CN110815187A - 一种无伴随运动的三自由度并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无伴随运动的三自由度并联机构，其包括：静平台，固定设置在外部装置上；动平台，通过柔性驱动链与静平台相连接；其中，柔性驱动链包括：对称设置的两个三关节活动组件，三关节活动组件的上端与静平台转动连接，三关节活动组件的下端与动平台活动连接；四关节活动组件，四关节活动组件的上端与静平台转动连接，其下端与动平台活动连接；多个回转驱动组件，以及，三关节活动组件、四关节活动组件与动平台的活动连接处位于同一直线上。本发明的动平台在空间上有两个转动自由度及一个平移自由度，且不存在伴随运动，具有良好的运动学性能，且各自由度运动解耦，便于控制器设计。

Description

一种无伴随运动的三自由度并联机构

技术领域

本发明涉及特种机器人技术领域，尤其涉及一种无伴随运动的三自由度并联机构。

背景技术

作为机械装备的骨架，具有两转动自由度及一移动自由度性质的并联机构在制造业领域有着广阔的应用前景。但现有的两转一移并联机构都普遍存在有伴随运动问题，在机构学中，机构的伴随运动实质是在非独立自由度上的运动，也就是说某个自由度上的运动可能会带来其他自由度上的运动，这对机构的标定和轨迹规划带来很大困难，而且为了克服机构中伴随运动所带来的影响，需要通过控制手段加以实时补偿，这无疑大大增加了控制系统的复杂度，严重制约了这类机构的工程应用。

机构作为装备的骨架，是其实现优异性能的根本，设计出无伴随运动的并联机构以简化对控制器的设计，提高运动性能及动态性能等是十分必要的。

发明内容

本发明主要是解决现有技术中所存在的技术问题，从而提供一种克服现有并联机构存在伴随运动缺陷的无伴随运动的三自由度并联机构。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

本发明提供的无伴随运动的三自由度并联机构，其包括：

静平台，固定设置在外部装置上；

动平台，通过柔性驱动链与所述静平台相连接；

其中，所述柔性驱动链包括：

对称设置的两个三关节活动组件，所述三关节活动组件的上端与所述静平台转动连接，所述三关节活动组件的下端与所述动平台活动连接；

四关节活动组件，所述四关节活动组件的上端与所述静平台转动连接，其下端与动平台活动连接；

多个回转驱动组件，用于驱动所述三关节活动组件动作，控制所述动平台沿Z轴移动；且所述回转驱动组件用于驱动所述四关节活动组件动作，控制所述动平台绕X与Y轴的转动；

以及，所述三关节活动组件、四关节活动组件与所述动平台的活动连接处位于同一直线上。

进一步地，所述静平台上转动连接有第二回转驱动轴和两个第一回转驱动轴，所述第二回转驱动轴和两个第一回转驱动轴的轴线水平设置且分别与所述回转驱动组件的动力输出端相连接，所述三关节活动组件的上端均固定套装在两个第一回转驱动轴上，所述四关节活动组件的上端均固定套装在第二回转驱动轴上。

进一步地，所述第二回转驱动轴和两个第一回转驱动轴的位置布局呈等腰三角形，其中，两个第二回转驱动轴均垂直于所述第一回转驱动轴。

进一步地，所述三关节活动组件和四关节活动组件的下端分别通过第一万向节和第二万向节与动平台活动连接，所述第一万向节和第二万向节分布在一条直线上，其中，所述第二万向节的铰接点位于所述动平台的中间位置处，所述第一万向节的法向方向为竖直方向，所述第二万向节的法向方向为水平方向。

进一步地，所述三关节活动组件包括第一主动杆和第一从动杆，所述第一主动杆上端固定套装在所述第一回转驱动轴上，所述第一主动杆的下端与所述第一从动杆的上端滑动伸缩连接或转动连接，所述第一从动杆的下端通过第一万向节与动平台活动连接。

进一步地，所述四关节活动组件包括第二主动杆、连杆和第二从动杆，所述第二主动杆的上端固定套装在第二回转驱动轴上，所述第二主动杆的下端与所述连接连杆的上端滑动伸缩连接或转动连接，所述连杆的下端转动连接第二从动杆的上端，所述第二从动杆的下端通过第二万向节与动平台活动连接。

