CN109352627B - 一种空间三维移动并联机械手 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空间三维移动并联机械手，包括定平台、三条相同的支链、动平台，三条相同的支链为支链Ⅰ、支链Ⅱ、支链Ⅲ；其中三条相同的支链呈现空间120°分布与定平台连接，该三条支链的复合运动构成了动平台的输出运动为三维移动。本发明原理简单，使用了由四个转动副构成的平行四边形机构，极大的增强了机构的强度和刚度；每条支链均可看作PUU结构，三条简单支链的耦合作用构成了动平台Q的输出运动。同时该机构的耦合度为0，为空间解耦机构，其运动控制、动力学以及静力学计算简单，具有成本低廉，使用简单，安全高效的特点。

Description

一种空间三维移动并联机械手
技术领域
本发明涉及一种空间三维移动并联机械手，属于并联机器人技术领域。
背景技术
并联机床经过几十年的发展取得了显著的成绩。少自由度并联机器人因其自由度小于六的并联机构控制比较简单，又因为其通过大于等于三的支链进行连接，极大的增加了机构的强度和刚度，所以进入20世纪以来特别受到国内外并联机构专家们的关注。
目前大部分综合出来的机构均没有进行原机设计，而仅仅停留在理论分析和结构提出上，这极大限制了少自由度并联机构的发展。也有一些已经用于工业运用的机构，例如三转一移的H4机构、Delta机构等。对国内外机构的研究分析可以看出，许多已经提出的机构其耦合度均大于2，不利于控制和优选，同时为了应对工厂大量的挑选需要，迫切的对能实现空间三维移动的并联机器人提出了更高的需求。
发明内容
本发明提供了一种空间三维移动并联机械手，通过三条简单支链的耦合作用构成了动平台的输出运动。
本发明的技术方案是：一种空间三维移动并联机械手，包括定平台P、三条相同的支链、动平台Q，三条相同的支链为支链Ⅰ、支链Ⅱ、支链Ⅲ；其中三条相同的支链呈现空间120°分布与定平台P连接，该三条支链的复合运动构成了动平台Q的输出运动为三维移动。
所述支链Ⅰ包括T型螺钉ⅠA、六角法兰面螺母ⅠB、固定座C、角件D、内六角圆柱头螺钉ⅠE、轻型弹簧垫圈F、六角螺母G、滑块导轨机构H以及由四个转动副构成的平行四边形机构L组成；其中，固定座C通过内六角圆柱头螺钉ⅠE、轻型弹簧垫圈F、六角螺母G固定在定平台P上，固定座C与滑块导轨机构H的一端通过角件D经T型螺钉ⅠA、六角法兰面螺母ⅠB固定连接，滑块导轨机构H内侧通过转动副与平行四边形机构L的一边的中点连接，平行四边形机构L与滑块导轨机构H连接的边的对边的中点通过转动副与动平台Q直接连接。
所述滑块导轨机构H由立柱1、步进电机2、六角法兰面螺母Ⅱ3、T型螺钉Ⅱ4、电机支架5、梅花联轴器6、丝杆轴承座Ⅰ7、导轨8、丝杆轴承座Ⅱ9、滚珠丝杆支撑座10、滚珠丝杆11、滑块连接件12、导轨滑块13、十字头盘头螺钉14、短杆轴承座15、1型六角螺母17、内六角圆柱头螺钉Ⅱ18、深沟球轴承19、内六角圆柱头螺钉Ⅲ20、六角法兰面螺母Ⅲ21、内六角圆柱头螺钉Ⅳ22、T型螺钉Ⅲ23、六角法兰面螺母Ⅳ24、内六角圆柱头螺钉Ⅴ25组成；其中，步进电机2通过内六角圆柱头螺钉Ⅲ20、六角法兰面螺母Ⅲ21固定在电机支架5上，电机支架