CN110154002B - 一种平面二自由度并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面二自由度并联机构，包括固定导轨，其上设置有两个与之分别构成移动副的驱动滑块；工具法兰，用于安装外接件，工具法兰上设置有一平衡滑块，平衡滑块的运动轴线与固定导轨所在直线垂直；两个构件，以平衡滑块的运动轴线为中心对称布置，构件上设置有顺序分布的第一铰接点、第二铰接点和第三铰接点，第一铰接点与驱动滑块铰接构成转动副，第三铰接点择一与工具法兰或平衡滑块铰接构成转动副；两个连杆，对应两侧的构件设置，连杆的一端与对应构件的第二铰接点铰接构成转动副，另一端相反于第三铰接点而与平衡滑块或工具法兰铰接构成转动副。通过此机构，工具法兰外接件安装平面能始终与固定导轨轴线保持平行。

Description

一种平面二自由度并联机构

技术领域

本发明涉及机器人自动化领域，尤其涉及一种平面二自由度并联机构。

背景技术

平面二自由度并联机器人可实现平面内任意轨迹，可应用于包装、分拣、封装等平面内高速作业任务，因此在轻工、电子、食品和医药等行业的自动化生产线上得到了广泛的应用。

其中，搬运、分拣、上下料等是机器人的主要应用形式，根据动作需要，机器人的自由度数不一，有简单的二自由度，也有复杂的多自由度。针对大多数简单的上下料情况，二自由度已能满足要求，更多的自由度意味着功能冗余无用、操作维护困难和成本增加，因此，尽可能地采用少自由度的机构来满足动作需要一直是行业内的设计目标。

目前的二自由度并联机构主要通过铰接连杆实现，大多存在结构件多、铰接点多、运动空间小、动作范围受限的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种平面二自由度并联机构，针对上述情况优化结构，提高机构运行平稳性、结构强度，实现平面内大范围二自由度运动。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种平面二自由度并联机构，其包括：

固定导轨，其上设置有两个与之分别构成移动副的驱动滑块；

工具法兰，用于安装外接件，工具法兰上设置有一平衡滑块，平衡滑块的运动轴线与固定导轨所在直线垂直；

两个构件，以平衡滑块的运动轴线为中心对称布置，构件上设置有顺序分布的第一铰接点、第二铰接点和第三铰接点，第一铰接点与驱动滑块铰接构成转动副，第三铰接点择一与工具法兰或平衡滑块铰接构成转动副；

两个连杆，对应两侧的构件设置，连杆的一端与对应构件的第二铰接点铰接构成转动副，另一端相反于第三铰接点而与平衡滑块或工具法兰铰接构成转动副。

特别地，构件的第三铰接点与工具法兰铰接，固定导轨、两个构件与工具法兰构成四连杆机构，该四连杆机构的原动件为两个驱动滑块中的一个或两个。

特别地，构件的第三铰接点与平衡滑块铰接，固定导轨、两个构件与平衡滑块构成四连杆机构，该四连杆机构的原动件为两个驱动滑块中的一个或两个。

特别地，两个构件、两个连杆、平衡滑块与工具法兰构成两组对称的曲柄滑块机构，该曲柄滑块机构的原动件为两个所述构件。

特别地，两个连杆与两个构件构成约束，保持工具法兰的外接件安装平面在运动过程中始终与固定导轨平行。

特别地，工具法兰、平衡滑块上的两侧的铰接点分别以平衡滑块的运动轴线为中心对称。

特别地，工具法兰上设置有滑块定子，滑块定子位于工具法兰的中垂线上，平衡滑块套设于滑块定子上构成移动副。

特别地，滑块定子与平衡滑块之间采用导轨滑块、导轨滚轮或导轨轴承中任一种配合结构。

特别地，两个驱动滑块独立驱动，驱动方式为带传动、链轮传动、齿轮齿条传动或丝杠传动中任一种。

综上，本发明的有益效果为，与现有技术相比，所述平面二自由度并联机构的特点在于能根据固定导轨的位置实现工具法兰始终与之平行地移动，充分保证了运行稳定性，结构新颖、可靠，另外，独立驱动的两个驱动滑块通过改变两者的运动方向、相对速度，能够实现工具法兰在平面内大范围地运动，动作空间大，运用在并联机器人上甚至集成在高自由度场合中都表现优异，且具有模块化扩展性，可实现柔性制造。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的平面二自由度并联机构的结构示意图；