进一步地，所述动平台的几何中心位置安装有搅拌摩擦焊头。

进一步地，所述回转驱动组件为电机或回转液压缸。

本发明的有益效果在于：

1)、由三条运动支链和动静平台构成的封闭并联机构刚度更大，承载能力更强，负载能力和机器人质量比相对于串联型机器人更具优势；

2)、该机构的动平台在空间上有两个转动自由度及一个平移自由度，且不存在伴随运动，具有良好的运动学性能，且各自由度运动解耦，便于控制器设计；

3)、该机构每条运动支链仅有一个驱动部分，驱动关节累积的误差小，且驱动器安装于定平台上，不随着支链的运动而运动，因此可以保证较高的运行精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的无伴随运动的三自由度并联机构的立体图；

图2是本发明的无伴随运动的三自由度并联机构的俯视图；

图3是本发明的另一实施例的无伴随运动的三自由度并联机构的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本发明中，如图1所示设定三坐标系，Z轴为竖直方向，X轴和Y轴为水平方向上相互垂直的两个轴。

参阅图1-2所示，本发明的无伴随运动的三自由度并联机构，其包括：

静平台1，固定设置在外部装置上；

动平台2，通过柔性驱动链与静平台1相连接；

其中，柔性驱动链包括：

对称设置的两个三关节活动组件4，三关节活动组件4的上端与静平台1转动连接，三关节活动组件4的下端与动平台2活动连接；

四关节活动组件5，四关节活动组件5的上端与静平台1转动连接，其下端与动平台2活动连接；

多个回转驱动组件7，用于驱动三关节活动组件4动作，控制动平台2沿Z轴移动；且回转驱动组件7用于驱动四关节活动组件5动作，控制动平台2绕X与Y轴的转动；

以及，三关节活动组件4、四关节活动组件5与动平台2的活动连接处位于同一直线上。

具体地，静平台1上转动连接有第二回转驱动轴62和两个第一回转驱动轴61，第二回转驱动轴62和两个第一回转驱动轴61的轴线水平设置且分别与回转驱动组件7的动力输出端相连接，三关节活动组件4的上端均固定套装在两个第一回转驱动轴61上，四关节活动组件5的上端均固定套装在第二回转驱动轴62上。

较佳地，第二回转驱动轴62和两个第一回转驱动轴61的位置布局呈等腰三角形，其中，两个第二回转驱动轴62均垂直于第一回转驱动轴61。本发明的其他实施例中，第二回转驱动轴62和两个第一回转驱动轴61的位置分布不限于等腰直角三角形的布局情况。在本发明中，三关节活动组件4和四关节活动组件5的下端分别通过第一万向节81和第二万向节82与动平台2活动连接，第一万向节81和第二万向节82分布在一条直线上，其中，第二万向节82的铰接点位于动平台2的中间位置处，第一万向节81的法向方向为竖直方向，第二万向节82的法向方向为水平方向。通过上述的结构设置，可以有效避免该机构在工作空间内发生运动奇异的现象。

具体地，在本发明的一个实施例中，三关节活动组件4包括第一主动杆4a和第一从动杆4b，第一主动杆4a上端固定套装在第一回转驱动轴61上，第一主动杆4a的下端与第一从动杆4b的上端转动连接，第一从动杆4b的下端通过第一万向节81与动平台2活动连接。参阅图3所示，在本发明的另一个实施例中，第一主动杆4a的下端活动地穿设在第一从动杆4b的上端内，并与第一从动杆4b滑动连接。

具体地，在本发明的一个实施例中，四关节活动组件5包括第二主动杆5a、连杆5b和第二从动杆5c，第二主动杆5a的上端固定套装在第二回转驱动轴62上，第二主动杆5a的下端与连接连杆5b的上端转动连接，连杆5b的下端转动连接第二从动杆5c的上端，第二从动杆5c的下端通过第二万向节82与动平台2活动连接。参阅图3所示，在本发明的另一个实施例中，第二主动杆5a的下端活动地穿设在连接连杆5b的上端内，并与连接连杆5b滑动连接。

