CN111251278B - 一种刚柔耦合三转动并联机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种刚柔耦合三转动并联机器人，包括动平台、静平台、中心定长支链、三个带有驱动绳索的绳索驱动装置、弹簧补偿装置以及铰接件；中心定长支链一端与静平台固定连接，另一端与动平台铰接；动平台开设有三个凹槽，弹簧补偿装置设置在凹槽内，铰接件设置在动平台底部并与凹槽的两个端部对应；绳索驱动装置设置在静平台上；每个绳索驱动装置中，驱动绳索的两端分别穿过铰接件与弹簧补偿装置的两端连接，使得驱动绳索与弹簧补偿装置组成一个闭环结构，实现三个绳索驱动装置分别驱动三组驱动绳索控制动平台转动。本发明使得动平台绕三个方向转动时具有柔性好、惯性小以及减小振动与冲击的优点，从而实现并联机器人的稳定定位。

Description

一种刚柔耦合三转动并联机器人

技术领域

本发明涉及并联机器人技术领域，更具体地说，涉及一种刚柔耦合三转动并联机器人。

背景技术

并联机器人可以定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。它的特点是所有分支机构可同时接受驱动器输入，而最终共同给出输出，在机构学上属于多路闭环机械系统。并联机器人是近年来发展起来的一种有着广阔应用前景的新型制造装备，其具有三个转动自由度的并联机构可应用到定位装置、机床附件等领域具有广阔的应用前景，众多学者对该类机构进行了研究。

现有的并联机器人一般包括定平台、动平台以及连接定平台与动平台之间的并联结构分支。该并联机器人能够通过简单控制实现三转动运动输出。该机构能够通过简单控制实现转动运动的输出，但是在动平台运动过程中容易出现惯性大和振动冲击大的问题，无法实现动平台刚柔耦合的转动运动。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种刚柔耦合三转动并联机器人，该并联机器人使得动平台绕三个方向转动时具有柔性好、惯性小以及减小振动与冲击的优点，从而实现并联机器人的稳定定位。

为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种刚柔耦合三转动并联机器人，其特征在于：包括动平台、静平台、中心定长支链、三个带有驱动绳索的绳索驱动装置、用于防止驱动绳索长度不足使得动平台运动受限制的弹簧补偿装置以及若干个铰接件；所述中心定长支链一端与静平台固定连接，另一端与动平台铰接；所述动平台开设有三个凹槽，弹簧补偿装置设置在凹槽内，铰接件设置在动平台底部并与凹槽的两个端部对应；所述弹簧补偿装置的数量与绳索驱动装置的数量相等，绳索驱动装置设置在静平台上；每个绳索驱动装置中，所述驱动绳索的两端分别穿过铰接件与弹簧补偿装置的两端连接，使得驱动绳索与弹簧补偿装置组成一个闭环结构，实现三个绳索驱动装置分别驱动三组驱动绳索控制动平台运动。

在上述方案中，本发明通过三个绳索驱动装置分别驱动三组驱动绳索控制动平台三维转动。本发明特别增加了弹簧补偿装置，其作用可防止因驱动绳索长度不足造成动平台运动受限而卡死，由于动平台三个方向的转动存在相互耦合，所以驱动绳索的两端并不完全遵循等量伸长或者等量缩短，本发明增加弹簧补偿装置保证动平台在运动过程中驱动绳索始终处于拉紧状态，避免驱动绳索虚牵造成动平台运动失效。在工作过程中，本发明的绳索驱动装置、弹簧补偿装置和中心定长支链构成刚柔耦合的机械系统，因此，该并联机器人使得动平台绕三个方向转动时具有柔性好、惯性小以及减小振动与冲击的优点，从而实现并联机器人的稳定定位。

所述绳索驱动装置位于凹槽一端端部的正下方；在动平台位于水平位置时，每组驱动绳索中，与弹簧补偿装置的一端连接的部分是垂直状态，与弹簧补偿装置的另一端连接的部分是倾斜状态。本发明每个绳索驱动装置对应一条凹槽，该凹槽中的弹簧补偿装置与该绳索驱动装置的驱动绳索组成一个闭环结构。

