CN109318186A - 一种可连续回转的四自由度工作平台 - Google Patents

Abstract

一种可连续回转的四自由度工作平台，包括工作平台、底座及安装在二者之间的三条支链；第一、三支链均包括第一铰链a、第一连杆、第一铰链b、第一齿轮转盘、第一轴承、第一驱动齿轮和第一旋转作动器，第二支链包括第二虎克铰、第二滑柱、第二滑套、第二齿轮转盘、第二轴承a、第二轴承b、第二直线作动器、第二齿轮和第二旋转作动器；第一铰链a的、第二虎克铰的和第三铰链a的转动中心在工作平台的三个正投影点构成一个三角形的三个顶点；在运动时，第三铰链b的、第一铰链b的与第二齿轮转盘的转动中心在坐标系xoy面上的正投影点始终构成一个三角形的三个顶点。本发明刚度大，结构稳定，承载能力大，累积误差小，运动惯量小，回转工作角度大。

Description

一种可连续回转的四自由度工作平台

技术领域

本发明涉及一种可连续回转的四自由度工作平台，属于设计机器人机构领域。

背景技术

并联机构由多条支链驱动，使得并联机构刚度较大，结构稳定的优点，也使得并联机构在运动部分质量相同的情况下具有更为显著的驱动能力。由于来自于各个关节处的误差会被累积和放大，使得串联机构的末端的误差较大，使得整机的精度降低。

而并联机构通常由多条运动链驱动，没有那样的误差累积和放大，使得并联机构的误差较小。而且串联机构的驱动装置一般都放在处于运动状态的运动臂上，从而加大了运动部分的质量，而一般并联机构则很容易将驱动部件直接固定在机架上，从而减小机构的惯性，提升机构的动态性能。但是并联机构也存在着工作空间较小的缺点。

目前的实现连续回转运动平台一般是两种解决方案，一种如中国发明专利授权公告号为CN102750850B中所采用在整个并联机构末端直接添加驱动元件的方式，增加自由度方式；另一种则是如中国发明专利公开号为公开号CN107300357A所使用的将整个并联机构置于旋转机构上。这两种本质上都属于混联机构，常规的混联机构都是在并联机构前添加一个串联部分，或者将整个并联机构放在转盘上，或者其他串联属性的部分上。虽然都是实现连续回转的功能，但是都有部分作动器处于运动的机构上，增大运动机构的惯性，不利于提升整体机构的动态性能，并且将整个并联机构放置在一个转盘(移动副)上，还存在末端误差累积效应更大以及的增大运动部分的质量问题。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种可连续回转的四自由度工作平台，具有刚度大，结构稳定，承载能力大，累积误差小，运动惯量较小以及回转工作角度大的优势，适合需要z轴连续转动，z轴方向移动，x，y轴方向需要转动调节的领域。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：包括工作平台、底座以及安装在二者之间的第一支链、第二支链和第三支链；所述的第一支链包括第一铰链a、第一连杆、第一铰链b、第一齿轮转盘、第一轴承、第一驱动齿轮和第一旋转作动器，第一连杆上端通过第一铰链a和工作平台连接，下端通过第一铰链b和第一齿轮转盘连接，第一连杆的轴线始终和z轴不相平行，第一齿轮转盘通过第一轴承安装底座内，第一齿轮转盘与第一驱动齿轮相啮合，第一驱动齿轮与第一旋转作动器驱动连接并共同固定在底座上；所述的第二支链从上至下依次包括第二虎克铰、第二滑柱、第二滑套、第二齿轮转盘、第二轴承a、第二轴承b、第二直线作动器、第二齿轮和第二旋转作动器，第二虎克铰的上端和工作平台连接，下端和第二滑柱连接，第二滑柱和第二滑套构成移动副，第二滑套和第二齿轮转盘固接，第二齿轮转盘通过第二轴承a和底座连接，第二齿轮连接在第二旋转作动器上并与第二齿轮转盘啮合，第二旋转作动器定在底座，第二直线作动器下端固接在底座上，上端通过第二轴承b和第二滑柱连接；所述的第三支链和第一支链结构形式相同；第一铰链a的转动中心、第二虎克铰的转动中心和第三铰链a的转动中心在工作平台的三个正投影点构成一个三角形的三个顶点；在运动时，第三铰链b的转动中心、第一铰链b的转动中心与第二齿轮转盘的转动中心在坐标系xoy面上的正投影点始终构成一个三角形的三个顶点。

