CN109877813A - 一种大转角2t2r四自由度并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大转角2T2R四自由度并联机构，包括基座、动平台、第一支链、第二支链、第三支链和第四支链；动平台包括主平台、次平台和第一转动副，主平台和次平台通过第一转动副连接，主平台和次平台的轴线相互垂直且共面，主平台可绕次平台的轴线转动；第一支链和第三支链所在平面与第二支链和第四支链所在平面相互垂直；第一支链和第三支链的一端分别与基座连接，另一端分别与主平台连接，第二支链和第四支链的一端分别与基座连接，另一端分别与次平台连接。第一支链和第三支链结构相同，为UPS型支链，第二支链和第四支链结构相同，为RPR型支链。本发明结构简单、工作空间大、转角范围大、灵活性高、精度高、容易实现模块化。

Description

一种大转角2T2R四自由度并联机构

技术领域

本发明涉及四自由度并联机器人的技术领域，具体涉及一种大转角2T2R四自由度并联机构。

背景技术

传统机床在结构方面一般采用串联机构，而串联结构存在惯性较大、刚度较低、加工精度较差等缺点。与传统串联式机床相比，并联机床具有总体刚度高、精度较高等优点。

近年来，少自由度并联机构在机床领域得到了广泛的应用。Tricept混联机械手模块是由一个1T2R运动模式的3自由度的并联机构和一个2自由度的转头串联而成的混联机构。并联机构由3条相同的UPS主动支链和1条UP从动支链组成。以Tricept为基础，各国学者及工程师又推出了大量的变型机构和改进机构，如天津大学的黄田等提出的TriVariant和TriMule。以Sprint Z3型主轴头为基础的一系列机床加工中心同样在市场上得到了广泛的认可。Sprint Z3型主轴头是由德国DS-Technologie公司于2002年发明的。Sprint Z3是3-RPS姿态型并联机构可实现1T2R型运动模式。

但并联机构也存在工作空间较小，运动奇异、正解求解困难、控制复杂等缺点。其中，转角范围小是并联机构应用于机床领域的一个亟待解决的问题。本发明提出的机构属于少自由度并联机构中的四自由度并联机构，能实现两维转动和两维移动，并可以实现较大的转动角度。

发明内容

本发明的目的旨在克服已有二维移动和二维转动四自由度并联机构转角范围小的缺点，该机构在具备一般四自由度并联机构的优点的同时，其转角范围有了明显提高。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种大转角2T2R四自由度并联机构，包括基座、动平台、第一支链、第二支链、第三支链和第四支链；动平台包括主平台、次平台和第一转动副，主平台和次平台通过第一转动副连接，主平台和次平台的轴线相互垂直且共面，主平台可绕次平台的轴线转动；第一支链和第三支链所在平面与第二支链和第四支链所在平面相互垂直；第一支链和第三支链的一端分别与基座连接，第一支链和第三支链的另一端分别与主平台连接，第二支链和第四支链的一端分别与基座连接，第二支链和第四支链的另一端分别与次平台连接。

进一步地，次平台位于所述主平台和基座之间。

进一步地，第一支链为UPS型运动支链，包括第一上连杆、第一下连杆、第一移动副、虎克铰和复合球铰，第一上连杆和第一下连杆通过第一移动副相连接，第一移动副为驱动副，复合球铰位于第一上连杆的自由端，第一支链与主平台通过复合球铰连接，虎克铰位于第一下连杆的自由端，第一支链与基座通过虎克铰连接，第三支链和第一支链结构相同。

进一步地，第二支链为RPR型运动支链，包括第二上连杆、第二下连杆、第二移动副、第二转动副和第三转动副，第二上连杆和第二下连杆通过第二移动副相连接，第二移动副为驱动副，第二转动副和第三转动副的轴线相互平行并与第一转动副轴线相互垂直，第二转动副位于第二上连杆的自由端，第二支链与次平台通过第二转动副连接，第三转动副位于第二下连杆的自由端，第二支链与基座通过第三转动副连接，第四支链和第二支链的结构相同。

进一步地，第二支链和第四支链所包含的转动副的轴线相互平行。

第一支链、第二支链、第三支链和第四支链均含有一个主动驱动的运动副，动平台作为末端执行器，当驱动副运动时，动平台能够实现空间内的二维移动和二维转动，属于非冗余驱动空间并联机构

本发明的有益效果是：本发明结构简单、工作空间大、转角范围大、灵活性高、精度高、容易实现模块化。

附图说明

图1是本发明的一种大转角2T2R四自由度并联机构的结构示意图；

图2是本发明的动平台的结构示意图；

图3是本发明的第一支链的结构示意图；

图4是本发明的第二支链的结构示意图。

附图标记说明：

1.基座，2.动平台，3.第一支链，4.第二支链，5.第三支链，6.第四支链，7.主平台，8.次平台，9.第一转动副，10.第一上连杆，11.第一下连杆，12.第一移动副，13.虎克铰，14.复合球铰，15.第二上连杆，16.第二下连杆，17.第二移动副，18.第二转动副，19.第三转动副。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细说明，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

