CN110480601A - 四分支的交叉型三自由度并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三自由度并联机构，属于机器人领域，特别涉及一种四分支的交叉型三自由度并联机构，本发明包括安装架、伸出体、四组直线驱动装置、动平台、三组驱动分支以及一组约束分支，三组直线驱动装置驱动三组驱动分支带动动平台实现俯仰和摇摆动作，另一组驱动装置驱动整个机构实现轴向位移，第一驱动分支与动平台相连的虎克铰中心位置和第二驱动分支、第三驱动分支与动平台相连的球铰中心位置在同一圆周线上，并且分别位于圆周的三等分点处，第一驱动分支与约束分支在空间内呈交叉型布置。本发明可以实现机构整体轴向的大位移，扩大了工作范围，新增加了约束分支，增加了整体刚度。

Description

四分支的交叉型三自由度并联机构

技术领域

本发明属于工业机器人领域，具体涉及一种四分支的交叉型三自由度并联机构。

背景技术

并联机构具有结构紧凑，刚度大的突出优点，在工业生产中，具有两转一移三自由度的并联机构有着广泛的应用。现有专利CN103600346A涉及一种3自由度空间定位并联机构，包括动平台，机架以及连接在机架和动平台之间的三个分支机构，其中第一分支和第二分支对称于动平台布置，整体结构类似于Tricept机器人。总体来看，该发明动作灵活，但是工作空间较小，而且动平台刚度较差。

现有专利CN105215983A涉及一种具有两转一移三自由度非对称并联机器人结构，该发明采用一个单开链和一个混合链将动静平台连接，动平台的输出与主动输入呈一一对应关系。总体来看，该发明类似于现有的串联机械臂机构，有工作空间大，控制灵活的优点，但是总体刚度较低，而且不适宜高速运动情况。

发明内容

针对以上情况，本发明提供一种四分支的交叉型三自由度并联机构，克服现有技术的不足，不仅具有刚度高，轴向工作空间大的特点，而且还具有适宜小范围内高速运动加工的优点。

本发明所采用的技术方案是提供一种四分支的交叉型三自由度并联机构，其包括安装架、伸出体、第一直线驱动装置、第二直线驱动装置、第三直线驱动装置、第四直线驱动装置、动平台、第一驱动分支、第二驱动分支、第三驱动分支和约束分支，所述安装架设置为空心柱体，且安装架的第一端开口，第二端封闭，所述伸出体安装于所述安装架内部，且与所述安装架的内壁之间形成移动副，所述第四驱动装置的第一端连接于所述伸出体，第二端固定布置于安装架的第二端中央，与所述伸出体固定连接。

所述第一直线驱动装置、第二直线驱动装置和第三直线驱动装置的第二端均固定连接在所述伸出体的第一端面，第一驱动分支的第二端通过转动副与所述第一直线驱动装置的第一端相连，所述第一驱动分支的第一端通过虎克铰与动平台相连，第二驱动分支的第二端通过转动副与所述第二直线驱动装置相连，所述第二驱动分支的第一端通过球铰与所述动平台相连，第三驱动分支的第二端通过转动副与所述第三直线驱动装置相连，所述第三驱动分支的第一端通过球铰与所述动平台相连，且所述第二驱动分支与第三驱动分支分别对称安装于所述第二直线驱动装置和第三直线驱动装置之上。所述约束分支的第一端通过虎克铰与所述动平台相连，第二端通过转动副连接于所述伸出体的第一端面之上，所述第一驱动分支与所述约束分支在空间内呈交叉型布置。

优选地，所述第二驱动分支与所述第三驱动分支的结构完全相同。

优选地，所述第一驱动分支与所述动平台相连的虎克铰中心位置和所述第二驱动分支、第三驱动分支与动平台相连的球铰中心位置在同一圆周线上，并且分别位于圆周的三等分点处。

优选地，所述第一驱动分支与第一直线驱动装置相连接的转动副的轴线和所述约束分支与伸出体相连接的转动副的轴线平行，所述第二驱动分支与第二直线驱动装置相连接的转动副的轴线和所述第三驱动分支与第三直线驱动装置相连接的转动副的轴线平行。

优选地，所述第一驱动分支与第一直线驱动装置相连接的转动副的轴线和所述第二驱动分支与第二直线驱动装置相连接的转动副的轴线互相垂直，所述约束分支与动平台相连的虎克铰中心位置和所述第一驱动分支与动平台相连的虎克铰中心位置呈对称布置。

进一步地，所述第一直线驱动装置、第二直线驱动装置、第三直线驱动装置和第四直线驱动装置可以是液压缸驱动，可以是气缸驱动，也可以是丝杠传动。

进一步地，所述安装架和伸出体的截面形状可以是方形，也可以是圆形及其它棱柱形。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的直线驱动装置可同时工作，可以实现机构整体轴向的大位移，扩大了工作范围，同时仍保持了并联机构刚度较高的优势；

