CN110653797A - 一种三自由度气动平移并联机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种三自由度气动平移并联机构，属于并联机器人领域。本发明包括固定平台、上球铰、驱动气缸、下球铰，活动平台，圆柱副，圆形滑轨，前挡板，后挡板，左移动副，右移动副，转动副。上球铰、驱动气缸和下球铰组成驱动支链。圆柱副、圆形滑轨、前挡板、后挡板、左移动副，右移动副、转动副组成辅助支链。驱动气缸通过伸缩带动活动平台运动。辅助支链随着活动平台的运动而运动，采用辅助支链约束活动平台的转动，实现活动平台稳定三维平动，同时辅助支链也增加机构的刚度。本发明不含有转动驱动机构，运动学正解简单，便于控制。本发明具有运动学建模简单、工作空间大、定位精度高、刚度大等优点，能够用于自动化生产线的抓取、分拣等操作。

Description

一种三自由度气动平移并联机构
技术领域
本发明属于并联机器人领域，特别涉及一种空间三自由度气动平移并联机构。
背景技术
并联机器人由于其特有的结构特征，相比串联机器人具有刚度大、承载能力强、运动速度快、精度高等优点。在实际工业生产中，三平移并联机器人基本可以满足大部分生产操作的需要，被广泛应用在电子、轻工、食品等行业的抓取作业。
目前，应用最广泛的三自由度平移并联机构为1988年的Delta并联机构(申请号：US4976572),该机构采用转动副驱动活动平台运动，具有速度快、定位精度高等优点，但是目前基于此构型的并联机构造价昂贵。Tsai在1996年提出了一种对称的3-UPU三平移并联机构。国内也有很多学者提出了三平移并联机构，公开号为CN201420614274.5的中国专利提出了一种3-RUU型并联机构髋关节试验机，公布号为CN102941572A的中国专利提出了一种仅含低副的空间三平移并联机构。
发明内容
本发明目的是提供一种能够实现空间三自由度平移的并联机构，具有工作空间大、定位精度高、刚度大、运动学正解简单等特点。本发明能够用于自动化生产线的抓取、分拣等操作。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种三自由度气动平移并联机构，包括固定平台、上球铰、驱动气缸、下球铰，活动平台，圆柱副，圆形滑轨，前挡板，后挡板，左移动副，右移动副，转动副。所述上球铰、驱动气缸和下球铰组成驱动支链。每条驱动支链的上球铰与固定平台相连，下球铰与活动平台相连。三个驱动支链中的上球铰的圆心位于同一平面，且该平面平行于固定平台所在的平面，三个驱动支链中的下球铰的圆心位于同一平面，且该平面平行于活动平台所在的平面。所述圆柱副、圆形滑轨、前挡板、后挡板、左移动副，右移动副、转动副组成辅助支链。每个辅助支链中的圆形滑轨位于相邻两个上球铰连线上，圆形滑轨与固定平台固定连接。每个辅助支链中的转动副与活动平台相连。每个辅助支链中的前挡板、后挡板分别固定在圆柱副上，且左移动副、右移动副的上端与圆柱副连接，左移动副、右移动副的下端与转动副连接。活动平台的运动带动所述的左移动副、右移动副伸缩，通过左移动副、右移动副伸缩实现辅助支链运动。为了防止左移动副与右移动副之间发生前后偏转，所述前挡板、后挡板之间的距离等于左移动副、右移动副上部的直径。所述转动副的转动轴与圆形滑轨的轴平行安装。三个辅助支链中的圆形滑轨位于同一平面，且该平面与固定平台所在的平面平行，三个辅助支链中的转动副的转轴位于同一平面，且该平面与活动平台所在的平面平行。在固定平台和活动平台之间并联连接的三条相同的驱动支链、三条相同的辅助支链，驱动支链与辅助支链交错安装。驱动支链通过气缸的伸缩来驱动活动平台的运动，以单个辅助支链的圆柱副的轴线为x轴建立空间坐标系，z轴垂直于固定平台平面向上，y轴垂直于x轴与z轴形成的平面。单个辅助支链的运动由圆柱副、左移动副、右移动副和转动副的运动组合而成，则单个辅助支链的运动螺旋系如下式所示：