每个所述绳索驱动装置还包括设置在静平台上的电机和绳轮；所述绳轮与电机连接，并位于凹槽一端端部的正下方；所述驱动绳索通过绳轮与电机连接。

所述中心定长支链位于静平台的中部；三个绳索驱动装置围绕中心定长支链设置，并均匀分布在静平台上。

每个所述凹槽的两端均开设有连接孔；所述驱动绳索的两端分别依次穿过铰接件和连接孔，与弹簧补偿装置的两端连接。

三条凹槽相互交叉布设在动平台端面，并呈等边三角形布设。该设计使得动平台三个方向转动时受力平均。

所述铰接件为虎克铰。

所述弹簧补偿装置包括圆筒滑块、弹簧和两个连接滑块；所述弹簧穿设在圆筒滑块内，并且弹簧的两端分别与两个连接滑块连接；两个所述连接滑块嵌入设置在凹槽内，且两个连接滑块远离弹簧的一端分别与驱动绳索的两端连接。

所述弹簧补偿装置还包括用于固定圆筒滑块的防脱支架；所述防脱支架由安装部和限位部连接组成；所述安装部与动平台连接；所述限位部与圆筒滑块卡设连接实现圆筒滑块的限位。本发明设置防脱支架防止弹簧补偿装置在运动过程中脱离动平台，设置圆筒滑块保证弹簧补偿装置在凹槽内平稳运动，防止被防脱支架卡顿。在工作过程中，弹簧与圆筒滑块保持相对固定，在保证弹簧不脱离动平台前提下，实现弹簧的顺利平稳运动。

具体地说，所述限位部与圆筒滑块卡设连接实现圆筒滑块的限位是指：所述圆筒滑块设置有限位块，防脱支架的限位部开设有限位槽；安装在动平台的防脱支架通过限位槽与限位块卡设连接，实现对圆筒滑块限位。

本发明的动平台设计特别，动平台上三条凹槽呈正三角形布置，分别用于一组驱动绳索与弹簧补偿转置相连。弹簧补偿装置包括防脱支架、圆筒滑块、弹簧以及两个连接滑块。每个防脱支架通过4个螺栓固定连接于动平台上。防脱支架内部设置有限位槽，用于固定圆筒滑块，圆筒滑块与动平台保持相对静止。弹簧穿过圆筒滑块，在弹簧两端分别连接两个连接滑块，连接滑块大小正好嵌入凹槽内。驱动绳索的两端分别从凹槽两端的连接孔伸入后，分别与同一条凹槽的两个连接滑块相连。最后，绳索驱动装置与弹簧补偿装置组成一个闭环。

本发明刚柔耦合三转动并联机器人在初始状态时动平台位于水平位置，弹簧存在预紧力。并联机器人运动开始后，驱动绳索在电机驱动绳轮的作用下发生伸长与缩短变化，以带动动平台发生偏转。在动平台偏转过程中，弹簧被动伸缩以补偿驱动绳索在运动过程中长度不足，以避免驱动绳索虚牵造成动平台运动失效。本发明刚柔耦合三转动并联机器人可应用于多个场合，例如：

1、探照灯转向：可用于大型晚会现场或者景区装饰照明装置的三维转向运动，营造多种灯光效果。

2.可用于公园或者游乐场中儿童娱乐设施的多维摆动，如海盗船、旋转木马等，增加游戏体验。

与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：本发明刚柔耦合三转动并联机器人使得动平台绕三个方向转动时具有柔性好、惯性小以及减小振动与冲击的优点，从而实现并联机器人的稳定定位。

附图说明

图1是本发明刚柔耦合三转动并联机器人的示意图；

图2是本发明刚柔耦合三转动并联机器人中动平台的示意图；

图3是本发明刚柔耦合三转动并联机器人中弹簧补偿装置的示意图；

图4是本发明刚柔耦合三转动并联机器人运动状态示意图；

其中，1为动平台、2为静平台、3为中心定长支链、4为虎克铰、5为转动副、6为凹槽、7为弹簧补偿装置、7.1为圆筒滑块、7.2为弹簧、7.3为连接滑块、7.4为安装部、7.5为限位部、7.6为限位块、7.7为限位槽、8为驱动绳索、9为电机、10为绳轮、11为架体。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