5通过六角法兰面螺母Ⅱ3、T型螺钉Ⅱ4与立柱1固定连接，步进电机2的电机轴通过梅花联轴器6与滚珠丝杆11一端连接，滚珠丝杆11依次穿过一个带轴承的丝杆轴承座Ⅰ7、一个滚珠丝杆支撑座10、滑块连接件12、另一个滚珠丝杆支撑座10、另一个带轴承的丝杆轴承座Ⅱ9，丝杆轴承座Ⅰ7、丝杆轴承座Ⅱ9与滚珠丝杆支撑座10通过内六角圆柱头螺钉Ⅳ22固定，滚珠丝杆支撑座10通过T型螺钉Ⅲ23、六角法兰面螺母Ⅳ24固定在立柱1上，安装在两个滚珠丝杆支撑座10之间的导轨8通过1型六角螺母17、内六角圆柱头螺钉Ⅴ25直接与立柱1固定连接，导轨滑块13安装在在导轨8上，滑块连接件12与导轨滑块13通过内六角圆柱头螺钉Ⅱ18固定，滑块连接件12与导轨滑块13固定的端面的对侧面与短杆轴承座15通过两个十字头盘头螺钉14固定连接，短杆轴承座15中安装的深沟球轴承19与平行四边形机构L的边连接。
所述滑块连接件12与滚珠丝杆11接触的一个端面通过内六角圆柱头螺钉固定丝杆滑块16。
所述导轨8采用内凹设计与导轨滑块13采用的外凸设计配合，将导轨滑块13从导轨8插入实现导轨滑块13沿着导轨8运动。
本发明的有益效果是：本发明原理简单，使用了由四个转动副构成的平行四边形机构，极大的增强了机构的强度和刚度；每条支链均可看作PUU结构，三条简单支链的耦合作用构成了动平台Q的输出运动。同时该机构的耦合度为0，为空间解耦机构，其运动控制、动力学以及静力学计算简单，具有成本低廉，使用简单，安全高效的特点。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为图1中立柱与定平台连接处的局部放大图；
图3为本发明的主视图；
图4为本发明的左视图；
图5为本发明的俯视图；
图6为本发明的滑块导轨机构轴测图；
图7为本发明的滑块导轨机构正视图；
图8本发明的滑块导轨机构左视图；
图9为本发明的固定平台安装主视图；
图10为本发明的固定平台安装图立体图；
图中各标号：P-动平台、Q-动平台、A-T型螺钉Ⅰ、B-六角法兰面螺母Ⅰ、C-固定座、D-角件、E-内六角圆柱头螺钉Ⅰ、F-轻型弹簧垫圈、G-六角螺母、H-滑块导轨机构、L-平行四边形机构、1-立柱、2-步进电机、3-六角法兰面螺母Ⅱ、4-T型螺钉Ⅱ、5-电机支架、6-梅花联轴器、7-丝杆轴承座Ⅰ、8-导轨、9-丝杆轴承座Ⅱ、10-滚珠丝杆支撑着座、11-滚珠丝杆、12-滑块连接件、13-导轨滑块、14-十字头盘头螺钉、15-短杆轴承座、16-丝杆滑块、17-1型六角螺母、18-内六角圆柱头螺钉Ⅱ、19-深沟球轴承、20-内六角圆柱头螺钉Ⅲ、21-六角法兰面螺母Ⅲ、22-内六角圆柱头螺钉Ⅲ、23-T型螺钉Ⅲ、24-六角法兰面螺母Ⅳ、25-内六角圆柱头螺钉Ⅴ。
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1-10所示，一种空间三维移动并联机械手，包括定平台P、三条相同的支链、动平台Q，三条相同的支链为支链Ⅰ、支链Ⅱ、支链Ⅲ；其中三条相同的支链呈现空间120°分布与定平台P连接，该三条支链的复合运动构成了动平台Q的输出运动为三维移动（支链Ⅰ、支链Ⅱ、与支链Ⅲ结构相同，均为PUU结构（U-代表虎克铰，P-代表移动副）。三条支链在空间呈现120°分布）。
