现空间六自由度运动的串联链，不对动平台（M）运动产生约束；
所述简单支链Ⅱ采用的结构与简单支链Ⅲ相同；
所述复杂支链Ⅰ一端与动平台（M）一个角焊接连接，简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ一端的运动副分别与动平台（M）的另外两个角连接，复杂支链Ⅰ另一端三个分支、简单支链Ⅱ另一端、简单支链Ⅲ另一端的运动副分别与定平台（N）连接，复杂支链Ⅰ另一端三个分支的运动副连接的定平台（N）构成了一个直角三角形，简单支链Ⅱ另一端、简单支链Ⅲ另一端的运动副连接的定平台（N）任意位置，三条支链不相交；
所述复杂支链Ⅰ由子并联机构（X）、虎克铰（U）、第七连接杆（7）、第八连接杆（8）构成；其中，子并联机构（X）的一端与定平台（N）连接，子并联机构（X）另一端通过第七连接杆（7）与虎克铰（U）一端连接，虎克铰（U）另一端通过第八连接杆（8）与动平台（M）的一个角焊接连接；
所述子并联机构（X）由复杂支链E、简单支链F、简单支链G、子动平台（P）组成，子动平台（P）为直角三角形；其中复杂支链E、简单支链F、简单支链G一端的运动副与定平台（N）构成的直角三角形的三条边连接，复杂支链E、简单支链F、简单支链G另一端与子动平台（P）的直角三角形的三条边连接，子动平台（P）与第七连接杆（7）连接，复杂支链E、简单支链F、简单支链G互不相交，复杂支链E与定平台（N）连接的运动副、简单支链G与定平台（N）连接的运动副轴线垂直且两个运动副连接的直角三角形的两条边为直角边。
2.根据权利要求1所述的四自由度并联机械手，其特征在于：所述动平台（M）采用任意三角形形式配置；定平台（N）采用任意形式配置。
3.根据权利要求1所述的四自由度并联机械手，其特征在于：与动平台（M）的三个角连接的三条支链一端分别为：复杂支链Ⅰ的一端的第八连接杆（8），简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ一端的球副或虎克铰；作为驱动副的与定平台（N）连接的复杂支链Ⅰ另一端三个分支、简单支链Ⅱ另一端、简单支链Ⅲ另一端的运动副为：复杂支链Ⅰ另一端三个分支的运动副为转动副或移动副，简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ另一端的运动副为转动副或移动副。
4.根据权利要求1所述的四自由度并联机械手，其特征在于：所述复杂支链E由第一连接杆（1）、第二连接杆（2）、四个转动副构成的平行四边形机构ABCD、转动副R11、转动副R12、转动副R13组成；其中第一连接杆（1）一端通过转动副R11与定平台（N）连接，第一连接杆（1）另一端通过转动副R12与平行四边形机构ABCD一条边中点连接，平行四边形机构ABCD该条边的另一对边中点通过转动副R13与第二连接杆（2）一端连接，第二连接杆（2）另一端直接焊接在子动平台（P）的边上，该复杂支链E的末端输出运动为三维移动和一维转动；
所述简单支链F由转动副R31、球副S32、球副S33、第三连接杆（3）、第四连接杆（4）组成；其中第三连接杆（3）的一端通过转动副R31与定平台（N）连接，第三连接杆（3）另一端通过球副S32与第四连接杆（4）一端连接，第四连接杆（4）的另一端通过球副S33与子动平台（P）边连接，该简单支链F为无约束运动链，末端输出的自由度为六；
所述简单支链G由转动副R21、转动副R22、转动副R23、第五连接杆（5）、第六连接杆（6）组成；其中第五连接杆（5）的一端通过转动副R21与定平台（N）连接，第五连接杆（5）另一端通过转动副R22与第六连接杆（6）一端连接，第六连接杆（6）的另一端通过转动副R23与子动平台（P）边连接，该简单支链G末端输出的运动为两维移动和一维转动；
转动副R11、转动副R12、转动副R13的轴线平行，转动副R21、转动副R22、转动副R23的轴线平行。
5.根据权利要求1所述的四自由度并联机械手，其特征在于：所述简单支链Ⅱ由转动副R51、球副S52、球副S53、第十一连接杆（11）、第十二连接杆（12）组成；其中，第十一连接杆（11）一端通过转动副R51与定平台（N）连接，第十一连接杆（11）另一端通过球副S52与第十二连接杆（12）一端连接，第十二连接杆（12）另一端通过球副S53与动平台（M）的角连接。
6.根据权利要求1所述的四自由度并联机械手，其特征在于：所述简单支链Ⅲ由转动副R41、球副S42、球副S43、第九连接杆（9）、第十连接杆（10）组成；其中，第九连接杆（9）一端通过转动副R41与定平台（N）连接，第九连接杆（9）另一端通过球副S42与第十连接杆（10）一端连接，第十连接杆（10）的另一端通过球副S43与动平台（M）的角连接。
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
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Inventor after: Chen Jiupeng Inventor after: Wu Xing Inventor after: San Hongjun Inventor after: Zhang Daoyi Inventor after: Chen Mingfang Inventor after: Wang Xuejun Inventor after: He Wei Inventor after: Wu Haibo Inventor before: Wu Xing Inventor before: Chen Jiupeng Inventor before: San Hongjun Inventor before: Zhang Daoyi Inventor before: Chen Mingfang Inventor before: Wang Xuejun Inventor before: He Wei Inventor before: Wu Haibo |
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