Figure BDA0002205190040000021
由公式(1)知，单个辅助支链的约束螺旋系如下式所示：
Figure BDA0002205190040000022
由公式(2)知，辅助支链的约束螺旋分别为沿y轴和z轴的两个约束力偶，限制活动平台绕y轴、z轴转动。
此外，三条辅助支链的圆柱副的轴线互相不平行，整个并联机构的约束螺旋系为三个辅助支链约束螺旋系的并集，如下式所示：
Figure BDA0002205190040000023
由公式(3)知，三条辅助支链共同作用约束活动平台绕x轴、y轴和z轴三个方向的转动。
辅助支链还用于增加机构的刚度。
为了增大驱动支链中上球铰、下球铰的工作范围，作为优选，驱动支链中的上球铰到固定平台的距离大于辅助支链中圆形滑轨到固定平台的距离，驱动支链中的下球铰到活动平台的距离大于辅助支链中转动副到活动平台的距离。
本发明公开的一种三自由度气动平移并联机构的工作方法为：三条驱动支链中的驱动气缸通过伸缩带动活动平台运动。辅助支链随着活动平台的运动而运动，以单个辅助支链的圆柱副的轴线为x轴建立空间坐标系，z轴垂直于固定平台平面向上，y轴垂直于x轴与z轴形成的平面。单个辅助支链的运动由圆柱副、左移动副、右移动副和转动副的运动组合而成，单个辅助支链的运动螺旋系如公式(1)所示，由公式(1)知，单个辅助支链的约束螺旋系如公式(2)所示。由公式(2)知，辅助支链的约束螺旋分别为沿y轴和z轴的两个约束力偶，限制活动平台绕y轴、z轴转动。此外，三条辅助支链的圆柱副的轴线互相不平行，整个并联机构的约束螺旋系为三个辅助支链约束螺旋系的并集，如公式(3)所示。由公式(3)知，三条辅助支链共同作用约束活动平台绕x轴、y轴和z轴三个方向的转动。
有益效果：
1、本发明公开的一种三自由度气动平移并联机构，三条驱动支链中的驱动气缸通过伸缩带动活动平台运动。辅助支链随着活动平台的运动而运动，采用辅助支链约束活动平台的转动，实现活动平台稳定的三维平动，同时辅助支链也增加机构的刚度。
2、本发明公开的一种三自由度气动平移并联机构，驱动机构仅采用驱动气缸驱动活动平台运动，不含有转动驱动机构，运动学正解简单，便于控制；所述并联机构整体结构简单，便于制造、加工和装配，生产成本低。
3、本发明公开的一种三自由度气动平移并联机构，驱动支链中的上球铰到固定平台的距离大于辅助支链中圆形滑轨到固定平台的距离，驱动支链中的下球铰到活动平台的距离大于辅助支链中转动副到活动平台的距离，进而增大驱动支链中上球铰、下球铰的工作范围。
附图说明
图1是本发明公开的一种三自由度气动平移并联机构的总体结构示意图
图2是本发明公开的一种三自由度气动平移并联机构中的辅助支链的示意图
图3是本发明公开的一种三自由度气动平移并联机构中的驱动支链的示意图
图4是本发明公开的一种三自由度气动平移并联机构中的辅助支链的运动示意图
图中：1—固定平台，2—上球铰，3—驱动气缸，4—下球铰，5—活动平台，6—圆柱副，7—圆形滑轨，8—前挡板，9—后挡板，10—左移动副，11—右移动副，12—转动副。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述.