进一步地，可以设置所述支链Ⅰ包括T型螺钉ⅠA、六角法兰面螺母ⅠB、固定座C、角件D、内六角圆柱头螺钉ⅠE、轻型弹簧垫圈F、六角螺母G、滑块导轨机构H以及由四个转动副构成的平行四边形机构L组成；其中，固定座C通过内六角圆柱头螺钉ⅠE、轻型弹簧垫圈F、六角螺母G固定在定平台P上，固定座C与滑块导轨机构H的一端通过两个相同的角件D经8个T型螺钉ⅠA、六角法兰面螺母ⅠB固定连接，滑块导轨机构H内侧通过转动副与平行四边形机构L的一边的中点连接，平行四边形机构L与滑块导轨机构H连接的边的对边的中点通过转动副与动平台Q直接连接。
进一步地，可以设置所述滑块导轨机构H由立柱1、步进电机2、六角法兰面螺母Ⅱ3、T型螺钉Ⅱ4、电机支架5、梅花联轴器6、丝杆轴承座Ⅰ7、导轨8、丝杆轴承座Ⅱ9、滚珠丝杆支撑座10、滚珠丝杆11、滑块连接件12、导轨滑块13、十字头盘头螺钉14、短杆轴承座15、1型六角螺母17、内六角圆柱头螺钉Ⅱ18、深沟球轴承19、内六角圆柱头螺钉Ⅲ20、六角法兰面螺母Ⅲ21、内六角圆柱头螺钉Ⅳ22、T型螺钉Ⅲ23、六角法兰面螺母Ⅳ24、内六角圆柱头螺钉Ⅴ25组成；其中，步进电机2通过四个内六角圆柱头螺钉Ⅲ20、六角法兰面螺母Ⅲ21固定在电机支架5上，电机支架5通过四个六角法兰面螺母Ⅱ3、T型螺钉Ⅱ4与立柱1固定连接，步进电机2的电机轴通过梅花联轴器6与滚珠丝杆11一端连接，滚珠丝杆11依次穿过一个带轴承的丝杆轴承座Ⅰ7、一个滚珠丝杆支撑座10、滑块连接件12、另一个滚珠丝杆支撑座10、另一个带轴承的丝杆轴承座Ⅱ9，丝杆轴承座Ⅰ7、丝杆轴承座Ⅱ9与滚珠丝杆支撑座10通过四个内六角圆柱头螺钉Ⅳ22固定，滚珠丝杆支撑座10通过两个T型螺钉Ⅲ23、六角法兰面螺母Ⅳ24固定在立柱1上，安装在两个滚珠丝杆支撑座10之间的导轨8通过五个1型六角螺母17、内六角圆柱头螺钉Ⅴ25直接与立柱1固定连接，导轨滑块13安装在在导轨8上，滑块连接件12与导轨滑块13通过四个内六角圆柱头螺钉Ⅱ18固定，滑块连接件12与导轨滑块13固定的端面的对侧面与短杆轴承座15通过两个十字头盘头螺钉14固定连接，短杆轴承座15中安装的深沟球轴承19与平行四边形机构L的边连接。
进一步地，可以设置所述滑块连接件12与滚珠丝杆11接触的一个端面通过六个内六角圆柱头螺钉固定丝杆滑块16。
进一步地，可以设置所述导轨8采用内凹设计与导轨滑块13采用的外凸设计配合，将导轨滑块13从导轨8插入实现导轨滑块13沿着导轨8运动。
本发明的工作原理是：对于该三平移并联操作手三条支链结构相同，当三个步进电机同时作为输入驱动时，滚珠丝杆11根据步进电机2的转动量使得导轨滑块13在立柱1上产生位移。因三个电机的输入角度不一致，导致了三个导轨滑块13在同一时刻在立柱1上所处的位置不一样。三个导轨滑块13把动力传到三个平行四边形机构L上，三个平行四边形机构L的输出端将耦合运动传递给动平台Q，因为三条支链共同作用约束了动平台Q的三个转动运动，所以最终动平台Q的输出运动为三维移动。
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 (1)

