CN109940589A - 对称两转一移完全解耦并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种对称两转一移完全解耦并联机构，包括基座、动平台以及三个分支，第一分支和第二分支均为PRR分支，由连杆、P副和R副组成，第三分支为CPU分支，由连杆、C副、P副和U副组成，三个分支通过运动副间实现完全解耦；第一分支和第二分支中，第一连杆的第一端通过P副与基座的滑轨连接，第二端与第二连杆的第一端通过R副连接，第二连杆的第二端与动平台的支架通过R副连接；第三分支中，第一连杆的第一端与基座的支架通过C副连接，第二端与第二连杆的第一端通过P副连接，第二连杆的第二端通过U副与动平台的支架连接。本发明实现了机构的完全解耦，机构具有对称性且分支运动副少便于提高控制的精确性，机构结构紧凑、稳定性好。

Description

对称两转一移完全解耦并联机构

技术领域

本发明属于并联机构领域，特别涉及一种对称两转一移完全解耦并联机构。

背景技术

并联机构具有高速、高刚度、承载能力大、动态响应好等特点,以并联机构作为主机构的并/混联构型装备已获得广泛应用。近10年来,并联机构的应用逐渐拓展至很多不需要空间六个自由度的操作(如对准、姿态定位、轴对称的机加工),此时使用合适的少自由度并联机构可以降低加工制造、标定、控制和维护等方面成本,少自由度并联机构已成为国际并联机构学术界和工业界关注的热点，前沿发达国家尤其注重少自由度并联机构在航空、航天、汽车食品医药等行业中的自主创新、系统设计和工程应用。解耦并联机构可以实现运动解耦，并且机构解耦程度越高其运动学、动力学分析越简单易解，可极大简化机器人的控制与轨迹规划问题。

经过对现有技术的检索发现，公开号为CN201510876263.3的中国专利公开了一种具有两转一移三自由度的对称解耦并联机构，该机构包括由平台、底座以及四个分别连接平台和底座的带有电机和丝杆机构的支撑柱，其中：四个支撑柱的末端与底座固定连接，支撑柱的丝杆机构与平台通过球铰链机构相连；球铰链机构与平台的固定点位置相互呈中心对称。该发明采用四个电机驱动，机构结构简单，能够保证加工精度，但是对控制的要求比较高，否则容易产生过约束而影响最终的运动输出，工作空间狭小。公开号为CN201520767012.7的中国专利公开了一种具有两转动一移动三自由度运动解耦并联机构，该机构该具有两转动一移动三自由度运动解耦并联机构包括动平台、静平台和连接在动、静平台之间的两条分支运动链，两条分支运动链中的一条为单开链，另一条为混合链，其中混合链由闭环结构串联一个转动副构成，闭环结构是由第一、第二子分支构成，单开链的第一圆柱副轴线平行于混合链的第六转动副轴线，并且二者均与混合链的第四移动副的中心线垂直，主动关节的输入运动与动平台的输出运动之间呈一对一的控制关系，具有优良的运动学解耦性。但是其中一条分支所具运动副数过多不便于控制，很难到达预期的效果。

发明内容

为克服现有机构的弊端，解决解耦机构分支运动副多不便于控制的问题，提出结构功能各异的新型机构是机构学发展的基本要求。本发明的目的在于提供一种结构简单对称、易于控制、能够实现两个转动和一个移动，共三个自由度且完全解耦的2R1T对称解耦并联机器人机构。