实施例

如图1至图4所示，本发明刚柔耦合三转动并联机器人包括动平台1、静平台2、中心定长支链3、三个带有驱动绳索的绳索驱动装置、用于防止驱动绳索长度不足使得动平台1运动受限制的弹簧补偿装置7以及六个虎克铰4，其中，中心定长支链3一端与静平台2固定连接，另一端通过转动副5与动平台1铰接，该动平台1开设有三个凹槽6，弹簧补偿装置7设置在凹槽6内，虎克铰4设置在动平台1底部并与凹槽6的两个端部对应。该弹簧补偿装置7的数量与绳索驱动装置的数量相等，绳索驱动装置设置在静平台2上；每个绳索驱动装置中，驱动绳索8的两端分别穿过虎克铰4与弹簧补偿装置7的两端连接，使得驱动绳索8与弹簧补偿装置7组成一个闭环结构，实现三个绳索驱动装置分别驱动三组驱动绳索8控制动平台1转动。

本发明中心定长支链3位于静平台2的中部，三个绳索驱动装置围绕中心定长支链3设置，并均匀分布在静平台2上。本发明的每个绳索驱动装置位于对应的凹槽6一端端部的正下方；在动平台1位于水平位置时，每组驱动绳索8中，与弹簧补偿装置7的一端连接的部分是垂直状态，与弹簧补偿装置7的另一端连接的部分是倾斜状态。而每个绳索驱动装置还包括通过架体11设置在静平台2上的电机9和绳轮10，其中，绳轮10与电机9连接，并位于凹槽6一端端部的正下方，驱动绳索8通过绳轮10与电机9连接。

为了使得动平台1三个方向转动时受力平均，本发明三条凹槽6相互交叉布设在动平台1端面，并呈等边三角形布设。每个凹槽6的两端均开设有连接孔，驱动绳索8的两端分别依次穿过虎克铰4和连接孔，与弹簧补偿装置7的两端连接。

本发明的弹簧补偿装置7包括圆筒滑块7.1、弹簧7.2、两个连接滑块7.3和用于固定圆筒滑块的防脱支架；其中，弹簧7.2穿设在圆筒滑块7.1内，并且弹簧7.2的两端分别与两个连接滑块7.3连接；两个连接滑块7.3嵌入设置在凹槽6内，且两个连接滑块7.3远离弹簧7.2的一端分别与驱动绳索8的两端连接。该防脱支架由安装部7.4和限位部7.5连接组成，安装部7.4与动平台1连接，限位部7.5与圆筒滑块7.1卡设连接实现圆筒滑块7.1的限位。上述限位部7.5与圆筒滑块7.1卡设连接实现圆筒滑块7.1的限位是指：该圆筒滑块7.1设置有限位块7.6，防脱支架的限位部7.5开设有限位槽7.7，安装在动平台1的防脱支架通过限位槽7.7与限位块7.6卡设连接，实现对圆筒滑块7.1限位。

本发明的动平台1设计特别，动平台1上三条凹槽6呈正三角形布置，分别用于一组驱动绳索8与弹簧补偿转置7相连。每个防脱支架的通过4个螺栓固定连接于动平台1上。防脱支架内部设置有限位槽7.7，用于固定圆筒滑块7.1，圆筒滑块7.1与动平台1保持相对静止。弹簧7.2穿过圆筒滑块7.1，在弹簧7.2两端分别连接两个连接滑块7.3，连接滑块7.3大小正好嵌入凹槽6内。驱动绳索8的两端分别从凹槽6两端的连接孔伸入后，分别与同一条凹槽6的两个连接滑块7.3相连。最后，绳索驱动装置与弹簧补偿装置7组成一个闭环。

本发明刚柔耦合三转动并联机器人在初始状态时动平台1位于水平位置，弹簧7.2存在预紧力。并联机器人运动开始后，驱动绳索8在电机9驱动绳轮10的作用下发生伸长与缩短变化，以带动动平台1发生偏转。在动平台1偏转过程中，弹簧7.2被动伸缩以补偿驱动绳索8在运动过程中长度不足，以避免驱动绳索8虚牵造成动平台1运动失效。