1.一种空间三维移动并联机械手，其特征在于：包括定平台（P）、三条相同的支链、动平台（Q），三条相同的支链为支链Ⅰ、支链Ⅱ、支链Ⅲ；其中三条相同的支链呈现空间120°分布与定平台（P）连接，该三条支链的复合运动构成了动平台（Q）的输出运动为三维移动；
所述支链Ⅰ包括T型螺钉Ⅰ（A）、六角法兰面螺母Ⅰ（B）、固定座（C）、角件（D）、内六角圆柱头螺钉Ⅰ（E）、轻型弹簧垫圈（F）、六角螺母（G）、滑块导轨机构（H）以及由四个转动副构成的平行四边形机构（L）组成；其中，固定座（C）通过内六角圆柱头螺钉Ⅰ（E）、轻型弹簧垫圈（F）、六角螺母（G）固定在定平台（P）上，固定座（C）与滑块导轨机构（H）的一端通过角件（D）经T型螺钉Ⅰ（A）、六角法兰面螺母Ⅰ（B）固定连接，滑块导轨机构（H）内侧通过转动副与平行四边形机构（L）的一边的中点连接，平行四边形机构（L）与滑块导轨机构（H）连接的边的对边的中点通过转动副与动平台（Q）直接连接；
所述滑块导轨机构（H）由立柱（1）、步进电机（2）、六角法兰面螺母Ⅱ（3）、T型螺钉Ⅱ（4）、电机支架（5）、梅花联轴器（6）、丝杆轴承座Ⅰ（7）、导轨（8）、丝杆轴承座Ⅱ（9）、滚珠丝杆支撑座（10）、滚珠丝杆（11）、滑块连接件（12）、导轨滑块（13）、十字头盘头螺钉（14）、短杆轴承座（15）、1型六角螺母（17）、内六角圆柱头螺钉Ⅱ（18）、深沟球轴承（19）、内六角圆柱头螺钉Ⅲ（20）、六角法兰面螺母Ⅲ（21）、内六角圆柱头螺钉Ⅳ（22）、T型螺钉Ⅲ（23）、六角法兰面螺母Ⅳ（24）、内六角圆柱头螺钉Ⅴ（25）组成；其中，步进电机（2）通过内六角圆柱头螺钉Ⅲ（20）、六角法兰面螺母Ⅲ（21）固定在电机支架（5）上，电机支架（5）通过六角法兰面螺母Ⅱ（3）、T型螺钉Ⅱ（4）与立柱（1）固定连接，步进电机（2）的电机轴通过梅花联轴器（6）与滚珠丝杆（11）一端连接，滚珠丝杆（11）依次穿过一个带轴承的丝杆轴承座Ⅰ（7）、一个滚珠丝杆支撑座（10）、滑块连接件（12）、另一个滚珠丝杆支撑座（10）、另一个带轴承的丝杆轴承座Ⅱ（9），丝杆轴承座Ⅰ（7）、丝杆轴承座Ⅱ（9）与滚珠丝杆支撑座（10）通过内六角圆柱头螺钉Ⅳ（22）固定，滚珠丝杆支撑座（10）通过T型螺钉Ⅲ（23）、六角法兰面螺母Ⅳ（24）固定在立柱（1）上，安装在两个滚珠丝杆支撑座（10）之间的导轨（8）通过1型六角螺母（17）、内六角圆柱头螺钉Ⅴ（25）直接与立柱（1）固定连接，导轨滑块（13）安装在导轨（8）上，滑块连接件（12）与导轨滑块（13）通过内六角圆柱头螺钉Ⅱ（18）固定，滑块连接件（12）与导轨滑块（13）固定的端面的对侧面与短杆轴承座（15）通过两个十字头盘头螺钉（14）固定连接，短杆轴承座（15）中安装的深沟球轴承（19）与平行四边形机构（L）的边连接；
所述滑块连接件（12）与滚珠丝杆（11）接触的一个端面通过内六角圆柱头螺钉固定丝杆滑块（16）；
所述导轨（8）采用内凹设计与导轨滑块（13）采用的外凸设计配合，将导轨滑块（13）从导轨（8）插入实现导轨滑块（13）沿着导轨（8）运动。
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