CN109352631A - 三分支五自由度并联平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三分支五自由度并联平台，属于并联机器人领域。包括基座、动平台、及位于基座和动平台之间第一运动分支、第二运动分支、第三运动分支；第一运动分支包括第一支撑座、第一直线驱动单元及第一连杆机构，第二运动分支包括第二支撑座、第二直线驱动单元、第三直线驱动单元及第二连杆机构；第三运动分支与第二运动分支结构相同。本发明提供的三分支五自由度并联平台，通过五个直线驱动单元实现了并联平台的三维移动和二维转动，精度高且承载能力强，可以与焊接机器人联动，适用于大型复杂零件的焊接。

Description

三分支五自由度并联平台

技术领域

本发明属于并联机器人领域，更具体地说，是涉及一种三分支五自由度并联平台。

背景技术

并联机构中，动平台和静平台通过至少两个独立的运动链相连接，具有两个或者两个以上的自由度，且以并联方式驱动。基于并联机构的工业移动转动工作台是近几十年出现的新型工业平台，与串联机构的工业平台相比，具有累计误差小、精度较高的特点；驱动装置可置于静平台上或接近静平台的位置，故运动部分的重量轻、动态响应好；且并联机构结构紧凑、刚度高、承载能力大。

斯帝瓦特(Stewart)平台是最典型的六自由度并联平台，这种平台由运动平台、基座和连接两者的六条可伸缩运动分支组成，通过六个运动分支的伸缩运动使运动平台实现任意位置与姿态的六维空间运动，但是，现代生产中的许多实际工业操作平台只需要具有部分自由度，如分别具有二、三、四和五自由度的操作平台，其中，具有三维移动和二维转动的且具有实用性的三分支五自由度工业并联平台并不多见，尤其是在焊接机器人应用领域，因此期待一种三分支五自由度并联平台，能够实现空间的三维移动和二维转动，并保障高精度和高承载能力。

发明内容

本发明提供了一种三分支五自由度并联平台，旨在提供一种高精度和承载能力强的并联平台，实现空间的三维移动和二维转动，可以与焊接机器人联动，适用于大型复杂零件的焊接。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种三分支五自由度并联平台，包括基座、动平台及位于所述动平台和所述基座之间的第一运动分支、第二运动分支、第三运动分支；

所述第一运动分支包括第一支撑座、第一直线驱动单元及第一连杆机构，所述第一支撑座通过垂直于所述基座的第一旋转轴与所述基座转动连接，所述第一连杆机构的第一端与所述第一支撑座的第一端转动连接，第二端通过第十一旋转轴与垂直于所述动平台的第四旋转轴固接，所述第一直线驱动单元的两端分别与所述第一支撑座的第二端、所述第一连杆机构转动连接，用于驱动所述第一连杆机构绕所述第一支撑座摆转，所述第四旋转轴与所述动平台转动连接，所述第十一旋转轴垂直于所述第四旋转轴；

所述第二运动分支包括第二支撑座、第二直线驱动单元、第三直线驱动单元及第二连杆机构，所述第二支撑座通过垂直于所述基座的第二旋转轴与所述基座转动连接，所述第二连杆机构的第一端与所述第二支撑座转动连接，第二端通过第一虎克铰与垂直于所述动平台的第三旋转轴固接，所述第三旋转轴与所述动平台转动连接，所述第二直线驱动单元的两端分别与所述第二支撑座、所述第二连杆机构转动连接，用于驱动所述第二连杆机构绕所述第二支撑座摆转，所述第三直线驱动单元用于调节所述第二连杆机构的第二端相对于所述第二连杆机构的第一端的位置；