图2是本发明实施例2提供的平面二自由度并联机构的结构示意图；

图3是本发明实施例3提供的平面二自由度并联机构的结构示意图；

图4是本发明实施例4提供的平面二自由度并联机构的结构示意图。

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。

实施例1：

请参阅图1所示，本实施例提供一种平面二自由度并联机构，其包括固定导轨1、工具法兰2、两个构件3和两个连杆4。

固定导轨1上设置有两个与之分别构成移动副的驱动滑块5，固定导轨1固定不动，两个驱动滑块5分别由电机独立驱动沿着固定导轨1做直线运动。其中移动副可为滑块导轨、V型导轨滚轮、滚轮导轨、直线轴承或燕尾槽导轨滑台，驱动方式可为带传动、链轮传动、齿轮齿条传动或丝杠传动。

工具法兰2用于安装外接件，两侧对称地设置有两个铰接点D，其上设置有一平衡滑块7，平衡滑块7沿着垂直于工具法兰2外接件安装平面的轴线运动，也即与固定导轨1所在直线垂直。具体地，工具法兰2上设置有滑块定子6，滑块定子6位于工具法兰2的中垂线上，平衡滑块7套设于滑块定子6上，两者间可采用滑块导轨、V型导轨滚轮、滚轮导轨，直线轴承或燕尾槽导轨滑台结构。

两个构件3上设置有顺序分布的第一铰接点A、第二铰接点B和第三铰接点C，第一铰接点A与驱动滑块5铰接，构件3在驱动滑块5的驱动下沿第一铰接点A转动，第三铰接点C与平衡滑块7铰接，平衡滑块7在构件3的驱动下沿垂直于工具法兰2外接件安装平面的轴线运动。

两个连杆4和两个构件3沿平衡滑块7的运动轴线对称地分布，其一端与构件3的第二铰接点B铰接，连杆4可在构件3的驱动下沿第二铰接点B转动，连杆4的另一端与工具法兰2上的铰接点D铰接，在构件3的驱动下和平衡滑块7的限位下，工具法兰2的外接件安装平面始终保持与固定导轨1平行状态运动。

如本实施例所示，以第二铰接点B为原点做一个平面XZ坐标系，则第一铰接点A点位于XZ坐标系的第二象限内，第三铰接点C点位于XZ坐标系的第一象限内，铰接点D点位于XZ坐标系的第四象限内；固定导轨1、两个构件3与平衡滑块7构成四连杆机构，该四连杆机构的原动件为两个驱动滑块5中的一个或两个；两个构件3、两个连杆4、平衡滑块7与工具法兰2构成两组对称的曲柄滑块机构，该曲柄滑块机构的原动件为两个构件3，两个构件3由两个驱动滑块5提供动力。

工作原理：通过独立驱动两个驱动滑块5，可使两者产生面向、背向和同向运动，当驱动滑块5在电机的驱动下沿着固定导轨运动时，在固定导轨1、两个构件3与平衡滑块7构成四连杆机构，以及两个驱动滑块5、两个构件3与工具法兰2构成两组对称的曲柄滑块机构的作用下，最终表现为工具法兰2在平面内始终与固定导轨1平行的位移。

当两个驱动滑块5面向运动且速度相同时，工具法兰2仅产生垂直于固定导轨1轴向的运动；当两个驱动滑块5的运动速度不同时，工具法兰2除了存在垂直于固定导轨1轴向的运动，还存在平行于固定导轨1轴向的运动。

当两个驱动滑块5背向运动时，工具法兰2的运动状态与面向运动相同，但运动方向相反。

当两个驱动滑块5同向运动且速度相同时，工具法兰2仅产生平行于固定导轨1轴向的运动；当两个驱动滑块5的运动速度不同时，工具法兰2除了存在平行于固定导轨1轴向的运动，还存在垂直于固定导轨1轴向的运动。

动作过程：两个驱动滑块5作为该机构的原动件，其中一个运动或两个同时同向或相向运动时，带动对应的构件3绕第一铰接点A转动，连杆4绕第二铰接点B转动，在固定导轨1、两个构件3与平衡滑块7构成四连杆机构，以及两个构件3、两个连杆4、平衡滑块7与工具法兰2构成两组对称的曲柄滑块机构的作用下，表现为工具法兰2与上面平衡滑块7的相对运动，最终表现为工具法兰2保持其外接件安装平面始终与固定导轨1平行地移动。

通过构件3和连杆4驱动工具法兰2在运动平面上产生两个自由度的运动，两个驱动滑块5在固定导轨1上可无限移动，运动空间具有无限扩展性，可达工作空间大，结构新颖，运行稳定、可靠。

实施例2：

请参阅图2所示，本实施例为实施例1的变形结构，区别点在于平衡滑块7对称地设置有两个铰接点D，平衡滑块7上的铰接点D与连杆4的另一端铰接，平衡滑块7在连杆4的驱动下沿垂直于工具法兰2外接件安装平面的轴线运动；构件3的第三铰接点C与法兰工具2铰接，在构件3的驱动下和平衡滑块7的限位下，工具法兰2的外接件安装平面始终保持与固定导轨1平行状态运动。