本发明公开一种对称两转一移完全解耦并联机构，包括基座、动平台、以及连接所述基座和所述动平台的第一分支、第二分支和第三分支。所述基座包括两个平行的滑轨和一个支架，所述动平台具有正三角形状，所述动平台的三个顶点处分别设有第一支架、第二支架和第三支架，所述第一分支和所述第二分支均为PRR分支，包括连杆、移动副P副和转动副R副；所述第三分支为CPU分支，包括连杆、圆柱副C副、移动副P副和虎克铰U副，所述第一分支、第二分支和第三分支通过运动副间实现完全解耦。所述第一分支和所述第二分支结构相同，两个分支都包括第一连杆和第二连杆，所述第一分支的第一连杆的第一端与所述基座的第一滑轨连接形成P₁副，所述第二分支的第一连杆的第一端与所述基座的第二滑轨连接形成P₂副，所述第一分支中的P₁副的移动方向与所述第二分支中的P₂副的移动方向相同，均沿着所述基座上定坐标系中的Y轴方向，所述第一分支的第一连杆的第二端与所述第一分支的第二连杆的第一端连接形成R₁副，所述R₁副轴线方向与所述基座上定坐标系中的Z轴方向相同并经过动平台o₁点，所述第二分支的第一连杆的第二端与所述第二分支的第二连杆的第一端连接形成R₂副，所述第二分支中的R₂副与所述第一分支中的R₁副共线，所述第一分支的第二连杆的第二端与所述动平台的第一支架连接形成R₃副，所述第二分支的第二连杆的第二端与所述动平台的第二支架连接形成R₄副，所述第二分支中的R₄副的轴线与所述第一分支中的R₃副的轴线始终共线，并始终经过动平台上的o₁点。所述第三分支包括第三连杆和第四连杆，所述第三连杆的第一端与所述基座的支架通过C副连接，所述圆柱副的轴线始终垂直于所述基座平面，所述第三连杆的第二端与所述第四连杆的第一端通过P₃副连接，所述P₃副的方向始终平行于所述基座平面，所述第四连杆的第二端通过U副与所述动平台的第三支架连接，所述第三分支中的U副由两个转动副组成具有两个方向互相垂直的转动轴线，所述U副的第一个转动轴线始终垂直于所述基座的平面，所述U副的第二个转动轴线平行于所述基座平台，且始终与所述第一分支中的R₃副轴线和所述第二分支中的R₄副轴线平行。

优选地，所述第一分支和所述第二分支对称分布于所述动平台两侧，所述第一分支的第一连杆和所述第二分支的第一连杆为一个整体，所述整体的宽度和所述基座上两个滑轨之间的距离相等，所述第一分支的第二连杆和所述第二分支的第二连杆为L形，所述动平台的边长大于所述基座上两个滑轨之间的距离。

优选地，所述第一分支的移动副1处设有驱动电机，其运动量表示该并联机构第一移动自由度的输出参数；所述第二分支的转动副2处设有驱动电机，其运动量表示该并联机构第一转动自由度的输出参数；所述第三分支的圆柱副C副中所包含的P副处设有驱动电机，其运动量表示该并联机构第二转动自由度的输出参数。

优选地，通过分别设在所述三个分支上的三个驱动电机，所述并联机构的动平台可以实现以动平台o₁点为中心绕动平台上坐标系中x轴和z轴的转动以及沿定平台上定坐标系中Y轴方向的移动。

与现有两转一移的并联机构相比，本发明具有以下有益效果：

在保留了并联机构强度高、结构紧凑、稳定性好等优点的基础上，实现了空间x和z轴方向两转动和沿Y轴的平行于基座的一移动三自由度运动学完全解耦，每一个输入量都对应唯一确定的运动；机构具有对称性，有两个分支结构一样可节约制作成本和时间，且分支所包含运动副数目少，运动副简单，便于提高控制的精确性，减少控制的复杂性，对安装精度要求相比于其他并联机构也较低，机构安装方便，活动空间大，克服了传统对称并联机构控制复杂，强耦合性等缺点。

附图说明

图1为本发明对称两转一移完全解耦并联机构整体的结构示意图；以及

图2为本发明对称两转一移完全解耦并联机构的第三分支的结构示意图。

主要附图标记：

第一分支1，第一连杆11，第二连杆12，第二分支2，第一连杆21，第二连杆22，第三分支3，第一连杆31，第二连杆32，基座4，第一滑轨41，第二滑轨42，支架43，动平台5，第一支架51，第二支架52，第三支架53，第一移动副P₁，第二移动副P₂，第三移动副P₃，圆柱副C，第一转动副R₁，第二转动副R₂，第三转动副R₃，第四转动副R₄，虎克铰副U。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

如图1所示，基座4固定于空间直角坐标系O₀-X₀Y₀Z₀中，其中基座4上的定坐标系O-XYZ中，XY平面垂直于Z₀轴，基座4的X和Y轴分别和空间直角坐标系中的X₀轴和Y₀轴方向平行；动平台5上的动坐标系o₁-xyz中，o₁点位于R₃副和R₄副轴线的连线上，z轴垂直于动平台5，y轴垂直于R₃副和R₄副轴线的连线，x轴平行于R₃副和R₄副轴线的连线。

本发明对称两转一移完全解耦并联机构，如图1所示，包括第一分支1、第二分支2、第三分支3、基座4和动平台5，第一分支1、第二分支2和第三分支3分别连接基座4和动平台5。基座4的外形为矩形，包括第一滑轨41、第二滑轨42和支架43，第一滑轨41和第二滑轨42对称分布于支架43的两侧，支架43位于基座4的中心线上，第一滑轨41、第二滑轨42关于YZ平面对称，支架43位于YZ平面内且垂直于基座4。动平台5的外形为正三角形，正三角形的各个顶点各有一个支架，分别为第一支架51、第二支架52和第三支架53。

