CN109746895B - 一种具有三种3t1r动模式的四自由度并联机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有三种3T1R动模式的四自由度并联机构，包括定平台和动平台，动平台通过第一转动副R1连接有第一连杆；定平台通过第一支链和第三支链与第一连杆连接；定平台通过第二支链和第四支链与动平台连接。本发明具有三种三移动一转动运动模式的四自由度并联机构，通过设置四条支链将动平台和定平台连接起来，本发明的并联机构的整体易于制造，控制简单，灵活性好，尤其可以适用于汽车保险杠喷漆，在喷涂时该机构能够适应不同形状保险杠，进而提高生产效率，本发明的并联机构还可应用于运动模拟器、坐标测量机。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，涉及一种具有三种3T1R动模式的四自由度并联机构。
背景技术
并联机器人机构为空间多自由度多环闭链形式。自上世纪八十年代以来，并联机构因其具有刚度高、承载能力大、累积误差小、动态特性好、结构紧凑等特点而在虚拟轴机床、微动操作台、运动模拟器以及多维力传感器等行业领域获得广泛应用。并联机构具有2、3、4、5或6个自由度，目前，对6个自由度并联机构的研究较为全面和深入，但并联机构自由度的减少将使得机构结构更为简单，制造和控制成本相对较低，故在满足预期工作要求的情况下，少自由度并联机器人有其独特的优势。
具有多种运动模式的并联机构，在机构奇异位形下，具有运动分岔的特性，可以通过较少的驱动副和支链实现多种运动模式，从而适应多种不同的工作需要。并且这类机构的运动模式变换，不需要对机构进行重新组装，运动模式的变换速度快、过程简便。例如某轻载工况下需要机器人末端执行器能高速高加速度的实现定位、抓取等动作，此时并联机器人可更 好的发挥其自身优势。
目前，已有的3T1R运动模式的并联机构，转动轴线可以在两个方向进行切换，或者转动轴线可连续在空间中变化。但是，目前并没有能够在两个固定轴线切换，且具有转动轴线在空间连续变化的3T1R并联机构。
本发明的并联机构，其中两种三移动一转动（3T1R）的运动模式下，转动自由度的轴线是固定的，另外一种三移动一转动的运动模式下，转动自由度的轴线是变化的。这类新型并联机构在运动仿真、机器装配、分拣抓取、并联机床等领域具有一定的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有三种3T1R动模式的四自由度并联机构，具有多种运动模式，能够实现并联机器人一机多用的需求。
本发明所采用的技术方案是，一种具有三种3T1R动模式的四自由度并联机构，包括定平台和动平台，动平台通过第一转动副R1连接有第一连杆；
定平台通过第一支链和第三支链与第一连杆连接；
定平台通过第二支链和第四支链与动平台连接。
本发明的特点还在于：
第一连杆与动平台平行设置。
第一支链和第三支链均包括与定平台固接的第一滑杆，每个第一滑杆上均连接有第二连杆，且每个第二连杆均能够沿相应第一滑杆滑移；每个第二连杆上均连接有第三连杆，每个第三连杆均能够沿相应的第二连杆滑行；每个第三连杆上套接有第四连杆，且每个第四连杆均能够沿第三连杆滑移，每个第四连杆上均连接有第二转动副R2，每个第二转动副R2上均固接有第五连杆，每个第五连杆上均固接有第三转动副R3，每个第三转动副R3均与第一连杆连接；第一支链上的第二连杆上连接有驱动电机，第三支链的第四连杆上连接有驱动电机。
第一滑杆、第二连杆和第三连杆相互垂直；第三转动副R3的轴线与第一滑杆平行，第二转动副R2的轴线与第三转动副R3的轴线的夹角为120°。
第一支链上的第一滑杆与所述第三支链上的第一滑杆平行设置。
每个第二连杆和每个第三连杆均呈T字形连接的套杆和滑移杆，每个第二连杆和每个第三连杆的套杆均中空设置，且每个第二连杆的套杆均与相应的第一滑杆套接，每个第三连杆的套杆均与相应的第二连杆的滑移杆套接；每个第四连杆均包括呈T字形连接的连杆和中空的套杆，每个第四连杆的套杆均与相应的第三连杆套接，每个第四连杆的连杆均与相应的第二转动副R2。
