CN109514596A - 一种双十字铰三自由度并联关节机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双十字铰三自由度并联关节机构，包括X轴驱动器、Y轴驱动器、Z轴驱动器、固定装置、双十字铰结构、滑环和关节机构输出轴，X轴驱动器、Y轴驱动器和Z轴驱动器的输出轴的相对位置通过固定装置相对固定，关节机构输出轴绕Z轴转动时受到滑环的约束，关节机构输出轴是动平台。本发明的三自由度并联关节机构，可获得较大的转角范围，绕X轴、Y轴、Z轴的转角范围均接近±90度，且绕Y轴的转角只与Y轴驱动器的转角相关。每个方向的转动可分别进行，也可任意两个方向同时进行，还可三个方向同时进行。

Description

一种双十字铰三自由度并联关节机构

技术领域

本发明涉及多自由度关节技术领域，特别涉及一种双十字铰三自由度并联关节机构。

背景技术

三自由度关节机构指具有三个转动自由度的关节机构，在机器人、五轴加工中心、雷达或相机位姿调整器等大量应用中，都广泛需要用到三自由度关节机构。相比传统的串联式关节机构，并联式关节机构具有精度高、承载能力强等优势，现有的三自由度并联关节机构均具有3支链，动平台具有绕三轴转动的自由度，相比两自由度并联关节机构并联机构，三自由度并联关节机构更加复杂，能够成功应用的构型也比较少，但应用领域非常广阔。如图1所示，为加拿大学者Gosselin提出的Agile eye三转动自由度的并联机构，可实现固定在动平台上的相机快速、灵活的转动，Agile eye机构尽管比较灵活，但结构复杂，零件数量多且较难加工，体积也不易缩小；每个转动自由度的转角都比较小，如想使动平台有较大角度的转动，需使三轴联动，因此难以满足要求较为苛刻的应用环境。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种三自由度运动部分解耦、转角范围大、被动副数量少、结构简单的三自由度并联关节机构。

本发明的技术方案是：一种双十字铰三自由度并联关节机构，其特征在于：包括X轴驱动器、Y轴驱动器、Z轴驱动器、固定装置、双十字铰结构、滑环和关节机构输出轴，X轴驱动器、Y轴驱动器和Z轴驱动器的输出轴的相对位置通过固定装置相对固定，关节机构输出轴绕Z轴转动时受到滑环的约束，只能在滑槽内滑动，X轴驱动器的输出轴通过大十字铰结构带动关节机构输出轴绕第一轴线转动，Y轴驱动器的输出轴通过滑环带动关节机构输出轴绕第二轴线转动，Z轴驱动器的输出轴通过小十字铰结构带动关节机构输出轴绕第三轴线转动。

进一步地，固定装置为固定板，所述固定板包括U型固定板和L型固定板，U型固定板和L型固定板固定连接，X轴驱动器和Y轴驱动器的输出轴的相对位置通过U型固定板相对固定，Z轴驱动器和X轴驱动器、Y轴驱动器的输出轴的相对位置通过U型固定板和L型固定板相对固定。

进一步地，双十字铰结构包括大十字铰结构和小十字铰结构，大十字铰结构包括第一U型框、第二U型框和曲柄，第一U型框和第二U型框转动连接，第二U型框与曲柄转动连接；小十字铰结构包括两个正交设置的第三U型框和第四U型框，以及连接在两个U型框之间的十字结构；第三U型框与曲柄的一端无转动连接，曲柄的另一端形成的臂与关节机构输出轴无转动连接。

进一步地，X轴驱动器的输出轴与第一U型框连接，Y轴驱动器的输出轴与滑环连接，Z轴驱动器的输出轴与第四U型框连接。

进一步地，X轴驱动器的输出轴带动第一U型框、第二U型框、曲柄和关节机构输出轴绕第一轴线转动，实现第一自由度的旋转运动。

进一步地，Y轴驱动器的输出轴带动滑环和关节机构输出轴绕第二轴线转动，实现第二自由度的旋转运动。

进一步地，Z轴驱动器的输出轴带动第四U型框、第三U型框、曲柄和关节机构输出轴绕第三轴线转动，实现第三自由度的旋转运动。

进一步地，X轴驱动器的输出轴与关节机构输出轴可同轴设置，并且其轴线通过十字结构的中心。

进一步地，所述滑环还包括滑槽部，所述关节机构输出轴包括圆球部，所述圆球部可在所述滑槽部内滑动。

进一步地，所述第一轴线与X轴驱动器的输出轴的轴线重合，和/或所述第二轴线与Y轴驱动器的输出轴的轴线重合，和/或所述第三轴线与Z轴驱动器的输出轴的轴线重合.