所述第三运动分支与所述第二运动分支结构相同。

进一步地，所述第二连杆机构包括相互平行的第一连杆、第三连杆和相互平行的第二连杆、第四连杆，所述第一连杆的第一端、第二连杆的第一端均通过第十二旋转轴与所述第二支撑座的第一端转动连接，所述第一连杆的第二端与所述第四连杆的第一端通过第十三旋转轴转动连接，所述第二连杆的第二端与所述第三连杆的第一端通过第十四旋转轴转动连接，所述第三连杆的第二端与所述第四连杆通过第十五旋转轴转动连接，所述第十五旋转轴位于所述第四连杆的中部，所述第四连杆的第二端设有平行于所述第十二旋转轴的第五旋转轴；

所述第十二旋转轴、第十三旋转轴、第十四旋转轴、第十五旋转轴相互平行。

进一步地，所述第三直线驱动单元的两端分别与所述第十三旋转轴、所述第十四旋转轴转动连接，用于调节所述第一连杆和所述第三连杆之间的距离。

进一步地，所述第一连杆、第二连杆、第三连杆及第四连杆均为H形连接杆。

进一步地，所述第二直线驱动单元的第一端通过第七旋转轴与所述第二支撑座的第二端转动连接，第二端通过第八旋转轴与所述第一连杆转动连接，所述第七旋转轴与所述第八旋转轴均平行于所述第十二旋转轴。

进一步地，所述第一虎克铰包括：

第一矩形连接件，通过所述第五旋转轴与所述第四连杆的第二端转动连接；

第六旋转轴，垂直于所述第五旋转轴；及

U形连接件，通过所述第六旋转轴绕所述第一矩形连接件转动，所述第三旋转轴安装在所述U形连接件的上方且垂直于所述第六旋转轴。

进一步地，所述第一连杆机构与所述第二连杆机构的结构相同，所述第一连杆机构的各旋转轴均平行于所述第十一旋转轴。

进一步地，所述第一直线驱动单元的第一端通过第九旋转轴与所述第一支撑座的第二端转动连接，第二端通过第十旋转轴与所述第一连杆机构的第一连杆转动连接，所述第九旋转轴、所述第十旋转轴均平行于所述十一旋转轴。

进一步地，所述第一连杆机构还包括：

第二矩形连接件，通过所述第十一旋转轴与所述第一连杆机构的第四连杆转动连接，其上方安装有所述第四旋转轴，所述第四旋转轴垂直于第十一旋转轴。

进一步地，初始位姿时，所述第二运动分支和所述第三运动分支以所述第一运动分支的纵向对称平面对称分布。

本发明提供的三分支五自由度并联平台有益效果在于，可以实现三维空间的移动和绕垂直于动平台的任一轴线的转动与绕第十一旋转轴旋转的转动，即具有五维自由度，且结构简单、运动特征明确，本并联平台采用并联的三个运动分支驱动，结构紧凑、刚度大、精度高；

本并联平台采用耦合的并联机构，与解耦的并联机构相比，承载能力大大增强，其末端具有很好的承载能力，可应用于汽车、电子、核工业、航空航天等多个现代工业领域。

本并联平台的所有的运动副均采用转动连接，工艺性好且易于安装和维护。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。

图1是本发明实施例提供的三分支五自由度并联平台的结构示意图一；

图2是本发明实施例提供的三分支五自由度并联平台的结构示意图二；

图3是本发明实施例提供的第二运动分支的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的第二连杆机构的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的第一运动分支的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的第一虎克铰的结构示意图。

其中，各附图标记：

1、基座；2、动平台；3、第一运动分支；301、第一支撑座；302、第一直线驱动单元；303、第一连杆机构；304、第九旋转轴；305、第十旋转轴；306、第二矩形连接件；4、第二运动分支；401第二支撑座；402、第二直线驱动单元；403、第二连杆机构；4031、第一连杆；4032、第二连杆；4033、第三连杆；4034、第四连杆；4035、第十二旋转轴；4036、第十三旋转轴；4037、第十四旋转轴；4038、第十五旋转轴；404、第七旋转轴；405、第八旋转轴；406、第三直线驱动单元；407、第五旋转轴；5、第三运动分支；6、第一旋转轴；7、第二旋转轴；8、第三旋转轴；9、第四旋转轴；10、第一虎克铰；1001、第一矩形连接件；1002、第六旋转轴；1003、U形连接件；11、第十一旋转轴。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”、“若干个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请一并参阅图1至图2，现对本发明提供的三分支五自由度并联平台进行说明。三分支五自由度并联平台包括基座1、动平台2及位于动平台2和基座1之间的第一运动分支3、第二运动分支4和第三运动分支5；