第二支链和第四支链均包括与定平台固接的第二滑杆，每个第二滑杆上均连接有第六连杆，每个第六连杆均能够沿着第二滑杆滑移；每个第六连杆上均连接有第七连杆，每个第七连杆均能够沿着第六连杆滑移，每个第七连杆上均连接有第八连杆，每个第八连杆均包括相互固接的中空的套管和第四转动副R4，每个第八连杆的套管均与相应的第七连杆套接，每个第八连杆均能够沿着相应的第七连杆滑移，每个第八连杆的第四转动副R4上均连接有第五转动副R5，每个第五转动副R5均与相应的第四转动副R4形成万向铰，每个第五转动副R5均与动平台固接；第二支链上第六连杆和第八连杆上连接有移动驱动电机，第四支链的第八连杆上连接有移动驱动电机。
第二滑杆、第六连杆和第七连杆相互垂直。
第二支链的第二滑杆与第四支链的第二滑杆平行设置，每个第四转动副R4的轴线均与相应的第二滑杆平行。
第一支链与第三支链相对设置，第二支链和第四支链相对设置。
本发明的有益效果是
本发明一种具有三种3T1R动模式的四自由度并联机构，其中两种三移动一转动（3T1R）的运动模式下，转动自由度的轴线是固定的，另外一种三移动一转动的运动模式下，转动自由度的轴线是变化，从而使得本发明的四自由度并联机构具有多种运动模式，能够适用于运动仿真、机器装配、分拣抓取、并联机床等领域，满足并联机器人一机多用的需求。
附图说明
图1是本发明一种具有三种3T1R动模式的四自由度并联机构的结构示意图；
图2是本发明一种具有三种3T1R动模式的四自由度并联机构的在转动轴线可变模式下的位形示意图；
图3是本发明一种具有三种3T1R动模式的四自由度并联机构的转动轴线固定且沿Y轴的运动模式时的位形示意图；
图4是本发明一种具有三种3T1R动模式的四自由度并联机构具有3T2R瞬时自由度时的位形示意图；
图5是本发明一种具有三种3T1R动模式的四自由度并联机构的转动轴线固定且沿X轴的运动模式时的位形示意图。
图中，1. 定平台，2. 动平台，3. 第一转动副R1，4. 第一连杆，5. 第一滑杆，6.第二连杆，7. 第三连杆，8. 第四连杆，9. 第二转动副R2，10. 第五连杆，11. 第三转动副R3，12. 第二滑杆，13. 第六连杆，14. 第七连杆，15. 第四转动副R4，16. 第五转动副R5，17.第八连杆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种具有三种3T1R动模式的四自由度并联机构，如图1所述，包括呈杆状的动平台2，动平台2通过第一转动副R13平行连接有第一连杆4，
还包括有定平台1，定平台1通过第一支链和第三支链与第一连杆4连接；其中第一支链和第三支链均包括与定平台1固接的第一滑杆5，每个第一滑杆5上均连接有呈T字形的第二连杆6，每个第二连杆6包括连杆和中空的套杆，每个第二连杆6的套杆与相应的第一滑杆5套接，使得每个第二连杆6能够沿相应的第一滑杆5滑动形成第一移动副P11；每个第二连杆6上均连接有呈T字形的第三连杆7，每个第三连杆7包括连杆和中空的套杆，每个第三连杆7的套杆均与相应的第二连杆6的连杆套接，使得每个第三连杆7能够沿着相应的第二连杆6滑动形成第二移动副P12；第一滑杆5、第二连杆6和第三连杆7相互垂直设置；每个第三连杆7均连接有呈T字形的第四连杆8，每个第四连杆8包括连杆和中空的套杆，每个第四连杆8的套杆与相应的第三连杆7的连杆套接，使得每个第四连杆8能够沿着相应的第三连杆7移动形成第三移动副P13；每个第四连杆8的连杆上均固接有第二转动副R29，每个第二转动副R29上均连接有呈弧形的第五连杆10，每个第五连杆10上均连接有第三转动副R311，每个第三转动副R311的轴线均与相应的第一滑杆5平行设置，每个第三转动副R311的轴线均与相应的第二转动副R29的轴向之间的夹角为120°。第一支链上的第二连杆6连接有移动驱动电机，第三支链的第四连杆8上连接有移动驱动电机；第一支链上的第一滑杆5与第三支链上的第一滑杆5平行设置；第一支链上的第三转动副R311与第一连杆4的一端连接，第三支链上的第三转动副R311与第一连杆4的另一端连接。
