CN1112282C

CN1112282C - 一种空间三自由度并联机器人机构

Info

Publication number: CN1112282C
Application number: CN 00105937
Authority: CN
Inventors: 刘辛军; 汪劲松; 段广洪
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2000-04-21
Filing date: 2000-04-21
Publication date: 2003-06-25
Anticipated expiration: 2020-04-21
Also published as: CN1267587A

Abstract

本发明属于工业机器人领域，涉及一种空间三自由度并联机器人机构。包括机架、运动台、连接运动台与机架的分支；该运动台通过三个分支与机架连接，形成并联闭环结构，其中，第一、二分支各含有二个单自由度运动副、一个球铰，第三分支含有一个单自由度运动副、两个虎克铰；连接运动台和机架的三个分支的端点不在一条直线上。本发明机器人机构把空间的移动和转动有机的结合起来，具有高刚度，高精度，低运动质量，高动态性能；机构运动学正、反解十分简单等诸多优点。

Description

一种空间三自由度并联机器人机构

技术领域

本发明属于工业机器人领域，特别涉及一种两维移动一维转动的空间三自由度并联机器人机构。

背景技术

在机器人化的作业任务服役的现有机器人中，有两类机构：串联和并联。串联式是各杆件通过运动副依次相连的开式链，这类机器人具有大的作业空间和高的灵活性，缺点是：①由于各杆件误差的累积导致末端件精度很低；②刚度低；③惯量大，动力学性能很差。因此串联机器人在需要高定位和力控制精度的作业场合很不适用，为了避免这类缺点，机器人机构可以采用并联式。

并联机器人机构是一种闭环机构，其动平台或称末断执行器通过至少两个独立的运动链与机架相联接。一种完全并联机构必备的要素是：a.末端执行器必须具有运动自由度；b.这种末端执行器通过几个相互关联的运动链或分支与机架相联接；c.每个运动链至多含有两个杆件；d.每个分支或运动链由唯一的移动副或转动副驱动。与串联机构相比，并联机构具有刚度高、精度高、动力学性能好、结构紧凑等优点，因此在70年代末到80年代初，并联机构被用到工业机器人的机构。目前，并联机构特别是少自由度(自由度少于6)的并联机构在机床、微动操作台、机器人用力与力矩传感器、飞行模拟器等行业中越来越得到重视。

并联机构在1949年就出现过，是美国一个叫高弗(Gough)的人设计来检测轮胎的，在60年代，这种机构被重新发掘出来，原因是因为这种机构在飞行模拟器上更实用。在1965年，斯帝瓦特(Stewart)这个人利用6自由度的并联机构做了一个飞行模拟器，并把这种机构称为斯帝瓦特(Stewart)机构。因此一开始，并联机构多指6自由度的斯帝瓦特(Stewart)或高弗-斯帝瓦特(Gough-Stewart)机构，并联机构用做飞行模拟器的一个很重要的原因是它的能重比高，运动台上的作用力比较均匀的分布在六个杆件上，每个杆件相当于承载了1/6的作用力，因此其能重比高，例如一个并联机器人样机的重量是35kg，其承载为600kg。但六自由度并联机构又给人们带来很多甚至是目前还无法解决的难题，比如其运动学正解、动力学模型的建立以及精度标定等等，这严重的阻碍了六自由度并联机构在实际中的的进一步应用。

根据有关文献，现有公开的并联机器人机构(包括非完全并联机构)有87种，其中3、6自由度的各占40％，4自由度的占6％，5自由度的占3.5％，2自由度的并联机构占10.5％。在40％的现有三自由度并联机构中，有的是平面机构，有的是球面机构，有的是三维纯移动机构，还有的是在空间不同的点其运动很难确定的空间机构。如在1983年被提出至今国内外研究已久的3-RPS(R表示转动副，P表示移动副，S表示球铰链)机器人机构，这种机构的运动平台是通过三个相同的分支与机架相连接，每个分支与动平台连接的运动副为三自由度球铰链、与机架连接的运动副为转动副，运动台相对机架的两个转动、一个移动的运动是通过三个分支的伸缩来实现的，由于该机构动平台上的参考点在空间不同的位置其两个转动的轴线不能任意或很难给出，因此该机构在实际中很难应用。在现有的三自由度并联机构中，缺乏把空间移动和转动结合起来而且运动确定的空间三自由度并联机器人机构。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足之处而提供一种空间两维移动一维转动的并联机器人机构，本发明的空间三自由度并联机器人机构把空间的移动和转动有机的结合起来；使其具有具有高刚度，高精度，低运动质量，高动态性能；机构运动学正、反解十分简单等诸多优点。