第一运动分支3包括第一支撑座301、第一直线驱动单元302及第一连杆机构303，第一支撑座301通过垂直于基座1的第一旋转轴6与基座1转动连接，第一连杆机构303的第一端与第一支撑座301转动连接，第二端通过第十一旋转轴11与垂直于动平台2的第四旋转轴9固接，第四旋转轴9与动平台2转动连接，第十一旋转轴11垂直于第四旋转轴9；第一直线驱动单元302的两端分别与第一支撑座301、第一连杆机构303转动连接，用于驱动第一连杆机构303绕第一支撑座301摆转；

第二运动分支4包括第二支撑座401、第二直线驱动单元402、第三直线驱动单元406以及第二连杆机构403，第二支撑座401通过垂直于基座1的第二旋转轴7与基座1转动连接，第二连杆机构403的第一端与第二支撑座401转动连接，第二端通过第一虎克铰10与垂直于动平台2的第三旋转轴8固接，第三旋转轴8与动平台2转动连接，第二直线驱动单元402的两端分别与第二支撑座401、第二连杆机构403转动连接，用于驱动第二连杆机构403绕第二支撑座401摆转，第三直线驱动单元406用于调节第二连杆机构403的第二端相对于第二连杆机构403的第一端的位置；

第三运动分支5与第二运动分支4结构相同。

实际应用中，第二直线驱动单元402为第二运动分支4的动力单元，通过其伸缩实现了第二连杆机构403绕第二支撑座401的摆转；不考虑外部约束时，第二支撑座401可绕垂直于基座1的第二旋转轴7旋转，第二连杆机构403可绕垂直于动平台2的第三旋转轴8旋转，动平台2通过第一虎克铰10可以相对于第二连杆机构403摆转；第三直线驱动单元406为第二连杆机构403的动力单元，通过其伸缩实现了第二连杆机构403两端的位姿调整。

第一直线驱动单元302为第一运动分支3的动力单元，通过其伸缩实现了第一连杆机构303绕第一支撑座301的摆转；不考虑外部约束时，第一支撑座301可绕垂直于基座1的第一旋转轴6旋转，第一连杆机构303可绕垂直于动平台2的第四旋转轴9旋转；应理解的是，第四旋转轴9平行于第三旋转轴8，第二旋转轴7平行于第一旋转轴6。

第三运动分支5与第二运动分支4结构相同，可知动平台2通过三个旋转轴分别与三个运动分支转动连接，且第二运动分支4和第三运动分支5与旋转轴的连接位置均设有虎克铰，同时三个运动分支分别通过三个垂直于基座1的旋转轴与基座1转动连接，通过三个运动分支的五个直线驱动单元的驱动,实现动平台的三维空间移动和绕垂直于动平台2的任一轴线的转动与绕第十一旋转轴11旋转的转动。应理解的是，该三分支五自由度并联平台的动平台的五维运动和五个驱动单元的的定量映射关系需通过该并联平台的正解模型或反解模型确定。

可选地，第一直线驱动单元302、第二直线驱动单元402及第三直线驱动单元406可以为气缸、液压缸或者滚珠丝杠驱动副。第一支撑座301通过第一旋转轴6旋转安装在基座1上，第二支撑座401通过第二旋转轴7旋转安装在基座1上，实际应用中，第一支撑座301的第一端与第一连杆机构303转动连接，第二端与第一直线驱动单元302转动连接；第二支撑座401的第一端与第二连杆机构403转动连接，第二端与第二直线驱动单元402转动连接。