一种大转角2T2R四自由度并联机构，如图1所示，包括基座1、动平台2、第一支链3、第二支链4、第三支链5和第四支链6；动平台2，如图2所示，包括主平台7、次平台8和第一转动副9，主平台7和次平台8通过第一转动副9连接，主平台7和次平台8的轴线相互垂直且共面，主平台7可绕次平台8的轴线转动，次平台8位于主平台7和基座1之间；第一支链3和第三支链5所在平面与第二支链4和第四支链6所在平面相互垂直；第一支链3和第三支链5的一端分别与基座1连接，第一支链3和第三支链5的另一端分别与主平台7连接，第二支链4和第四支链6的一端分别与基座1连接，第二支链4和第四支链6的另一端分别与次平台8连接。

第一支链3，如图3所示，为UPS型运动支链，包括第一上连杆10、第一下连杆11、第一移动副12、虎克铰13和复合球铰14，第一移动副12为驱动副，第一上连杆10的一端通过复合球铰14与主平台7连接，第一上连杆10的另一端通过第一移动副12与第一下连杆11连接，虎克铰13位于第一下连杆11的自由端，虎克铰13的一个转动轴与第一下连杆11连接，虎克铰13的另一个转动轴与基座1连接。第三支链5和第一支链3结构相同。

第二支链4，如图4所示，为RPR型运动支链，包括第二上连杆15、第二下连杆16、第二移动副17、第二转动副18和第三转动副19，第二移动副17为驱动副，第二上连杆15的一端通过第二转动副18与次平台8连接，第二上连杆15的另一端通过第二移动副17与第二下连杆16连接，第三转动副19位于第二下连杆16的自由端，第二下连杆16的自由端通过第三转动副19与基座1连接，第二转动副18和第三转动副19的轴线相互平行并与第一转动副9轴线相互垂直。第四支链6和第二支链4的结构相同。第二支链4和第四支链6所包含的转动副的轴线相互平行。

第一支链3、第二支链4、第三支链5和第四支链6均含有一个主动驱动的运动副，动平台2作为末端执行器。在使用过程中，4条支链上的驱动副运动使得第一支链3、第二支链4、第三支链5和第四支链6的杆长发生改变，从而带动动平台2实现空间内的二维移动和二维转动。特别地，第一支链3、第三支链5包含的移动副运动能带动主平台7和次平台8之间的第一转动副9转动，从而使得动平台2发生沿第一转动副9轴线方向的转动。

本发明所述的一种大转角2T2R四自由度并联机构的实施方式不局限于以上具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的，而不是限制性的。根据本发明公开的内容，所属技术领域的技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围内，还可以采取其他的具体方式进行实施，因此，实施例不能理解为本发明仅可以实施的具体实施方式。

Claims (5)

1.一种大转角2T2R四自由度并联机构，包括基座(1)、动平台(2)、第一支链(3)、第二支链(4)、第三支链(5)和第四支链(6)，其特征在于，所述动平台(2)包括主平台(7)、次平台(8)和第一转动副(9)，所述主平台(7)和次平台(8)通过第一转动副(9)连接，所述主平台(7)和次平台(8)的轴线相互垂直且共面，所述主平台(7)可绕所述次平台(8)的轴线转动；

所述第一支链(3)和第三支链(5)所在平面与所述第二支链(4)和第四支链(6)所在平面相互垂直；

所述第一支链(3)和第三支链(5)的一端分别与所述基座(1)连接，所述第一支链(3)和第三支链(5)的另一端分别与所述主平台(7)连接，所述第二支链(4)和第四支链(6)的一端分别与所述基座(1)连接，所述第二支链(4)和第四支链(6)的另一端分别与所述次平台(8)连接。

2.根据权利要求1所述的大转角2T2R四自由度并联机构，其特征在于，所述次平台(8)位于所述主平台(7)和基座(1)之间。

3.根据权利要求1所述的大转角2T2R四自由度并联机构，其特征在于，所述第一支链(3)为UPS型运动支链，包括第一上连杆(10)、第一下连杆(11)、第一移动副(12)、虎克铰(13)和复合球铰(14)，所述第一上连杆(10)和第一下连杆(11)通过所述第一移动副(12)相连接，所述第一移动副(12)为驱动副，所述复合球铰(14)位于所述第一上连杆(10)的自由端，所述第一支链(3)与所述主平台(7)通过所述复合球铰(14)连接，所述虎克铰(13)位于所述第一下连杆(11)的自由端，所述第一支链(3)与所述基座(1)通过所述虎克铰(13)连接，所述第三支链(5)和第一支链(3)结构相同。

4.根据权利要求1所述的大转角2T2R四自由度并联机构，其特征在于，所述第二支链(4)为RPR型运动支链，包括第二上连杆(15)、第二下连杆(16)、第二移动副(17)、第二转动副(18)和第三转动副(19)，所述第二上连杆(15)和第二下连杆(16)通过所述第二移动副(17)相连接，所述第二移动副(17)为驱动副，所述第二转动副(18)和第三转动副(19)的轴线相互平行并与所述第一转动副(9)轴线相互垂直，所述第二转动副(18)位于所述第二上连杆(15)的自由端，所述第二支链(4)与所述次平台(8)通过所述第二转动副(18)连接，所述第三转动副(19)位于所述第二下连杆(16)的自由端，所述第二支链(4)与所述基座(1)通过所述第三转动副(19)连接，所述第四支链(6)和第二支链(4)的结构相同。

5.根据权利要求4所述的大转角2T2R四自由度并联机构，其特征在于，所述第二支链(4)和第四支链(6)所包含的转动副的轴线相互平行。