本发明中，两个三关节活动组件4的设置限制了动平台2沿X方向的移动和绕Z轴的转动，四关节活动组件5设置限制了动平台2沿Y方向的移动和绕Z轴的转动，因此，动平台2仅存绕X与Y轴的转动和沿Z轴移动的三个自由度，且由于动平台2上的第一万向节81和第二万向节82共线布置，动平台2只能沿着该直线以及该直线的中垂线转动，因此没有伴随运动。

优选地，动平台2的几何中心位置安装有搅拌摩擦焊头3。

在本实施例中，回转驱动组件7为电机或回转液压缸。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种无伴随运动的三自由度并联机构，其特征在于，包括：

静平台(1)，固定设置在外部装置上；

动平台(2)，通过柔性驱动链与所述静平台(1)相连接；

其中，所述柔性驱动链包括：

对称设置的两个三关节活动组件(4)，所述三关节活动组件(4)的上端与所述静平台(1)转动连接，所述三关节活动组件(4)的下端与所述动平台(2)活动连接；

四关节活动组件(5)，所述四关节活动组件(5)的上端与所述静平台(1)转动连接，其下端与动平台(2)活动连接；

多个回转驱动组件(7)，用于驱动所述三关节活动组件(4)动作，控制所述动平台(2)沿Z轴移动；且所述回转驱动组件(7)用于驱动所述四关节活动组件(5)动作，控制所述动平台(2)绕X与Y轴的转动；

以及，所述三关节活动组件(4)、四关节活动组件(5)与所述动平台(2)的活动连接处位于同一直线上。

2.如权利要求1所述的无伴随运动的三自由度并联机构，其特征在于，所述静平台(1)上转动连接有第二回转驱动轴(62)和两个第一回转驱动轴(61)，所述第二回转驱动轴(62)和两个第一回转驱动轴(61)的轴线水平设置且分别与所述回转驱动组件(7)的动力输出端相连接，所述三关节活动组件(4)的上端均固定套装在两个第一回转驱动轴(61)上，所述四关节活动组件(5)的上端均固定套装在第二回转驱动轴(62)上。

3.如权利要求2所述的无伴随运动的三自由度并联机构，其特征在于，所述第二回转驱动轴(62)和两个第一回转驱动轴(61)的位置布局呈等腰三角形，其中，两个第二回转驱动轴(62)均垂直于所述第一回转驱动轴(61)。

4.如权利要求2或3所述的无伴随运动的三自由度并联机构，其特征在于，所述三关节活动组件(4)和四关节活动组件(5)的下端分别通过第一万向节(81)和第二万向节(82)与动平台(2)活动连接，所述第一万向节(81)和第二万向节(82)分布在一条直线上，其中，所述第二万向节(82)的铰接点位于所述动平台(2)的中间位置处，所述第一万向节(81)的法向方向为竖直方向，所述第二万向节(82)的法向方向为水平方向。

5.如权利要求4所述的无伴随运动的三自由度并联机构，其特征在于，所述三关节活动组件(4)包括第一主动杆(4a)和第一从动杆(4b)，所述第一主动杆(4a)上端固定套装在所述第一回转驱动轴(61)上，所述第一主动杆(4a)的下端与所述第一从动杆(4b)的上端滑动伸缩连接或转动连接，所述第一从动杆(4b)的下端通过第一万向节(81)与动平台(2)活动连接。

6.如权利要求4所述的无伴随运动的三自由度并联机构，其特征在于，所述四关节活动组件(5)包括第二主动杆(5a)、连杆(5b)和第二从动杆(5c)，所述第二主动杆(5a)的上端固定套装在第二回转驱动轴(62)上，所述第二主动杆(5a)的下端与所述连接连杆(5b)的上端滑动伸缩连接或转动连接，所述连杆(5b)的下端转动连接第二从动杆(5c)的上端，所述第二从动杆(5c)的下端通过第二万向节(82)与动平台(2)活动连接。

7.如权利要求1-6任一项所述的无伴随运动的三自由度并联机构，其特征在于，所述动平台(2)的几何中心位置安装有搅拌摩擦焊头(3)。

8.如权利要求1所述的无伴随运动的三自由度并联机构，其特征在于，所述回转驱动组件(7)为电机或回转液压缸。

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