本发明提供的三分支五自由度并联平台有益效果在于，可以实现动平台三维空间移动、绕垂直于动平台的任一轴线的转动与绕第十一旋转轴旋转的转动，结构简单、运动特征明确；本并联平台采用三个运动分支，结构紧凑、刚度大、精度高；本并联平台采用耦合的并联机构，与解耦的并联机构相比，承载能力大大增强，其末端具有很好的承载能力，可应用于汽车、电子、核工业、航空航天等多个现代工业领域。本并联平台的所有的运动副均采用转动连接，工艺性好且易于安装和维护。

作为本发明提供的三分支五自由度并联平台的一种具体实施方式，请参阅图2、图3和图4，第二连杆机构403包括相互平行的第一连杆4031、第三连杆4033和相互平行的第二连杆4032、第四连杆4034，第一连杆4031的第一端、第二连杆4032的第一端均通过第十二旋转轴4035与第二支撑座401的第一端转动连接，第一连杆4031的第二端与第四连杆4034的第一端通过第十三旋转轴4036转动连接，第二连杆4032的第二端与第三连杆4033的第一端通过第十四旋转轴4037转动连接，第三连杆4033的第二端与第四连杆4034通过第十五旋转轴4038转动连接，第十五旋转轴4038位于第四连杆4034的中部，第四连杆4034的第二端设有平行于第十二旋转轴3035的第五旋转轴407，用于与第一虎克铰10转动连接；第十二旋转轴4035、第十三旋转轴4036、第十四旋转轴4037、第十五旋转轴4038相互平行。

第一连杆4031和第三连杆4033平行，第二连杆4032和第四连杆4034平行，第三连杆4033与第四连杆4034的通过第十五旋转轴4038转动连接，第四连杆4034包括两部分，分别为与第一连杆4031转动连接的第一部分和与第一虎克铰10转动连接的第二部分，故第一连杆4031、第二连杆4032、第三连杆4033和第四连杆4034的第一部分共同构成了平行四边形，可在第二直线驱动单元402的驱动下绕第二支撑座401整体摆转；第二连杆机构403结构简单，通过多个连杆的转动连接，增加了第二连杆机构403的刚度，使得第二连杆机构403的输出端的承载能力大大增强，且所有运动副均采用转动连接，工艺性好且易于安装和维护。应理解的是，第二连杆机构403的输出端为第四连杆4034的第二端。

作为本发明提供的三分支五自由度并联平台的一种具体实施方式，请参阅图2、图3和图4，第三直线驱动单元406的两端分别与第十三旋转轴4036、第十四旋转轴4037转动连接，用于调节第一连杆4031和第三连杆4033之间的距离。

第三直线驱动单元406的伸缩，调节平行的第一连杆4031和第三连杆4033之间的距离，同时平行的第二连杆4032和第四连杆4034之间的距离随之调整，实现了第四连杆4034的第二端的高度调节，通过第三直线驱动单元与第二直线驱动单元的配合，实现了动平台不同方向的控制，提高了调节精度。可选地，第三驱动单元可以为气缸、液压缸或者滚珠丝杠驱动副。

作为本发明提供的三分支五自由度并联平台的一种具体实施方式，请参阅图3，第一连杆4031、第二连杆4032、第三连杆4033及第四连杆4044均为H形连接杆。通过H形连接杆的设置，多个连杆在空间范围内构成多个转动连接的闭合平行结构，极大地增加了第二连杆机构的强度，使得第二连杆机构的输出端的承载能力大大增强。

作为本发明提供的三分支五自由度并联平台的一种具体实施方式，请参阅图2、图3和图4，第二直线驱动单元402的第一端通过第七旋转轴404与第二支撑座401的第二端转动连接，第二端通过第八旋转轴405与第一连杆4031转动连接，第七旋转轴404与第八旋转轴405均平行于第十二旋转轴4035。第二直线驱动单元402伸缩驱动第一连杆4031绕第二支撑座401摆转，应理解的是，第二直线驱动单元402通过第一连杆4031驱动第二连杆机构403的整体摆转，摆动轴即为第十二旋转轴4035。