2、本发明在传统并联机构的基础上，新增加了约束分支，既有利于动平台俯仰、摆动动作的顺利实现，又增加了机构整体的刚度。

附图说明

图1为本发明的隐藏安装架结构示意图；

图2为本发明的整体轴向方向移动结构示意图；

图3为本发明的实现俯仰动作示意图；以及

图4为本发明的实现摇摆动作示意图。

主要的附图标记如下：

1-安装架，2-伸出体，301-第一直线驱动装置，302-第二直线驱动装置，303-第三直线驱动装置，304-第四直线驱动装置，4-动平台，501-第一驱动分支，502-第二驱动分支，503-第三驱动分支，6-约束分支。

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。

本发明提供一种四分支的交叉型三自由度并联机构，如图1～4所示，其包括安装架1、伸出体2、第一直线驱动装置301、第二直线驱动装置302、第三直线驱动装置303、第四直线驱动装置304、动平台4、第一驱动分支501、第二驱动分支502、第三驱动分支503和约束分支6，安装架1设置为空心圆柱状，且安装架1的第一端开口，第二端封闭，第四直线驱动装置304选为液压缸，且液压缸的缸体固定布置于安装架1的第二端中央，活塞杆的伸出端连接伸出体2，伸出体2安装于安装架1内部，且与安装架1的内壁之间形成移动副，第一直线驱动装置301、第二直线驱动装置302和第三直线驱动装置303的第二端均固定连接在伸出体2的第一端面，第一驱动分支501的第二端通过转动副与第一直线驱动装置301的第一端相连，第一驱动分支501的第一端通过虎克铰与动平台4相连，第二驱动分支502的第二端通过转动副与第二直线驱动装置302相连，第二驱动分支502的第一端通过球铰与动平台4相连，第三驱动分支503的第二端通过转动副与第三直线驱动装置303相连，第三驱动分支503的第一端通过球铰与动平台4相连，且第二驱动分支502与第三驱动分支503分别对称安装在第二直线驱动装置302和第三直线驱动装置303之上，约束分支6的第一端通过虎克铰与动平台4相连，第二端通过转动副连接于伸出体2的第一端面之上，第一驱动分支501与约束分支6在空间内呈交叉型布置。

第二驱动分支502与第三驱动分支503的结构完全相同。第一驱动分支501与动平台4相连的虎克铰中心位置和第二驱动分支502、第三驱动分支503与动平台4相连的球铰中心位置在同一圆周线上，并且分别位于圆周的三等分点处。

第一驱动分支501与第一直线驱动装置301相连接的转动副的轴线和约束分支6与伸出体2相连接的转动副的轴线平行，第二驱动分支502与第二直线驱动装置302相连接的转动副的轴线和第三驱动分支503与第三直线驱动装置303相连接的转动副的轴线平行。第一驱动分支501与第一直线驱动装置301相连接的转动副的轴线和第二驱动分支502与第二直线驱动装置302相连接的转动副的轴线互相垂直，约束分支6与动平台4相连的虎克铰中心位置和第一驱动分支501与动平台4相连的虎克铰中心位置呈对称布置。

第一直线驱动装置301、第二直线驱动装置302、第三直线驱动装置303和第四直线驱动装置304可以是液压缸驱动，可以是气缸驱动，也可以是丝杠传动。安装架1和伸出体2的截面形状可以是方形，也可以是圆形及其它棱柱形。

具体而言，如图1所示，本发明包括安装架1、伸出体2、第一直线驱动装置301、第二直线驱动装置302、第三直线驱动装置303、第四直线驱动装置304、动平台4，与设置在伸出体2与动平台4之间的第一驱动分支501、第二驱动分支502、第三驱动分支503和约束分支6。

安装架1与伸出体2构成移动副，伸出体2主要用于约束第一直线驱动装置301、第二直线驱动装置302、第三直线驱动装置303和第四直线驱动装置304的位置。第一直线驱动装置301、第二直线驱动装置302、第三直线驱动装置303的一端固定在伸出体2底部；第一驱动分支501的一端通过转动副与第一直线驱动装置301相连，另一端通过虎克铰与动平台4相连。第二驱动分支502与第三驱动分支503的结构完全相同，并且对称布置，第二驱动分支502、第三驱动分支503的一端通过转动副分别与第二直线驱动装置302、第三直线驱动装置303相连，另一端通过球铰与动平台4相连。约束分支6的一端通过虎克铰与动平台4相连，另一端通过固定在伸出体2顶端的转动副与伸出体2相连。