第一分支1和第二分支2均为PRR分支，由连杆、P副和R副组成，第三分支3为CPU分支，由连杆、C副、P副和U副组成，第一分支1、第二分支2和第三分支3通过运动副间实现完全解耦。

第一分支1中，第一连杆11的第一端通过P副与基座4的第一滑轨41连接，第一连杆11的第二端与第二连杆12的一端通过R副连接，第二连杆12的另一端与动平台5的第一支架51通过R副连接。

第二分支2中，第一连杆21的一端通过P副与基座4的第二滑轨42连接，第一连杆21的另一端与第二连杆22的一端通过R副连接，第二连杆22的另一端与动平台5的第二支架52通过R副连接。

如图2所示，第三分支3中，第一连杆31的一端与基座4的支架43通过C副连接，第一连杆31的另一端与第二连杆32的一端通过P副连接，第二连杆32的另一端通过U副与动平台5的第三支架53连接。

第一分支1中P₁副的移动方向与第二分支2中P₂副的移动方向相同，均沿着Y轴方向且平行于基座4平面；第一分支1的R₁副轴线垂直于基座4平面并经过动平台5的o₁点，第一分支1的R₃副轴线平行于基座4平面并沿X轴方向；第二分支2的R₂副与第一分支1的R₁副共线，也经过动平台5的o₁点，第二分支2的R₄副轴线与第一分支1的R₃副轴线始终共线。

第三分支3中的C副，其轴线垂直于基座4平面，第三分支3的P₃副方向始终平行于基座4平面；第三分支3的U副由两个转动轴线组成，一个转动轴线始终垂直于基座4平面，另一个转动轴线平行于基座4平台，且始终于第一分支1的R₃副轴线和第二分支2的R₄副轴线平行。

第一分支1和第二分支2对称分布于动平台5两侧，第一分支1的第一连杆11和第二分支2的第一连杆21为一个整体，该整体结构和基座4上第一滑轨41和第二滑轨42之间的距离相等，第一分支1的第二连杆12和第二分支2的第二连杆22为L形，第一分支1的第二连杆12和第二分支2的第二连杆22的两个长边之和等于动平台5的边长，动平台5的边长大于基座4上第一滑轨41和第二滑轨42之间的距离。

第一分支1的P₁副处设有驱动电机，其运动量表示该并联机构第一移动自由度的输出参数；第二分支2的R₂副处设有驱动电机，其运动量表示该并联机构第一转动自由度的输出参数；第三分支3的C副中所包含的P副处设有驱动电机，其运动量表示该并联机构第二转动自由度的输出参数。

通过分别设在第一分支1、第二分支2和第三分支3的三个驱动电机，并联机构的动平台5可以实现以o₁点为中心绕x₀轴和z₀轴轴线的两自由度转动和沿Y轴方向的移动。且此三自由度运动是完全解耦的，即动平台5的转动特征仅与R₂副和U副的一个转动轴线有关并一一对应，由于第三分支3的U副由两个转动轴线组成，其中，一个转动轴线平行于基座4平台，且始终于第一分支1的R₃副轴线和第二分支2的R₄副轴线平行，因此，也可以说，动平台5的转动特征仅与R₂副和R₃副的一个转动轴线有关并一一对应；动平台5的Y向移动特征仅与P₁副有关。

以下结合实施例对本发明一种对称两转一移完全解耦并联机构做进一步的描述：

根据本发明的结构形式，一种对称两转一移完全解耦并联机构可以简写为2-CPU-PRR机构，2-CPU-PRR机构的第一分支1、第二分支2和第三分支3通过运动副间实现完全解耦，每一个输入量都对应唯一确定的运动；因此，动平台5相对于基座4的运动不需要同时控制三个分支上的电机，减少控制的难度，其只需要根据需要的自由度，驱动相应的电机，从而减少控制的复杂度，提高控制的精确性，增加2-CPU-PRR机构的实用性。

为了获得2-CPU-PRR机构中动平台5相对于基座4的沿Y向的水平移动，只需要驱动第一分支1上P₁副的驱动电机，就可以得到相应自由度的实现，而不需要同时对三个分支的驱动电机进行同时驱动。

为了获得2-CPU-PRR机构中动平台5相对于基座4绕X轴轴线的转动自由度，只需要驱动第三分支3上C副中所包含P副处的驱动电机，就可以得到相应自由度的实现，而不需要同时对三个分支的驱动电机进行同时驱动。