定平台1通过第二支链和第四支链与动平台2连接；第二支链和第四支链均包括与定平台1固接的第二滑杆12，每个第二滑杆12上均连接有第六连杆13，每个第六连杆13均包括连杆和中空的套管，每个第六连杆13的套管均与相应的第二滑杆12套接，使得每个第六连杆13均能够沿着相应的第二滑杆12滑移形成第四移动副P21；每个第六连杆13上均连接有第七连杆14，每个第七连杆14均包括连杆和中空的套管，每个第七连杆14的套管均与相应的第六连杆13的连杆套接，使得每个第七连杆14均能够沿着相应的第六连杆13滑移形成第五移动副P22；第二滑杆12、第六连杆13和第七连杆14相互垂直；每个第七连杆14上均连接有第八连杆17，每个第八连杆17均包括有中空的套管和第四转动副R4，每个第四转动副R415的轴线均与相应的第二滑杆12平行，每个第八连杆17的套管均与相应的第七连杆14的连杆套接，使得第八连杆17能够沿着第七连杆14滑移形成第六移动副P23，每个第八连杆17的第四转动副R4上均连接有第五转动副R516，每个第五转动副R516均与相应的第四转动副R4形成万向铰；第二支链的第二滑杆12与第四支链的第二滑杆12平行设置，第二支链上第六连杆13和第八连杆17上均连接有移动驱动电机，第四支链的第八连杆17上连接有移动驱动电机；第二支链上的第五转动副R516与动平台2的一端连接，且第二支链与第一支链相对设置；第四支链上的第五转动副R516与动平台2的另一端连接，且第四支链与第三支链相对设置。
两个第一滑杆5和两个第二滑杆12均垂直设置，两个第三连杆7与两个第七连杆14均平行设置。
将本发明的一种具有三种3T1R动模式的四自由度并联机构在图1的机构位形下建立坐标系，将第一滑杆5的轴向作为Y轴，以第二滑杆12的轴向作为X轴，以第三连杆7的轴向作为Z轴；在如图1所示的机构位形下，第二连杆6能够沿Y轴方向移动，第三连杆7能够沿X轴方向移动，第四连杆8能够沿着Z轴方向移动，第二转动副R2的转轴轴线与XOY平面平行，第六连杆13能够沿X轴移动，第七连杆14能够沿着Y轴方向移动，第八连杆17能够沿着Z轴方向移动，第四转动副R4的轴向沿X轴方向，第五转动副R516的轴向沿Y轴方向。在此机构位形下，本发明具有三种三移动一转动运动模式的四自由度并联机构具有3移动2转动运动模式，但是该运动模式是瞬时的；在此机构位形下，本发明的四自由度并联机构具有三个移动自由度和两个转动自由度；两个转动自由度的轴线与XOY平面平行。
在图1的机构位形下，锁定第一支链的第一移动副P11、第二支链的第四移动副P21和第三支链的第三移动副P13，控制第二支链的第六移动副P23向上移动，第四支链的第六移动副P23向下移动，第四支链的末端向下运动，第二支链的末端向上运动，使得动平台2绕x轴转动，机构运动到图2所示机构位形，在如图2所示的机构位形下，本发明的四自由度并联机构具有3T1R运动模式，动平台2转动的轴线是变化的，该转动轴线的变化与球面4R机构的连杆的瞬时转动轴线类似，均绕转动中心进行旋转，旋转轴线不断变化。在此位形下，控制第一支链中的第一移动副P11、第二支链中的第四移动副P21、第三支链中的第三移动副P13、第四支链中的移动副P23，可以实现该运动模式的控制。
在图1的机构位形下，锁定第一支链的第一移动副P11、第二支链中的第六移动副P23、第三支链中的第三移动副P13和第四支链中的第六移动副P23，控制第二支链中的第四移动副P21向右移动，使得动平台2绕平行于Y轴的轴线发生转动，此时本发明的四自由度并联机构进入如图3所示的机构位形下，此时本发明的四自由度并联机构具有3T1R的运动模式，该3T1R运动模式的转轴轴线是固定的，该轴线平行于Y轴。此运动模式下，控制第一支链中的第一移动副P11、第二支链中的第四移动副P21、第三支链中的第三移动副P13和第四支链中的第六移动副P23可以实现该运动模式的控制。
在图3所示的机构位形下，锁定第一支链中的第一移动副P11、控制第二支链中的第四移动副P21向右移动，第三支链中的第三移动副P13和第四支链的第六移动副P23同时向下移动，使得动平台2绕平行于Y轴的轴线发生转动，机构进入图4所示机构位形，在次机构位形下本发明的四自由度并联机构具有3T2R瞬时自由度；锁定第一支链中的第一移动副P11、第二支链中的第四移动副P21和第三支链中第三移动副P13，控制第二支链中的第六移动副P23向上移动，控制第四支链的第六移动副P23向下移动，使得动平台2绕平行于X轴的轴线发生转动，机构处于图5所示机构位形，此时机构具有3T1R运动模式，转动轴线沿X轴，该转动轴线方向在该运动模式下，不发生变化。此运动模式下，控制第一支链中的第一移动副P11、第二支链中的第四移动副P21、第三支链中的第三移动副P13和第四支链中的第六移动副P23可以实现该运动模式的控制。