第四直线驱动装置304的一端固定在安装架1的封闭端，另一端与伸出体2固定连接，则可以实现本发明结构整体的轴向位移。第一驱动分支501与动平台4相连的虎克铰中心位置和第二驱动分支502、第三驱动分支503与动平台4相连的球铰中心位置在同一圆周线上，并且分别位于同一圆周的三等分点处。第一驱动分支501与第一直线驱动装置301相连的转动副的轴线和约束分支6与伸出体2相连的转动副的轴线平行，第二驱动分支502与第二直线驱动装置302相连的转动副的轴线和第三驱动分支503与第三直线驱动装置303相连的转动副的轴线平行，且第一驱动分支501与第一直线驱动装置301相连的转动副的轴线和第二驱动分支502与第二直线驱动装置302相连铰座的转动副的轴线互相垂直。此外，第一驱动分支501与约束分支6在空间内呈交叉型布置，约束分支6与动平台4相连的虎克铰中心位置和第一驱动分支501与动平台4相连的虎克铰中心位置呈对称布置。

如图2所示，第四直线驱动装置304工作，驱动伸出体2运动，可以使伸出体2、动平台4以及伸出体2与动平台4之间的各分支实现Z向的整体大位移移动。

如图3所示，第一直线驱动装置301作为输入动力驱动第一驱动分支501，第二直线驱动装置302、第三直线驱动装置303保持随动，可以实现动平台4的俯仰动作。

如图4所示，第二直线驱动装置302作为输入动力驱动第二驱动分支502，第一直线驱动装置301、第三直线驱动装置303保持随动，可以实现动平台4的摇摆动作。

本发明的一种四分支的交叉型三自由度并联机构可视作一个模块，此模块可通过安装架1上的法兰盘安装在机床上，对工作空间受限轴类工件进行径向加工，或者将其安装在同一机械结构上进行流水作业。

本发明中的第一直线驱动装置、第二直线驱动装置、第三直线驱动装置和第四直线驱动装置可以是液压缸驱动，可以是气缸驱动，也可以是丝杠传动，凡是可以实现直线运动且可运用于本发明结构的直线驱动装置均属于本发明的保护范围。

以上所述是本申请的优选实施方式，不以此限定本发明的保护范围，应当指出，对于该技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种四分支的交叉型三自由度并联机构，其特征在于，其包括安装架、伸出体、第一直线驱动装置、第二直线驱动装置、第三直线驱动装置、第四直线驱动装置、动平台、第一驱动分支、第二驱动分支、第三驱动分支和约束分支，

所述安装架设置为空心柱体，且安装架的第一端开口及第二端封闭，所述伸出体安装于所述安装架内部，且与所述安装架的内壁之间形成移动副，所述第四驱动装置的第一端连接于所述伸出体，第二端固定布置于安装架的第二端中央，与所述伸出体固定连接；

所述第一直线驱动装置、第二直线驱动装置和第三直线驱动装置的第二端均固定连接在所述伸出体的第一端面，第一驱动分支的第二端通过转动副与所述第一直线驱动装置的第一端相连，所述第一驱动分支的第一端通过虎克铰与动平台相连，第二驱动分支的第二端通过转动副与所述第二直线驱动装置相连，所述第二驱动分支的第一端通过球铰与所述动平台相连，第三驱动分支的第二端通过转动副与所述第三直线驱动装置相连，所述第三驱动分支的第一端通过球铰与所述动平台相连，且所述第二驱动分支与第三驱动分支分别对称安装于所述第二直线驱动装置和第三直线驱动装置之上；以及

所述约束分支的第一端通过虎克铰与所述动平台相连，第二端通过转动副连接于所述伸出体的第一端面之上，所述第一驱动分支与所述约束分支在空间内呈交叉型布置。

2.根据权利要求1所述的四分支的交叉型三自由度并联机构，其特征在于，所述第二驱动分支与所述第三驱动分支的结构完全相同。

3.根据权利要求1所述的四分支的交叉型三自由度并联机构，其特征在于，所述第一驱动分支与所述动平台相连的虎克铰中心位置和所述第二驱动分支、第三驱动分支与动平台相连的球铰中心位置在同一圆周线上，并且分别位于圆周的三等分点处。

4.根据权利要求3所述的四分支的交叉型三自由度并联机构，其特征在于，所述第一驱动分支与第一直线驱动装置相连接的转动副的轴线和所述约束分支与伸出体相连接的转动副的轴线平行，所述第二驱动分支与第二直线驱动装置相连接的转动副的轴线和所述第三驱动分支与第三直线驱动装置相连接的转动副的轴线平行。

5.根据权利要求4所述的四分支的交叉型三自由度并联机构，其特征在于，所述第一驱动分支与第一直线驱动装置相连接的转动副的轴线和所述第二驱动分支与第二直线驱动装置相连接的转动副的轴线互相垂直，所述约束分支与动平台相连的虎克铰中心位置和所述第一驱动分支与动平台相连的虎克铰中心位置呈对称布置。

6.根据权利要求1所述的四分支的交叉型三自由度并联机构，其特征在于，所述第一直线驱动装置、第二直线驱动装置、第三直线驱动装置和第四直线驱动装置可以是液压缸驱动，可以是气缸驱动，或者可以是丝杠传动。

7.根据权利要求1所述的四分支的交叉型三自由度并联机构，其特征在于，所述安装架和伸出体的截面形状可以是方形，或者是圆形。