如图1、2、3所示，本实施例公开的一种三自由度气动平移并联机构，包括固定平台1、上球铰2、驱动气缸3、下球铰4，活动平台5，圆柱副6，圆形滑轨7，前挡板8，后挡板9，左移动副10，右移动副11，转动副12。上球铰2、驱动气缸3和下球铰4组成驱动支链。每条驱动支链的上球铰2与固定平台1相连，下球铰4与活动平台5相连。三个驱动支链中的上球铰的圆心位于同一平面，且该平面平行于固定平台1所在的平面，三个驱动支链中的下球铰的圆心位于同一平面，且该平面平行于活动平台5所在的平面。圆柱副6，圆形滑轨7，前挡板8，后挡板9，左移动副10，右移动副11，转动副12组成辅助支链。每个辅助支链中的圆形滑轨7位于相邻两个上球铰连线上，圆形滑轨7与固定平台1固定连接。每个辅助支链中的转动副12与活动平台5相连。每个辅助支链中的前挡板8、后挡板9分别固定在圆柱副6上，且左移动副10、右移动副11的上端与圆柱副6连接，左移动副10、右移动副11的下端与转动副12连接。活动平台的运动带动的左移动副10、右移动副11伸缩，通过左移动副10、右移动副11伸缩实现辅助支链运动。为了防止左移动副10与右移动副11之间发生前后偏转，前挡板8、后挡板9之间的距离等于左移动副10、右移动副11上部的直径。转动副12的转动轴与圆形滑轨7的轴平行安装。三个辅助支链中的圆形滑轨位于同一平面，且该平面与固定平台1所在的平面平行，三个辅助支链中的转动副的转轴位于同一平面，且该平面与活动平台5所在的平面平行。在固定平台和活动平台5之间并联连接的三条相同的驱动支链、三条相同的辅助支链，驱动支链与辅助支链交错安装。
本实施例中三个驱动支链中的驱动气缸通过伸缩带动活动平台运动，三个辅助支链共同作用约束活动平台的三个转动自由度。
本发明公开的一种三自由度气动平移并联机构的工作方法为：三条驱动支链中的驱动气缸通过伸缩带动活动平台运动。辅助支链随着活动平台的运动而运动，以单个辅助支链的圆柱副6的轴线为x轴建立空间坐标系，z轴垂直于固定平台平面向上，y轴垂直于x轴与z轴形成的平面。单个辅助支链的运动由圆柱副6、左移动副10、右移动副11和转动副12的运动组合而成，单个辅助支链的运动螺旋系如公式(1)所示，由公式(1)知，单个辅助支链的约束螺旋系如公式(2)所示。由公式(2)知，辅助支链的约束螺旋分别为沿y轴和z轴的两个约束力偶，限制活动平台绕y轴、z轴转动。此外，三条辅助支链的圆柱副的轴线互相不平行，整个并联机构的约束螺旋系为三个辅助支链约束螺旋系的并集，如公式(3)所示。由公式(3)知，三条辅助支链共同作用约束活动平台绕x轴、y轴和z轴三个方向的转动。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种三自由度气动平移并联机构，其特征在于：包括固定平台(1)、上球铰(2)、驱动气缸(3)、下球铰(4)，活动平台(5)，圆柱副(6)，圆形滑轨(7)，前挡板(8)，后挡板(9)，左移动副(10)，右移动副(11)，转动副(12)；所述上球铰(2)、驱动气缸(3)和下球铰(4)组成驱动支链；每条驱动支链的上球铰(2)与固定平台(1)相连，下球铰(4)与活动平台(5)相连；三个驱动支链中的上球铰的圆心位于同一平面，且该平面平行于固定平台(1)所在的平面，三个驱动支链中的下球铰的圆心位于同一平面，且该平面平行于活动平台(5)所在的平面；所述圆柱副(6)、圆形滑轨(7)、前挡板(8)、后挡板(9)、左移动副(10)，右移动副(11)、转动副(12)组成辅助支链；每个辅助支链中的圆形滑轨(7)位于