相比现有技术，本发明的一种可连续回转的四自由度工作平台，通过将原本要全部放在转盘上并联的移动副部分和底盘旋转副结合，最终成为环形导轨驱动，自身带有旋转属性，从而只用在第二支链下添加旋转驱动部分。可见，因为第二支链处出现了驱动装置串联的现象，所以该机构不是纯粹的并联机构，也不是传统意义上混联机构，而是一种创新性融合的新机构。该新机构通过在部分并联支链上串联驱动单元，增加了机构的自由度；还通过将所有作动器都在连接在底座上，减少了运动部分质量的，提升了四自由度工作平台动态性能。本发明在三条支链驱动下使得工作平台产生了四自由度，即分别为绕x、y、z轴的转动自由度和沿z方向的移动自由度，特别的本机构可以绕z轴连续回转，具有刚度大、结构稳定、承载能力大、累积误差小、运动惯量较小以及回转工作角度大的优点，适合需要z轴连续转动，z轴方向移动，x，y轴方向需要转动调节的领域，例如用在需要连续转动的复杂物体三维扫描时物体的支撑平台。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明实施例的整体三维结构示意图。

图2是图1中工作平台+第一支链结构+底座的爆炸图。

图3是图1中工作平台+第一支链+第三支链+底座的连接关系示意图。

图4是图1中工作平台+第二支链+底座的爆炸图。

图中：1、工作平台，2、第一支链，3、第二支链，4、第三支链，5、底座，201、第一铰链a，202、第一连杆，203、第一铰链b，204、第一齿轮转盘，205、第一轴承，206、第一驱动齿轮，207、第一旋转作动器，301、第二虎克铰，302、第二滑柱，303、第二齿轮转盘，304、第二轴承a，305、第二轴承b，306、第二直线作动器，307、第二齿轮，308、第二旋转作动器，309、第二滑套，401、第三铰链a，402、第三铰链b。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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的一部分实施例，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，都属于本发明的保护范围。

图1至图4示出了本发明一个较佳的实施例的结构示意图，图1所示的一种可连续回转的四自由工作平台的整体三维结构示意图，从上至下依次为工作平台1、三条支链和底座5。底座5通过第一支链2、第二支链3、第三支链4与工作平台1连接。在第一支链2、第二支链3和第三支链4的驱动下，使得本发明的工作平台1具有四个自由度，包括绕x、y、z轴的转动和沿z轴方向的移动，特别可以绕z轴做连续旋转运动。

如图2所示，第一支链2包括第一铰链a201、第一连杆202、第一铰链b203、第一齿轮转盘204、第一轴承205、第一驱动齿轮206和第一旋转作动器207。其中，第一连杆202上端通过第一铰链a201和工作平台1连接，下端通过第一铰链b203和第一齿轮转盘204连接。第一铰链b203的转动中心不在第一齿轮转盘204的回转轴线上。第一连杆202的长度大于第一铰链a201的转动中心和第一铰链b203的转动中心连线在坐标系xoz平面正投影的最大长度，使得第一连杆202的轴线始终和z轴不出现数学定义中的两直线平行状态。第一齿轮转盘204通过第一轴承205和底座5连接。为了减小连接处结构复杂度，第一轴承205可采用回转支撑轴承。其中，第一齿轮转盘204中带有齿轮。第一驱动齿轮206连接在第一旋转作动器207上。第一旋转作动器207固定在底座5上。底座5侧面开有条状孔，第一驱动齿轮206通过条状孔和第一齿轮转盘204中的齿轮啮合，将第一驱动齿轮206的转动转化为第一齿轮转盘204的转动。第一齿轮转盘204转动，使得第一铰链a201的转动中心和第一铰链b203的转动中心的相对位置发生变化，从而使得第一铰链a201的转动中心和第一铰链b203的转动中心在z轴上的正正投影点间的距离发生变化。所述第一铰链a201、第一铰链b203、第三铰链a401和第三铰链b402在具体实现时可任意选用虎克铰或者球铰链。如图3所示，第三支链4和第一支链2结构形式相同。

如图4所示，所述的第二支链3从上至下依次包括第二虎克铰301、第二滑柱302、第二滑套309、第二齿轮转盘303、第二轴承a304、第二轴承b305、第二直线作动器306、第二齿轮307和第二旋转作动器308。第二虎克铰301上端和工作平台1连接，下端和第二滑柱302连接。第二滑柱302和第二滑套309构成移动副，在具体实现时第二滑柱302和第二滑套309可采用滑键连接，或者为滚动花键副连接，以减小运行阻力。第二滑套309和第二齿轮转盘303固接。第二齿轮转盘303通过第二轴承a304和底座5连接。第二齿轮307连接在第二旋转作动器308上。底座5上开有条形孔，第二旋转作动器308固定在底座5。第二齿轮307通过条形孔和第二齿轮转盘303上的齿轮啮合。第二旋转作动器308依次通过第二齿轮307、第二齿轮转盘303、第二虎克铰301、第二滑柱302、第二滑套309和第二虎克铰301驱动工作平台1产生绕z轴方向的旋转。第二直线作动器306下端固接在底座5上，上端通过第二轴承b305和第二滑柱302连接。为了减小连接处结构复杂度，第二轴承a304可采用回转支撑轴承。第一旋转作动器207和第二旋转作动器308在使用时可用伺服电机或者液压马达。第二直线作动器306在实际运用是可使用液压缸或电动缸等直线驱动转置。