本发明具有以下有益效果：本发明的三自由度并联关节机构结构简单，可获得较大的转角范围，绕第一轴线(X轴)、第二轴线(Y轴)、绕第三轴线(Z轴)的转角范围均接近±90度，绕第二轴线(Y轴)的摆动运动的转角仅取决于Y轴驱动器，实现了部分解耦。每个方向的转动可分别进行，也可两两同时进行，还可三个方向同时进行。本发明的三自由度并联关节机构除了可以用于机器人的关节驱动外，还能够用于三自由度动平台的驱动，通用性强，具有良好的社会效益和经济效益。

附图说明

图1是Agile eye三转动自由度的并联机构结构示意图。

图2是本发明结构示意图。

图3是双十字铰结构示意图。

图4是本发明绕X轴轴线转动示意图。

图5是本发明绕Y轴轴线转动示意图。

图6是本发明绕Z轴轴线转动示意图。

图7是本发明绕X、Y、Z三轴轴线同时转动示意图。

图8是本发明在仿壁虎爬行机器人髋关节的应用实例示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图2所示，一种双十字铰三自由度并联关节机构，包括X轴驱动器1、Y轴驱动器2、Z轴驱动器3、固定装置4、双十字铰结构5、滑环6和关节机构输出轴7，X轴驱动器1、Y轴驱动器2和Z轴驱动器3的输出轴的轴线可两两相交或三者相交于一点，优选正交。X轴驱动器1、Y轴驱动器2和Z轴驱动器3的输出轴的相对位置通过固定装置4相对固定，关节机构输出轴7绕Z轴的转动受到滑环的约束，X轴驱动器1的输出轴通过大十字铰结构带动关节机构输出轴7绕第一轴线转动，Y轴驱动器2的输出轴带动关节机构输出轴7绕第二轴线转动，Z轴驱动器3的输出轴带动关节机构输出轴7绕第三轴线转动，本实施例中，固定装置4为固定板4，固定板4包括U型固定板和L型固定板，U型固定板和L型固定板固定连接，X轴驱动器1和Y轴驱动器2的输出轴的相对位置通过U型固定板相对固定，Z轴驱动器3和X轴驱动器1的输出轴的相对位置通过L型固定板相对固定，U型固定板和L型固定板可为分体结构，也可以一体成形，只要能实现三者相对固定，其它结构型式的固定装置均可采用，关节机构通过固定装置4固定到其他零部件上，该固定装置4也可以与其他零部件一体形成。

如图3所示，双十字铰结构5包括大十字铰结构和小十字铰结构，大十字铰结构包括第一U型框8和曲柄10，中间的十字结构是口字型十字结构，该口字型十字结构内部容纳小十字铰，为避免与Z轴驱动器3发生干涉，该口字型十字结构仅包括左右侧边和上侧边，形成第二U型框9，第一U型框8和第二U型框9转动连接，第二U型框9与曲柄10转动连接，曲柄10为L型，也可以是其他型状；小十字铰结构包括两个正交设置的第三U型框11和第四U型框12，以及连接在两个U型框之间的十字结构13；第三U型框11与曲柄10的一端无转动连接，曲柄10的另一端形成的臂与关节机构输出轴7无转动连接，关节机构输出轴7的轴线优选垂直于上述曲柄10与关节机构输出轴连接的末端连杆，关节机构输出轴7为动平台，或可与动平台连接。

X轴驱动器1的输出轴与第一U型框8连接，Y轴驱动器2的输出轴与滑环6的一端连接，Z轴驱动器3的输出轴与第四U型框12连接；如图7所示，滑环6可以是圆环形，滑环6还包括滑槽部14，关节机构输出轴7包括圆球部15，圆球部可在滑槽部内滑动，形成点接触，避免干涉同时减少摩擦。