为了获得2-CPU-PRR机构中动平台5相对于基座4绕Z轴轴线的转动自由度，只需要驱动第二分支2上R₂副的驱动电机，就可以得到相应自由度的实现，而不需要同时对三个分支的驱动电机进行同时驱动。

本发明的2-CPU-PPR并联机构具有明显的分支运动副少，安装要求和精度低，运动解耦，控制简单等优势，两个转动中心重合于一点机构稳定性好，可以满足现代工业设计以及实验验证平台搭建的诸多需求。

本发明的2-CPU-PRR机构在保留了并联机构结构紧凑、累积误差小、运动平稳等优点的基础上，实现了三自由度机构运动学的完全解耦；2-CPU-PRR机构具有对称性，第一分支和第二分支结构一样，结构简单，减少了加工难度，节约制作成本和时间，安装和拆卸便于操作，便于进行相关的实验验证平台；2-CPU-PRR机构分支运动副少便于提高控制的精确性，对安装精度要求相比于其他并联机构也较低，活动空间大，克服了传统对称并联机构控制复杂，强耦合性等缺点。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种对称两转一移完全解耦并联机构，包括基座、动平台、以及连接所述基座和所述动平台的第一分支、第二分支和第三分支，其特征在于，

所述基座包括两个平行的滑轨和一个支架，所述动平台具有正三角形状，所述动平台的三个顶点处分别设有第一支架、第二支架和第三支架，所述第一分支和所述第二分支均为PRR分支，包括连杆、移动副P副和转动副R副；所述第三分支为CPU分支，包括连杆、圆柱副C副、移动副P副和虎克铰U副，所述第一分支、第二分支和第三分支通过运动副间实现完全解耦；

所述第一分支和所述第二分支分别包括第一连杆和第二连杆，所述第一分支的第一连杆的第一端与所述基座的第一滑轨连接形成P₁副，所述第二分支的第一连杆的第一端与所述基座的第二滑轨连接形成P₂副，所述第一分支中的P₁副的移动方向与所述第二分支中的P₂副的移动方向相同，均沿着所述基座上定坐标系中的Y轴方向，所述第一分支的第一连杆的第二端与所述第一分支的第二连杆的第一端连接形成R₁副，所述R₁副轴线方向与所述基座上定坐标系中的Z轴方向相同并经过动平台o₁点，所述第二分支的第一连杆的第二端与所述第二分支的第二连杆的第一端连接形成R₂副，所述第二分支中的R₂副与所述第一分支中的R₁副共线，所述第一分支的第二连杆的第二端与所述动平台的第一支架连接形成R₃副，所述第二分支的第二连杆的第二端与所述动平台的第二支架连接形成R₄副，所述第二分支中的R₄副的轴线与所述第一分支中的R₃副的轴线始终共线，并始终经过动平台上的o₁点；以及

所述第三分支包括第三连杆和第四连杆，所述第三连杆的第一端与所述基座的支架通过C副连接，所述圆柱副的轴线始终垂直于所述基座平面，所述第三连杆的第二端与所述第四连杆的第一端通过P₃副连接，所述P₃副的方向始终平行于所述基座平面，所述第四连杆的第二端通过U副与所述动平台的第三支架连接，所述第三分支中的U副由两个转动副组成具有两个方向互相垂直的转动轴线，所述U副的第一个转动轴线始终垂直于所述基座的平面，所述U副的第二个转动轴线平行于所述基座平台，且始终与所述第一分支中的R₃副轴线和所述第二分支中的R₄副轴线平行。

2.根据权利要求1所述的对称两转一移完全解耦并联机构，其特征在于，所述第一分支和所述第二分支对称分布于所述动平台两侧，所述第一分支的第一连杆和所述第二分支的第一连杆为一个整体，所述整体的宽度和所述基座上两个滑轨之间的距离相等，所述第一分支的第二连杆和所述第二分支的第二连杆为L形，所述动平台的边长大于所述基座上两个滑轨之间的距离。

3.根据权利要求2所述的对称两转一移完全解耦并联机构，其特征在于，所述第一分支的移动副1处设有驱动电机，其运动量表示该并联机构第一移动自由度的输出参数；所述第二分支的转动副2处设有驱动电机，其运动量表示该并联机构第一转动自由度的输出参数；所述第三分支的圆柱副C副中所包含的P副处设有驱动电机，其运动量表示该并联机构第二转动自由度的输出参数。

4.根据权利要求3所述的对称两转一移完全解耦并联机构，其特征在于，通过分别设在所述三个分支上的三个驱动电机，所述并联机构的动平台可以实现以动平台o₁点为中心绕动平台上坐标系中x轴和z轴的转动以及沿定平台上定坐标系中Y轴方向的移动。