相邻两个上球铰(2)连线上，圆形滑轨(7)与固定平台(1)固定连接；每个辅助支链中的转动副(12)与活动平台(5)相连；每个辅助支链中的前挡板(8)、后挡板(9)分别固定在圆柱副(6)上，且左移动副(10)、右移动副(11)的上端与圆柱副(6)连接，左移动副(10)、右移动副(11)的下端与转动副(12)连接；活动平台的运动带动所述的左移动副(10)、右移动副(11)伸缩，通过左移动副(10)、右移动副(11)伸缩实现辅助支链运动；为了防止左移动副(10)与右移动副(11)之间发生前后偏转，所述前挡板(8)、后挡板(9)之间的距离等于左移动副(10)、右移动副(11)上部的直径；所述转动副(12)的转动轴与圆形滑轨(7)的轴平行安装；三个辅助支链中的圆形滑轨位于同一平面，且该平面与固定平台(1)所在的平面平行，三个辅助支链中的转动副的转轴位于同一平面，且该平面与活动平台(5)所在的平面平行；在固定平台和活动平台(5)之间并联连接的三条相同的驱动支链、三条相同的辅助支链，驱动支链与辅助支链交错安装；驱动支链通过气缸的伸缩来驱动活动平台(5)的运动，以单个辅助支链的圆柱副(6)的轴线为x轴建立空间坐标系，z轴垂直于固定平台(5)平面向上，y轴垂直于x轴与z轴形成的平面；单个辅助支链的运动由圆柱副(6)、左移动副(10)、右移动副(11)和转动副(12)的运动组合而成，则单个辅助支链的运动螺旋系如下式所示：
Figure FDA0002205190030000011
由公式(1)知，单个辅助支链的约束螺旋系如下式所示：
由公式(2)知，辅助支链的约束螺旋分别为沿y轴和z轴的两个约束力偶，限制活动平台绕y轴、z轴转动；
此外，三条辅助支链的圆柱副的轴线互相不平行，整个并联机构的约束螺旋系为三个辅助支链约束螺旋系的并集，如下式所示：
Figure FDA0002205190030000021
由公式(3)知，三条辅助支链共同作用约束活动平台绕x轴、y轴和z轴三个方向的转动。
2.如权利要求1所述的一种三自由度气动平移并联机构，其特征在于：辅助支链还用于增加机构的刚度。
3.如权利要求1所述的一种三自由度气动平移并联机构，其特征在于：为了增大驱动支链中上球铰(3)、下球铰(4)的工作范围，驱动支链中的上球铰(2)到固定平台(1)的距离大于辅助支链中圆形滑轨(7)到固定平台(1)的距离，驱动支链中的下球铰(4)到活动平台(5)的距离大于辅助支链中转动副(12)到活动平台(5)的距离。
4.如权利要求1、2、或3所述的一种三自由度气动平移并联机构，其特征在于：工作方法为，三条驱动支链中的驱动气缸通过伸缩带动活动平台(5)运动；辅助支链随着活动平台(5)的运动而运动，以单个辅助支链的圆柱副(6)的轴线为x轴建立空间坐标系，z轴垂直于固定平台(1)平面向上，y轴垂直于x轴与z轴形成的平面；单个辅助支链的运动由圆柱副(6)、左移动副(10)、右移动副(11)和转动副(12)的运动组合而成，单个辅助支链的运动螺旋系如公式(1)所示，由公式(1)知，单个辅助支链的约束螺旋系如公式(2)所示；由公式(2)知，辅助支链的约束螺旋分别为沿y轴和z轴的两个约束力偶，限制活动平台绕y轴、z轴转动；此外，三条辅助支链的圆柱副的轴线互相不平行，整个并联机构的约束螺旋系为三个辅助支链约束螺旋系的并集，如公式(3)所示；由公式(3)知，三条辅助支链共同作用约束活动平台(5)绕x轴、y轴和z轴三个方向的转动。
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