X轴驱动器1的输出轴带动第一U型框8、第二U型框9、第三U型框11、曲柄10和关节机构输出轴7绕第一轴线转动，实现第一自由度的旋转运动。

大十字铰结构和小十字铰结构中心重合，优选X轴驱动器1的输出轴与关节机构输出轴7同轴设置，并且其轴线优选通过十字结构的中心。

Y轴驱动器2的输出轴带动滑环6和关节机构输出轴7绕第二轴线转动，实现第二自由度的旋转运动。

Z轴驱动器3的输出轴带动第四U型框12、十字结构13、第三U型框11、曲柄10和关节机构输出轴7绕第三轴线转动，实现第三自由度的旋转运动。

第一自由度优选为横滚自由度，第二自由度优选为俯仰自由度，第三自由度优选为偏航自由度。

上述双十字铰结构5避免了绕第二轴线的第二自由度运动与绕第三轴线的第三自由度运动之间的干涉，俯仰自由度实现了解耦，即该自由度的转角仅取决于Y轴驱动器的转角。

关节机构输出轴7绕第一轴线可以单独转动，也可同时绕第二轴线和/或第三轴线转动。

为了使转动角度最大，X轴驱动器1的输出轴、Y轴驱动器2的输出轴和Z轴驱动器3的输出轴的交点优选与十字结构的中心重合。

上述驱动器为电机或气动摆动缸或液压摆动缸，驱动器中还可包括减速器。

优选第一轴线与X轴驱动器1的输出轴的轴线重合，第二轴线与Y轴驱动器2的输出轴的轴线重合，第三轴线与Z轴驱动器3的输出轴的轴线重合。

如图4所示，本发明的三自由度并联关节机构绕X轴转动示意图，不与Y轴、Z轴的转动干涉。

如图5所示，本发明的三自由度并联关节机构绕Y轴转动示意图，不与X轴、Z轴的转动干涉，且转动角度取决于Y轴驱动器2的运动输出。

如图6所示，本发明的三自由度并联关节机构绕Z轴转动示意图，不与X轴、Y轴的转动干涉。

如图7所示，本发明的三自由度并联关节机构同时绕X、Y、Z三轴轴线转动示意图，三轴转动互不干涉。关节机构输出轴7发生绕X轴的横滚和绕Z轴的偏航时，Y轴驱动器2仍能驱动关节机构输出轴7发生俯仰；关节机构输出轴7发生绕X轴的横滚和绕Y轴的俯仰时，Z轴驱动器3仍能驱动关节机构输出轴7发生偏航。

如图8所示，是本发明的三自由度并联关节机构在仿壁虎爬行机器人上的一个应用实例，三自由度并联关节机构可作为仿壁虎爬行机器人大腿的髋关节使用，可实现机器人大腿三个方向的转动。

本发明的三自由度并联关节机构除了可以用于机器人的关节驱动外，还能够用于三自由度平台的驱动，通用性强，具有良好的社会效益和经济效益。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双十字铰三自由度并联关节机构，其特征在于：包括X轴驱动器(1)、Y轴驱动器(2)、Z轴驱动器(3)、固定装置(4)、双十字铰结构(5)、滑环(6)和关节机构输出轴(7)，X轴驱动器(1)、Y轴驱动器(2)和Z轴驱动器(3)的输出轴的相对位置通过固定装置相对固定，关节机构输出轴(7)滑动连接于滑环(6)，X轴驱动器(1)的输出轴通过大十字铰结构带动关节机构输出轴(7)绕第一轴线转动，Y轴驱动器(2)的输出轴通过滑环(6)带动关节机构输出轴(7)绕第二轴线转动，Z轴驱动器(3)的输出轴通过小十字铰结构带动关节机构输出轴(7)绕第三轴线转动。

2.根据权利要求1所述的一种双十字铰三自由度并联关节机构，其特征在于：固定装置为固定板(4)，所述固定板(4)包括U型固定板和L型固定板，U型固定板和L型固定板固定连接，X轴驱动器(1)和Y轴驱动器(2)的输出轴的相对位置通过U型固定板相对固定，Z轴驱动器(3)和X轴驱动器(1)的输出轴的相对位置通过L型固定板相对固定。

3.根据权利要求1所述的一种双十字铰三自由度并联关节机构，其特征在于：双十字铰结构(5)包括大十字铰结构和小十字铰结构，大十字铰结构包括第一U型框(8)、第二U型框(9)和曲柄(10)，第一U型框(8)和第二U型框(9)转动连接，第二U型框(9)与曲柄(10)转动连接；小十字铰结构包括第三U型框(11)和第四U型框(12)，以及连接在两个U型框之间的十字结构(13)；第三U型框(11)与曲柄(10)的一端无转动连接，曲柄(10)的另一端形成的臂与关节机构输出轴(7)无转动连接。

4.根据权利要求3所述的一种双十字铰三自由度并联关节机构，其特征在于：X轴驱动器(1)的输出轴与第一U型框(8)连接，Y轴驱动器(2)的输出轴与滑环(6)连接，Z轴驱动器(3)的输出轴与第四U型框(12)连接。

5.根据权利要求4所述的一种双十字铰三自由度并联关节机构，其特征在于：X轴驱动器(1)的输出轴带动第一U型框(8)、第二U型框(9)、曲柄(10)和关节机构输出轴(7)绕第一轴线转动，实现第一自由度的旋转运动。

6.根据权利要求4所述的一种双十字铰三自由度并联关节机构，其特征在于：Y轴驱动器(2)的输出轴带动滑环(6)和关节机构输出轴(7)绕第二轴线转动，实现第二自由度的旋转运动。

7.根据权利要求4所述的一种双十字铰三自由度并联关节机构，其特征在于：Z轴驱动器(3)的输出轴带动第四U型框(12)、第三U型框(11)、曲柄(10)和关节机构输出轴(7)绕第三轴线转动，实现第三自由度的旋转运动。

8.根据权利要求4所述的一种双十字铰三自由度并联关节机构，其特征在于：X轴驱动器(1)的输出轴与关节机构输出轴(7)同轴设置，并且其轴线通过十字结构的中心。

9.根据权利要求4所述的一种双十字铰三自由度并联关节机构，其特征在于：所述滑环(6)还包括滑槽部(14)，所述关节机构输出轴(7)包括圆球部(15)，所述圆球部(15)可在所述滑槽部(14)内滑动。

10.根据权利要求1-9任一所述的一种双十字铰三自由度并联关节机构，其特征在于：所述第一轴线与X轴驱动器(1)的输出轴的轴线重合，和/或所述第二轴线与Y轴驱动器(2)的输出轴的轴线重合，和/或所述第三轴线与Z轴驱动器(3)的输出轴的轴线重合。