如本实施例所示，以第二铰接点B为原点做一个平面XZ坐标系，则第一铰接点A点位于XZ坐标系的第二象限内，第三铰接点C点位于XZ坐标系的第四象限内，铰接点D点位于XZ坐标系的第一象限内；固定导轨1、两个构件3与工具法兰2构成四连杆机构，该四连杆机构的原动件为两个驱动滑块5中的一个或两个；两个构件3、两个连杆4、工具法兰2与平衡滑块7构成两组对称的曲柄滑块机构，该曲柄滑块机构的原动件为两个构件3，两个构件3由两个驱动滑块5提供动力。其余结构与实施例1相同。

实施例3：

请参阅图3所示，本实施例为实施例1的变形结构，区别点在于工具法兰2与平衡滑块7的相对位置相反，则构件3的第三铰接点C与工具法兰2铰接，连杆4的另一端与平衡滑块7铰接。其余结构与实施例1相同。

实施例4：

请参阅图4所示，本实施例为实施例1的变形结构，特别点在于第三铰接点C与铰接点D所在位置相对于两侧第二铰接点B所在直线对称镜像，自第三铰接点C向构件3的第一铰接点A与第二铰接点B的连线段设置有垂足连接杆8，如此设置结构性更强，制造工艺优化。其余结构与实施例1相同。

综上，该平面二自由度并联机构的特点在于能根据固定导轨的位置实现工具法兰始终与之平行地移动，充分保证了运行稳定性，结构新颖、可靠，另外，独立驱动的两个驱动滑块通过改变两者的运动方向、相对速度，能够实现工具法兰在平面内大范围地运动，动作空间大，运用在并联机器人上甚至集成在高自由度场合中都表现优异，且具有模块化扩展性，可实现柔性制造。

以上实施例只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述事例限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种平面二自由度并联机构，其特征在于，包括

固定导轨，其上设置有两个与之分别构成移动副的驱动滑块；

工具法兰，用于安装外接件，所述工具法兰上设置有一平衡滑块，所述平衡滑块的运动轴线与所述固定导轨所在直线垂直；

两个构件，以所述平衡滑块的运动轴线为中心对称布置，所述构件上设置有顺序分布的第一铰接点、第二铰接点和第三铰接点，第一铰接点与所述驱动滑块铰接构成转动副，第三铰接点择一与所述工具法兰或所述平衡滑块铰接构成转动副；以及

两个连杆，对应两侧的构件设置，所述连杆的一端与对应构件的第二铰接点铰接构成转动副，另一端相反于第三铰接点而与所述平衡滑块或所述工具法兰铰接构成转动副。

2.根据权利要求1所述的平面二自由度并联机构，其特征在于：所述构件的第三铰接点与所述工具法兰铰接，所述固定导轨、两个所述构件与所述工具法兰构成四连杆机构，该四连杆机构的原动件为两个所述驱动滑块中的一个或两个。

3.根据权利要求1所述的平面二自由度并联机构，其特征在于：所述构件的第三铰接点与所述平衡滑块铰接，所述固定导轨、两个所述构件与所述平衡滑块构成四连杆机构，该四连杆机构的原动件为两个所述驱动滑块中的一个或两个。

4.根据权利要求2或3所述的平面二自由度并联机构，其特征在于：两个所述构件、两个所述连杆、所述平衡滑块与所述工具法兰构成两组对称的曲柄滑块机构，该曲柄滑块机构的原动件为两个所述构件。

5.根据权利要求1所述的平面二自由度并联机构，其特征在于：两个所述连杆与两个所述构件构成约束，保持所述工具法兰的外接件安装平面在运动过程中始终与所述固定导轨平行。

6.根据权利要求1所述的平面二自由度并联机构，其特征在于：所述工具法兰、平衡滑块上的两侧的铰接点分别以所述平衡滑块的运动轴线为中心对称。

7.根据权利要求1所述的平面二自由度并联机构，其特征在于：所述工具法兰上设置有滑块定子，所述滑块定子位于所述工具法兰的中垂线上，所述平衡滑块套设于所述滑块定子上构成移动副。

8.根据权利要求7所述的平面二自由度并联机构，其特征在于：所述滑块定子与所述平衡滑块之间采用导轨滑块、导轨滚轮或导轨轴承中任一种配合结构。

9.根据权利要求1所述的平面二自由度并联机构，其特征在于：两个所述驱动滑块独立驱动，驱动方式为带传动、链轮传动、齿轮齿条传动或丝杠传动中任一种。