作为本发明提供的三分支五自由度并联平台的一种具体实施方式，请参阅图1、图4和图6，第一虎克铰10包括第一矩形连接件1001、垂直于第五旋转轴407的第六旋转轴1002以及U形连接件1003，第一矩形连接件1001通过第五旋转轴407与第四连杆4034的第二端转动连接，U形连接件1003通过第六旋转轴1002绕第一矩形连接件1001转动，第三旋转轴8安装在U形连接件1001的上方且与第六旋转轴1002垂直，第五旋转轴407平行第十二旋转轴4035。

通过第一虎克铰10的设置，在不考虑外部约束的情况下，实现了动平台2绕第五旋转轴407的转动，和绕第六旋转轴1002的转动，同时动平台2可以绕第三旋转轴8相对于第二连接机构403转动，第五旋转轴407垂直于第六旋转轴1002，第六旋转轴1002垂直于第三旋转轴8，故在不考虑外部约束时，动平台2相对于第二连接机构403具有三个方向的旋转自由度。应理解的是，第一虎克铰10有两个，分别位于第二运动分支上和第三运动分支上。

作为本发明提供的三分支五自由度并联平台的一种具体实施方式，请参阅图4和图5，第一连杆机构303与第二连杆机构403的结构相同，第一连杆机构303的各旋转轴均平行于第十一旋转轴11。

第一连杆机构303可在第一直线驱动单元302的驱动下绕第一支撑座301整体摆转，摆转轴平行于第十一旋转轴11，故可以实现第一连杆机构303绕第十一旋转轴11的旋转。

作为本发明提供的三分支五自由度并联平台的一种具体实施方式，请参阅图5，第一直线驱动单元302的第一端通过第九旋转轴304与第一支撑座301的第二端转动连接，第二端通过第十旋转轴305与第一连杆机构303的第一连杆4031转动连接，第九旋转轴304与第十旋转轴305均平行于第十一旋转轴11。第一直线驱动单元302伸缩驱动第一连杆4031绕第一支撑座301摆转，且摆转轴平行于第十一旋转轴11，应理解的是，实际应用中，第一直线驱动单元302通过第一连杆4031驱动第一连杆机构303的整体摆转。

作为本发明提供的三分支五自由度并联平台的一种具体实施方式，请参阅图5，第一连杆机构3还包括第二矩形连接件306，第二矩形连接件306通过第十一旋转轴11与第一连杆机构303的第四连杆4034转动连接，第二矩形连接件306上方安装有第四旋转轴9，第四旋转轴9垂直于第十一旋转轴11。实际应用中，第十一旋转轴11垂直于第四旋转轴9，通过该结构的设置，在不考虑外部约束的情况下，动平台2可以绕第十一旋转轴11旋转，工艺性好且易于安装和维护。

作为本发明提供的三分支五自由度并联平台的一种具体实施方式，请参阅图1和图2，初始位姿时，第二运动分支4和第三运动分支5以第一运动分支3的纵向对称平面对称分布。当各直线驱动单元的驱动杆处于其行程中位时，三分支五自由度并联平台的位姿为其初始位姿，通过第二运动分支4和第三运动分支5的对称分布，极大的降低了该并联平台正解模型或反解模型计算量，且该结构稳定、运动特征明确。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.三分支五自由度并联平台，其特征在于，包括基座、动平台及位于所述动平台和所述基座之间的第一运动分支、第二运动分支、第三运动分支；

所述第一运动分支包括第一支撑座、第一直线驱动单元及第一连杆机构，所述第一支撑座通过垂直于所述基座的第一旋转轴与所述基座转动连接，所述第一连杆机构的第一端与所述第一支撑座转动连接，第二端通过第十一旋转轴与垂直于所述动平台的第四旋转轴固接，所述第一直线驱动单元的两端分别与所述第一支撑座、所述第一连杆机构转动连接，用于驱动所述第一连杆机构绕所述第一支撑座摆转，所述第四旋转轴与所述动平台转动连接，所述第十一旋转轴垂直于所述第四旋转轴；