本发明一种具有三种3T1R动模式的四自由度并联机构，通过设置第一支链、第二支链、第三支链和第四支链将动平台2和定平台1连接起来，本发明的并联机构的整体易于制造，控制简单，灵活性好，尤其可以适用于汽车保险杠喷漆，在喷涂时该机构能够适应不同形状保险杠，进而提高生产效率，本发明的并联机构还可应用于运动模拟器、坐标测量机。
Claims (1)
1.一种具有三种3T1R动模式的四自由度并联机构，其特征在于，包括定平台（1）和动平台（2），所述动平台（2）通过第一转动副R1（3）连接有第一连杆（4）；所述第一连杆（4）与动平台（2）平行设置；
所述定平台（1）通过第一支链和第三支链与第一连杆（4）连接；
所述定平台（1）通过第二支链和第四支链与动平台（2）连接；
所述第一支链与第三支链相对设置，所述第二支链和第四支链相对设置；
所述第一支链和第三支链均包括与定平台（1）固接的第一滑杆（5），每个所述第一滑杆（5）上均连接有第二连杆（6），且每个所述第二连杆（6）均能够沿相应第一滑杆（5）滑移；每个所述第二连杆（6）上均连接有第三连杆（7），每个所述第三连杆（7）均能够沿相应的第二连杆（6）滑移；每个所述第三连杆（7）上套接有第四连杆（8），且每个所述第四连杆（8）均能够沿第三连杆（7）滑移，每个所述第四连杆（8）上均连接有第二转动副R2（9），每个所述第二转动副R2（9）上均固接有第五连杆（10），每个所述第五连杆（10）上均固接有第三转动副R3（11），每个所述第三转动副R3（11）均与第一连杆（4）连接；所述第一支链上的第二连杆（6）上连接有移动驱动电机，所述第三支链的第四连杆（8）上连接有移动驱动电机；
所述第一滑杆（5）、第二连杆（6）和第三连杆（7）相互垂直；所述第三转动副R3（11）的轴线与第一滑杆（5）平行，所述第二转动副R2（9）的轴线与第三转动副R3（11）的轴线的夹角为120°；
所述第一支链上的第一滑杆（5）与所述第三支链上的第一滑杆（5）平行设置；
每个所述第二连杆（6）和每个第三连杆（7）均呈T字形连接的套杆和滑移杆，每个所述第二连杆（6）和每个第三连杆（7）的套杆均中空设置，且每个所述第二连杆（6）的套杆均与相应的第一滑杆（5）套接，每个所述第三连杆（7）的套杆均与相应的第二连杆（6）的滑移杆套接；每个所述第四连杆（8）均包括呈T字形连接的连杆和中空的套杆，每个所述第四连杆（8）的套杆均与相应的第三连杆（7）套接，每个所述第四连杆（8）的连杆均与相应的第二转动副R2（9）连接；
所述第二支链和第四支链均包括与定平台（1）固接的第二滑杆（12），每个所述第二滑杆（12）上均连接有第六连杆（13），每个所述第六连杆（13）均能够沿着第二滑杆（12）滑移；每个所述第六连杆（13）上均连接有第七连杆（14），每个所述第七连杆（14）均能够沿着第六连杆（13）滑移，每个所述第七连杆（14）上均连接有第八连杆（17），每个第八连杆（17）均包括相互固接的中空的套管和第四转动副R4，每个第八连杆（17）的套管均与相应的第七连杆（14）套接，每个所述第八连杆（17）均能够沿着相应的第七连杆（14）滑移，每个所述第八连杆（17）的第四转动副R4上均连接有第五转动副R5（16），每个所述第五转动副R5（16）均与相应的第四转动副R4形成万向铰，每个所述第五转动副R5（16）均与动平台（2）固接；所述第二支链上第六连杆（13）和第八连杆（17）上连接有移动驱动电机，所述第四支链的第八连杆（17）上连接有移动驱动电机；
所述第二滑杆（12）、第六连杆（13）和第七连杆（14）相互垂直；
第二支链的第二滑杆（12）与第四支链的第二滑杆（12）平行设置，每个所述第四转动副R4的轴线均与相应的第二滑杆（12）平行。
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