本发明通过三个绳索驱动装置分别驱动三组驱动绳索8控制动平台1三维转动。本发明特别增加了弹簧补偿装置7，其作用可防止因驱动绳索8长度不足造成动平台1运动受限而卡死，由于动平台1三个方向的转动存在相互耦合，所以驱动绳索8的两端并不完全遵循等量伸长或者等量缩短，本发明增加弹簧补偿装置7保证动平台1在运动过程中驱动绳索8始终处于拉紧状态，避免驱动绳索8虚牵造成动平台1运动失效。在工作过程中，本发明的绳索驱动装置、弹簧补偿装置7和中心定长支链3构成刚柔耦合的机械系统，因此，该并联机器人使得动平台1绕三个方向转动时具有柔性好、惯性小以及减小振动与冲击的优点，从而实现并联机器人的稳定定位。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种刚柔耦合三转动并联机器人，其特征在于：包括动平台、静平台、中心定长支链、三个带有驱动绳索的绳索驱动装置、用于防止驱动绳索长度不足使得动平台运动受限制的弹簧补偿装置以及若干个铰接件；所述中心定长支链一端与静平台固定连接，另一端与动平台铰接；所述动平台开设有三个凹槽，弹簧补偿装置设置在凹槽内，铰接件设置在动平台底部并与凹槽的两个端部对应；所述弹簧补偿装置的数量与绳索驱动装置的数量相等，绳索驱动装置设置在静平台上；每个绳索驱动装置中，所述驱动绳索的两端分别穿过铰接件与弹簧补偿装置的两端连接，使得驱动绳索与弹簧补偿装置组成一个闭环结构，实现三个绳索驱动装置分别驱动三组驱动绳索控制动平台转动；

所述弹簧补偿装置包括圆筒滑块、弹簧和两个连接滑块；所述弹簧穿设在圆筒滑块内，并且弹簧的两端分别与两个连接滑块连接；两个所述连接滑块嵌入设置在凹槽内，且两个连接滑块远离弹簧的一端分别与驱动绳索的两端连接。

2.根据权利要求1所述的刚柔耦合三转动并联机器人，其特征在于：所述绳索驱动装置位于凹槽一端端部的正下方；在动平台位于水平位置时，每组驱动绳索中，与弹簧补偿装置的一端连接的部分是垂直状态，与弹簧补偿装置的另一端连接的部分是倾斜状态。

3.根据权利要求2所述的刚柔耦合三转动并联机器人，其特征在于：每个所述绳索驱动装置还包括设置在静平台上的电机和绳轮；所述绳轮与电机连接，并位于凹槽一端端部的正下方；所述驱动绳索通过绳轮与电机连接。

4.根据权利要求2所述的刚柔耦合三转动并联机器人，其特征在于：所述中心定长支链位于静平台的中部；三个绳索驱动装置围绕中心定长支链设置，并均匀分布在静平台上。

5.根据权利要求1所述的刚柔耦合三转动并联机器人，其特征在于：每个所述凹槽的两端均开设有连接孔；所述驱动绳索的两端分别依次穿过铰接件和连接孔，与弹簧补偿装置的两端连接。

6.根据权利要求1所述的刚柔耦合三转动并联机器人，其特征在于：三条凹槽相互交叉布设在动平台端面，并呈等边三角形布设。

7.根据权利要求1所述的刚柔耦合三转动并联机器人，其特征在于：所述铰接件为虎克铰。

8.根据权利要求1所述的刚柔耦合三转动并联机器人，其特征在于：所述弹簧补偿装置还包括用于固定圆筒滑块的防脱支架；所述防脱支架由安装部和限位部连接组成；所述安装部与动平台连接；所述限位部与圆筒滑块卡设连接实现圆筒滑块的限位。

9.根据权利要求8所述的刚柔耦合三转动并联机器人，其特征在于：所述限位部与圆筒滑块卡设连接实现圆筒滑块的限位是指：所述圆筒滑块设置有限位块，防脱支架的限位部开设有限位槽；安装在动平台的防脱支架通过限位槽与限位块卡设连接，实现对圆筒滑块限位。

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