所述第二运动分支包括第二支撑座、第二直线驱动单元、第三直线驱动单元及第二连杆机构，所述第二支撑座通过垂直于所述基座的第二旋转轴与所述基座转动连接，所述第二连杆机构的第一端与所述第二支撑座转动连接，第二端通过第一虎克铰与垂直于所述动平台的第三旋转轴固接，所述第三旋转轴与所述动平台转动连接，所述第二直线驱动单元的两端分别与所述第二支撑座、所述第二连杆机构转动连接，用于驱动所述第二连杆机构绕所述第二支撑座摆转，所述第三直线驱动单元用于调节所述第二连杆机构的第二端相对于所述第二连杆机构的第一端的位置；

所述第三运动分支与所述第二运动分支结构相同。

2.如权利要求1所述的三分支五自由度并联平台，其特征在于，所述第二连杆机构包括相互平行的第一连杆、第三连杆和相互平行的第二连杆、第四连杆，所述第一连杆的第一端、第二连杆的第一端均通过第十二旋转轴与所述第二支撑座的第一端转动连接，所述第一连杆的第二端与所述第四连杆的第一端通过第十三旋转轴转动连接，所述第二连杆的第二端与所述第三连杆的第一端通过第十四旋转轴转动连接，所述第三连杆的第二端与所述第四连杆通过第十五旋转轴转动连接，所述第十五旋转轴位于所述第四连杆的中部，所述第四连杆的第二端设有平行于所述第十二旋转轴的第五旋转轴；

所述第十二旋转轴、第十三旋转轴、第十四旋转轴、第十五旋转轴相互平行。

3.如权利要求2所述的三分支五自由度并联平台，其特征在于，所述第三直线驱动单元的两端分别与所述第十三旋转轴、所述第十四旋转轴转动连接，用于调节所述第一连杆和所述第三连杆之间的距离。

4.如权利要求2所述的三分支五自由度并联平台，其特征在于，所述第一连杆、第二连杆、第三连杆及第四连杆均为H形连接杆。

5.如权利要求2所述的三分支五自由度并联平台，其特征在于，所述第二直线驱动单元的第一端通过第七旋转轴与所述第二支撑座的第二端转动连接，第二端通过第八旋转轴与所述第二连杆机构的第一连杆转动连接，所述第七旋转轴与所述第八旋转轴均平行于所述第十二旋转轴。

6.如权利要求2所述的三分支五自由度并联平台，其特征在于，所述第一虎克铰包括：

第一矩形连接件，通过所述第五旋转轴与所述第四连杆的第二端转动连接；

第六旋转轴，垂直于所述第五旋转轴；及

U形连接件，通过所述第六旋转轴绕所述第一矩形连接件转动，所述第三旋转轴安装在所述U形连接件的上方且垂直于所述第六旋转轴。

7.如权利要求1-6任一项所述的三分支五自由度并联平台，其特征在于，所述第一连杆机构与所述第二连杆机构的结构相同，所述第一连杆机构的各旋转轴均平行于所述第十一旋转轴。

8.如权利要求7所述的三分支五自由度并联平台，其特征在于，所述第一直线驱动单元的第一端通过第九旋转轴与所述第一支撑座的第二端转动连接，第二端通过第十旋转轴与所述第一连杆机构的第一连杆转动连接，所述第九旋转轴、所述第十旋转轴均平行于所述十一旋转轴。

9.如权利要求7所述的三分支五自由度并联平台，其特征在于，所述第一连杆机构还包括：

第二矩形连接件，通过所述第十一旋转轴与所述第一连杆机构的第四连杆转动连接，其上方安装有所述第四旋转轴。

10.如权利要求1所述的三分支五自由度并联平台，其特征在于，初始位姿时，所述第二运动分支和所述第三运动分支以所述第一运动分支的纵向对称平面对称分布。