此外，参见图1，还需要满足的是，第一铰链a201的转动中心，第二虎克铰301的转动中心，以及第三铰链a401的转动中心在工作平台1的三个正投影点构成一个三角形的三个顶点。在运动时，第三铰链b402的转动中心，第一铰链b203的转动中心，以及第二齿轮转盘303的转动中心在坐标系xoy面上的正投影点始终构成一个三角形的三个顶点。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所做出任何简单修改和同等变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可连续回转的四自由度工作平台，其特征是：包括工作平台(1)、底座(5)以及安装在二者之间的第一支链(2)、第二支链(3)和第三支链(4)；

所述的第一支链(2)包括第一铰链a(201)、第一连杆(202)、第一铰链b(203)、第一齿轮转盘(204)、第一轴承(205)、第一驱动齿轮(206)和第一旋转作动器(207)，第一连杆(202)上端通过第一铰链a(201)和工作平台(1)连接，下端通过第一铰链b(203)和第一齿轮转盘(204)连接，第一连杆(202)的轴线始终和z轴不相平行，第一齿轮转盘(204)通过第一轴承(205)安装底座(5)内，第一齿轮转盘(204)与第一驱动齿轮(206)相啮合，第一驱动齿轮(206)与第一旋转作动器(207)驱动连接并共同固定在底座(5)上；

所述的第二支链(3)从上至下依次包括第二虎克铰(301)、第二滑柱(302)、第二滑套(309)、第二齿轮转盘(303)、第二轴承a(304)、第二轴承b(305)、第二直线作动器(306)、第二齿轮(307)和第二旋转作动器(308)，第二虎克铰(301)的上端和工作平台(1)连接，下端和第二滑柱(302)连接，第二滑柱(302)和第二滑套(309)构成移动副，第二滑套(309)和第二齿轮转盘(303)固接，第二齿轮转盘(303)通过第二轴承a(304)和底座(5)连接，第二齿轮(307)连接在第二旋转作动器(308)上并与第二齿轮转盘(303)啮合，第二旋转作动器(308)定在底座(5)，第二直线作动器(306)下端固接在底座(5)上，上端通过第二轴承b(305)和第二滑柱(302)连接；

所述的第三支链(4)和第一支链(2)结构形式相同；

第一铰链a(201)的转动中心、第二虎克铰(301)的转动中心和第三铰链a(401)的转动中心在工作平台(1)的三个正投影点构成一个三角形的三个顶点；在运动时，第三铰链b(402)的转动中心、第一铰链b(203)的转动中心与第二齿轮转盘(303)的转动中心在坐标系xoy面上的正投影点始终构成一个三角形的三个顶点。

2.根据权利要求1所述的一种可连续回转的四自由度工作平台，其特征是：所述第一铰链b(203)的转动中心不在第一齿轮转盘(204)的回转轴线上，第一连杆(202)的长度大于第一铰链a(201)的转动中心和第一铰链b(203)的转动中心连线在坐标系xoz平面正投影的最大长度。

3.根据权利要求1所述的一种可连续回转的四自由度工作平台，其特征是：所述的第二滑柱(302)和第二滑套(309)之间采用滑键连接或者滚动花键副连接。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种可连续回转的四自由度工作平台，其特征是：所述底座(5)的侧面开有三处条状孔，第一驱动齿轮(206)和第二齿轮(307)分别通过两处的条状孔与第一齿轮转盘(204)和第二齿轮转盘(303)上的齿轮相啮合，第三支链(4)的第三驱动齿轮也通过一处的条状孔与其第三齿轮转盘上的齿轮相啮合。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种可连续回转的四自由度工作平台，其特征是：所述的第一铰链a(201)、第一铰链b(203)、第三铰链a(401)和第三铰链b(402)都为虎克铰或者球铰链。

6.根据权利要求1或2或3所述的一种可连续回转的四自由度工作平台，其特征是：所述的第一轴承(205)和第二轴承a(304)均采用回转支撑轴承。

7.根据权利要求1或2或3所述的一种可连续回转的四自由度工作平台，其特征是：所述的第一旋转作动器(207)和第二旋转作动器(308)都选用伺服电机或者液压马达；第二直线作动器(306)采用液压缸或电动缸。