本发明提出的一种空间三自由度并联机器人机构，包括机架、运动台、连接运动台与机架的分支；其特征在于，该运动台通过三个分支与机架连接，形成并联闭环结构，其中，第一、二分支各含有二个单自由度运动副、一个球铰，第三分支含有一个单自由度运动副、两个虎克铰；所说的连接运动台和机架的三个分支的端点不在一条直线上；所说的每个分支为可伸缩连杆结构；其中的第一、二分支连接运动台一端的铰链为三自由度球铰，另一端连接机架的运动副为转动副；第三分支连接运动台和机架的运动副均为虎克铰。

本发明提出的另一种空间三自由度并联机器人机构，包括机架、运动台、连接运动台与机架的分支；其特征在于，该运动台通过三个分支与机架连接，形成并联闭环结构，其中，第一、二分支各含有二个单自由度运动副、一个球铰，第三分支含有一个单自由度运动副、两个虎克铰；所说的连接运动台和机架的三个分支的端点不在一条直线上；所说的分支由连杆和连架杆构成，其中的第一、二个分支中连接运动台一端的铰链为三自由度球铰，另一端通过转动副与机架相连接，第一、二个分支中连杆通过转动副与连架杆相连；第三个分支连接运动台和机架的分别为虎克铰和转动副；第三个分支中连杆通过虎克铰与连架杆相连。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1、本发明的并联机器人机构与传统的串联式机器人机构相比，具有高刚度，高精度，低运动质量，高动态性能等特性；

2、本发明的并联机器人机构运动学正、反解十分简单；

3、本发明的空间三自由度并联机器人机构把空间的移动和转动有机的结合起来；

4、本发明的空间三自由度并联机器人机构的运动平台具有明确的运动形式：空间两个移动、一个转动；

5、本发明三自由度并联机器人机构在需要三个空间运动的作业中有着广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明的空间三自由度并联机器人机构的实施例之一总体结构示意图；

图2是本发明的空间三自由度并联机器人机构的实施例之二总体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步详述：

实施例1：空间三自由度并联机器人机构之一

本实施例的总体结构如图1所示，该机构的运动台4通过三个可伸缩连杆3、8、10与机架1相连接，其中连杆3、8连接运动台4一端的运动副为三自由度球铰5、6，另一端连接机架1的运动副为转动副2、9；连杆10连接运动台4和机架1的运动副分别为虎克铰7和11。运动台4通过三个可伸缩连杆3、8、10的移动来实现连杆3和8所在平面的二维移动和绕铰链5与6的轴线的转动的三自由度空间运动。

实施例2：空间三自由度并联机器人机构之二

本实施例的总体结构如图2所示，该机构的运动台18分别通过由连杆16、21，连架杆14、23，构成的第一、二分支和由连杆27和连架杆25构成的第三分支与机架12相连接。连杆16、21连接运动台18一端的运动副为三自由度球铰17、19，另一端通过转动副15、22与连架杆14、23相连接；连杆27连接运动台18和连架杆25的运动副分别为虎克铰20和28；连架杆14、23、25分别通过转动副13、24、26与机架相连接。运动台18通过三个连架杆14、23、25的转动来实现连杆14和23所在平面的二维移动和绕铰链17与19的轴线的转动的三自由度空间运动。

Claims

1、一种空间三自由度并联机器人机构，包括机架、运动台、连接运动台与机架的分支；其特征在于，该运动台通过三个分支与机架连接，形成并联闭环结构，其中，第一、二分支各含有二个单自由度运动副、一个球铰，第三分支含有一个单自由度运动副、两个虎克铰；所说的连接运动台和机架的三个分支的端点不在一条直线上；所说的每个分支为可伸缩连杆结构；其中的第一、二分支连接运动台一端的铰链为三自由度球铰，另一端连接机架的运动副为转动副；第三分支连接运动台和机架的运动副均为虎克铰。

2、一种空间三自由度并联机器人机构，包括机架、运动台、连接运动台与机架的分支；其特征在于，该运动台通过三个分支与机架连接，形成并联闭环结构，其中，第一、二分支各含有二个单自由度运动副、一个球铰，第三分支含有一个单自由度运动副、两个虎克铰；所说的连接运动台和机架的三个分支的端点不在一条直线上；所说的分支由连杆和连架杆构成，其中的第一、二个分支中连接运动台一端的铰链为三自由度球铰，另一端通过转动副与机架相连接，第一、二个分支中连杆通过转动副与连架杆相连；第三个分支连接运动台和机架的分别为虎克铰和转动副；第三个分支中连杆通过虎克铰与连架杆相连。